maxon Story

Medisch exoskelet voor rehabilitatie

Onderwerpen

Het doel was om een intelligente, datagestuurde behandelingstherapie aan te kunnen bieden voor neurologische en musculoskeletale bewegingsstoornissen.

Het hoofddoel van Harmonic Bionics is om patiënten en zorgverleners te ondersteunen met intelligente technologie die een datagestuurd behandelingsprotocol mogelijk maakt bij neurologische en musculoskeletale bewegingsstoornissen. Het bedrijf was verantwoordelijk voor het complete ontwerp en de montage van hun Harmony SHR™ bilaterale exoskelet voor de bovenste ledematen.

Door vroegtijdige interventie, functionele herhaling en intentie-gebaseerde behandeling mogelijk te maken, biedt Harmony SHR gebruikers de mogelijkheid om de efficiëntie en effectiviteit van de rehabilitatie van het bovenlichaam te verbeteren. De Harmony SHR, het paradepaard van het bedrijf, is ontworpen om aan drie praktijkgebieden een unieke bijdrage te leveren: neurowetenschappelijk en bewegingswetenschappelijk onderzoek, beoordeling van bewegingsstoornissen en rehabilitatie. Voor hun verschillende robotactuatoren heeft Harmonic Bionics voor commercieel kant-en-klaarcomponenten gekozen. De reden was versimpeling van het productontwerp. Daarnaast konden zo aan alle indivividuele eisen van elke actuator worden voldaan. Het bedrijf moest in de ontwerpfase af en toe kleine afwegingen maken, bijvoorbeeld tussen actuatorgrootte en belastingscapaciteit/gewicht, en tussen maximumkoppel en koppelgevoeligheid. Het eindproduct is sterk genoeg om bij fysische oefeningen te assisteren en is tegelijkertijd niet te zwaar of onhandig in het gebruik.

Normaal gesproken moeten mensen bij robotarmtoepassingen bij robotarmen uit de buurt blijven, zodat de robot de persoon niet kan verwonden terwijl hij beweegt. De meeste robotarmen op de markt zijn niet geschikt voor een veilige interactie met mensen – ze kunnen tijdens hun bewegingen geen personen herkennen of mensen uitwijken tijdens het uitvoeren van een geprogrammeerde taak. Hierdoor kunnen normale robots zeer gevaarlijk zijn voor interactie met een persoon, met name bij fysiotherapiebehandelingen. De Harmony SHR heeft dit probleem niet. Hij is krachtgevoelig en hij wordt bestuurd door krachtinvoer van de gebruikers in plaats van door de ingestelde positiewaarden, zoals dit bij de meeste robotarmen het geval is.

Afbeelding 1: Nauwkeurig positioneren is minder belangrijk voor rehabilitatie, met name bij oefeningen.

Om patiënten bij hun oefeningen te assisteren is het belangrijker dat de robot de exacte kracht op de patiënt uitoefent dan dat hij hem exact positioneert (zie afbeelding 1). De robot is zo ontworpen dat zelfs kleine krachten die op de robot worden uitgeoefend ervoor kunnen zorgen dat de robot uitwijkt, vertraagt of helemaal stopt. Deze eigenschap maakt de robot-exoskelet extreem veilig om bij in de buurt te zijn.

Afbeelding 2: maxon voegt met de ESCON controller een compacte en krachtige component toe aan het Harmony SHR exoskelet.

Door deze krachtgevoeligheid was een nieuw ontwerp nodig voor typische robotactuatoren. Harmonic Bionics heeft een gepatenteerde robotactuator ontwikkeld, die gebruik maakt van een laadcel die mechanisch geïsoleerd is van externe lasten. Het resultaat is dat elke laadcel uitsluitend de kracht kan waarnemen die wordt uitgeoefend door het gewricht van de robot waarin hij is gebouwd, terwijl hij geïsoleerd is van de krachten die op andere gewrichten worden uitgeoefend. Hierdoor wordt de sensornauwkeurigheid van de laadcel gemaximaliseerd. ESCON controllers, geproduceerd door maxon, waren compact en eenvoudig te integreren, zowel elektrisch als fysisch (zie afbeelding 2). We merkten dat de software eenvoudig te gebruiken was. De motoren hadden informatieve gegevensinformatiebladen waardoor we ze eenvoudig konden integreren. We moesten onze motorkeuze zelden herzien, omdat de gegevensinformatiebladen ons van begin af aan hielpen de juiste keuze te maken.

