Motori e tecnologie di controllo del movimento nella robotica chirurgica ortopedica

I motori presenti all'interno degli strumenti ortopedici normalmente servono come fonte di energia primaria per dispositivi di azionamento come seghe per ossa, trapani o rasoi. In queste applicazioni a velocità variabile, i motori devono avere un diametro eccezionalmente piccolo, leggeri e in grado di funzionare ad alta velocità.

John Chandler, Direttore dei sistemi di controllo | MICROMO FAULHABER

Esistono diversi ruoli chiave per la tecnologia motoria e di controllo del movimento nel campo della chirurgia ortopedica. Le applicazioni in questo campo sono impegnative e diversificate. Le applicazioni fondamentali spaziano dalla fornitura di energia primaria per strumenti chirurgici, al controllo della posizione delle articolazioni robotiche, alla generazione di feedback di forza nei dispositivi di interfaccia tattile. Altre applicazioni critiche per la tecnologia dei motori e del controllo del movimento riguardano il pompaggio, la ventilazione e il dosaggio, solo per citarne alcune. Ognuna di queste funzioni uniche richiede un motore altamente specializzato e una soluzione di controllo del movimento.

I motori presenti all'interno degli strumenti ortopedici normalmente servono come fonte di energia primaria per dispositivi di azionamento come seghe per ossa, trapani o rasoi. In queste applicazioni a velocità variabile, i motori devono avere un diametro eccezionalmente piccolo, leggeri e in grado di funzionare ad alta velocità. Devono inoltre essere in grado di funzionare continuamente a un livello di potenza elevato. I requisiti ambientali unici riscontrati nelle applicazioni chirurgiche determinano la necessità di materiali esotici, lubrificanti, tecnologia dei cuscinetti, autoclavabilità, tolleranze strette e severi controlli di qualità. FAULHABER offre i nostri prodotti con motori brushless serie BP4, BHS, BHT e BA, tutti progettati specificamente per l'uso in applicazioni di strumenti chirurgici. FAULHABER abbina inoltre questi motori specializzati a prodotti di controllo ottimizzati che supportano la regolazione della velocità ad anello chiuso, il funzionamento senza sensori e l'erogazione di potenza ottimizzata per questi motori slotless, ad alta velocità e ad alta densità di potenza.

Una serie completamente diversa di requisiti prestazionali emerge per la tecnologia di controllo motorio e del movimento quando gli strumenti chirurgici devono essere controllati roboticamente o supportati attivamente durante una procedura ortopedica. In questo caso, i motori di posizionamento, o “servomotori”, sono necessari per produrre una coppia elevata, ma non necessariamente una potenza continua elevata. In questo caso, un motore con diametro maggiore e velocità relativamente bassa funziona meglio. Per il posizionamento servo, il “rapporto potenza/peso” di un motore è spesso meno critico, ma il “rapporto coppia/inerzia” è in genere più critico. Questo perché i motori applicati nei servomeccanismi devono mantenere la posizione, ma devono anche essere altamente dinamici quando cambiano posizione o reagire a un cambiamento di carico quando mantengono la posizione. Per supportare un'elevata dinamica, i servomotori sono dotati di encoder ad alta risoluzione che forniscono il maggiore livello di feedback necessario per un controllo più sofisticato del servoamplificatore. I motori FAULHABER BXT ad alto numero di poli, in una configurazione out-runner laminata magneticamente, eccellono in questa situazione. La disponibilità di motori BXT, completata da un'ampia gamma di riduttori epicicloidali GPT, encoder ottici, magnetici e assoluti ad alta risoluzione, nonché servoamplificatori intelligenti miniaturizzati, rendono possibile l'approvvigionamento di un servosistema completamente ottimizzato, quando si collabora con FAULHABER come fornitore fornitore verticalmente integrato.

A differenza dei motori a velocità variabile utilizzati per alimentare gli strumenti chirurgici o dei servomotori utilizzati nella robotica, i motori applicati nelle interfacce tattili svolgono un ruolo completamente diverso nella chirurgia ortopedica. In effetti, i motori utilizzati nei dispositivi tattili funzionano più come generatori che come motori. Questo perché lo scopo di un'interfaccia tattile è quello di produrre un segnale di riferimento che il sistema di controllo robotico possa seguire, ma anche di fornire contemporaneamente un senso realistico di forza, o resistenza, al chirurgo che esegue la procedura a distanza. In un dispositivo tattile, la velocità e la potenza del motore sono meno critiche, ma invece la sensibilità e la fedeltà sono fondamentali. I motori utilizzati nelle interfacce aptiche devono avere un'inerzia molto bassa; altrimenti, il chirurgo avvertirà un effetto volano innaturale quando interagisce con il dispositivo. Inoltre, i motori utilizzati nei dispositivi tattili sono normalmente CC senza ferro o CA senza spazzole senza slot, poiché questo tipo di motore fornisce un livello di coppia molto costante per un livello fisso di corrente, in qualsiasi posizione angolare. In quanto tali, questi motori sono indicati come motori “Zero Cogging”. Con controlli adeguati, consentono al chirurgo ortopedico di percepire o sentire a distanza la procedura e di non avvertire alcun effetto parassitario indesiderato della geometria del motore. L'accoppiamento di un motore a cogging zero alle mani del chirurgo tramite ingranaggi di precisione, come il tipo di ingranaggi che si trova all'interno di un orologio svizzero meccanico di precisione, fornisce al chirurgo un senso del tatto completamente naturale. FAULHABER offre motori a cogging zero con ingranaggi ottimizzati per applicazioni tattili che sono veramente sensibili, fluidi e potenti. In effetti, sono proprio ciò che il medico ha ordinato!