Двигатели и технологии управления движением в ортопедической хирургической робототехнике

Oct 15, 2023

Двигатели, находящиеся внутри ортопедических инструментов, обычно служат основным источником энергии для приводных устройств, таких как костные пилы, дрели или бритвы. В таких приложениях с регулируемой скоростью двигатели должны быть исключительно малого диаметра, легкими и способными работать на высокой скорости.

Джон Чендлер, директор по системам управления | ФАУЛХАБЕР МИКРОМО

Технология управления двигателем и движением играет несколько ключевых ролей в области ортопедической хирургии. Приложения в этой области сложны и разнообразны. Фундаментальные применения варьируются от обеспечения первичного питания хирургических инструментов до управления положением роботизированных суставов и создания обратной связи по усилию в устройствах с тактильным интерфейсом. Другие важные области применения технологий управления двигателями и движением включают в себя перекачку, вентиляцию и дозирование, и это лишь некоторые из них. Каждая из этих уникальных функций требует узкоспециализированного двигателя и решения для управления движением.

Двигатели, находящиеся внутри ортопедических инструментов, обычно служат основным источником энергии для приводных устройств, таких как костные пилы, дрели или бритвы. В таких приложениях с регулируемой скоростью двигатели должны быть исключительно малого диаметра, легкими и способными работать на высокой скорости. Они также должны быть способны непрерывно работать на высоком уровне мощности. Уникальные экологические требования, предъявляемые к хирургическим применениям, обуславливают потребность в экзотических материалах, смазочных материалах, технологиях подшипников, автоклавируемости, жестких допусках и строгом контроле качества. FAULHABER предлагает бесщеточные двигатели серий BP4, BHS, BHT и BA, специально разработанные для использования в хирургических инструментах. FAULHABER также объединяет эти специализированные двигатели с оптимизированными продуктами управления, поддерживающими регулирование скорости с обратной связью, работу без датчиков и настроенную подачу мощности, оптимизированную для этих беспазовых, высокоскоростных и энергоемких двигателей.

Совершенно другой набор требований к производительности возникает для технологий управления двигателем и движением, когда хирургические инструменты должны управляться роботом или активно поддерживаться во время ортопедической процедуры. Здесь двигатели позиционирования или «серводвигатели» должны обеспечивать высокий крутящий момент, но не обязательно высокую продолжительную мощность. В этом случае лучше всего подойдет двигатель большего диаметра и с относительно низкой скоростью. Для позиционирования сервопривода «отношение мощности к весу» двигателя часто менее критично, но «отношение крутящего момента к инерции» обычно более важно. Это связано с тем, что двигатели, применяемые в сервомеханизмах, должны удерживать положение, но они также должны быть очень динамичными при изменении положения или реагировать на изменение нагрузки при удержании положения. Для поддержки высокой динамики серводвигатели оснащены энкодерами высокого разрешения, которые обеспечивают повышенный уровень обратной связи, необходимый для более сложного управления сервоусилителем. Двигатели FAULHABER BXT с большим количеством полюсов в конфигурации с магнитно-ламинированным внешним ротором превосходно справляются с этой задачей. Наличие двигателей BXT, дополненных широким ассортиментом планетарных редукторов GPT, оптических, магнитных и абсолютных энкодеров высокого разрешения, а также миниатюрных интеллектуальных сервоусилителей, делает возможным поиск полностью оптимизированной сервосистемы при сотрудничестве с FAULHABER как вертикально интегрированный поставщик.

В отличие от двигателей с регулируемой скоростью, используемых в хирургических инструментах, или серводвигателей, используемых в робототехнике, двигатели, применяемые в тактильных интерфейсах, играют совершенно иную роль в ортопедической хирургии. Фактически, двигатели, используемые в тактильных устройствах, на самом деле функционируют скорее как генераторы, чем как двигатели. Это связано с тем, что цель тактильного интерфейса — создать опорный сигнал для роботизированной системы управления, а также одновременно обеспечить реалистичное ощущение силы или сопротивления хирургу, выполняющему процедуру удаленно. В тактильных устройствах скорость и мощность двигателя менее критичны, но вместо этого чувствительность и точность имеют первостепенное значение. Двигатели, используемые в тактильных интерфейсах, должны иметь очень низкую инерцию; в противном случае хирург почувствует неестественный эффект маховика при взаимодействии с устройством. Кроме того, двигатели, используемые в тактильных устройствах, обычно представляют собой бесконтактные двигатели постоянного тока или бесщеточные бесщеточные двигатели переменного тока, поскольку этот тип двигателей обеспечивает очень постоянный уровень крутящего момента для фиксированного уровня тока в любом угловом положении. По этой причине эти двигатели называются двигателями с нулевым зубчатым колесом. При наличии адекватных средств управления они позволяют хирургу-ортопеду дистанционно чувствовать или чувствовать процедуру, не ощущая нежелательного паразитного эффекта геометрии двигателя. Соединение двигателя с нулевым зубчатым зацеплением с руками хирурга посредством точной передачи, подобной той, которая используется в прецизионных механических швейцарских часах, дает хирургу ощущение прикосновения, которое кажется совершенно естественным. FAULHABER предлагает двигатели с нулевым зубчатым зацеплением и оптимизированной передачей для тактильных применений, которые действительно чувствительны, плавны и мощны. На самом деле это именно то, что доктор прописал!