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  • 工程和计算与你的未来有什么交集
    有许多复杂的系统影响着我们今天的生活——机器人、汽车、外科手术设备和灾难响应系统。设计和实现这些系统所需的知识和技能位于多个学科的交叉点。亚利桑那州立大学理工学院的工程系在工程和计算方面提供创新的跨学科和多学科课程，具有灵活性和实际应用。
产品组合

  • 中风疗法(家庭使用):弹簧肌肉驱动器的医疗应用

  • 摘要目的:
    对于中风患者，频繁的物理治疗已被证明是一种有效的康复形式。
    为了实现这一目标，一些家庭治疗设备已经被开发出来。这些装置中的许多可能受益于双向气动肌肉驱动器的使用。
    因此，提出了双作用轻量化，经济，易于伸缩的执行器的概念，可以纳入康复设备。
    概念:
    McKibben空气肌的力量与重量比众所周知是非常高的。
    然而，就像人类的肌肉一样，它们只能向一个方向施力，也就是收缩。
    为了在人体关节上提供屈伸运动，需要两个这样的执行器在对抗配置中。
    ASU-SOM执行机构消除了这种限制。通过将一个简单的压缩弹簧与空气肌平行放置，
    可以创建具有高强度重量比的双作用执行器。

    • ASU-SOM概念

    • ASU-SOM-I致动器

    • ASU-SOM-III致动器

    • ASU-SOM-III致动器

  • Sit-To-Stand设备

  • 摘要目的:
    在美国，大约有170万人患有下肢无力。
    他们的目标是设计和开发一种设备，用户可以佩戴它来帮助他们从坐姿站起来。

    1 -目标辅助水平是举起20-50%体重所需的扭矩
    2 -必须是轻量级的
    3 -必须是节能的
    4 -必须便携
    5 -必须能穿在衣服里面

    • 设计

    • 柔性钢板弹簧用于产生绕膝的弯曲力矩，以辅助人站立。

    • 结构调整钢板弹簧

    • 基于弹簧的驱动可以通过对钢板弹簧的“有效”结构操作来实现。
      弯曲的梁或铅弹簧是储存能量的一种形式。相比之下，只是简单的加载(能量储存)和
      将引线弹簧卸载(能量返回)，引入一个额外的步骤来改变钢板弹簧的“有效”刚度。
      弯曲一个低刚度的弹簧需要很少的力，对于“可穿戴”机器人系统，弹簧的初始弯曲可能来自于佩戴者。
      然而，一旦钢板弹簧发生偏转，与其刚度和偏转成正比的能量就会被储存起来。
      然后，当需要额外的能量时，改变执行机构结构，从而增加其“有效”刚度。
      该装置的返回能量与新的刚度和原来的挠度成正比，从而产生一个更强的力来影响弹簧的矫直。

    • 模型

    • 使用现有的膝关节支架。
      电动线性执行机构调节引线弹簧的长度。
      当长度改变时，使用滚轮来减少摩擦。

  • 春天踝关节矫正法

  • AFO 1完工于2006年9月，由一个定制的脚踝脚矫形器和一个定制的鞋底组成。
    脚上的两条带子和小腿上的一条带子可以固定使用者的腿，方便穿脱。
    机器人执行器连接在小腿的矫形器上，并连接在从鞋底后面伸出的杠杆臂上。
    AFO II的设计更加轻便和模块化。执行器是流线型的，电机直接连接到执行器上。
    增加了碳纤维杠杆臂以减轻重量。
    定制的矫形器可以在鞋内滑动，让脚趾在推开时容易弯曲。

    • 图1

    • 托马斯•糖
      亚利桑那州立大学工程学院，理工学院

    • 图2

    • Dosun Shin，亚利桑那州立大学工业设计

    • 图3

    • Thomas Sugar，亚利桑那州立大学理工学院工程系

  • 充满活力的

  • 亚利桑那州立大学的研究人员开发了一种假体装置，可以让截肢者的步伐恢复弹性。亚利桑那州立大学的科学家已经开发并改进了SPARKy(用于具有再生动力学的弹簧脚踝)，使其成为一种智能、活跃和能量存储在膝盖以下(跨位)的假体。

