Motoren und Bewegungssteuerungstechnologien in der orthopädisch-chirurgischen Robotik

Oct 15, 2023

Motoren in orthopädischen Werkzeugen dienen normalerweise als primäre Energiequelle für den Antrieb von Geräten wie Knochensägen, Bohrern oder Rasierapparaten. Bei diesen Anwendungen mit variabler Drehzahl müssen die Motoren einen außergewöhnlich kleinen Durchmesser haben, leicht und in der Lage sein, mit hoher Drehzahl zu laufen.

John Chandler, Direktor für Steuerungssysteme | FAULHABER MICROMO

Im Bereich der orthopädischen Chirurgie spielen Motorik und Bewegungssteuerungstechnologie mehrere Schlüsselrollen. Die Anwendungen in diesem Bereich sind anspruchsvoll und vielfältig. Grundlegende Anwendungen reichen von der Bereitstellung von Primärenergie für chirurgische Werkzeuge über die Positionskontrolle von Robotergelenken bis hin zur Erzeugung von Kraftrückmeldungen in haptischen Schnittstellengeräten. Weitere wichtige Anwendungen für die Motor- und Bewegungssteuerungstechnik sind unter anderem Pumpen, Belüften und Dosieren. Jede dieser einzigartigen Funktionen erfordert eine hochspezialisierte Motor- und Bewegungssteuerungslösung.

Motoren in orthopädischen Werkzeugen dienen normalerweise als primäre Energiequelle für den Antrieb von Geräten wie Knochensägen, Bohrern oder Rasierapparaten. Bei diesen Anwendungen mit variabler Drehzahl müssen die Motoren einen außergewöhnlich kleinen Durchmesser und ein geringes Gewicht haben und mit hoher Drehzahl laufen können. Sie müssen außerdem in der Lage sein, kontinuierlich mit hoher Leistung zu laufen. Besondere Umweltanforderungen bei chirurgischen Anwendungen machen den Bedarf an exotischen Materialien, Schmiermitteln, Lagertechnologie, Autoklavierbarkeit, engen Toleranzen und strenger Qualitätskontrolle erforderlich. FAULHABER bietet unsere bürstenlosen Motorprodukte der Serien BP4, BHS, BHT und BA an, die alle speziell für den Einsatz in chirurgischen Werkzeuganwendungen entwickelt wurden. FAULHABER kombiniert diese Spezialmotoren außerdem mit optimierten Steuerungsprodukten, die eine geschlossene Drehzahlregelung, einen sensorlosen Betrieb und eine abgestimmte Leistungsabgabe unterstützen, die für diese nutenlosen Hochgeschwindigkeitsmotoren mit hoher Leistungsdichte optimiert sind.

Für die Motor- und Bewegungssteuerungstechnologie ergeben sich völlig andere Leistungsanforderungen, wenn chirurgische Werkzeuge während eines orthopädischen Eingriffs robotergesteuert oder aktiv unterstützt werden müssen. Hier sind Stellmotoren, sogenannte „Servomotoren“, erforderlich, die ein hohes Drehmoment, aber nicht unbedingt eine hohe Dauerleistung erbringen müssen. In diesem Fall funktioniert ein Motor mit größerem Durchmesser und relativ niedriger Drehzahl am besten. Für die Servopositionierung ist das „Verhältnis von Leistung zu Gewicht“ eines Motors oft weniger kritisch, das „Verhältnis von Drehmoment zu Trägheit“ ist jedoch typischerweise kritischer. Dies liegt daran, dass Motoren, die in Servomechanismen eingesetzt werden, ihre Position halten müssen, aber auch eine hohe Dynamik bei Positionsänderungen aufweisen müssen oder auf eine Laständerung reagieren müssen, wenn sie die Position halten. Um eine hohe Dynamik zu unterstützen, sind Servomotoren mit hochauflösenden Encodern ausgestattet, die das für eine anspruchsvollere Servoverstärkersteuerung erforderliche erhöhte Feedback-Niveau liefern. In dieser Situation zeichnen sich hochpolige FAULHABER BXT-Motoren in einer magnetisch laminierten Außenläuferkonfiguration aus. Die Verfügbarkeit von BXT-Motoren, ergänzt durch ein umfangreiches Sortiment an GPT-Planetengetrieben, hochauflösenden optischen, magnetischen und absoluten Encodern sowie intelligenten Miniatur-Servoverstärkern, ermöglicht die Beschaffung eines vollständig optimierten Servosystems in Zusammenarbeit mit FAULHABER als vertikal integrierter Anbieter.

