Motores y tecnologías de control de movimiento en robótica quirúrgica ortopédica

Oct 15, 2023

Los motores que se encuentran dentro de las herramientas ortopédicas normalmente sirven como fuente de energía principal para dispositivos de accionamiento como sierras para huesos, taladros o afeitadoras. En estas aplicaciones de velocidad variable, los motores deben tener un diámetro excepcionalmente pequeño, ser livianos y capaces de funcionar a alta velocidad.

John Chandler, Director de Sistemas de Control | MICROMODELO FAULHABER

Existen varias funciones clave para la tecnología de control de movimiento y motor en el campo de la cirugía ortopédica. Las aplicaciones en este campo son exigentes y diversas. Las aplicaciones fundamentales van desde proporcionar energía primaria para herramientas quirúrgicas hasta controlar la posición de las articulaciones robóticas y generar retroalimentación de fuerza en dispositivos de interfaz háptica. Otras aplicaciones críticas para la tecnología de control de movimiento y motores implican el bombeo, la ventilación y la dosificación, por nombrar solo algunas. Cada una de estas funciones únicas requiere una solución de control de movimiento y motor altamente especializada.

Los motores que se encuentran dentro de las herramientas ortopédicas normalmente sirven como fuente de energía principal para dispositivos de accionamiento como sierras para huesos, taladros o afeitadoras. En estas aplicaciones de velocidad variable, los motores deben tener un diámetro excepcionalmente pequeño, ser livianos y capaces de funcionar a alta velocidad. También deben ser capaces de funcionar a un alto nivel de potencia de forma continua. Los requisitos ambientales únicos que se encuentran en las aplicaciones quirúrgicas impulsan la necesidad de materiales exóticos, lubricantes, tecnología de cojinetes, esterilizabilidad en autoclave, tolerancias estrictas y un estricto control de calidad. FAULHABER ofrece nuestros productos de motor sin escobillas de las series BP4, BHS, BHT y BA, todos diseñados específicamente para su uso en aplicaciones de herramientas quirúrgicas. FAULHABER también combina estos motores especializados con productos de control optimizados que admiten la regulación de velocidad de bucle cerrado, el funcionamiento sin sensores y la entrega de potencia optimizada para estos motores densos de potencia, de alta velocidad y sin ranuras.

Surge un conjunto completamente diferente de requisitos de rendimiento para la tecnología de control de movimiento y motor cuando las herramientas quirúrgicas deben controlarse robóticamente o apoyarse activamente durante un procedimiento ortopédico. Aquí, se requieren motores de posicionamiento, o "servomotores", para producir un alto par, pero no necesariamente una alta potencia continua. En este caso, un motor de mayor diámetro y velocidad relativamente baja funciona mejor. Para el posicionamiento del servo, la "relación de potencia a peso" de un motor suele ser menos crítica, pero su "relación de par a inercia" suele ser más crítica. Esto se debe a que los motores aplicados en los servomecanismos deben mantener la posición, pero también deben ser muy dinámicos al cambiar de posición o reaccionar a un cambio en la carga al mantener la posición. Para admitir dinámicas altas, los servomotores están equipados con codificadores de alta resolución que brindan el mayor nivel de retroalimentación necesario para un control de servoamplificador más sofisticado. Los motores FAULHABER BXT de alto número de polos, en una configuración de corredor exterior laminado magnéticamente, sobresalen en esta situación. La disponibilidad de motores BXT, complementada con una amplia gama de reductores planetarios GPT, codificadores absolutos, magnéticos y ópticos de alta resolución, así como servoamplificadores inteligentes en miniatura, hacen posible el suministro de un servosistema totalmente optimizado, al colaborar con FAULHABER como proveedor integrado verticalmente.