    SPARKy是第一个将再生动力学应用到其设计中的假肢设备，这导致了一个轻量级(4磅)的设备，允许佩戴者在草地、水泥和岩石上行走，以及上下楼梯和斜坡。

    这项研究的负责人、亚利桑那州立大学理工学院工程学副教授托马斯·休格(Thomas Sugar)说，SPARKY的工作原理是，当佩戴者以正常步态行走时，通过一个弹簧来储存能量。Sugar和他的同事——亚利桑那州立大学的博士生Joseph Hitt和Matthew Holgate，以及巴雷特荣誉学院的学生Ryan bellman——已经开发和改进SPARKy三年了，这是美国陆军拨款的一部分。

    SPARKy使用一个机器人肌腱，当脚踝在脚上滚动时，主动拉伸弹簧，从而使弹簧推动或推动人工脚向前迈出下一步。由于能量被储存起来，一个轻便的马达被用来调节一个微调好的弹簧的位置，这个弹簧提供了步态所需的大部分动力。

    Sugar说:“SPARKY基本上去除了旧的被动设备，使其成为佩戴者用来恢复正常步态的主动设备，这对截肢者来说是正常功能的显著恢复。”SPARKy不仅是一个主动的假肢设备，而且它比以前的设备允许更大的活动范围，它的重量更轻，给佩戴者带来的疲劳也更少。

    2010年1月的《国家地理》杂志在一篇题为《人机融合，仿生时代》(http://ngm.nationalgeographic.com/2010/01/bionics/thiessen-photography)的文章中介绍了这种设备。

    SPARKy提供了增强的脚踝运动和推离力的功能，可与一个健全的个体的步态相媲美。休格说，该设备达到了使被截肢者恢复到失去肢体之前的功能的主要目标。

    该装置是为了利用步态的功能力学而设计的。步态周期是走路的自然运动，从一只脚的脚跟着地开始，到同一只脚的脚跟着地结束。

    “这个循环可以分为两个阶段，站立和摇摆，”休格说。“我们关注的是站立阶段的能量储存和释放(再生动力学)。”

    Sugar补充说，走路的机制可以被描述为接二连三的摔倒。在《SPARKy》中，一个调好的弹簧(就像跟腱一样)在站立阶段打断了跌倒，并在腿从脚踝滚动时储存了能量。

    虽然该项目已接近完成为期三年的拨款，但仍有很多工作要做，以完善该设备。

    到目前为止，SPARKy已经允许用户在斜坡上、台阶上和向后走，对于那些只能使用被动的、有时还很笨重的假肢的人来说，这些都不是微不足道的任务。未来，该团队计划通过集成非常快的微处理器和使用最小的锂离子电池来降低SPARKy的重量。

    休格说:“我们希望我们完成的设备能让士兵重返现役。”

      • 假肢脚踝将掀起“义肢革命”

      • SPARKy是再生动力弹簧踝关节的缩写，它将是第一个智能的，活跃的，储存能量的胫骨假体，或膝盖以下。
        一旦完成，SPARKy有望提供增强的脚踝运动和功能
        推力相当于一个身体健全的人的步态。

        实验对象用动力假肢脚踝在跑步机上以每小时3.7英里的速度行走。
        SPARKy是一款重量轻、节能、功能强大的设备，针对特定体重使用调好的弹簧。
        在推离(第7、8和9帧)时，设备输出的机械功率是进入设备的机械功率的2到4倍。
        这种能量的提升是通过在站立阶段(帧2、3、4、5和6)储存能量而实现的。
        一名观察员正拿着可以关闭机器人的安全开关。

  • 步态援助

  • 人/机集成实验室正在设计基于弹簧和基于气动的可穿戴机器人，它们安全、兼容、节能和强大。
    可调谐弹簧被用来建立一个动力脚踝矫形器。
    气动肌肉被用来构建踝关节的步态训练器和名为RUPERT(机器人上肢重复治疗)的手臂导师。

    • 概念模型

    • 工作原型