Im Gegensatz zu Motoren mit variabler Drehzahl, die chirurgische Instrumente antreiben, oder Servomotoren, die in der Robotik verwendet werden, spielen Motoren, die in haptischen Schnittstellen eingesetzt werden, in der orthopädischen Chirurgie eine völlig andere Rolle. Tatsächlich funktionieren Motoren, die in haptischen Geräten verwendet werden, eher als Generatoren als als Motoren. Dies liegt daran, dass der Zweck einer haptischen Schnittstelle darin besteht, ein Referenzsignal zu erzeugen, dem das Robotersteuerungssystem folgen kann, und gleichzeitig dem Chirurgen, der den Eingriff aus der Ferne durchführt, ein realistisches Gefühl von Kraft oder Widerstand zu vermitteln. Bei einem haptischen Gerät sind Motorgeschwindigkeit und -leistung weniger entscheidend, stattdessen sind Empfindlichkeit und Wiedergabetreue von größter Bedeutung. Motoren, die in haptischen Schnittstellen verwendet werden, müssen eine sehr geringe Trägheit aufweisen; Andernfalls wird der Chirurg bei der Interaktion mit dem Gerät einen unnatürlichen Schwungradeffekt spüren. Außerdem handelt es sich bei den in haptischen Geräten verwendeten Motoren normalerweise um eisenlose Gleichstrommotoren oder schlitzlose, bürstenlose Wechselstrommotoren, da dieser Motortyp in jeder Winkelposition ein sehr konstantes Drehmomentniveau für eine feste Stromstärke liefert. Daher werden diese Motoren als „Zero Cogging“-Motoren bezeichnet. Wenn geeignete Bedienelemente vorhanden sind, ermöglichen sie es einem orthopädischen Chirurgen, den Eingriff aus der Ferne zu spüren oder zu spüren, ohne einen unerwünschten parasitären Effekt der Motorgeometrie zu spüren. Durch die Kopplung eines rastungsfreien Motors mit den Händen des Chirurgen über ein Präzisionsgetriebe, wie es in einer präzisen mechanischen Schweizer Uhr zu finden ist, erhält der Chirurg ein Tastgefühl, das sich völlig natürlich anfühlt. FAULHABER bietet rastungsfreie Motoren mit optimiertem Getriebe für wirklich sensible, sanfte und kraftvolle Haptikanwendungen. Tatsächlich sind sie genau das, was der Arzt verordnet hat!

Einer der wichtigsten Technologietreiber für die Weiterentwicklung der orthopädisch-chirurgischen Behandlung ist die Miniaturisierung der Motortechnologie, die in chirurgischen Werkzeugen und Endeffektoren verwendet wird. Mit kleineren Motoren können Konstrukteure ergonomischere chirurgische Instrumente herstellen. Ein ergonomischeres Werkzeugdesign reduziert die Ermüdung des Chirurgen. Wenn alternativ ein Werkzeug oder Endeffektor robotergesteuert wird, dann reduzieren eine geringere Größe und ein geringeres Gewicht des Werkzeugs anschließend die Größe, Masse und Kosten aller Roboterstrukturelemente, die zu seiner Unterstützung erforderlich sind. Kurz gesagt: Ob handgeführt oder robotergesteuert – es lohnt sich wirklich, einen kleinen, leistungsstarken Motor in einem chirurgischen Werkzeug oder Endeffektor zu haben.

