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康复机器人市场爆发在即,自由行走离我们还有多远?(上)
导语:尽管康复机器人仍然是一个新兴领域,但随着人口老龄化加速、慢性病蔓延等日趋凸显,康复机器人成了很多人的必需品。随着智能控制等技术的不断发展,功能康复与辅助机器人已经逐步成为临床康复治疗的重要技术手段之一,并催生了一批新型康复机器人系统推向市场,康复机器人市场已经处于爆发的边缘。

尽管康复机器人仍然是一个新兴领域,但随着人口老龄化加速、慢性病蔓延等日趋凸显,康复机器人成了很多人的必需品。随着智能控制等技术的不断发展,功能康复与辅助机器人已经逐步成为临床康复治疗的重要技术手段之一,并催生了一批新型康复机器人系统推向市场,康复机器人市场已经处于爆发的边缘。

到2050年,全球65岁以上的老龄人预计将翻一番,与老龄化相关的帕金森氏病、创伤性脑损伤和中风等疾病和损伤的发生率将随之提高。对于由于这些疾病而失去行动能力的人来说,重新站立行走,甚至是跑步爬山是他们内心最迫切的渴望,那么自由行走离他们究竟还有多远?

我们的大脑可塑性很强,通过重复运动,我们可以重新连接重要的神经元并重新学习运动控制。机器人康复是帮助我们建立新的治疗目标,增强物理治疗师的工作成果,激励患者以及评估结果。机器人康复迫使我们重新评估我们认为恢复和更新的可能性

丰田的新Welwalk系统和Hocoma Lokomat等机器人设备为由神经系统,肌肉或骨骼相关疾病引起的行走障碍患者提供机器人辅助步态治疗。这些机器人外骨骼帮助物理治疗师为严重受损的患者提供更加强烈而一致的治疗。

机器人帮忙处理繁重的工作,物理治疗师可以将精力集中在治疗的其他方面,并对每个人进行微调。机器人辅助治疗还可以减轻治疗师的身体负担,使治疗师可以帮助更多患者,增加治疗的持续时间和强度,并提供可重现的结果。

机器人还可以帮助治疗师激励患者,以便在更短的时间内取得更好的结果。

强有力的电机

目前大部分机器人康复设备的电机都是Maxon Precision Motors制造的,包括Lokomat机器人。机器人膝盖上的每个maxon RE 40电机的直径只有40毫米,可提供150瓦的功率。

Maxon成立于1961年,全球总部位于瑞士SachselnMaxonKarl-Walter Braun博士家族的私人公司。没错,就是那个Braun,最有名的电动剃须刀品牌。

像许多瑞士公司一样,Maxon拥有强大的工程基础,并严重依赖该国深厚的人才库。瑞士人精于制造小而精密的产品,就像他们的传奇腕表技术一样。

中西部地区高级销售工程师Pete van Beek,已经在Maxon工作了24年。 他说电机技术中的“极限功率密度是游戏的名字”,尤其是对于康复机器人这种跟身体密切接触的设备。这意味着电动机必须将大功率整合到一个小包装中。

除了极限功率密度之外,Maxon的电机还以他们轻巧的设计、电池的长寿命高效率、可承受振动和冲击全金属结构、可延长电刷使用寿命的低电感线圈设计、大转速范围以及快速加/减速而闻名。

该公司定期对其电机进行定制修改,以适应特定的应用。因其在解决驱动技术挑战方面的丰富经验,工业界、高校、科研院所以及创业公司常常求助于Maxon

电机由磁体和被称为绕组的线圈铜线组成。 van Beek说,Maxon一直致力于用最高磁通密度的磁体获得最大转矩的电动机。该公司的工程师们发明了创造性的方法,将更多的线圈放入绕组中,并将热量从电机中转移出去。最终,电机散热和在较高的工作温度下运行的能力决定了您可以从电机获得多大的功率。

Van Beek表示,“在外骨骼中,我们往往过度使用这些电机。散热是至关重要的,那会让你从电机中获得更大的转矩和更好的性能。”

