整形外科用ロボット工学におけるモーターとモーション制御技術

整形外科用ツールの内部にあるモーターは、通常、骨鋸、ドリル、シェーバーなどの駆動装置の主な動力源として機能します。 このような可変速アプリケーションでは、モーターは非常に直径が小さく、軽量で、高速で動作できる必要があります。

John Chandler 氏、制御システム ディレクター | ファウルハーバーマイクロモ

整形外科の分野では、モーターおよびモーション制御技術にいくつかの重要な役割が存在します。 この分野のアプリケーションは要求が厳しく、多様です。 基本的なアプリケーションは、外科用ツールへの一次電力の供給から、ロボット関節の位置制御、触覚インターフェース デバイスでの力フィードバックの生成まで多岐にわたります。 モーターおよびモーション制御技術のその他の重要な用途には、ほんの数例を挙げると、ポンピング、換気、投与などが含まれます。 これらの独自の機能にはそれぞれ、高度に特殊化されたモーターとモーション制御ソリューションが必要です。

整形外科用ツールの内部にあるモーターは、通常、骨鋸、ドリル、シェーバーなどの駆動装置の主な動力源として機能します。 このような可変速アプリケーションでは、モーターは非常に直径が小さく、軽量であり、高速で動作できる必要があります。 また、高出力レベルで継続的に動作できる必要もあります。 外科用途に見られる独特の環境要件により、特殊な材料、潤滑剤、ベアリング技術、オートクレーブ滅菌可能性、厳しい公差、厳格な品質管理の必要性が高まっています。 FAULHABER は、BP4、BHS、BHT、および BA シリーズのブラシレス モーター製品を提供しています。これらはすべて、外科用ツールの用途で使用するために特別に設計されています。 FAULHABER はまた、これらの特殊なモーターを、閉ループ速度調整、センサーレス操作、スロットレス、高速、電力密度の高いモーター向けに最適化された調整された電力供給をサポートする最適化された制御製品と組み合わせます。

整形外科手術中に手術ツールをロボット制御したり、積極的にサポートしたりする必要がある場合、モーターおよびモーション制御テクノロジーにはまったく異なる一連の性能要件が生じます。 ここで、位置決めモーター、つまり「サーボモーター」は高トルクを生成する必要がありますが、必ずしも高い連続出力が必要というわけではありません。 この場合、直径が大きく、比較的低速のモーターが最適に機能します。 サーボ位置決めの場合、モーターの「出力対重量比」はそれほど重要ではありませんが、通常は「トルク対慣性比」の方が重要です。 これは、サーボ機構に適用されるモーターは位置を保持する必要があるだけでなく、位置を変更するとき、または位置を保持するときに負荷の変化に反応するときに高度に動的である必要があるためです。 高いダイナミクスをサポートするために、サーボモーターには高分解能エンコーダが取り付けられており、より高度なサーボアンプ制御に必要なフィードバックレベルを高めます。 磁性積層アウトランナー構成の多極数 FAULHABER BXT モーターは、この状況で優れた性能を発揮します。 幅広い GPT 遊星ギアヘッド、高分解能の光学式、磁気式、アブソリュート式エンコーダー、小型インテリジェント サーボ アンプを備えた BXT モーターの利用可能性により、FAULHABER と協力する場合、完全に最適化されたサーボ システムの調達が可能になります。垂直統合型サプライヤー。

外科用ツールに動力を供給するために使用される可変速モーターや、ロボット工学で使用されるサーボモーターとは異なり、触覚インターフェイスに適用されるモーターは、整形外科手術においてまったく異なる役割を果たします。 実際、触覚デバイスで使用されるモーターは、実際にはモーターとしてよりも発電機として機能します。 これは、触覚インターフェースの目的が、ロボット制御システムが従うための基準信号を生成することであると同時に、遠隔で処置を行う外科医に現実的な力の感覚または抵抗を提供することであるためです。 触覚デバイスでは、モーターの速度と出力はそれほど重要ではありませんが、代わりに感度と忠実度が最も重要です。 触覚インターフェースで使用されるモーターは慣性が非常に低い必要があります。 そうしないと、外科医はデバイスを操作するときに不自然なフライホイール効果を感じることになります。 また、触覚デバイスで使用されるモーターは通常、アイアンレス DC またはスロットレス ブラシレス AC です。このタイプのモーターは、どの角度位置でも、固定レベルの電流に対して非常に一定レベルのトルクを提供するためです。 そのため、これらのモーターは「ゼロ コギング」モーターと呼ばれます。 適切な制御があれば、整形外科医は遠隔から処置を感知することができ、モーターの形状による望ましくない寄生効果を感じないようにすることができます。 スイスの精密機械式時計の内部にあるタイプの歯車装置のような、高精度の歯車装置を介してコギングゼロのモーターを外科医の手に接続することで、外科医は完全に自然な触感を得ることができます。 FAULHABER は、真に高感度、スムーズ、そして力強い触覚アプリケーション向けに最適化されたギアを備えたゼロ コギング モーターを提供します。 実際、それらはまさに医師の指示どおりです。