A diferencia de los motores de velocidad variable que se utilizan para accionar las herramientas quirúrgicas o los servomotores que se utilizan en la robótica, los motores aplicados en las interfaces hápticas desempeñan un papel completamente diferente en la cirugía ortopédica. De hecho, los motores utilizados en los dispositivos hápticos en realidad funcionan más como generadores que como motores. Esto se debe a que el propósito de una interfaz háptica es producir una señal de referencia para que la siga el sistema de control robótico, pero también proporcionar simultáneamente una sensación realista de fuerza o resistencia al cirujano que realiza el procedimiento de forma remota. En un dispositivo háptico, la velocidad y la potencia del motor son menos críticas, pero en cambio, la sensibilidad y la fidelidad son primordiales. Los motores utilizados en las interfaces hápticas deben tener una inercia muy baja; de lo contrario, el cirujano sentirá un efecto de volante antinatural al interactuar con el dispositivo. Además, los motores utilizados en los dispositivos hápticos son normalmente de CC sin hierro o CA sin escobillas y sin ranuras, porque este tipo de motor proporciona un nivel de par muy constante para un nivel fijo de corriente, en cualquier posición angular. Como tales, estos motores se conocen como motores "Zero Cogging". Con los controles adecuados en su lugar, permiten que un cirujano ortopédico detecte de forma remota o sienta el procedimiento y no sienta ningún efecto parásito no deseado de la geometría del motor. Acoplando un motor de engranaje cero a las manos del cirujano a través de engranajes de precisión, como el tipo de engranaje que se encuentra dentro de un reloj mecánico suizo de precisión, proporciona al cirujano un sentido del tacto que se siente completamente natural. FAULHABER ofrece motores sin engranajes con engranajes optimizados para aplicaciones hápticas que son realmente sensibles, suaves y contundentes. De hecho, ¡son justo lo que recetó el médico!

Uno de los principales impulsores tecnológicos en el avance del tratamiento quirúrgico ortopédico es la miniaturización de la tecnología de motores utilizada en herramientas quirúrgicas y efectores finales. Con motores más pequeños, los ingenieros de diseño pueden producir herramientas quirúrgicas más ergonómicas. Un diseño de herramienta más ergonómico reduce la fatiga del cirujano. Alternativamente, si una herramienta o un efector final se controla robóticamente, entonces un tamaño y peso de la herramienta más pequeños reduce posteriormente el tamaño, la masa y el costo de todos los elementos estructurales robóticos necesarios para soportarlo. En pocas palabras, ya sea manual o controlado robóticamente, realmente vale la pena tener un motor pequeño y potente dentro de una herramienta quirúrgica o un efector final.

Hacer un motor pequeño es un desafío, pero aumentar su potencia de salida al mismo tiempo es el doble de desafiante. Esto se debe a que para un nivel fijo de potencia de salida, la temperatura de la superficie de un motor aumentará si su área de superficie, o el tamaño de la carcasa, disminuye. Brindar un mayor nivel de potencia a través de una carcasa de motor más pequeña significa que se debe disipar aún más calor a través de esta área de superficie reducida, lo que aumenta aún más la temperatura. Por lo tanto, la gestión óptima del diseño térmico del motor se convierte en un factor crítico en el diseño de motores eléctricos. Caracterizar la masa térmica y la resistividad térmica entre varios elementos dentro de un motor tiene un impacto muy grande en su capacidad para funcionar en una aplicación ortopédica.

El diseño de motores eléctricos de alto rendimiento es complejo. Es fundamental configurar la geometría magnética de un motor para minimizar la pérdida y maximizar la producción de par. Maximizar el relleno de cobre, mientras se mantiene la integridad estructural de una bobina que funciona a alta temperatura en un diseño sin ranuras, es especialmente desafiante. Empujar los límites de todos los elementos mecánicos requiere un análisis detallado de la tensión, la deformación y el desgaste. Los materiales aislantes eléctricos deben seleccionarse por su alta rigidez dieléctrica y sus propiedades térmicas eficientes. Los diseños deben funcionar silenciosamente a alta velocidad y ofrecer un par uniforme. Los diseños deben poder fabricarse y deben cumplir con los exigentes estándares de calidad médica. Los diseños deben ser seguros para su uso en aplicaciones ortopédicas.

