Hod bez štaka – to je nešto o čemu lica sa određenim neuromuskulatornim poremećajima sanjaju.
S egzoskeletom „Autonomyo“, ovaj san se sada može pretvoriti u stvarnost. Aktivno pomagalo za hodanje podržava oslabljene mišiće i omogućuje intuitivni sled pokreta koji oponaša prirodni sled. Dodatnu snagu daje šest mikromotora. Kako bi se olakšala harmonična interakcija između egzoskeleta i njegovog korisnika, FAULHABER je razvio inovativni sve-u-jednom komponentni motor sa senzorom momenta.
Medicinska nauka razlikuje više od 800 različitih neuromuskulatornih poremećaja. Kao što ime sugeriše, utiču i na živce i na mišiće. Neki deluju na celo telo, dok drugi deluju samo na određena područja. Međutim, na sreću, većina ovih poremećaja je relativno retka. Mnogi oboleli pacijenti pate od značajno ograničene pokretljivosti. To je zato što, iako ovi poremećaji imaju mnogo različitih uzroka i razvijaju se na mnogo različitih načina, svi oni imaju jedno zajedničko: slabost mišića (mišićna distrofija), koja je u mnogim slučajevima progresivna.
„Ako do slabosti mišića dođe u nogama, hodanje postaje sve teže i na kraju postaje nemoguće bez nečega na što se možete osloniti“, objašnjava Mohamed Buri, voditelj istraživačke grupe za rehabilitaciju i pomoćnu robotiku (REHA Assist) na švajcarskom Tehničkom univerzitetu u Lozani (EPFL). „Mišići su još uvek funkcionalni, ali ne mogu da sakupe dovoljno snage da pacijenti stabilno stoje ili da samostalno pokreću noge. Kao što biste očekivali, to ima veliki uticaj na obim kretanja i kvalitet života pacijenta. Efekti su slični onima kod hemiplegije nakon moždanog udara. Naš je cilj bio prevladati ta ograničenja što je više moguće upotrebom motorizovane potpore — dakle, i dalje iskorišćavajući doprinos pacijenta njegovim vlastitim pokretima.“
Lagana delimična pomoć
Rukovodilac grupe misli na konvencionalne egzoskelete koji se već koriste oslanjajući se na tehnologiju inspirisanu humanoidima. Ti uređaji omogućuju paraplegičarima da hodaju bez štaka, ali su teži od 40 kilograma. Sa samo 25 kilograma, »Autonomyo« koji je razvio REHA Assist znatno je lakši i deluje s pacijentovim oslabljenim, ali još uvek delomično funkcionalnim mišićno-koštanim sistemom.
Uređaj se pričvršćuje steznikom oko trupa i manžetama oko nogu korisnika. Sa svake strane, tri motora omogućavaju kretanje snagom koja nedostaje mišićima. U svakom slučaju, jedan motor je odgovoran za fleksiju i ekstenziju kuka, a drugi motor radi isto za koleno. Treći motor podržava abdukciju i adukciju noge u zglobu kuka – drugim rečima, bočno kretanje noge od centralne linije tela. Motori svi zajedno pomažu pacijentu da održi ravnotežu i hoda uspravno. U nedavno provedenoj kliničkoj studiji koja je uključivala lica sa otežanim hodanjem, Autonomyo je pokazao da radi kako je i predviđeno: egzoskelet je davao oslonac ali i dopuštao slobodu kretanja, prateći namere korisnika. Nisu negativno uticali na raspon pokreta zgloba i kadencu hoda.
Povratne informacije iz magnetskog sistema merenja
Apsolutno je ključno da uređaj pomaže kod hoda u skladu sa namerom korisnika. „Početni okidač za promenu položaja – odnosno početak hodanja – izražava se kao mala promena u položaju donjih ekstremiteta“, objašnjava Mohamed Buri. „Otkrivamo ga kombinacijom informacija iz inercione jedinice za merenje, osam senzora opterećenja na đonovima i enkodera motora koji deluju kao senzori položaja zglobova. Svi ti podaci pridonose pomoći ravnoteže.“ Kod hodanja ključna je interakcija između uređaja i korisnika. Senzor zakretnog momenta koji je razvio FAULHABER je odgovoran da oseti ovu interakciju i tako precizno provede strategiju pomoći.
