Az önálló járás képességének visszaszerzése

Mankó nélküli séta – erről álmodoznak az bizonyos neuromuszkuláris rendellenességekkel küzdő emberek.

Az „Autonomyo” exoskeletonnal ez az álom már valóra váltható. Az aktív járássegítő eszköz a legyengült izmokat támogatja, és lehetővé teszi a természetes mozgássort utánzó intuitív mozdulatsort. A pluszerőt hat mikromotor szolgáltatja. Az exoskeleton és annak használója közötti harmonikus interakció elősegítéséhez FAULHABER egy innovatív, minden-az-egyben motort fejlesztett ki nyomatékérzékelővel.

Az orvostudomány több mint 800 különböző neuromuszkuláris rendellenességet különböztet meg. Ahogy a nevük is sugallja, ezek mind az idegekre, mind az izmokra hatnak. Némelyikük az egész testre hatással van, mások csak bizonyos területekre. Bár szerencsére a rendellenességek többsége viszonylag ritkán fordul elő, az érintett betegek közül sokan súlyos mozgáskorlátozottságban szenvednek. Ennek az az oka, hogy annak ellenére, hogy ezeknek a rendellenességeknek sokféle oka van, és sokféleképpen alakulnak ki, egy dolog közös bennük: az izomgyengeség (izomdystrophia), amely sok esetben súlyosbodik.

„Ha az izomgyengeség a lábakban jelentkezik, a járás egyre nehezebbé, míg végül valamiféle támasz nélkül lehetetlenné válik – magyarázta Mohamed Bouri, a svájci lausanne-i műszaki egyetem (EPFL) rehabilitációs és segítő robotikai kutatócsoportjának (REHA Assist) vezetője. – Az izmok még működőképesek, de nem tudnak elegendő erőt kifejteni ahhoz, hogy a betegek stabilan álljanak, vagy önállóan mozgassák a lábukat. Nyilvánvaló, hogy ez óriási hatással van a páciens mozgási képességeire és életminőségére. A hatások hasonlóak a stroke utáni izomerő-csökkenéshez. Célunk az volt, hogy ezeket a korlátokat motoros támogatással a lehető legnagyobb mértékben leküzdjük – továbbra is kihasználva a beteg hozzájárulását a saját mozgásához.”

Könnyűszerkezetes támogató eszköz

A csoport vezetője a már használatban lévő hagyományos exoskeletonokra utalt, amelyek humanoid ihletésű technológián alapulnak. Ezek az eszközök lehetővé teszik a mozgáskorlátozottak számára, hogy mankó nélkül járjanak, de súlyuk a 40 kilogrammot is meghaladja. A REHA Assist által kifejlesztett, mindössze 25 kilogramm súlyú „Autonomyo” ennél sokkal könnyebb és a beteg legyengült, de még részben működő mozgásszervi rendszerével is képes működni.

A készüléket fűző rögzíti a törzs körül, valamint mandzsetta a használó lába körül. Mindkét oldalon három-három motor teszi lehetővé a mozgást azáltal, hogy biztosítja az izmokból hiányzó erőt. Minden esetben egy motor felelős a csípő hajlításáért és nyújtásáért, egy másik motor pedig ugyanezt a térdnél végzi el. A harmadik motor a láb csípőízületi abdukcióját és addukcióját, vagyis a láb a test középvonalától számított oldalirányú mozgását támogatja. A motorok együttesen segítik a pácienst az egyensúly megőrzésében és az egyenes járásban. Egy nemrégiben végzett klinikai vizsgálatban, amelyben járási zavarral küzdő személyek is részt vettek, igazolták az Autonomyo rendeltetésszerű működését. Az exoskeleton megfelelő támogatást nyújtott, miközben lehetővé tette a szabad mozgást, követve a felhasználók szándékait. Az ízületi mozgások tartományát és a járási ütemet nem befolyásolta negatívan.

Visszajelzés a mágneses mérőrendszertől

Rendkívül fontos, hogy az eszköz a felhasználó szándékának megfelelően segítse a járást. „A pozícióváltoztatás kezdeti indítéka – vagyis a járás megkezdése – az alsó végtag helyzetének kismértékű változásában fejeződik ki – magyarázta Mohamed Bouri. – Ezt érzékeljük kombinálva egy tehetetlenségi mérőegység, a talpon lévő nyolc terhelésérzékelő és a motorok ízületi helyzetérzékelőként funkcionáló jeladóik információival. Mindezek az adatok hozzájárulnak az egyensúly elősegítéséhez.” Séta közben döntő jelentőségű az eszköz és a felhasználó közötti interakció. A FAULHABER által kifejlesztett nyomatékérzékelő feladata ennek a kölcsönhatásnak az érzékelése, és ezáltal a segítségnyújtási stratégia pontos végrehajtása.