Actuatoren die in het Harmony SHR exoskelet worden gebruikt zijn roterende actuatoren met koppel- en hoeksensoruitgang voor het assisteren van bewegingen van de patiënt, of lineaire actuatoren met positiefeedback voor het aanpassen van de grootte van de robot aan een patiënt. Het exoskelet is ontworpen voor een objectieve beoordeling van de bewegingsmogelijkheden van een patiënt. Het systeem bevat meer dan 80 sensoren die 2000 keer per seconde een meting registreren, waardoor het mogelijk is om nauwkeurig meerdere parameters te meten, waaronder bewegingsbereik, krachtgeneratie en aantal herhalingen.

Het bewegingssysteem maakt gebruik van meerdere motoren die zijn ontworpen en geproduceerd door maxon. maxon kon motoren leveren die aan een groot aantal unieke vereisten van het systeem voldoen. EC Flat motoren leverden bijvoorbeeld een hoog uitgangskoppel in een compact formaat dat paste bij het compacte formaat van het exoskelet (zie afbeelding 3). De platte motoren konden ook met hoeksensoren worden geleverd.

Afbeelding 3: maxon EC 60 Flat motor levert hoog koppel in een compact formaat.

Er werd voor een EC 60 Flat motor gekozen omdat de buitendiameter vergelijkbaar was met die van de harmonische aandrijving en omdat ze axiaal compact zijn. De as van een maxon EC 60 DC Flat motor is op een golfgenerator aangesloten van een harmonische aandrijving, grootte 17, die werd gekozen vanwege de compacte axiale maat en de hoge koppelcapaciteit. Harmonische tandwielreductoren boden de hoge reducties, lage speling en hoge koppelcapaciteit die het bedrijf voor het ontwerp nodig had.

De stator van de maxon motor is op de circulaire vertanding van de harmonische aandrijving gemonteerd. De flex-vertanding van de harmonische aandrijving is op een uitgaande as gemonteerd, ondersteund door een gekruist rollager. De as ondersteuntalle lasten die niet de koppeluitgang van de actuator zijn. Omdat het gekruiste rollager alle andere lasten ondersteunt, is de enige last die op de lastsensor werkt de koppeluitgang van de lastsensor.

De maxon motor, uitgaande as en harmonische aandrijfeenheid kunnen vrij draaien in het gekruiste rollager. Een beugel is aan de circulaire vertanding van de harmonische aandrijving en aan de stator van de maxon motor bevestigd. Een lastsensor is bevestigd aan de beugel, zodat het uitgangskoppel van de totale eenheid door de lastsensor kan worden gemeten.

De uitlijning van de harmonische aandrijving met de as van de maxon motor is cruciaal voor de levensduur van de actuator. Zelfs een kleine afwijking van de uitlijning kan tot slijtage of een defect van het mechanisme zorgen. Daarom worden de componenten zodanig geproduceerd dat ze een tolerantie van ca. 20 micron hebben, terwijl de concentriciteit binnen ca. 30 micron wordt gehandhaafd om de circulaire vertanding met de maxon motor uit te lijnen. De totale voetafdruk van de actuatoren in de robot is ongeveer 80 mm (diameter) en 90 mm (lengte). De bewerkte componenten die in elke actuator worden gebruikt zijn gemaakt van verschillende vermoeidheidsbestendige aluminiumlegeringen en klasse 5 titanium waar de spanningen hoog zijn.

Het uitgangskoppel van de totale actuator is ca. 30 Nm en de actuator kan meer dan 100 Nm piekvermogen leveren. De actuator is op een extreem gevoelige laadcel bevestigd, die een resolutie van minder dan 10 mNm heeft. Elke actuator is ontworpen voor een levensduur van meer dan 3 miljoen omwentelingen.

Conclusie

De actuatormodellen die in de Harmony SHR worden gebruikt zijn uitgerijpt en vereisen naar verwachting weinig verbeteringen in de toekomst. Volgens het bedrijf is het onwaarschijnlijk dat ze commercieel kant-en-klaarcomponenten bij toekomstige revisies zullen uitwisselen. Vooral geen maxon componenten. De maxon DC motoren waren eenvoudig aan te passen. Daarnaast bood het bedrijf versies met weinig speling van reductorenvoor gebruik in roterende actuatoren, alsmede combinaties van gelijkstroommotoren + planetaire overbrengingen met kleine een diameter voor het creëren van compacte roterende actuatoren. De hoofdoverbrengingen waren ook verkrijgbaar voor gebruik in lineaire actuatortoepassingen. Dit alles wil zeggen dat maxon alle motoren en controllers kon leveren die nodig waren voor de toepassingen, waardoor Harmonic Bionics met een betrouwbare leverancier kon samenwerken.