maxon Story

재활 치료를 위한 의료용 외골격

주제 선택

달성한 목표는 신경 및 근골격 운동 장애를 다루기 위한 지능형 데이터 기반 치료 요법을 제공하는 것이었습니다.

Harmonic Bionics의 주요 목표는 지능형 기술을 설계하여 신경 및 근골격 운동 장애를 다룰 때 데이터 기반 치료 프로토콜을 용이하게 하는 기능을 환자와 의료 제공자에게 제공하는 것입니다. 이를 위해 이 회사는 Harmony SHR™ 좌우 상지 외골격의 전체 설계 및 조립을 담당했습니다.

조기 개입, 기능적 반복 및 의도에 기반한 치료를 가능하게 함으로써 Harmony SHR은 사용자가 상체 재활 치료의 효율성과 효과를 개선할 수 있는 기능을 갖도록 합니다. 이 회사의 주력 제품인 Harmony SHR은 신경과학 및 운동과학 연구, 운동장애 평가 및 재활 치료의 세 가지 실천 영역에서 고유한 가치를 제공하도록 설계되었습니다. Harmonic Bionics는 제품의 설계 작업을 단순화하기 위해 각 액추에이터의 요구 사항에 따라 다양한 로봇 액추에이터에 통합할 상용 기성품(COTS)이라는 구성 요소를 선택했습니다. 그리고 설계 단계에서 예를 들어, 액추에이터 크기와 부하 용량/무게, 최대 토크와 토크 민감도 사이에서 때때로 사소한 절충안을 만들어야 했습니다. 최종 제품은 너무 무겁거나 사용하기에 번거롭지 않으면서 신체 운동을 보조할 만큼 충분히 강합니다.

일반적으로 로봇 팔 애플리케이션에서 사람은 로봇이 움직이는 동안 사람을 다치게 하지 않도록 로봇 팔과 분리되어야 합니다. 시장에 나와 있는 대부분의 로봇 팔은 인간과 안전하게 상호 작용하도록 설계되지 않았습니다. 프로그래밍된 작업을 수행하는 동안 경로에 있는 사람을 감지하거나 그 사람을 돌아서 이동할 수 없습니다. 이로 인해 일반적인 로봇은 특히 물리 치료 애플리케이션에서 사람들이 상호 작용하는 데 매우 위험할 수 있습니다. Harmony SHR에서는 이러한 문제가 발생하지 않는 바, 왜냐하면 이 제품은 대부분의 로봇 팔에 일반적인 위치 설정값 대신 사용자의 힘 입력에 의해 제어되고 힘에 민감하도록 설계되었기 때문입니다.

그림 1: 정확도는 특히 운동하는 동안 재활 치료에 그렇게 중요하지 않습니다.

환자의 운동을 돕기 위해서는 로봇이 환자를 정확한 위치에 놓는 것보다 환자에게 정확한 힘을 가하는 것이 훨씬 더 중요합니다(그림 1 참조). 이 로봇은 규정 준수를 염두에 두고 설계되었으므로, 로봇에게 가해지는 힘이 적은 경우에도 경로를 이탈하거나 속도를 늦추거나 또는 완전히 멈출 수 있습니다. 이러한 기능으로 인해 로봇 외골격은 안팎에서 매우 안전해집니다.

그림 2: 맥슨의 ESCON 컨트롤러는 Harmony SHR 외골격에 소형성과 강력함을 추가해 주었습니다.

이러한 힘 감도로 인해 일반적인 로봇 액추에이터에서는 재설계가 필요했습니다. Harmonic Bionics는 외부 하중으로부터 기계적으로 격리된 로드 셀을 사용하는, 특허를 받은 로봇 액추에이터를 개발했습니다. 그 결과, 각각의 로드 셀은 장착된 로봇의 관절에서만 힘을 감지할 수 있고 다른 관절에 가해지는 힘으로부터 격리되어 로드 셀의 감지 정확도를 극대화합니다. 맥슨에서 제조한 ESCON 컨트롤러는 크기가 작고 전기적, 물리적으로 통합하기 쉽습니다(그림 2 참조). 당사 소프트웨어가 사용하기 쉽다는 것을 알았습니다. 모터에는 정보를 제공하는 데이터 시트가 있어 통합이 단순하게 이루어집니다. 데이터 시트가 처음부터 올바른 모터를 결정하는 데 도움이 되었기 때문에 모터 선택을 수정해야 하는 경우는 거의 없었습니다.

