【解決方案】Össur奧索動力膝關節

Corné Bekkers,


義肢的未來 - Össur Power Knee

當馬達控制技術成為人體的一部分時,對元件尺寸和控制系統可靠性的要求大大提高。由於整合的 FOC 控制系統組件,第一條帶有兩個活動關節的義肢在短時間內就完成了——正好趕上 2016 年蘇黎世 Cybathlon。



 

失去肢體顯然對一個人的生活品質造成很大打擊。遺憾的是,當今的義肢在複製自然肢體運動功能的能力方面還有很長的路要走。冰島製造商 Össur 是主動義肢技術的市場領導者,目前正在德國製造商 ADI TRINAMIC Motion Control 的整合驅動控制組件的幫助下,開發首款批量生產的假肢,該假肢具有電動膝關節和踝關節。義肢的運動和控制越來越接近天然腿。最大的優點是膝蓋以下的截肢者不再需要重新學習如何走路。

奧索的 POWER KNEE 已經樹立了新標準,成為市場上世界上第一個透過主動馬達模仿自然肌肉活動的義肢膝關節。它很容易為例如在樓梯或斜坡上的向上運動提供必要的動力。

摺衣服、從沙發上站起來或擺好餐桌——對於健康的人來說,這根本不是問題。然而,位於蘇黎世的瑞士聯邦理工學院 (ETH) 希望向世界展示這些日常任務對於身體殘疾的人來說是多麼困難。

儘管目前的義肢與眾所周知的木製「假腿」相去甚遠,但使用它們的人仍然必須重新學習或對日常生活的幾乎各個方面進行重大調整。因此,Cybathlon 主要關注正常日常活動帶來的挑戰。

奧索團隊與 ADI Trinamic 一起,在世界上第一屆 Cybathlon 中正面應對這些挑戰,使用他們的全電動義肢為膝關節和踝關節提供動力。然而,要趕上 Cybathlon 的最後期限,這意味著團隊只有不到半年的時間來開發尖端、緊湊且可靠的驅動控制系統。

   

作為身體部位的運動控制器

例如,即使電動義肢不像起搏器那樣被認為是生命攸關的系統,使用執行器作為身體的一部分也需要高水準的設備耐用性和可靠性。同時,執行器及其控制系統必須適合自然肢體的尺寸。因此,特別是可用於腳踝致動器的空間非常有限。

為了能夠長期更換具有不同等級輔助功能的各種關節,控制系統必須是模組化的。基本設計的變化將適用於不同的電池電壓和功率等級;為此,功能組件,即電機控制、感測器和中央處理器(運行生理運動人工智慧)被設計為單獨的組件,安裝在一個非常小的空間中。

「我們的動力是改善人們的活動能力。這使我們成為世界上唯一一家為膝上截肢者製造電動義肢的公司。擁有 ADI Trinamic 作為電機和運動控制的合作夥伴,使我們能夠走得更遠,使電動肢體更加實用無障礙。” David Langlois(奧索膝蓋技術產品主管)。

 

使用專用斜坡控制器加速開發速度

考慮到這些要求,並以及時為 Cybathlon 開發工作原型為目標,ADI Trinamic 在不到 5 個月的時間內開發了定制的馬達控制系統。這是透過使用 TMC4670 專用控制器元件來實現的,該元件透過取代所有磁場定向控製或向量控制來減輕微處理器的負擔。從而消除了與控制器韌體開發相關的風險以及驗證和測試通常所需的時間。控制參數只需適應馬達和設備應用的獨特要求。

因此,開發可以集中在克服尺寸限制的挑戰上。為了不超過腳的基本幾何形狀,需要將峰值輸出為 500W 的馬達控制器安裝到不超過 65 x 45 mm 的區域。在如此小的空間內管理功耗需要與鋁結構良好的熱連接,因此並行開發了包括主動多層拓撲在內的多種設計,並與功能模型進行了比較。這些實驗最終選擇了一種表面安裝斷路器的設計,該斷路器與外殼具有最佳的熱連接。

「我們對 Cybathlon 感到非常興奮!驅動系統與人體的融合既是 ADI Trinamic 團隊的終極挑戰,也是我們繼續開發技術的動力。奧索作為義肢行業的領先創新者,完美匹配。這種技術也適用於許多其他應用,例如機器人、醫療技術,甚至消費品領域。” Michael Randt(ADI TRINAMIC 運動控制執行長)。

 

使用硬體在環進行驗證

ADI Trinamic 的早期原型在預期的運行負載循環下進行了嚴格的測試,以並行驗證設備的控制系統設計及其專門開發的機械組件。負載循環是根據目前製造的 POWER KNEE II 獲得的經驗建模的,可以在測試實驗室中使用一對由最終產品中使用的兩個馬達組成的設備進行模擬。


 


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