Einen Motor klein zu machen ist eine Herausforderung, aber gleichzeitig seine Ausgangsleistung zu erhöhen, ist eine doppelt so große Herausforderung. Dies liegt daran, dass bei einem festen Ausgangsleistungsniveau die Oberflächentemperatur eines Motors zunimmt, wenn seine Oberfläche bzw. Gehäusegröße abnimmt. Die Bereitstellung einer höheren Leistung durch ein kleineres Motorgehäuse bedeutet, dass noch mehr Wärme über diese reduzierte Oberfläche abgeführt werden muss, was die Temperatur noch weiter erhöht. Daher wird die optimale Steuerung des thermischen Designs des Motors zu einem entscheidenden Faktor bei der Konstruktion von Elektromotoren. Die Charakterisierung der thermischen Masse und des thermischen Widerstands zwischen verschiedenen Elementen innerhalb eines Motors hat einen sehr großen Einfluss auf seine Leistungsfähigkeit in einer orthopädischen Anwendung.

Der Aufbau leistungsstarker Elektromotoren ist komplex. Es ist von entscheidender Bedeutung, die magnetische Geometrie eines Motors so zu konfigurieren, dass Verluste minimiert und gleichzeitig die Drehmomenterzeugung maximiert wird. Eine besondere Herausforderung ist die Maximierung der Kupferfüllung bei gleichzeitiger Wahrung der strukturellen Integrität einer Spule, die bei hohen Temperaturen in einem nutenlosen Design betrieben wird. Um die Grenzen aller mechanischen Elemente zu überschreiten, ist eine detaillierte Analyse von Spannung, Belastung und Verschleiß erforderlich. Elektrische Isoliermaterialien müssen im Hinblick auf eine hohe Durchschlagsfestigkeit und effiziente thermische Eigenschaften ausgewählt werden. Konstruktionen müssen bei hoher Geschwindigkeit leise funktionieren und ein gleichmäßiges Drehmoment liefern. Designs müssen herstellbar sein und anspruchsvolle medizinische Qualitätsstandards erfüllen. Designs müssen für orthopädische Anwendungen sicher sein.

FAULHABER treibt die Motortechnologie in diesem Markt kontinuierlich voran, indem es fortschrittliche multiphysikalische Designtools nutzt, sich Fortschritte in der Materialwissenschaft zunutze macht und die Kunst der Herstellung dieser energiereichen elektromagnetischen Maschinen kontinuierlich verbessert. Als vertikal integrierter Anbieter in diesem Markt ist FAULHABER außerdem in der Lage, wichtige Investitionen in Motorentechnologie und Infrastruktur zu nutzen, um komplette Bewegungssteuerungssysteme für Anwendungen in der chirurgischen Robotik herzustellen.

Einfach ausgedrückt müssen Motor- und Bewegungssteuerungssysteme für jeden einzelnen chirurgischen Endanwendungsfall individuell entwickelt werden. Jede einzigartige Profilform oder Oberfläche am Arbeitsende eines orthopädisch-chirurgischen Werkzeugs arbeitet am effizientesten bei einem bestimmten Geschwindigkeits- und Drehmomentniveau. Das Verständnis dieser Geschwindigkeit und dieses Drehmoments stellt den Ausgangspunkt für die Entwicklung einer kundenspezifischen Motor- oder Bewegungssteuerungslösung dar. Mit diesem Ausgangspunkt kann eine thermische Analyse durchgeführt werden, um physikalisch zu bestimmen, wie groß ein Motor voraussichtlich sein wird, welcher Motortyp am besten funktionieren könnte und ob ein Getriebe- oder Direktantriebsansatz angezeigt sein könnte.

