职业生涯 新闻处 集团国际采购部
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使用 FAULHABER 无刷电机驱动的医用义足 - Header

失去一条腿或部分下肢的原因各不相同。年轻人通常是因为出生缺陷或意外事故而失去腿部。而老年人失去腿部更多是因为癌症、感染或由糖尿病引起的慢性循环系统疾病。全球有数百万人因失去小腿而生活受影响。从埃及和中国的考古发现来看,人类至少在3000年前就已经开始用假肢来替代失去的身体部位了。就像我们在海盗电影里看到的那样,早期的假腿多是木头和皮革制成的,它们很僵硬,使得佩戴者走路时步态不稳。早期的假腿多是木头和皮革制成,它们很僵硬,使得佩戴者走路时一瘸一拐。

从海盗时代的木腿到如今的高科技矫形设备

与以前相比,假肢经历了巨大变化,现代假肢不再是简单的支撑物,而是集成了关节、智能控制系统和采用先进材料的弹簧元件。这些技术的应用让行走更加自然。一些假肢甚至专为实现最大性能而设计:使如由碳纤维材料制成的假肢,甚至帮助下肢截肢的运动员在短跑比赛中取得了优异成绩。甚至出现了严肃的讨论,是否这些碳纤维结构的强大弹力给截肢运动员相对于“普通”跑步者带来了竞技优势。

运动假肢虽适合快跑,但在站立或进行日常活动时可能较为困难,甚至不适用。因此,为日常生活设计的踝关节假肢与竞技运动中使用的弧形“滑板”截然不同。这些假肢设计上模仿了自然的解剖结构,由小腿部分和足部组成,通过一个关节相连。它们的踝关节是被动的,这意味着假肢在走路时位置稳定,但动作范围有限。

行走时,假肢的足部在抬起之前会被压向小腿方向;离地后,弹性会让假肢的足部回到几乎垂直于地面的原始位置。“但这个位置并不完全符合自然步态中脚的位置。有时假肢的脚尖可能会被地面或小障碍物挂住,”Marcin Dziemianowicz解释道。这位生物力学工程师在2016年在波兰比亚韦斯托克创立了Design Pro Technology,以寻找这类问题的创新解决方案。这家医疗技术公司汇集了工程师、骨科技术人员、医生和设计师组成的多学科团队,共同开发和制造集成最新技术的个性化骨科辅助设备

主动背屈以降低绊倒风险

Design Pro Technology的新产品D-Ankle在行走时通过电机主动转动假肢踝关节,能在每一步中将足部保持在解剖学上的自然位置,这是全球第一款此类产品。在行走过程中,所谓的背屈,即脚部向胫骨弯曲,在脚部摆动阶段起着关键作用。“增加脚尖和地面之间的距离有助于减少绊倒的风险,”Marcin Dziemianowicz解释道。“使用传统的被动假肢时,佩戴者需要通过外摆臀部使腿部做划圈运动或加大抬腿来达到足够的离地距离。使用D-Ankle时就不需要这样的补偿动作了;走路更自然、减少疲劳。”

当足部假肢落在地面上时,其机械装置会在支撑阶段自然地调整角度。D-Ankle是唯一具有脚部主动上翘及蹬地功能的假肢。脚部蹬地离开地面迈出下一步时,电机驱动的跖屈(即关节伸展)动作激活。这种设计不仅使步态更协调,还有助于节省体力。尽管这种人工铰接关节不能像自然踝关节那样进行侧向移动,但假肢中使用的碳纤维弹性材料可以被动地实现这些运动。因此,即使地面不平坦,脚部也能完全贴合地面。

控制器检测步态节奏

假肢内置的控制器通过接收多个传感器的信号来识别步伐周期的不同阶段。步行过程中,电位计测量脚和小腿之间的角度;双侧压力传感器测量脚部落地时的负荷以及在脚部从地面抬起时的压力减少。加速度计单元则监测整体的运动,包括速度、脚部的倾斜角度和行走路径的坡度。

“这个算法会综合分析最近几步的数据,”Marcin Dziemianowicz在讲解操作原理时说。“它根据这些数据来确定行走的节奏和每一步的最佳脚部位置。比如,在上坡时,踝关节比平地行走时弯曲更多,并且蹬地力也会加大,使上坡更容易。下坡时恰好相反,这样才能确保鞋底和地面之间的最佳接触。此外,用户还可以通过智能手机应用调整一些参数,比如蹬地力、压力传感器的灵敏度或步伐周期的长度。”

具有出色耐力的运动型驱动

内置驱动不仅确保控制信号转换为相应动作,核心部件——FAULHABER的BP4系列无刷电机还将动力有效传递到丝杠。这样的设计使电机和丝杠能够双向旋转,从而实现足部的主动背屈和跖屈动作。这种驱动系统的高能效使得假肢在一次电池充电后能够运行长达12小时。同时,电机也能够承受日常使用中产生的高温。

“我们的整体目标是追求高性能和高效率”,Marcin Dziemianowicz回忆说。“电机能够模拟慢跑动作——即每秒三步,或者说三个完整的背屈和跖屈运动周期。此外,这种假肢还能快速改变步速和方向。为了达到这一目的,需要在尽可能小的体积和轻的重量下实现高速度和大转矩。我们试验了多种来自主要电机制造商的驱动方案。在FAULHABER,我们不仅找到了最合适的产品,还获得了出色的技术支持。”

经过广泛而成功的试验阶段后,这款足部假肢将在2023年底上市。这款假肢配有标准适配器,可安装在任何模块化假肢柄上。它的调整由骨科技术人员单独完成,脚跟高度可调,因此D-Ankle也适合穿在女性的高跟鞋中。如果一天结束时电池电量不足,佩戴者仍可像使用传统的被动假肢那样行走。

Marcin Dziemianowicz高兴地说:“通过实现足部的主动运动,我们在模拟自然行走解剖学和改善对截肢者的支持方面取得了重大进步。在体验这款产品并与FAULHABER紧密合作后,我们对于如何将这种紧凑型电机动力应用到其他假肢上有了更多的想法。”

视频

产品

FAULHABER BP4
有最大转矩的高功率电机
连续输出功率范围为133 W至150 W
突出的转矩与重量和尺寸比
高达91 %的极高效率
可选配模拟霍尔传感器,全面适配各 种编码器、减速箱和控制器
适用于动态启停控制
詳細信息

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