EN Новости приводной техники
и промышленной автоматизации
Всероссийский инженерный портал

Интеллектуальное протезирование повышает мобильность за счёт миниатюрного управления движением

Протезы ног повышают мобильность людей с ампутированными конечностями, но стандартные протезы пассивны, что означает, что они не могут обеспечить необходимую обратную связь для улучшения двигательных навыков, включая равновесие. Именно микропроцессоры в сочетании с технологией миниатюрного управления движением обеспечивают динамическое управление протезом, помогая имитировать рефлекторный цикл человека и улучшать цикл походки пользователя.

Для людей с ампутированными нижними конечностями протезирование может быть эффективным способом восстановления подвижности. Современные протезы ног изготавливаются из лёгких материалов, которые облегчают ходьбу, а некоторым даже позволяют заниматься бегом. Несмотря на эти достижения, большинство протезов ног не позволяют их владельцам двигаться в соответствии с принятым с медицинской точки зрения нормальным режимом ходьбы, известным как цикл походки. Это может привести к нарушению равновесия, особенно при ходьбе по неровной поверхности или уклонам, а также к потере способности быстро реагировать на изменения скорости или направления.

Активное протезирование, имитирующее цикл ходьбы

Следуя стандартному циклу ходьбы, сигнал проходит от головного мозга к спинному мозгу, а затем - к нервам и мышцам. Примерно двадцать раз в секунду рефлекторные циклические cигналы между мышцами, нервами и мозгом взаимодействуют для управления необходимыми двигательными навыками. Стандартные протезы не в состоянии заменить этот замкнутый рефлекторный контур, поэтому пассивные протезы конечностей создают менее естественные ощущения для пользователя, что обычно приводит к менее эффективной мобильности.

Теперь протезы имеют активную функцию, которая более точно имитирует естественный цикл ходьбы. Датчики, размещённые в колене и/или лодыжке, подключены к микропроцессору, встроенному в протез ноги. Это создаёт замкнутый контур обратной связи с различными условными входами, используемыми микропроцессором для управления встроенной гидравликой, которая заменяет некоторые двигательные функции человека.

Результатом является более естественная и эффективная реакция. Владельцы активных протезов ног сообщают об увеличении подвижности, равновесия и более естественной походке, а также о восстановлении других навыков, таких как ходьба задом наперёд.

Технология миниатюрных двигателей постоянного тока

Активные протезы ног опираются на гидравлические амортизаторы на протяжении всего цикла ходьбы. Это включает в себя фазу стойки, когда нога соприкасается с землей, а также фазу замаха. Гидравлическое управление требуется для оптимизации движения и балансировки, особенно в фазе качания, когда движение протезной конечности должно быть замедлено, чтобы выдержать вес и обеспечить движение.

Микропроцессор получает оперативные данные от датчиков угла и давления с высоким разрешением, используя эту информацию для управления гидравлической системой демпфирования. Благодаря высокопроизводительным миниатюрным двигателям постоянного тока усилия пружин системы приводятся в действие в режиме реального времени.

Для максимально точной имитации естественного цикла походки необходим плавный контроль. Поскольку даже незначительные элементы дергающегося зубчатого эффекта, иногда присутствующие в двигателях с железным сердечником, могут препятствовать естественному управлению, вместо этого оптимальным выбором является щёточный двигатель постоянного тока без сердечника с коммутацией из драгоценных металлов. Такая конструкция, как двигатель 13N от Portescap, способна обеспечить плавный, непрерывный крутящий момент 3,3 нм.

Бесшнуровый щеточный двигатель постоянного тока Portescap 13N (слева) в сочетании с планетарным редуктором передач R13 (справа) обеспечивает высокую плотность мощности и эффективность для продления срока службы батареи для активных протезных конечностей.

Преимущества дизайна для реального мира

Малый вес также важен, поскольку его избыток влияет на производительность протеза и делает ношение устройства более утомительным для пользователя. Кроме того, для интеграции в протез и установки прилегающего редуктора требуется небольшой форм-фактор двигателя. Используемый для управления скоростью двигателя редуктор, такой как планетарная конструкция Portescap R13, также сочетается с магнитным энкодером, который обеспечивает обратную связь с данными для управления циклом ходьбы. При диаметре 13 мм двигатель 13N от Portescap на 30% меньше, чем у других моделей, при эквивалентной плотности мощности.

 

Бесшнуровый щёточный двигатель постоянного тока, редуктор и магнитный энкодер создают прочный и компактный узел, который легко помещается в протез.

 

Питание активной протезной системы обеспечивается встроенной батареей, поэтому при длительном использовании эффективность двигателя является ключевой. Бесшнуровые щёточные двигатели постоянного тока работают с низким потреблением тока и исключают возможность потери железа. Как правило, щёточный двигатель постоянного тока без сердечника может работать целый день перед перезарядкой, например, Portescap 13N, который работает с КПД 75%. Использование протеза также означает, что работа двигателя должна быть малошумной, что является ещё одним преимуществом конструкции без сердцевины с гладким подшипниковым узлом.

Будущее развитие

Поскольку активная протезная конечность позволяет её владельцу заниматься более подвижными видами деятельности, устройство также должно быть прочным. Бесшнуровые щёточные двигатели постоянного тока работают в экстремальных условиях холода и жары и достаточно устойчивы, чтобы выдерживать удары и вибрации в самых сложных условиях. Активный протез конечности может работать около 5000 часов, что эквивалентно примерно двум годам.

По мере развития активных технологий, позволяющих улучшить мобильность людей с ампутированными конечностями, производители миниатюрных двигателей, такие как Portescap, работают с разработчиками протезов над созданием индивидуальных решений. Развитие микропроцессорных технологий, наряду с миниатюрными системами управления движением, помогает создать более функциональный мир.

 

Теги

Комментарии
Оставлять комментарии могут только авторизованные пользователи.