假肢的未来-奥索ssur Power Knee

  当电机控制技术成为人体的一部分时，元件尺寸和控制系统的可靠性被要求极高。得益于高度集成了FOC控制系统组件，短时间内完成了第一条带有两个活动关节的假腿，正好适合苏黎世Cybathlon。

  肢体的丧失显然对生活质量造成巨大打击。可悲的是，今天的假肢在复制自然肢体运动功能方面还有很长的路要走，冰岛制造商奥索公司 - 活跃假肢技术的市场领导者 - 目前正在开发第一种用于批量生产的假腿，其具有电动膝关节和踝关节，借助德国制造商TRINAMIC Motion Control的集成驱动控制组件。假腿的运动和控制越来越接近自然的腿。最大的好处是，一名膝关节截肢者不再需要重新学习如何行走。

  奥索公司的POWER KNEE已经在市场上建立了一个新的标准，成为世界上第一个通过主动电机模仿自然肌肉活动的假肢膝关节。

从胡克船长到钢铁侠

  折叠洗衣服，从沙发上起床或将餐桌摆放在晚餐上 - 对健康的人来说，这完全没有问题，然而，瑞士苏黎世联邦理工学院（ETH）希望向世界展示这些日常工作对身体残疾人士来说有多困难。尽管目前的假肢远没有普通的木制“蹬腿”，但使用它们的人仍然不得不重新学习或对其日常生活的各个方面进行重大调整。因此，Cybathlon主要侧重于日常正常活动所带来的挑战。

  奥索尔队与Trinamic一起，正在世界上第一场Cybathlon正面解决这些挑战。使用完全机动化的假腿，为膝关节和踝关节提供动力，然而，满足Cybathlon的最后期限意味着该团队不到半年的时间就开发了一款先进，紧凑和可靠的驱动控制系统。

  运动控制器作为身体部分

  即使机动假肢不被视为起搏器等生命关键系统，例如，使用致动器作为身体的一部分需要高水平的设备耐用性和可靠性。同时，执行器及其控制系统必须符合自然肢体的尺寸。特别是脚踝执行器的可用空间因此非常有限。

  为了长期更换各种不同级别的接头，控制系统必须是模块化的。为此，功能组件即电动机控制器，传感器和中央处理器（其运行生理运动AI）被设计为单独的组件，以在非常小的空间内一起安装。

  ssur技术产品主管David Langlois表示：

我们是通过提高人们的机动性来驱动的，这使我们成为世界上唯一一家为膝上截肢患者提供机动假肢的公司，Trinamic作为电机和运动控制的合作伙伴，使我们能够更进一步，使机动化的肢体更多无障碍。

  专用伺服控制器加速开发进程

  考虑到这些要求，为了及时为Cybathlon开发工作原型，Trinamic在不到5个月的时间内开发了定制的电机控制系统，这是通过使用TMC4670专用控制器组件实现的，该组件可通过超出所有场定向控制或矢量控制来减轻微处理器负担。从而消除了与控制器固件开发相关的风险以及验证和测试通常需要的时间。控制参数只需根据电机和设备应用的独特要求进行调整即可。因此，开发可以集中于克服规模限制方面的挑战。不要超过基本的几何尺寸，将峰值输出为500W的电机控制器安装到不超过65 x 45 mm的区域。在如此小的空间内管理功耗需要与铝结构良好的热连接，因此包括有源多层拓扑的多种设计被并行开发，并与功能模型进行了比较。这些实验导致选择具有与外壳最佳热连接的表面安装式断路器的设计。

  TRINAMIC运动控制公司首席执行官Michael Randt说：

  我们对Cybathlon感到非常兴奋！驱动系统与人体的融合既是Trinamic团队的终极挑战也是动力，因为我们继续开发我们的技术，奥索作为假肢行业的领先创新者，是完美的搭档。这种技术也适用于许多其他应用，例如机器人技术，医疗技术甚至消费产品领域。

  循环中的硬件验证

  Trinamic的早期原型在预期的运行负载循环下经过了严格的测试，以验证设备的控制系统设计及其专门开发的机械组件，可以在测试实验室中使用一对由两台电机组成的设备模拟当前制造的POWER KNEE II的经验模拟负载循环，该设备由两台用于最终产品的电机组成。

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