作者:Alex Misiti

在医疗、工业和国防领域需求的推动下,动力外骨骼的全球市场预计在2023年达到28亿美元——远远高于2017年的3亿美元。

从改善脊髓损伤患者的活动能力到帮助工厂和建筑工人搬运重物,以及增强士兵在战场上的作战能力,将机器人技术和运动机能学结合在一起所带来的好处变得不容忽视。然而就像几乎所有可穿戴技术或电动设备一样,外骨骼结构存在固有的风险,设计师和工程师们必须要解决这些风险,从而确保用户的健康和安全。

外骨骼结构设计面临的挑战

当电子产品长时间直接与人体接触使用时,很多电子产品固有的安全风险变得更加的重要。对于可穿戴设备,比如耳机或手表,其存在的问题如过热或静电放电等令人担忧。然而用户通常可以在很短的时间内(几秒钟)移开设备,因此几乎不存在造成任何严重伤害的可能性。

外骨骼架构的情况并不总是如此,因为它们通常安全地附着在或完全封装在身体的某一部分,比如胳膊、腿等。在这些情况下当故障导致过热或短路时,例如用户可能无法快速脱离系统,从而增加了受伤的机会。

此外由于很多外骨骼结构使用高扭矩伺服电机为运动提供足够的力量,充足的动力源是至关重要的。锂离子电池(Li-ion)是一些小型化外骨骼结构的选择,它们不需要很大的驱动力。然而很多情况(尤其是在工业应用中)外骨骼结构必须连接到外部出口并固定好。这种连接不可避免的将用户暴露在高电流情况下,无疑会带来触电的风险。

电、热以及生物相互兼容性测试

电子设备与皮肤接触温度不应该超过37℃,这是人体的核心温度。超过这个温度会给用户带来不舒服的感觉,严重的情况下可能还会引发灼伤。因此许多外骨骼结构必须符合医疗电子标准,其中包括防止过热的设计要求,静电放电和辐射等危害也要避免。

对于很多用于医疗应用的外骨骼结构,美国食品与药物管理局(FDA)联邦法规(CFR)21条解决了电击、热灼伤和生物向兼容性方面的风险和担忧。CFR 21文档的第890页定义了动力外骨骼结构,它是“一种处方设备,由外部动力驱动的矫形器,可以用于瘫痪或虚弱病人的肢体上,实现医疗的目的。”具体的测试和安全说明如下:

  • 设备可能直接接触到病人身体的各种组件的材料必须完全符合生物相容性
  • 适当的分析/测试必须验证电磁兼容性(EMC/EMI)干扰在正常水平,电气安全、发热安全、机械安全、电池性能和安全以及无线通信性能都需要测试。

电池

对于外骨骼架构来说,它们有自己的动力来源,电池是值得关注的一方面,对于用户来说这是最大的安全隐患之一。热失控则是使用可充电锂离子电池设备必须关注的问题,当温度上升引起放热反应时就会释放过多的热量,同时就会发生这种情况。这种热量会导致放热反应的速率增加,而放热反应又会释放出更多的热量,外骨骼架构中出现热失控问题是非常严重的风险。

近些年来,可穿戴系统制造商采取了各种措施来应对与电池相关的安全风险,例如有些系统采用大容量的一次性电池,而不是可充电的锂离子电池。其他一些公司则在探索更高级电池管理方案,比如监控电池的健康状况、最大化电池的使用寿命。最近的一项进展是在低功耗的可穿戴设备中采用智能纺织品,它能够吸收阳光从而在内部产生电能,而且也保证了运动的柔软和灵活性。

接线端子

接线端子对于可穿戴电子产品的可靠性和性能至关重要,然而由于它们的低成本和简单性使得它们在开发和执行过程中经常被忽视,在外骨骼结构设计领域尤其如此,大量昂贵的集成电路和伺服电机被采用,这也是一个先例。

当检查可穿戴电子设备的故障时,检查人员发现最常见的原因之一是两个接口之间失去了连接,很多时候这都是接线端子故障的结果。外骨骼结构通常要用到数百个连接器实现各组件的连接,比如传感器、电池、电路板等。由于这些都有潜在的故障点,因此选择合适的连接器至关重要。

Molex公司推出的CP-3.3 有线对有线的连接器系统是面向这类产品的一个非常好的示例,充分考虑了消费电子产品、工业和医疗可穿戴设备用户的安全。插座外壳上的惯性锁有助于确保完整性、插入锁定,降低故障发生的可能性,当连接好后还会提供声音提示。此外完全极化和彩色编码的插头和插座外壳允许在一个应用中使用多个相同大小的电路连接器。

总结:安全第一

近年来动力外骨骼结构在医疗和工业领域的市场迅猛增涨,虽然这些和其他可穿戴电子产品带来的好处越来越不容忽视,但是设计师和制造商必须警惕它们可能对用户构成的潜在安全风险。虽然很多创新性措施正在被用于解决与电子接口和人体接触相关的问题,但是高质量高可靠性组件的采用(比如连接器、有线连接)一次又一次的证明是最有效的方式,确保了产品在性能和可靠性问题上的全面成功。

原文链接:
https://www.mouser.cn/blog/ensuring-the-electrical-safety-of-powered-exoskeletons>

