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FAULHABER Benelux B.V.

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直流电机 用于功能性假肢,如肌电手

大部分人只在科幻电影中见过功能性假肢。这些假 肢给人工肢体超人的力量。相较而言,现实中仿生手 假肢并不会使佩戴者成为超人英雄。但这些假肢可以 帮助患者完成大部分人都能进行的正常动作。

直流电机 用于功能性假肢,如肌电手
Bebionic肌电手假肢重400到 600克,与自然手重量相当。 ©Ottobock
直流电机 用于功能性假肢,如肌电手
©Ottobock

直觉动作:

Bebionic肌电手假肢重400到600克,与自然手重 量相当。假肢由人体弱电信号控制。肌肉收缩产生 这些信号,并被皮肤上的电极测得,原理与心脏检 查中的心电图相似。假肢轴上装有两个电极检测肌电 信号,并将这类信号传输给控制电子元件。这些信号 被放大,激活五个小型电机(每台电机对应于一个手 指),从而移动手指,使手掌摊开或握紧。因此肌肉 收缩信号强度可控制抓握的速度和力量:信号弱时, 移动速度慢;信号强时,移动速度快。
控制假肢手摊开或握紧的肌肉,实际上是控制自然 手上手腕移动的肌肉。假肢佩戴者必须了解肌肉的这 种新功能。“人脑的适应能力是超乎想象的。不出多 久,佩戴者就能凭直觉动作,如同驾驶员在想刹车时 踩下刹车一样”,Steeper技术总监Ted Varley如是 说。

直流电机 用于功能性假肢,如肌电手
直流电机 用于功能性假肢,如肌电手

更多电机,更多控制

2 0 世纪8 0 年代, 全球第一只肌电手假肢面 世。这种假肢由单一电机进行驱动,只有一个简 单的握紧机制: 大拇指、食指和中指进行钳式 闭合。无名指和小拇指只有外观功能, 没有握 力。约十年前, 这种理念得到了根本改变。“ 我们认为, 如果假肢灵活性提高, 每根手指 所受到的握力就更小” , T e d V a r l e y 解释说。为进行分别控制,假肢手的每根手指上都装有一台电 机。四台电机装在手掌中,控制大拇指的电机装在大 拇指中。电机集成了编码器,可随时精准地检测手指 的位置。
因为这种分别控制,手指可呈14种不同的抓握 状态。其中一种是钥匙式。大拇指上下移动,其 他四根手指弯曲,可抓握盘子、钥匙或银行卡这 样的扁平的物品等。另一种是勾式,可承受重达 25千克的重物。伸出的食指可使用键盘和遥控。 另一种是大力抓握式。大拇指在反向位置,其他四个 手指闭合,直到遇到阻力为止。这种形式可抓握形状 不规则的物品,例如酒杯。“这要比钳式抓握自然得 多。如果五根手指都用上会更为稳定”,Varley强调 说。

直流电机 用于功能性假肢,如肌电手
每根手指由其独立的 电机进行驱动。 ©Ottobock

自尊感的提升

仿真手为日常活动带来便利。“实际上,假肢让很 多微不足道的小事情变得更简单。总体说来,假肢能 够明显提高生活质量”,Ted Varley解释道。假肢还 具有心理效应:“很多用户反馈说,装上Bebionic假 肢后,他们感受到了其他人对它的兴趣,这让他们有 自我价值感。”
因此,假肢的外观设计也非常重要。“开发第三 代Bebionic产品时,我们采用了不同寻常的方法:我 们首先设计出假肢的外壳,然后研究如何将单个部 件装入这个外壳中”,Varley说。“五年前是无法实 现小型假肢手的。那时技术还不足够先进。”2013 年,Steeper公司于找到FAULHABER商谈合作,那是 用于该项目1024 SR系列直流微电机仍处于研发阶段。双方的项目团队同时加快了电机系列产品和假肢 手的研发。STEEPER和FAULHABER开发团队在英 国和瑞士定期召开讨论会。会议的中介方,也即 FAULHABER公司在英国的独家销售伙伴Electro M e c h a n i c a l S y s t e m s ( E M S ) 也参与了讨论。深入合作,前所未有的电机功率体积比以及定制 化拇指驱动器, 为紧密合作画上圆满的句号。

直流电机 用于功能性假肢,如肌电手
©Ottobock

性能标杆

1024 SR系列直流微电机上是同等产品内质量最 好的,也是市场中同等体积电机中功率最大的。电 机直径10毫米,长度24毫米,堵转转矩4.6 mNm。其转速/扭矩曲线较为平缓,因此能在整个转速范围 内提供恒定的高扭矩。该电机的强大性能是通过新线 圈设计实现的。该线圈中铜金属含量比上一代产品增 加了60%,并配备了一块强大的稀土磁铁。为降低运 行噪音,假肢手使用了定制的10/1系列行星减速机。“开发一款可整合到拇指内的线性驱动系统是一个 很大的挑战”,FAULHABER微电机部的销售工程师 Tiziano Bordonzotti说道。FAULHABER子公司Micro Precision Systems (MPS)生产的高精度四点轴承,使 制成的驱动系统长度显著小于竞争对手产品。四点轴 承非常独特,即便与另一轴承系统相比该轴承的尺寸 更小,但仍能承受假肢应用中的大轴向力。。整个拇 指驱动系统可承受高达300 N的轴向力,而其总长小 于49毫米。
T e d V a r l e y 对合作研发成果感到非常振 奋:“Bebionic假肢手的S尺寸是市场中最实用的假 肢手尺寸。如果没有FAULHABER项目团队的密切合 作,该项目无法成功。”

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FAULHABER SR

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