Über die bloße Dimensionierung nach Leistung hinaus ist es ebenso wichtig zu berücksichtigen, welche Bewegungsqualität bereitgestellt werden muss, um den Endvorgang zu erleichtern. Dies führt normalerweise zu einer Diskussion über Auflösung, Genauigkeit und Wiederholbarkeit der erforderlichen Bewegung. Mithilfe dieser Informationen lässt sich ermitteln, welcher Rückkopplungssensor am besten geeignet ist. optisch, magnetisch, linear, rotatorisch, inkremental, absolut oder sensorlos. Die Diskussion über die Bewegungsqualität führt auch direkt zu einer Diskussion über Lagertypen, Konfigurationsoptionen, Schmierstoffe und einige Überlegungen darüber, wo bei Bedarf Feedback-Sensoren am besten angebracht werden können. Die Bewegungsqualität führt auch zu einer Diskussion der erforderlichen Bandbreite, Steifigkeit und Glätte der Steuerung. Wenn die beste Lösung im Fokus steht, kann darüber nachgedacht werden, wie ausgewählte Elemente miteinander verbunden werden können, um sie hinsichtlich Leistung, Herstellbarkeit, Qualität und Kosten zu optimieren. Abschließend kann darüber nachgedacht werden, wie die Elemente für jeden Endanwendungsfall am besten eingeschlossen werden können.

Wenn FAULHABER in der Konzeptionsphase eines großen neuen Projekts oder einer Produktentwicklungsmaßnahme kontaktiert wird, stellen wir als Reaktion darauf ein interdisziplinäres Team von Ingenieuren zusammen, die wichtige Akteure in den Bereichen Technologie, Design, Fertigung und Qualität repräsentieren, um eine offene Diskussion am runden Tisch zu veranstalten Das Designteam unseres Kunden. Aus Erfahrung wissen wir, dass die besten Ergebnisse und passgenauen Lösungen entstehen, wenn wir gemeinsam mit dem Kunden die Design- und Fertigungsherausforderung ganzheitlich betrachten und gemeinsam die beste Endlösung finden.

Chirurgen konzentrieren sich grundsätzlich auf Verfahren zur Verbesserung der Patientenergebnisse. Hersteller medizinischer Geräte beschäftigen Entwicklungsingenieure und konzentrieren sich auf die Entwicklung der Werkzeuge und Geräte, die für die Durchführung dieser chirurgischen Eingriffe erforderlich sind. FAULHABER ist ein vertikal integrierter Motor- und Bewegungssteuerungslieferant, der diese Hersteller medizinischer Geräte beliefert. Unsere Kunden, Medizintechnik-Ingenieure, sind natürlich sehr an leistungsfähigster Motor- und Bewegungssteuerungstechnologie interessiert. Aber eher kommerziell ausgerichtet suchen Medizingerätehersteller meist nach fähigen Lieferanten, mit denen sie zusammenarbeiten können, um eine neue Technologie auf den Markt zu bringen, die ihr einzigartiges geistiges Eigentum (IP) nutzt. Typischerweise konzentriert sich ihr geistiges Eigentum auf die Anwendung vielleicht einer neuen Bildgebungsfähigkeit, eines neuartigen chirurgischen Eingriffs oder steht möglicherweise sogar im Zusammenhang mit einem Durchbruch in der Informationstechnologie. Und doch enthält das chirurgische Gerät oder System, das erforderlich ist, um dieses wichtige geistige Eigentum auf den Markt zu bringen, ein komplexes Bewegungssteuerungs-Subsystem, bestehend aus: Motoren, Getriebe, Lager, Kupplungen, Leitspindeln, Schmierstoffe, Feedback-Sensoren und Antriebselektronik. Alle diese elektromechanischen Elemente müssen als System konsistent und fehlerfrei zusammenarbeiten, um ein kritisches Behandlungsergebnis für den Patienten zu erzielen. Bei Herstellern medizinischer Geräte hängt Erfolg oder Misserfolg stark davon ab, ob ein neues Produktdesign mit erfahrenen Ingenieuren umgesetzt, ordnungsgemäß validiert und anschließend die Produktion hochgefahren werden kann, während gleichzeitig anspruchsvolle Qualitätskontrollstandards eingehalten werden.

