Motores e tecnologias de controle de movimento em robótica cirúrgica ortopédica

Oct 15, 2023

Motores encontrados dentro de ferramentas ortopédicas normalmente servem como a principal fonte de energia para acionar dispositivos como serras de ossos, furadeiras ou barbeadores. Nessas aplicações de velocidade variável, os motores precisam ser excepcionalmente pequenos em diâmetro, leves e capazes de operar em alta velocidade.

John Chandler, Diretor de Sistemas de Controle | FAULHABER MICROMO

Existem várias funções importantes para a tecnologia de controle motor e de movimento no campo da cirurgia ortopédica. As aplicações neste campo são exigentes e diversificadas. As aplicações fundamentais variam desde o fornecimento de energia primária para ferramentas cirúrgicas até o controle de posição de articulações robóticas e a geração de feedback de força em dispositivos de interface háptica. Outras aplicações críticas para a tecnologia de controle de movimento e motor envolvem bombeamento, ventilação e dosagem, para citar apenas alguns. Cada uma dessas funções exclusivas requer um motor altamente especializado e uma solução de controle de movimento.

Motores encontrados dentro de ferramentas ortopédicas normalmente servem como a principal fonte de energia para acionar dispositivos como serras de ossos, furadeiras ou barbeadores. Nessas aplicações de velocidade variável, os motores precisam ser excepcionalmente pequenos em diâmetro, leves e capazes de funcionar em alta velocidade. Eles também precisam ser capazes de funcionar continuamente em um alto nível de potência. Os requisitos ambientais exclusivos encontrados em aplicações cirúrgicas impulsionam a necessidade de materiais exóticos, lubrificantes, tecnologia de rolamentos, autoclavabilidade, tolerâncias rígidas e controle de qualidade rigoroso. A FAULHABER oferece nossos produtos de motores sem escovas das séries BP4, BHS, BHT e BA, todos projetados especificamente para uso em aplicações de ferramentas cirúrgicas. A FAULHABER também combina esses motores especializados com produtos de controle otimizados que suportam regulação de velocidade em circuito fechado, operação sem sensor e fornecimento de energia sintonizado otimizado para esses motores densos de alta velocidade e sem slots.

Um conjunto totalmente diferente de requisitos de desempenho surge para a tecnologia de controle de movimento e motor quando as ferramentas cirúrgicas precisam ser controladas roboticamente ou ativamente suportadas durante um procedimento ortopédico. Aqui, os motores de posicionamento, ou "servomotores", são necessários para produzir alto torque, mas não necessariamente alta potência contínua. Nesse caso, um motor de diâmetro maior e velocidade relativamente baixa funciona melhor. Para o posicionamento do servo, a "relação potência/peso" de um motor costuma ser menos crítica, mas a "relação torque/inércia" normalmente é mais crítica. Isso ocorre porque os motores aplicados em servomecanismos precisam manter a posição, mas também precisam ser altamente dinâmicos ao mudar de posição ou reagir a uma mudança na carga ao manter a posição. Para suportar alta dinâmica, os servomotores são equipados com codificadores de alta resolução que fornecem o maior nível de realimentação necessário para um controle de servo amplificador mais sofisticado. Os motores FAULHABER BXT de alta contagem de polos, em uma configuração externa laminada magneticamente, se destacam nessa situação. A disponibilidade de motores BXT, complementada por uma ampla gama de redutores planetários GPT, encoders ópticos, magnéticos e absolutos de alta resolução, bem como servoamplificadores inteligentes em miniatura, tornam possível o fornecimento de um sistema servo totalmente otimizado, ao colaborar com a FAULHABER como um fornecedor verticalmente integrado.

Ao contrário dos motores de velocidade variável usados ​​para alimentar ferramentas cirúrgicas, ou servomotores usados ​​em robótica, os motores aplicados em interfaces hápticas desempenham um papel completamente diferente na cirurgia ortopédica. Na verdade, os motores usados ​​em dispositivos hápticos funcionam mais como geradores do que como motores. Isso ocorre porque o objetivo de uma interface háptica é produzir um sinal de referência para o sistema de controle robótico seguir, mas também fornecer simultaneamente uma sensação realista de força ou resistência ao cirurgião que realiza o procedimento remotamente. Em um dispositivo háptico, a velocidade e a potência do motor são menos críticas, mas, em vez disso, a sensibilidade e a fidelidade são fundamentais. Motores usados ​​em interfaces hápticas devem ter inércia muito baixa; caso contrário, o cirurgião sentirá um efeito volante não natural ao interagir com o dispositivo. Além disso, os motores usados ​​em dispositivos hápticos são normalmente CC sem ferro ou CA sem escova sem fenda, porque esse tipo de motor fornece um nível de torque muito constante para um nível fixo de corrente, em qualquer posição angular. Como tal, esses motores são chamados de motores "Zero Cogging". Com os controles adequados instalados, eles permitem que um cirurgião ortopédico detecte ou sinta remotamente o procedimento e não sinta algum efeito parasitário indesejado da geometria do motor. Acoplar um motor de engrenagem zero às mãos do cirurgião por meio de uma engrenagem de precisão, como o tipo de engrenagem encontrada dentro de um relógio suíço mecânico de precisão, proporciona ao cirurgião uma sensação de toque completamente natural. A FAULHABER oferece motores de engrenagem zero com engrenagens otimizadas para aplicações hápticas que são verdadeiramente sensíveis, suaves e fortes. Na verdade, eles são exatamente o que o médico receitou!