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作者:Steve Schriber

虽然我们大多数人从未见过流行文化之外的外骨骼结构,但是它们确实已经存在几十年了。第一个例子出现在19世纪末,当时开发出一款有助于跑步和跳跃的装置,采用气体动力学提供动力。20世纪60年代一些公司开发了针对军事和工业用途的可穿戴“增强”设备,但是这些设备都太笨重,非常的不实用。近些年来组件的微型化以及重量的减轻使得可穿戴外骨骼设备成为现实,例如一名曾经瘫痪的女士穿着外骨骼架构设备完成了2012年的伦敦马拉松比赛。

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外骨骼结构的分类

外骨骼结构可以分为两类:有动力驱动和无动力驱动(被动的)。无动力的外骨骼结构依靠弹簧或其他动力来源来增强人的运动能力,这些单元会重新分配负载、利用弹簧存储的能量、并在可能导致机体重复或长时间负载的情况下提供减震。有动力的外骨骼结构则是通过电动机、传感器、执行器、动力源和控制单元在增加或提供运动能力。这些动力单元接收用户输入的某一信号,分析并解释这个信号从而产生预期的运动结果。图像传感器、中央控制单元(CPU)以及执行器取代了生物系统的神经、大脑和肌肉等组织。

当前的焦点:行走辅助

现在研究工作的重点是帮助身体活动能力下降的人,给他们带来一些便利。一些公司已经在生产行走辅助外骨骼结构系统的原型,且开始小批量的生产。这些外骨骼结构通常是一套绑在使用者腿上的支架和脚踏板,执行单元由可充电电池供电。采用陀螺仪、倾斜传感器、惯性传感器和加速度传感器等提供必要的反馈,从而帮助外骨骼结构系统保持平衡和正常运行。

一家制造传感器帮助外骨骼结构保持平衡的半导体公司是ADI(亚德诺半导体)。该公司推出的iSensor MEMS陀螺仪子系统能够可靠地检测和测量一个物体在严重且复杂操作条件下的角速率变化情况。举个例子,ADI推出的ADIS1647x精密型迷你工业IMUs系统提供了一种简单的方法能够将完整的惯性系统集成到工业和移动物联网(IoMT)应用程序中,包括外骨骼结构,它可以帮助解决系统的稳定性问题。比如ADIS16477惯性测量单元(IMU)传感器采用三轴加速度传感器和陀螺仪提供六自由度的感应操作,这些组件集成在一个小型的标准封装单元内。ADIS1647x的每个惯性传感器结合了行业领先的iMEMS技术和信号调节优化动态性能。

有以下几种方法能够将用户的意图传递给外骨骼结构系统从而实现期望的效果:

  • 拐杖或手杖提供动作感应,与用户的腿部建立数据通信
  • 身体倾斜传感器接收指令,指示外骨骼结构的运动方向
  • 通过灵活的肌肉收缩肌电图描记系统(EMG)能够让用户操作外骨骼结构
  • 脑电图描记(EEG)传感器安置在一个特殊的帽子上可以监测头部神经信号,通过训练可以帮助用户产生传感器检测需要的信号,不久学习算法可能就可以感知一个人的大脑活动,从而发出运动信号

在积极引导的运动配合下,微处理器能够执行预定的动作,比如坐下,手腕上的控制面板或其他部分的电动机会被激活。行走辅助外骨骼结构可以帮助腿部丧失永久运动能力的人,或者作为一种帮助用户恢复身体能力的治疗或训练设备。

乌龟还是猫?

防止摔倒是外骨骼结构开发人员的主要目标,借助算法来检测腿部的运动状况,然后使用电动机、执行器对行走动作施加一定的力量。如果用户滑到无法避免,那么外骨骼结构必须对此作出及时的反应。研究人员和工程师们正将注意力从海龟的窘境(如图1)转移到一只猫的问题上来,这只猫总是能四脚着地。任务是确定如何明智的判断跌倒,以便可以通过简单的操作就可以站起来。行走辅助外骨骼结构有编程算法,如果失去动力它就会“优雅的崩溃”。

“图1:海龟+倒过来=麻烦,这对于笨重的外骨骼结构来说同样如此”
图1:海龟+倒过来=麻烦,这对于笨重的外骨骼结构来说同样如此

外骨骼结构系统必须能够接收指令并学习如何应对不严重的绊倒,以及在面对严重摔倒时采取最佳的姿势,正确的摔倒也是一样重要的技能,将这种技能传授给机器人外骨骼系统使得它们在现实生活中更加的实用。例如建筑工地用的外骨骼结构如果对不可避免的摔倒作到尽可能的控制,那么就不太可能造成人身伤害和财产损失。在摔倒过程中尽可能的减少损失可能会降低大量的维修费用。

外骨骼结构的其他应用

除了像步行辅助外骨骼结构这样的个人用设备之外,还有很多其他的应用,这些应用已经在现有的技术条件下实现了。想象一下一个比背包大不了多少的非常精简的外骨骼结构,通过位置传感器、运动传感器和陀螺仪能够给穿戴者提供稳定的支撑,为那些平衡不足的人提供足够的肌肉力量。工业化应用则采用一系列完整或部分外骨骼结构来减轻下腰引发的疼痛(通常是相关职业造成的)。这种通过全外骨骼结构或部分结构来降低重复运动的负担,限制了体能消耗无疑是减少工人受伤的一条途径。

随着材料和组件变得更小更轻,外骨骼结构将继续在新的应用中发挥作用。展望未来我们可能会看到第一批使用外骨骼结构来提升效率的用户,同时还可以减少各种紧急情况下存在的危险。警察甚至可能会抛弃他们的赛格威踏板车(Segway),转而使用外骨骼结构辅助设备。

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