maxon Story
如何設計一套外骨骼


一副外骨骼必須輕盈、精實、強大、可靠且易於使用——還有什麼比這更容易嗎?世界各地的許多研發人員都涉足這一門科學,並取得了不同程度的成功。Christian Bermes,VariLeg enhanced 公司的團隊負責人為這一切做出歸結。
機械裝置
「模擬人類步伐的機電系統是工程學上的一大挑戰。這個用來支撐人體的結構必須非常堅固且越輕越好,因為每多出一公斤重量,都會對驅動系統造成影響。出於這個原因,經常採用輕量化材料,例如碳纖維。另一個重點是,外骨骼不能太寬,因為使用者必須能毫無困難地通過任何門。」
驅動模組
「由馬達和減速機組成的驅動系統必須提供高轉矩。系統作用力非常大,尤其是在上下樓梯時。同時也必須高度動態,因為由於行走的動作,馬達必須不斷地改變旋轉方向。願望清單上的最後一項是,佔用空間越小越好的精簡設計。」
使用者介面
「穿戴者必須能完全控制他們的動作,因此運動控制裝置的設計必須使用直覺化且易於觸及。此外,為了確保介面能夠可靠地傳送大量作用力,並且也要保護穿戴者的敏感肌膚,必須依照實際穿戴者的腿部和軀幹來進行調整。」
實際操作與經驗
「對於最重要的是哪一點,有很多爭議。一套外骨骼實際上運作得如何,主要取決於使用者,他們必須習慣機器人的輔助,並學習如何讓其發揮最大功效。有些人依賴力量,有些人則以技巧為主。無論是什麼方式,都必須經過大量訓練。」
自由度
「應該有幾個自由度?這是一個很微妙的問題。外骨骼的設計師通常選擇賦予每條腿兩個自由度,也就是只有臀部和膝部能夠活動。這樣的好處是:重量較輕、控制系統簡單,也因此較少故障來源。然而,還是有可能獲得三或四個自由度。這表示,您可以進行例如側向運動,甚至還可以移動腳踝。這不僅賦予了使用者額外的運動自由度,也讓他們在不平坦的地面上能更穩定地行走。另一方面,這也使得整套系統更沉重和複雜,同時也會縮短電池壽命。」
軟體
「乍看之下,控制較少的自由度似乎很簡單。然而,在深入瞭解細節後,會發現執行起來非常複雜。因為必須控制許多不同的動作,並且必須透過安全功能來防止發生意外。此外,整個外骨骼必須與穿戴者共同合作開發。這只能透過切實的軟體架構來完成。」
Christian Bermes 是 VariLeg enhanced 公司的團隊負責人和瑞士拉珀斯維爾科技大學自動化與機電工程系的教授。
新的 VariLeg 外骨骼採用性能高出兩倍的馬達
VariLeg enhanced 團隊正在為 2020 年 Cybathlon 人造人大賽開發和製作一套外骨骼。不過,正在進行中的專案與 2016 年參賽的蘇黎世聯邦理工學院的 VariLeg 團隊並無多大關聯。目前的外骨骼是一個由學生所開發的專案。一個由蘇黎世聯邦理工學院和拉珀斯維爾科技大學所組成的團隊目前正努力完成這套機器人系統。這套系統有兩個自由度。每條腿採用兩顆 maxon 無刷盤式馬達來移動臀部和膝部。這些馬達可以提供高達 600 W 的功率。
Otto Ineichen,maxon 醫療領域業務開發部門:「最重要的是,外骨骼的驅動裝置必須非常輕。維持低整體高度也很重要。然而,同時還必須擁有高功率密度和高動態,因為馬達必須不斷地快速改變旋轉方向。在 maxon,我們目前正在開發一個新的馬達產品平台,專門為因應機器人市場的需求所設計。這些新的驅動模組是基於 EC-i frameless 無框設計。視實際應用與需求,它們可以搭配合適的減速器使用。」