假体或假体植入物是一种人工设备,用来替代可能因事故、创伤、疾病或先天性疾病而失去的身体部分。矫形义肢是一种用来替代病人身体缺失部分的人造肢体。它的目的是恢复一定程度的正常功能,从而提供精确的运动和有效的操作。
在过去,一个被截肢的人会被要求使用一个功能有限的钩状假体,并且背负着很大的社会污名。然而,在今天的社会中,一个被截肢的人可以期待一个能复制所有正常手部功能的假肢。
上肢假肢可以分为三类:被动装置、身体动力装置和外供电(肌电)装置。
肌电假体利用肌肉每次收缩时产生的电张力。这种张力可以通过附着在皮肤上的电极从自愿收缩的肌肉中捕获,以控制假肢的运动,如肘关节的屈伸、腕关节的旋前、(旋转)或手指的张开/闭合。这种类型的假肢利用人体残余的神经肌肉系统控制电动假肢手、手腕、肘部或脚的功能。
大多数假肢制造商使用肌电图(electromyography)信号来驱动。1919年,g·施莱辛格(G. Schlesinger)定义了六种基本的抓握方式,如下图所示:
基于这些基本的理解、价格和功能,制造商可以选择适当的机构类型,并确定这些驱动机构所需的电机数量。它可以是全关节臂也可以是半关节臂。在全关节臂中,制造商使用五个电机驱动所有五个手指,以实现多个程度的运动。这为最终用户提供了更好的灵活性,以实现臂的几乎所有主要配置。
在半铰接臂中,单个电机用于驱动两个或三个手指(中指、无名指和小指)。设有用于驱动食指和拇指的单个电机。这有助于降低成本和简化设计。当然,运动的程度是有限制的。日常生活中经常使用的主要动作是这些设计的重点。
一个好的假体的要求
- 功能有效
- 耐用
- 舒适的
- 轻量级
- 维修费用低
- 电池寿命长
- 美观
假肢手的标准运动解决方案
无芯刷直流电机高效、可靠、经济,是义肢的常见解决方案。无核心刷直流电机,其合并变速箱,操作低噪音-一个可以理解的要求,肌电假肢臂用户。对于假手,电机的典型要求是50毫微@ 150转到100毫微@ 50转。一个更轻的电机减少了假肢手的整体重量,并允许用户在单手指驱动设计中以最小的努力独立移动每个手指。无芯刷直流电机的设计也提供了高功率密度。它适合义肢应用的紧凑性和便携性要求。
一些成本较低的肌电半关节手假体制造商使用一个马达来驱动四个单手指。这里,自由度是2;一个用于四指运动,一个用于拇指的手动运动。该设计的典型扭矩要求范围在300毫微@ 1500转和400毫微@ 1000转之间。
为了精确的定位和运动控制,建议在电机和变速箱上使用合适的编码器。集成了齿轮箱和编码器的电机使用户能够更灵活地移动手指来抓握物体。磁性编码器为需要闭环运动反馈的精确定位的假肢应用提供了必要的高度精度。精确的位置需要握住像鸡蛋一样的物体,并具有防止破碎所需的灵活性。
电机和变速箱的选择是应用成功的直接因素。所选择的解决方案应提供足够的扭矩和速度(功率),以确保适当的抓持力和抓持所需的线速度。用于手指驱动的机构类型也应该是电机选择的决定因素。
电机调节(R/K2)是决定电机转速-转矩特性的关键参数。较低的电机调节导致更强大的电机,但重要的是要记住-扭矩(负载)增加,速度下降。电机调节好,转速下降率小。良好的电机调节提供高功率密度,这导致更少的功率损失和更好的效率。
如果说运动调节是电机的一个关键参数,那么效率就是新一代义肢的关键参数。在这里,更小、更轻的电池被认为是高效率的结果是更少的电力损失和电流消耗,增加电池寿命。
电机和变速箱的选择很大程度上取决于扭矩/速度要求和应用的尺寸限制。在上面的图表中,我们将使用一些Portescap直流电机进行比较。从图中可以看出,虽然12G + R13提供的扭矩和速度范围更广,但64比的10N电机+ R10变速箱的斜率几乎与30.2比的12G电机+ R13变速箱相同。这种设计意味着,通过增加尺寸,我们可以增加电机-变速箱复合材料的功率。比64的12G电机+ R10变速箱的斜率更低。因此,它以更高的工作扭矩运行,虽然在较低的速度。
义肢手的综合解决方案
义肢的平均操作需求是这样的:
对于采用丝杠机构的180°传动,电机-齿轮箱复合材料的转矩和转速要求取决于丝杠的类型。启动、引线、螺纹类型)。
通常,需要定制的解决方案来满足特定的应用程序需求。集成设计可以最适合每个应用程序的尺寸和重量限制。优化的设计可以承受特定的轴向力的应用。下面展示了一个集成解决方案原型的示例。
在这个示例原型中,该机构由一个电机组成,使用正齿轮副将旋转运动传递给丝杠。丝杠附着在一个正齿轮上,并将运动传递给活塞,活塞有内螺纹。由于丝杠和活塞之间的螺杆和螺母机构,活塞向前和向后运动。活塞的线性运动产生了手指驱动。
Portescap使用12GS+R10电机-变速箱复合材料的原型在1V电压下进行了测试,该复合材料在空载下提供了7 mm/s的线速度,电流消耗为15 mA。可以通过增加电压来提高线速度。执行器的线性速度取决于用户正在处理的物体的重量。驱动器的空载线速度与无物体的手指的运动有关。更高的线性速度允许用户快速抓取物体。根据计算,该作动器的设计负载为60 n。力和速度取决于电机、变速箱的选择,以及用于直线作动器的丝杠的尺寸。自然,线性执行器的尺寸因应用而异。线性执行器的低电流消耗提供更长的电池寿命。
您还需要考虑是否您的应用程序需要运动反馈解决方案,包括线性驱动器,可以根据所需的输出精确定制,并可以装入驱动器,以便精确控制操作。活塞的线性运动可以用线性电位器或线性磁编码器来控制。
线性电位器的工作原理是计算电路内物体的位移所产生的电阻的变化。它由一个弹簧加载头组成,无需使用放大器就能产生足够的模拟输出。在线性执行器中使用电位器反馈系统的好处是控制器不必跟踪活塞的位置。它提供了活塞在任何给定时刻的绝对位置。它适用于低速要求,成本较低。与磁编码器相比,它提供50%的寿命。
线性磁编码器是一种基于霍尔传感器的编码器,用于探测磁场。传感器内的任何部件之间没有摩擦,因为部件之间没有接触。在线性驱动器中,磁体附着在活塞上,两个霍尔传感器被放置在磁体附近。当磁铁(活塞)移动时,霍尔传感器检测磁场。这会产生一个脉冲,控制器用它来跟踪位置。两个相互偏移的霍尔传感器产生两个重叠的脉冲。重叠的信号决定行进的方向。
对于编码器,即使是轻微的轴不对中也会降低精度并增加迟滞损失。线性磁编码器具有更精确的位置测量,提高了高速应用的可靠性和更长的使用寿命。磁编码器在线性执行器的整个使用寿命内提供一致的信号。它们提供精确增量的位置数据。控制器跟踪位置,提供“home detection”功能,将位置重置到已知状态。
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