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【原创】确保动力外骨骼的电气安全

2018-10-31
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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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