Maxon制造两种直流电机,有刷式和无刷式。

很小但很强大

Van Beek表示,该公司的有刷式和圆筒式无刷电机均采用专利的无铁芯绕组,效率高达90%。其区别大概是外骨骼充一次电的续航时间是一个小时还是两到三个小时。

ReWalk外骨骼有四个Maxon电机,分别位于臀部和膝盖。在这个案例中,由于功率密度、效率水平和坚固的设计,选择了无刷直流电机和减速机。变速箱内含陶瓷元件,延长了组件的使用寿命,从而使其更可靠,低维护,功能强大,但体积小巧。

Rex Bionics外骨骼的康复机器人也选择了Maxon的电机。Rex的外骨骼使行动不便的患者可以自行站立,行走和锻炼,或者只需要很少的帮助。十个Maxon电机让肢体运动变得非常平滑。

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在瑞士伯尔尼应用科技大学康复与绩效技术研究所,研究人员利用机器人技术研究卧位骑车的效果,以帮助恢复脊髓损伤患者丧失的运动功能。

您可以在各种康复和个人辅助机器人中找到Maxon电机,从外骨骼和机器人物理治疗设备(用于上肢,手臂和手部康复)到假肢,甚至机器人爬楼梯的轮椅。但是,这些不是标准工业机器人中使用的电机类型。Maxon电机非常小,直径只有465毫米(0.5480瓦)。

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然而,它们只是一个工业臂的大小而已。2016年,Mecademic推出世界上最小的工业机器人。你可以把它放在手掌上的meca500机器人。这个六轴机械臂的重量只有5公斤,但在maxon电机帮助下,达到0.005毫米重复精度。

Maxon电机也出现在了1997年登录火星的第一个火星探测器上,maxon电机驱动火星探测器的轮子以及从火星表面收集样品的探针。

Vets的自适应矫形器

回到地球上,大学的研究人员正在开发新的方法,使用机器人来帮助受伤的退伍军人过上更加积极的生活方式。美国加利福尼亚大学圣地亚哥分校机电与计算机工程助理教授,高级机器人与控制实验室(ARCLab)主任Michael Yip博士正在与美国海军合作,开发适应佩戴者的机器人矫正器和假肢。

Yip表示,“这类矫形器和假肢在某个意义上来说是新的,我们不仅要把功能恢复到一个基础水平,更要达到高性能功能可以做更多的活动如跑步、徒步旅行和跳跃,你会期待一个年轻的成年人参加体育锻炼的类型。”

这个想法是,机器人不再局限于刚性矫形器或假肢。您可以使用机器人来更改设备的行为以适应活动。例如,您可以改变假体的形状或刚度。

Yip解释说:“当你看到一些残奥会运动员时,他们在赛道上使用的假肢是一个非常不同的形状,它提供了不同类型的刚度,有利于跑步。而站立或行走时,他们一般都会感觉不太舒服。”

他继续补充道:“现在,他们身体上必须携带不同的假肢,在不同的活动中进行更换。如果能够改变假肢或矫形器的形状和刚度,确实可以帮助解决某些人在日常工作中可能经历的所有不同类型的活动。”

目前该项目仍处于开发阶段,Yip教授表示无法透露太多的细节,但他表示,矫形器是一种外骨骼,可能包括一个机器人框架在脚踝和膝盖周围。假肢将是一个机器人肢体,可以根据用户的输入进行编程以调整其形状和刚度。佩戴假肢或矫形器的人拥有控制权。

Yip说:“如果你需要爬楼梯,只需调整到爬楼梯模式即可。你爬完楼梯后,你就可以把它恢复到标准水平。”

Yip教授的团队目前正在为巴尔博亚海军医疗中心的退伍军人设计矫形器。通过具有能够适应不同活动的装置,可以减少关节上的负荷,并随之减少通常由仅为一项活动而设计的传统矫形器或假肢所引起的关节炎。

(未完待续)

原创
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