在人體解剖學中，肩部是醫生和治療師最具挑戰性和最複雜的身體問題之一。肩部及其複雜的解剖模式也為外骨骼的開發者提供了獨特的測試，他們需要保持其單位輕巧緊湊，同時結合廣泛的運動範圍。

這些是總部位於德克薩斯州奧斯汀的Harmonic Bionics所面臨的挑戰。基於德克薩斯大學機械工程系的基礎研究，Harmonic Bionics設計了一種稱為Harmony的外骨骼，用於追踪肩關節以及肩胛帶的肩胛骨運動。外骨骼最大化了人體肩部和肩帶的運動範圍，同時確保了物理和程序聯鎖的安全性。執行器和控制器技術使Harmony能夠根據患者的需要定制重力補償，輔助和阻抗。

Harmony是一種治療和治療設備，允許治療師與患者一起工作，以改善神經肌肉損傷的功能和癒合。它對中風的受害者特別有幫助。僅在美國，每年就有超過80萬例新發中風病例。

“開發具有高刷新率的強大閉環扭矩控制執行器是我們面臨的最大挑戰，”Harmonic Bionics產品開發主管Rohit John Varghese說。 “設計團隊在內部構建了所有電機控制和通信電子設備，這使得我們合作的治療師所需的性能水平得以提升。”

“我們的機器人解決方案讓治療師能夠做他們最擅長的事情，那就是與人類進行互動，這是恢復過程中被低估但關鍵的部分，”Varghese補充道。 “它在治療師，病人和機器人之間創造了一種親密的動態。結果是中風的倖存者會更快，更有效地變得更好。“

檢查Harmonic Bionics的外骨骼該項目於2011年在德克薩斯大學科克雷爾工程學院的ReNeu機器人實驗室開始，資金來自國家科學基金會和美國國家航空航天局。 “和諧的關鍵部分是一種新穎的肩部機制，為肩部複合體中五個關節的協調運動提供動力，這是肩部康復的關鍵，”ReNeu機器人實驗室主任Ashish Deshpande說。確保外骨骼和患者之間的對齊對於防止對患者關節的壓力並保護他們免受傷害至關重要。

機器人的每一側都可以通過完全自然的運動範圍無縫地移動受試者的手臂和肩膀，並且可以針對各種形狀和大小的人進行調整。 Harmonic Bionics使用來自NASA數據庫的信息來收集其人體測量尺寸數據，根據該數據設計Harmony以調整其大小以適應95％以上的美國人口。

為了在臨床環境中有效，重要的是外骨骼能夠快速平滑地改變其物理尺寸以與這些不同的身體尺寸一致。線性軸承的油基潤滑會產生許多問題，包括污垢的積聚，這會使細菌積聚。

機器人報告推出了醫療機器人工程論壇，該論壇將於12月9日至10日在加利福尼亞州聖克拉拉召開。會議和博覽會的重點是改進下一代醫療保健機器人的設計，開發和製造。了解有關醫療機器人工程論壇的更多信息。

高性能塑料
另外，由於機器人的複雜性，尺寸調整機構需要高度緊湊以允許電子器件和致動器的空間。所有線性軸承機構都需要能夠鎖定一次，以防止不必要的尺寸變化。

Harmonic Bionics通過選擇來自德國的運動塑料製造商igus的直線軸承解決了多個問題。該公司在北愛爾蘭普羅維登斯開展其北美業務。該公司的產品不需要潤滑和維護。軸承可實現平滑無粘合的尺寸調整，無需潤滑，尺寸和重量減輕。

Harmony包括6個igus'iglide J軸承，這是一種多功能耐力表演，對不同的軸材料具有低磨損，在乾燥操作中具有低摩擦係數。當需要低壓負載時，它們是具有成本效益的軸承，並且經常用於自動化，印刷，飲料技術和航空航天工程。

定制軸承座壓縮在dryLin R襯墊上，與之前的外骨骼模型相比，尺寸顯著縮小。從外殼鎖定軸壓縮，無需額外的軸環。 dryLin R產品採用iglide J材料製成，常用於包裝，3D打印和實驗室。肩部機構還包括DryLin R軸承，它乾燥運行並且能夠經常清潔。

由igus製造的DryLin-T導軌系統確保了外骨骼支架的高剛性。導軌具有極強的抗污性，並具有低摩擦係數和磨損。它們還經常用於機器製造，機床，包裝處理和木工行業。

解決肩膀問題
有幾個因素影響了Harmonic決定專注於肩部外骨骼的發展。首先，驚人的中風發生率在未來10年內呈上升趨勢並且一直在顯著增加。

“隨著醫療護理越來越好，人們的壽命也越來越長，”德斯潘德說。 “此外，趨勢線顯示年輕人群中卒中的發生率。結果是生產力下降和痛苦持續時間更長。“

許多治療和輔助設備都專注於移動 - 改善腿的功能。 “由於ADA在美國的成功，很多問題正在通過輪椅無障礙解決，”Deshpande說。但是，實現日常生活基本活動的下一個階段是幫助中風倖存者和其他患有神經肌肉疾病的人變得更加獨立並恢復上半身的功能。

最後，如果用於評估恢復的高度主觀指標嚴重阻礙了改善肩部物理治療技術的研究。

“恢復的黃金標準評估量表仍然是治療師在1-5的範圍內的主觀評估，”Varghese說。 “如果沒有像Harmony這樣的設備，很難想出一種替代的測量形式，特別是肩部。這是一個如此復雜的連接。不僅是球和插座，還有肩帶的複雜運動。我們必須確保手臂和肩膀協調運動。外骨骼重新教導了這種協調。“
解決挑戰
整個項目範圍對Harmonic團隊構成了重大挑戰。肩部運動的複雜性，患者的安全性以及尋找耐用，無潤滑的部件使得該設備的設計成為耗時且費力的過程。

但由於中風如此嚴重且普遍存在醫學問題，Harmonic的團隊始終致力於構建一種可以改變遊戲規則的設備，就像治療師與患有中風的患者一樣。正在全國五所頂級康復醫院計劃對卒中患者進行檢測，開創了卒中患者康復的新紀元。
 

圖文參考: the robot report