„A precíz nyomatékérzékelő a motorba történő integrálásának projektje néhány évvel ezelőtt kezdődött, és célja az olyan alkalmazások népszerűsítése, mint a biztonságos ember-robot interakciót lehetővé tevő Cobotics – magyarázta Frank Schwenker, a FAULHABER Előfejlesztési Csoportjának vezetője. – Az Autonomyo először képes megvalósítani a koncepciót egy kihívást jelentő asszisztencia-technológiai alkalmazásban.”

A hagyományos nyomatékérzékelési technológia tágulási szalagokat használ az alkatrészeken, amelyek a kifejtett erő hatására deformálódnak. Felépítésük gyenge pontja az azokat rögzítő ragasztókötés. Az Előfejlesztési Csoport fejlesztői ezeket a szalagokat nagy felbontású mérőrendszerre cserélték. „Ez lehetővé teszi számunkra, hogy a plusz/mínusz 30 newtonméteres mérési tartományban 1,5 százaléknál kisebb eltérést érjünk el – mondta Frank Schwenker. – Az érzékelő ezért nagyon precíz értéket ad a válasznyomatékra a sétáló mozgás során.”

Ez az érték létfontosságú szerepet játszik az Autonomyo exoskeleton vezérlésében, amely természetesen számos más értékkel is számol. „Az eszköz a páciensekhez történő testre szabása a teljes rendszer nagyon differenciált kalibrálását feltételezi – magyarázta Mohamed Bouri. – A különböző paraméterek és a mozgásból származó visszacsatolás felhasználásával a szoftver kiszámítja a vezérlőjeleket a hajtásokhoz. Ezek alapján határozzák meg a motorok által nyújtott segítség típusát és mértékét.”

Hajtásteljesítmény és fejlesztési potenciál

Az egyes készülékekben található hat hajtásegységet a FAULHABER szállítja. Alapelemük a 32 milliméter átmérőjű 3274 BP4 kefe nélküli motor, amely ebben a méretkategóriában a piacon elérhető legnagyobb teljesítményt nyújtja. Az erőt egy 42 GPT bolygókerekes hajtómű továbbítja, amelynek tengelye kifejezetten erre az alkalmazásra készült. Egy mágneses IE3 útadó a pozíció adatokat továbbítja a vezérlőnek. A hajlító/nyújtó mozgásokhoz a négy motor hajtóművébe nyomatékérzékelőket építettek.

A meghajtóegységekkel szemben támasztott követelményeket a csúcskategóriás mikromotorok képesek kielégíteni. Ennél az alkalmazásnál a legfontosabb tulajdonságok a nagy teljesítmény a lehető legkisebb térfogattal és tömeggel, valamint a pontosság, a megbízhatóság és a hosszú élettartam „Nem volt különösebben nehéz megtalálni a megfelelő beszállítót – emlékezett vissza Mohamed Bouri. – A specifikációk meghatározása után a motorválaszték már csak kevés jelöltet hagyott a versenyben. Egyetemünk asztrofizikai karok közötti kutatócsoportja már dolgozott együtt a FAULHABER-rel, így meggyőző ajánlást tudott adni és eleve létezett egy jó kapcsolat. A FAULHABER ráadásul már abban a helyzetben volt, hogy rövid időn belül ki tudta fejleszteni a nyomatékérzékelőt. Ez nagyon fontos volt a projektünk szempontjából.”

Az alkatrész egyelőre nem sorozattermék, és eddig csak az EPFL-hez gyártották kis mennyiségben. Frank Schwenker fejlesztőmérnök azonban sok más alkalmazási területet is el tud képzelni: „A nagy felbontású nyomatékmérés minden tapintási alkalmazásban jelentős hozzáadott értéket jelenthet. Például minden típusú robotos asszisztenciában a műtőben, ahol a sebész irányítja a műszert és a gép szabályozza a teljesítményt és a pontosságot. Az érzékelő védelmi funkciót is elláthat, és a nyomaték korlátozására is használható. Sőt, kiválóan alkalmas a minőségbiztosítás dokumentálási folyamataira minden olyan esetben, amikor rendkívül pontos nyomatékértékeket kell igazolni.”

FAULHABER