FAULHABER avanza continuamente en la tecnología de motores en este mercado aprovechando las herramientas avanzadas de diseño multifísico, aprovechando los avances en la ciencia de los materiales y mejorando continuamente el arte de fabricar estas máquinas electromagnéticas energéticas. Como proveedor integrado verticalmente en este mercado, FAULHABER también puede aprovechar inversiones clave en tecnología e infraestructura de motores para fabricar sistemas completos de control de movimiento para aplicaciones que se encuentran en la robótica quirúrgica.

En pocas palabras, los sistemas de control de movimiento y motor deben diseñarse a medida para cada caso de uso final quirúrgico único. Cada forma de perfil o superficie única que se encuentra en el extremo de trabajo de una herramienta quirúrgica ortopédica funciona de manera más eficiente a un nivel específico de velocidad y torsión. Comprender esta velocidad y par representa el punto de partida para diseñar un motor personalizado o una solución de control de movimiento. Con este punto de partida, se puede realizar un análisis térmico para determinar físicamente qué tan grande es probable que sea un motor, qué tipo de motor podría funcionar mejor y si se puede indicar un enfoque de transmisión directa o engranada.

Más allá de solo dimensionar la potencia, es igualmente crítico considerar qué calidad de movimiento se necesita entregar para facilitar el procedimiento final. Esto normalmente conduce a una discusión sobre la resolución, la precisión y la repetibilidad del movimiento requerido. Esta información ayuda a determinar qué sensor de retroalimentación es el mejor; óptico, magnético, lineal, rotatorio, incremental, absoluto o sensorless. La discusión sobre la calidad del movimiento también conducirá directamente a una discusión sobre los tipos de cojinetes, las opciones de configuración, los lubricantes y algunas ideas sobre dónde ubicar mejor los sensores de retroalimentación si es necesario. La calidad del movimiento también conducirá a una discusión sobre el ancho de banda requerido, la rigidez y la suavidad del control. Cuando la mejor solución comienza a tomar el foco, se puede considerar cómo interconectar los elementos seleccionados, optimizándolos para el rendimiento, la capacidad de fabricación, la calidad y el costo. Finalmente, se puede considerar la mejor manera de encerrar los elementos para cada caso de uso final.

Cuando se contacta a FAULHABER en la fase de conceptualización de un nuevo proyecto importante o esfuerzo de desarrollo de productos, respondemos reuniendo a un equipo interdisciplinario de ingenieros que representan a los titulares clave en tecnología, diseño, fabricación y calidad, para organizar una mesa redonda abierta con el equipo de diseño de nuestro cliente. Sabemos por experiencia que los mejores resultados y las mejores soluciones se obtienen cuando, junto con el cliente, analizamos el desafío del diseño y la fabricación de manera integral, y juntos conducimos a la mejor solución final.

Los cirujanos se centran fundamentalmente en los procedimientos para mejorar los resultados de los pacientes. Los fabricantes de dispositivos médicos, que emplean ingenieros de diseño, se concentran en desarrollar las herramientas y los equipos necesarios para realizar estos procedimientos quirúrgicos. FAULHABER es un proveedor de control de movimiento y motores integrado verticalmente que presta servicios a estos fabricantes de dispositivos médicos. Nuestros clientes, ingenieros de dispositivos médicos, por supuesto, están muy interesados ​​en la tecnología de control de movimiento y motores de mayor rendimiento. Pero con un alcance más comercial, los fabricantes de dispositivos médicos suelen buscar proveedores capaces con los que colaborar para llevar una nueva tecnología al mercado que aproveche su propiedad intelectual (PI) única. Por lo general, su PI se centra en la aplicación de quizás alguna nueva capacidad de imagen, un procedimiento quirúrgico novedoso o incluso podría estar relacionado con un avance en la tecnología de la información. Y, sin embargo, el dispositivo o sistema quirúrgico requerido para llevar esta IP crítica al mercado contiene un subsistema de control de movimiento complejo que consiste en; motores, engranajes, cojinetes, acoplamientos, tornillos de avance, lubricantes, sensores de retroalimentación y electrónica de accionamiento. Todos estos elementos electromecánicos deben trabajar juntos como un sistema, de manera constante y sin fallas, para brindar un resultado crítico para el paciente. Para los fabricantes de dispositivos médicos, el éxito o el fracaso depende en gran medida de ejecutar un nuevo diseño de producto con ingenieros experimentados, validarlo correctamente y luego poder aumentar la producción mientras se cumplen los exigentes estándares de control de calidad.