Harmony SHR 외골격에 사용되는 액추에이터는 환자의 모션을 지원하는 데 사용되는 토크 및 각도 감지가 출력되는 회전식 액추에이터이거나 환자에 맞게 로봇 크기를 조정하는 데 사용되는 위치 피드백이 있는 선형 액추에이터입니다. 외골격은 환자의 운동 능력을 객관적으로 평가하도록 설계되었습니다. 이 시스템은 초당 2,000회 측정을 기록하는 80개 이상의 센서를 통합하여 모션 범위, 힘 발생 및 반복 횟수를 포함한 여러 매개변수를 정확하게 측정할 수 있습니다.

이러한 모션 시스템은 맥슨에서 설계하고 제조한 모터를 여러 대 사용합니다. 맥슨은 시스템의 고유한 여러 요구를 만족시키는 모터를 공급할 수 있었습니다. 예를 들어, EC 플랫 모터는 외골격의 작은 크기에 맞는 작은 패키지에 필요한 높은 토크 출력을 제공했습니다(그림 3 참조). 플랫 모터는 각도 센서와 함께 제공될 수도 있습니다.

그림 3: 맥슨의 EC 60 플랫 모터는 컴팩트한 패키지에서 높은 토크를 제공합니다.

EC 60 플랫 모터는 외경이 하모닉 드라이브의 외경과 비슷하고 축 방향으로 콤팩트하기 때문에 선택되었습니다. 맥슨 EC 60 DC 플랫 모터에서 샤프트는 컴팩트한 축 크기와 높은 토크 용량을 위해 선택하였던 크기가 17인 하모닉 드라이브의 파형 발전기에 부착되어 있습니다. 하모닉 드라이브 기어 감속기는 이 회사가 설계할 때 필요하였던 높은 감속, 낮은 백래시 및 높은 토크 용량을 제공했습니다.

맥슨의 모터에 장착된 고정자는 하모닉 드라이브의 원형 스플라인에 장착됩니다. 하모닉 드라이브의 플렉스 스플라인은 액추에이터의 토크 출력이 아닌 모든 부하를 지지하는 크로스 롤러 베어링에 의해 지지되는 출력 샤프트에 부착됩니다. 크로스 롤러 베어링은 다른 하중을 지지하기 때문에 하중 센서에 작용하는 유일한 하중은 하중 센서의 토크 출력입니다.

맥슨의 모터, 출력 샤프트, 하모닉 드라이브 어셈블리는 크로스 롤러 베어링에서 자유롭게 회전합니다. 하모닉 드라이브의 원형 스플라인과 맥슨 모터의 고정자에는 브래킷이 부착됩니다. 브래킷에 하중 센서를 부착하여 하중 센서를 통해 조립체 전체의 출력 토크를 측정할 수 있습니다.

맥슨 모터의 샤프트에 맞추어 하모닉 드라이브를 정렬하는 것은 액추에이터의 수명에 매우 중요합니다. 정렬이 약간만 잘못되어도 조기 마모 또는 메커니즘의 고장을 유발할 수 있습니다. 따라서 가공된 부품은 약 20미크론 내에서 평행하게 제작되고 동심도는 약 30미크론 내에서 유지되어 원형 스플라인을 맥슨 모터에 맞추어 정렬합니다. 로봇 내부에서 액추에이터가 차지하는 전체 공간은 직경이 약 80mm이고 길이가 약 90mm입니다. 각 액추에이터에 들어가는 가공 구성 요소는 다양한 내피로성 알루미늄 합금과 응력이 높은 5등급의 티타늄으로 만들어집니다.

전체 액추에이터의 출력 토크는 약 30 Nm이며 액추에이터는 최대 100Nm 이상을 출력할 수 있습니다. 액추에이터는 분해능이 10 mNm 미만인 매우 민감한 로드 셀에 부착됩니다. 각 액추에이터는 3백만 회전 이상의 수명을 갖도록 설계되었습니다.

결론

Harmony SHR에 사용되는 액추에이터는 고급 설계로 제작되었으며 향후 개선이 거의 필요하지 않을 것으로 예상됩니다. 회사에 따르면 향후 개정 중에 COTS 구성 요소, 특히 맥슨의 구성 요소를 변경할 가능성은 거의 없습니다. 맥슨의 DC 모터는 쉽게 맞춤형으로 제작할 수 있었고, 이에 더하여 맥슨은 회전식 액추에이터에 사용할 수 있는 낮은 백래시 버전의 기어 감속기와 작은 직경의 브러시 DC 모터 + 유성 기어박스 조합을 제공하여 컴팩트한 회전식 액추에이터를 만들었습니다. 이 회사의 리드스크류 기어 감속기는 선형 액추에이터 애플리케이션 분야에서도 사용할 수 있었습니다. 즉, 맥슨이 애플리케이션에 필요한 모든 모터와 컨트롤러를 공급할 수 있었고, Harmonic Bionics에 신뢰할 수 있는 단일 공급업체였다는 것을 의미합니다.