Vertikal integrierte Motion-Control-Anbieter wie FAULHABER verfügen über die Komponententechnologien, das Engineering und die Fertigungserfahrung, die zur Optimierung dieses wichtigen Subsystemdesigns erforderlich sind. Vertikal integrierte Lieferanten, die alle wichtigen Komponententechnologien im eigenen Haus herstellen, sind in der Lage, die Versorgung zu kontrollieren und die durchgängige Systemverantwortung für ein Subsystem zu übernehmen, indem sie die Designintegration aller kritischen Komponenten optimieren und Best Practices in jedem anwenden Endanwendungsfall. Für Hersteller medizinischer Geräte sind nach ISO 13485 zertifizierte Anbieter von Bewegungssteuerungssystemen am besten qualifiziert, um bei der Markteinführung eines neuen Produkts behilflich zu sein.

Die Miniaturisierung der Motortechnologie, die in chirurgischen Werkzeugen eingesetzt wird, um die Auswirkungen auf Patienten und Chirurgen zu verringern, wird weiterhin ein wichtiger Faktor sein. Robotik wird in der orthopädischen Chirurgie immer häufiger zum Einsatz kommen. Bei nahezu allen orthopädischen Eingriffen wird eine robotergestützte Operation möglich sein. Heute bieten mehr als 70 Unternehmen weltweit Systeme für die unterschiedlichsten Eingriffe an. Zum Beispiel Eingriffe an der Wirbelsäule, dem Knie, der Hüfte, im Bauchraum, in der Neurochirurgie, im Hals-Nasen-Ohren-Bereich.

Die im Operationssaal eingesetzten Geräte sind je nach Einsatzzweck unterschiedlich aufgebaut. Die Formfaktoren dieser Geräte reichen von sehr voluminösen, mehrarmigen Systemen bis hin zu Systemen, die nicht größer als eine Getränkedose sind. Während ersteres für komplexe minimalinvasive Eingriffe verwendet wird, dient letzteres lediglich dazu, Instrumente präzise und optimal ausgerichtet zu halten. Im Mittelpunkt dieses medizinischen Trends steht die erfolgreiche Systemintegration von Motor- und Bewegungssteuerungstechnologie. Die Sicherheitsstandards für diese Systeme werden sich weiterentwickeln und verbessern. Patienten werden von dieser technologischen Revolution profitieren.

Über John Chandler John Chandler studierte Elektrotechnik an der University of Michigan und ist seit über 34 Jahren in der Branche der elektronischen Antriebe und Bewegungssteuerung tätig. John verfügt über umfassende Anwendungserfahrung und konzentriert sich auf die Zusammenarbeit mit fortschrittlichen OEM-Entwicklungsteams in der Medizingerätebranche, wobei er einen kollaborativen und interdisziplinären Ansatz betont

Seit 1961 arbeitet FAULHABER MICROMO mit OEMs zusammen, um hochpräzise, ​​leistungsstarke und maßgeschneiderte Mikrobewegungssystemlösungen für Märkte wie Medizin, Robotik und Automatisierung in Nordamerika zu liefern. Die Innovationstradition von FAULHABER MICROMO begann vor Jahrzehnten in Deutschland. Mit der bahnbrechenden Erfindung der kernlosen FAULHABER-Wicklung begann alles für einen Markt, der heute Millionen von Motoren produziert. Wie kann das FAULHABER MICROMO-Team Ihnen dabei helfen, Ihre nächste Innovation zuerst auf den Markt zu bringen? Erfahren Sie mehr über MICROMOs Lösungen für die anspruchsvollsten Anwendungen, unsere vielfältigen Bewegungsprodukte und -technologien, Online-Bestellung, Engineering- und F&E-Teams, Reinraummontage, Bearbeitungszentrum und mehr Dienstleistungen in unserer Einrichtung in Clearwater, FL unter https://www.faulhaber.com.

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