„Projekat integracije preciznog senzora zakretnog momenta u motor je započeo pre nekoliko godina s ciljem promocije aplikacija kao što je Cobotics za sigurnu interakciju čoveka i robota“, objašnjava Frank Švenker, rukovodilac grupe za napredni inženjering u FAULHABERu. „Sa Autonomyo, prvi put smo u mogućnosti da implementiramo koncept u zahtevnoj aplikaciji asistivne tehnologije.“
Konvencionalna tehnologija za otkrivanje zakretnog momenta koristi ekspanzione trake na komponentama; te se trake deformišu delovanjem sile. Slaba tačka njihove konstrukcije je lepljivi sastav kojom se pričvršćuju. Razvojni programeri u grupi Advanced Engineering zamenili su ove trake mernim sistemom visoke rezolucije. „To nam omogućuje da postignemo odstupanje manje od 1,5 posto u mernom rasponu od plus/minus 30 newton metara“, kaže Frank Švenker. „Senzor zato daje veoma preciznu vrednost za moment odziva u pokretu hodanja.“
Ova vrednost ima vitalnu ulogu u kontroli egzoskeleta Autonomyo, koji je naravno takođe opremljen brojnim drugim vrednostima. „Prilagođavanje uređaja pojedinačnim pacijentima zahteva veoma diferenciranu kalibraciju celog sistema“, objašnjava Mohamed Buri. „Koristeći različite parametre i povratnu informaciju iz pokreta, softver izračunava upravljačke signale za pogone. Vrsta i razina pomoći od strane motora zatim se određuju na temelju tih informacija.“
Pogonska snaga i razvojni potencijal
Šest pogonskih jedinica u svakom uređaju isporučuje FAULHABER. Njihova glavna komponenta je motor bez četkica 3274 BP4 prečnika 32 milimetra. Nudi najveću snagu od svih motora u svojoj klasi dostupnih na tržištu. Njegovu snagu prenosi planetarni prenosnik 42 GPT sa osovinom proizvedenom posebno za ovu primenu. Magnetski IE3 koder isporučuje podatke o položaju upravljaču. Senzor zakretnog momenta integrisan je u glave zupčanika četiri motora za pokrete fleksije/ekstenzije.
FAULHABER BP4 servomotori jednosmerne struje bez četkica
Zahtevi za pogonske jedinice su tipični za vrhunske mikromotore. Velika snaga sa najmanjom mogućom zapreminom i težinom, plus preciznost, pouzdanost i dug životni vek su među najvažnijim svojstvima za ovu primenu. „Nije bilo posebno teško pronaći pravog dobavljača“, priseća se Mohamed Buri. „Kad smo definisali specifikacije, izbor mogućih motora već se sveo na mali broj kandidata. Međufakultetska istraživačka grupa za astrofiziku našeg univerziteta već radi sa FAULHABEROM tako da su dali uverljive preporuke, a dobar odnos je već postojao. U Osim toga, FAULHABER je već bio u poziciji da može razviti senzor zakretnog momenta u kratkom roku. To je bilo vrlo važno za naš projekat.“
Planetarni menjači FAULHABER 42GPT
Komponenta za sada nije serijski proizvod i do sada je proizvedena samo za EPFL u malim količinama. Međutim, razvojni inženjer Frank Švenker može da zamisli mnoga druga područja primene: „Merenje zakretnog momenta visoke rezolucije može dodati značajnu vrednost u svim haptičkim primenama. Na primer, za sve vrste robotske pomoći u operacijskim dvoranama gde hirurg vodi instrument i mašina kontroliše snagu i preciznost. Senzor također može da pruži zaštitnu funkciju i koristiti se za ograničavanje zakretnog momenta. Idealno je adekvatan za procese dokumentovanje u osiguranju kvaliteta u svim slučajevima kada je potrebno pružiti dokaze o iznimno preciznim vrednostima zakretnog momenta.“
Više informacija:
FAULHABER MINIMOTOR SA
Zona Artigianale 8
Madonna del Piano
6980 Croglio
Tel.: +41 (0)91 611 31 00
info@faulhaber.ch
Sa pozadinom u električnom inženjeringu i dugom istorijom rada u stručnim časopisima, on se fokusira na ključnom sadržaju magazina Mehatronika i stoji iza brojnih inicijativa.