Los proveedores de control de movimiento integrados verticalmente como FAULHABER tienen las tecnologías de componentes, la ingeniería y la experiencia de fabricación necesarias para optimizar este diseño de subsistema clave. Los proveedores integrados verticalmente, que fabrican internamente todas las tecnologías de componentes clave, pueden controlar el suministro y asumir la responsabilidad del sistema de extremo a extremo para un subsistema, optimizando la integración del diseño de todos los componentes críticos y aplicando las mejores prácticas en cada uno. caso de uso final. Para los fabricantes de dispositivos médicos, los proveedores de sistemas de control de movimiento con certificación ISO13485 son los más calificados para ayudar a llevar un nuevo producto al mercado.

La miniaturización de la tecnología de motores utilizada en las herramientas quirúrgicas para reducir el impacto en los pacientes y los cirujanos seguirá siendo un factor clave. La robótica en cirugía ortopédica se volverá más común. Una operación asistida por robot será posible para casi todos los procedimientos ortopédicos. Hoy en día, más de 70 empresas en todo el mundo ofrecen sistemas para una amplia gama de procedimientos. Por ejemplo, procedimientos en la columna vertebral, la rodilla, las caderas, en el abdomen, en neurocirugía, en el área del oído, la nariz y la garganta.

Los dispositivos utilizados en el quirófano tienen diferentes diseños según su finalidad. Los factores de forma de estos dispositivos van desde sistemas muy voluminosos de múltiples brazos hasta sistemas que no son más grandes que una lata de bebida. Mientras que el primero se usa para procedimientos complejos mínimamente invasivos, el segundo sistema se usa simplemente para sujetar instrumentos con precisión en una orientación óptima. La integración exitosa de sistemas de tecnología de control de movimiento y motor está en el corazón de esta tendencia médica. Los estándares de seguridad seguirán evolucionando y mejorando para estos sistemas. Los pacientes se beneficiarán de esta revolución tecnológica.

Sobre John Chandler John Chandler estudió ingeniería eléctrica en la Universidad de Michigan y ha trabajado en la industria de control de movimiento y accionamientos electrónicos durante más de 34 años. La experiencia de aplicación de John es amplia y se centra en trabajar con equipos avanzados de desarrollo de OEM en la industria de dispositivos médicos, enfatizando un enfoque colaborativo e interdisciplinario.

Desde 1961, FAULHABER MICROMO se ha asociado con fabricantes de equipos originales para ofrecer soluciones de sistemas de micro movimiento personalizados de alta precisión y alto rendimiento a mercados como el médico, la robótica y la automatización en América del Norte. La tradición de innovación de FAULHABER MICROMO comenzó hace décadas en Alemania. La innovadora invención del devanado sin núcleo FAULHABER inició todo para un mercado que produce millones de motores en la actualidad. ¿Cómo puede el equipo de FAULHABER MICROMO ayudarlo a lanzar primero su próxima innovación al mercado? Obtenga más información sobre las soluciones de MICROMO para las aplicaciones más exigentes, nuestros diversos productos y tecnologías de movimiento, pedidos en línea, equipos de ingeniería e I+D, ensamblaje en sala limpia, centro de mecanizado y otros servicios en nuestras instalaciones de Clearwater, FL en https://www.faulhaber.com.

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