maxon Story

醫療用復健外骨骼

實現的目標是提供一種智慧化數據驅動的治療法，用於治療神經與肌肉骨髂運動損害。

Harmonic Bionics 的主要目標，是針對神經和肌肉骨骼運動損害醫療領域，設計出能夠使用數據驅動治療記錄的智慧技術來為病患和照護人員提供更多協助。出於此目標，這家公司負責全面設計和組裝其 Harmony SHR™ 雙側上肢外骨骼。

透過早期介入、機能重複和意圖治療，Harmony SHR 讓使用者能夠改善上半身復健的效率和有效性。該公司的旗艦產品 Harmony SHR 旨在為三個實踐領域提供獨特價值：神經科學與運動科學研究、運動障礙評估和復健。Harmonic Bionics 選擇採用商用現貨（COTS）元件，目的在於簡化產品設計成本。他們依據各種機器人執行器的不同需求來整合這些元件。這家公司確實不得不在設計階段做出些許權衡，有時候必須例如在執行器尺寸和負載能力／重量之間，或是在最大轉矩和轉矩敏感度之間作出取捨。最終產品足以輔助身體訓練，同時又不會因過於沉重或累贅而難以使用。

在典型的機械手臂應用中，人必須與機械手臂隔開，以避免機器人在移動時傷害到人。市面上大多數機械手臂的設計都無法與人安全互動——它們在執行指定任務時，無法偵測到擋到路或在周遭移動的人。出於這個原因，典型的機器人與人們互動時可能非常危險，尤其是在物理治療應用中。這對於 Harmony SHR 來說並不是問題，它被設計成對力敏感，並且受到使用者的力輸入控制，而不是像大多數機械手臂所採用的位置調定點。

圖 1：對於復健來說，精確度並不那麼重要，尤其是在練習時。

為了能協助病患練習，更重要的是機器人應對病患施加正確的力量，而不是將他們精確定位（見圖 1）。機器人的設計考慮到了合規性，因此即使對機器人施加很小的力量，也會使機器人移開、減速或是完全停止。這項特性使得機器外骨骼特別安全，無論是在外骨骼裡面的穿戴者或是周圍的人。

圖 2：maxon 強大的小型 ESCON 控制器為 Harmony SHR 提供額外優勢。

為了獲得這種力敏感性，必須重新設計傳統的機器人執行器。Harmonic Bionics 開發出一款擁有專利的機器人執行器，採用以機械方式隔離所有外界負載的測力器。這使得每個測力器都只能感測到機器人裝有該感測器的關節所施加的力量，而不會感測到其他關節的施力，因此測力器能發揮最精確的測力敏感度。maxon 出品的 ESCON 控制器尺寸小巧精實，易於電氣和實體整合（見圖 2）。我們也發現軟體相當易於使用。馬達具備資訊明確的規格表，因此易於整合。我們幾乎不用修改我們的馬達選擇，因為有了規格表的輔助，我們在第一次就選了正確的馬達。

Harmony SHR 外骨骼有兩種執行器選擇，一種是具有轉矩和角度感應輸出的旋轉執行器，用來輔助病患的動作，另一種則是線性執行器，可提供位置反饋，用來調整機器人尺寸以配合病患。外骨骼的設計旨在針對患者的行動能力提供客觀的評估。這套系統包含超過 80 個感應器，每秒可記錄 2,000 次測量結果，因此能夠精確測量多個參數，包括運動範圍、產生的力量以及重複次數。

運動系統中應用了多顆由 maxon 設計與製作的馬達。maxon 可提供能滿足這套系統眾多獨特要求的產品。例如，EC flat 盤式馬達能為可裝入外骨骼有限空間內的小型套組提供所需的高轉矩輸出（見圖 3）。盤式馬達也可以搭配角度感應器供貨。

圖 3：maxon EC 60 flat 盤式馬達以精實套組提供高轉矩。

系統採用了一顆 EC 60 flat 盤式馬達，因為其外徑與諧波驅動裝置相近，並且軸向尺寸非常小巧精實。maxon EC 60 DC flat 盤式馬達的軸被連接至一個尺寸 17 的諧波驅動裝置的造波機上，該驅動裝置因小巧的徑向尺寸和高轉矩能力受到選用。諧波驅動齒輪減速機提供了高減速性能、齒隙小，且具有公司設計所需的轉矩能力。

maxon 馬達的定子安裝在諧波驅動裝置的剛性齒輪上。諧波驅動裝置的彈性齒輪則連接至一根由交叉滾珠軸承支承的輸出軸，可以支承所有非執行器轉矩輸出的負載。由於交叉滾珠軸承負責支承其他負載，因此負載感應器唯一需要承受的只有負載感應器的轉矩輸出。

maxon 馬達、輸出軸和諧波驅動裝置的組合可以在交叉珠軸承裡自由旋轉。諧波驅動裝置的剛性齒輪和 maxon 馬達的定子上安裝有一個托架。托架上又安裝有一個負載感應器，因此負載感應器可以測量組件整體的輸出轉矩。

諧波驅動裝置與 maxon 馬達軸是否對齊，這對於執行器的使用壽命有重大影響。即使只是輕微偏斜，都會導致機組過早磨損或故障。因此，在製作機製元件時會使其平行度保持在大約 20 微米以內，同心度則保持在大約 30 微米以內，從而使剛性齒輪與 maxon 馬達對齊。執行器在機器人內部的總佔用面積大約為直徑 80 mm，長度 90 mm。每個執行器裡的機製元件都採用多種抗疲勞鋁合金製成，受壓特別高之處更運用了 5 級鈦金屬。

整個執行器的輸出轉矩大約為 30 Nm，輸出峰值超過 100 Nm。執行器連接至一個極為敏感的測力器，其解析度低於 10 mNm。每個執行器的預期使用壽命都超過 3 百萬轉。

結論

Harmony SHR 中採用的執行器是一個設計成熟的產品，預計未來幾乎不需改良。依據該公司的說法，他們不太可能在未來的修改中改變任何 COTS 組件，尤其是 maxon 的組件。maxon DC 馬達易於客製化定製，加上該公司提供的是可用於旋轉執行器中低齒隙齒輪減速機的版本，以及小直徑有刷 DC 馬達搭配行星式減速機的組合，以構成精實小巧的旋轉執行器。該公司的導桿齒輸減速機也可以用於線性執行器應用中。這一切都表明 maxon 能夠提供所有應用所需的馬達和控制器，成為 Harmonic Bionics 的可靠單一供應商。