Магнитные энкодеры RLS позволяют компании Marsi Bionics создавать экзоскелеты, существенно улучшающие качество жизни пациентов

Исходная информация

Компания Marsi Bionics S.L. — ведущий технологический стартап, базирующийся в Мадриде (Испания). Компания занимается заказным проектированием и созданием медицинских экзоскелетов, которые способны заменить для некоторых пациентов инвалидные коляски.

Миллионы людей страдают от таких тяжелых нервно-мышечных заболеваний, как параплегия (совместный паралич двух конечностей), церебральный паралич и спинальная мышечная атрофия (СМА). Для решения проблем опорно-двигательного аппарата, вызванных такими заболеваниями, необходима неврологическая реабилитация с применением пассивных приспособлений и средств (таких как трости, костыли и ортопедические ходунки). Последние достижения в робототехнике позволили внедрить новые способы реабилитации с применением силовых (активных) роботов-экзоскелетов, которые поддерживают тело пациента и помогают добиться превосходных результатов.

Благодаря экзоскелетам, созданным Marsi Bionics, люди с ограниченными физическими возможностями могут стоять, ходить и совершать другие необходимые действия без посторонней помощи.

Задача

Экзоскелет ATLAS 2030 имеет до шести степеней свободы движения для каждой конечности. Это устройство обеспечивает пациенту возможность садиться, вставать и ходить без посторонней помощи за счет собственных мышечных усилий. Полный экзоскелет включает в себя суставы и конечности с моторизованным приводом, электронную систему управления и систему электропитания.

Проектировщик должен найти компромисс между легкой и компактной конструкцией, с которой мог бы легко обращаться физически слабый пользователь, и роботизированной системой, которая реализована на основе физиологически полноценной биомеханической модели.

Чтобы обеспечить устойчивость при ходьбе, используется механизм поддержания устойчивого положения всей системы «экзоскелет-пользователь», что достигается путем отслеживания референсных значений точки нулевого момента (ТНМ), рассчитываемых на основании требуемого нормированного запаса динамической устойчивости (NDSM). Для поддержания устойчивости контроллер экзоскелета может затем адаптироваться под стиль ходьбы своего носителя, используя хранящиеся в памяти физиологические шаблоны походки.

Для успешной динамической ходьбы требуется точный контроль углов в суставах ног с учетом положения, скорости и ускорения, на основании обратных сигналов от углового энкодера. Это непростая задача, поскольку каждый механический сустав является податливым и включает в себя эластичные элементы, обеспечивающие имитацию и поддержку реальных суставов и мускулов использующего экзоскелет человека.

Альберто Плаза (Alberto Plaza), инженер-исследователь и руководитель проекта MAK в компании Marsi Bionics, так описывает жесткие требования, предъявляемые к используемым в ортопедических экзоскелетах энкодерам:

«Самая сложная задача при разработке экзоскелетов — это обеспечение надежности при получении точных референсных значений углового положения, поскольку они зависят от конкретной конструкции. Это усложняет стандартизацию и сборку устройств.Ранее мы использовали энкодеры PCB собственной разработки, которые были полностью связаны с кинематическими схемами экзоскелетов MAK и ATLAS. Но поскольку электроприводы суставов генерировали магнитные поля рассеяния, способные создавать помехи для работы энкодеров и приводить к неточным показаниям, у нас постоянно возникали проблемы.

Решение

Для экзоскелета ATLAS специалисты Marsi Bionics выбрали энкодер RLS Orbis, а для экзоскелета MAK для коленного сустава — энкодер RLS RM08. Энкодер Orbis представляет собой преобразователь угловых перемещений компонентного уровня, предназначенный для использования в условиях пространственных ограничений. Данный энкодер имеет сквозное отверстие, что позволяет устанавливать его непосредственно на вал электропривода сустава. Энкодер RM08 представляет собой миниатюрный высокоскоростной магнитный преобразователь угловых перемещений. Он имеет отверстие диаметром 8 мм, а степень защиты IP68 позволяет использовать его в жестких условиях эксплуатации.

Оба энкодера отличаются малым весом и объемом, что обеспечивает низкие моменты инерции. Благодаря бесконтактному исполнению и отсутствию трения исключается механический износ, а высокое угловое разрешение и точность обеспечивают превосходные рабочие характеристики сервопривода.

«Нам необходимы энкодеры, которые отвечают нашим критериям производительности при небольшом весе и объеме, поскольку любая конструктивная избыточность может негативно сказаться на мобильности пользователя и затруднить движения при ходьбе», — отмечает г-н Плаза.

Результаты

Магнитные энкодеры RLS позволили специалистам Marsi Bionics спроектировать и создать ортопедические экзоскелеты, способные повысить качество жизни людей, страдающих такими заболеваниями, как СМА, рассеянный склероз и гемиплегия (паралич половины тела) после инсульта. Активные экзоскелеты особенно полезны для детей в возрасте от шести лет, которые не могут передвигаться самостоятельно.

«Крайне важно обеспечить устойчивость движения и точность положения каждого «сустава» устройства. Поэтому данные, полученные от энкодеров, имеют принципиальное значение для создания референсных значений положения. Компании RLS и Renishaw предоставили нам наиболее подходящие для наших целей датчики обратной связи», — резюмирует г-н Плаза.