Motores y tecnologías de control de movimiento en robótica quirúrgica ortopédica

Los motores que se encuentran dentro de las herramientas ortopédicas normalmente sirven como fuente de energía principal para accionar dispositivos 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 | MICROMO FAULHABER

Existen varias funciones clave para la tecnología motora y de control del movimiento 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 el control de posición de 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 sólo algunas. Cada una de estas funciones únicas requiere un motor altamente especializado y una solución de control de movimiento.

Los motores que se encuentran dentro de las herramientas ortopédicas normalmente sirven como fuente de energía principal para accionar dispositivos 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 continuamente a un alto nivel de potencia. Los requisitos ambientales únicos que se encuentran en las aplicaciones quirúrgicas impulsan la necesidad de materiales exóticos, lubricantes, tecnología de rodamientos, autoclavabilidad, tolerancias estrictas y un estricto control de calidad. FAULHABER ofrece nuestros productos de motores 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 regulación de velocidad de circuito cerrado, funcionamiento sin sensores y entrega de potencia optimizada para estos motores sin ranuras, de alta velocidad y con gran densidad de potencia.

Un conjunto completamente diferente de requisitos de rendimiento surge para la tecnología de control de movimiento y motor cuando las herramientas quirúrgicas necesitan ser controladas robóticamente o respaldadas activamente durante un procedimiento ortopédico. En este caso, se requieren motores de posicionamiento, o “servomotores”, para producir un par elevado, pero no necesariamente una potencia continua elevada. En este caso, un motor de mayor diámetro y velocidad relativamente baja funciona mejor. Para el posicionamiento del servo, la “relación potencia-peso” de un motor suele ser menos crítica, pero su “relación par-inercia” suele ser más crítica. Esto se debe a que los motores aplicados en servomecanismos necesitan mantener la posición, pero también deben ser muy dinámicos al cambiar de posición o reaccionar a un cambio de carga al mantener la posición. Para soportar una alta dinámica, los servomotores están equipados con codificadores de alta resolución que proporcionan 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 patín exterior laminado magnéticamente, destacan en esta situación. La disponibilidad de motores BXT, complementados con una amplia gama de reductores planetarios GPT, codificadores ópticos, magnéticos y absolutos 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 utilizados para accionar herramientas quirúrgicas o los servomotores utilizados en robótica, los motores aplicados en interfaces hápticas desempeñan un papel completamente diferente en la cirugía ortopédica. De hecho, los motores utilizados en dispositivos hápticos 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 la sensibilidad y la fidelidad son primordiales. Los motores utilizados en interfaces hápticas deben tener una inercia muy baja; de lo contrario, el cirujano sentirá un efecto volante antinatural al interactuar con el dispositivo. Además, los motores utilizados en dispositivos hápticos son normalmente de CC sin hierro o de CA sin escobillas y sin ranura, porque este tipo de motor proporciona un nivel de par muy constante para un nivel fijo de corriente, en cualquier posición angular. Como tal, estos motores se denominan motores de “cogging cero”. Con los controles adecuados implementados, permiten que un cirujano ortopédico perciba o sienta de forma remota el procedimiento y no sienta algún efecto parásito no deseado de la geometría del motor. Acoplar un motor de engranaje cero a las manos del cirujano mediante engranajes de precisión, como el tipo de engranaje que se encuentra dentro de un reloj mecánico suizo de precisión, proporciona al cirujano una sensación de tacto que se siente completamente natural. FAULHABER ofrece motores de engranaje cero con engranajes optimizados para aplicaciones hápticas que son verdaderamente 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 motora utilizada en herramientas quirúrgicas y efectores finales. Con motores más pequeños, los ingenieros de diseño pueden producir herramientas quirúrgicas que son más ergonómicas. Un diseño de herramienta más ergonómico reduce la fatiga del cirujano. Alternativamente, si una herramienta o efector final se controla robóticamente, entonces un tamaño y peso de herramienta más pequeños reduce posteriormente el tamaño, la masa y el costo de todos los elementos estructurales robóticos necesarios para soportarla. 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 efector final.

Hacer un motor pequeño es un desafío, pero aumentar su potencia de salida al mismo tiempo es el doble de desafío. 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 tamaño de la carcasa disminuye. Ofrecer 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 superficie reducida, lo que aumenta aún más la temperatura. Por eso, gestionar de forma óptima el 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 al mismo tiempo la producción de torque. Maximizar el relleno de cobre y al mismo tiempo mantener la integridad estructural de una bobina que funciona a alta temperatura en un diseño sin ranuras es un desafío especial. Superar 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 para tener una alta rigidez dieléctrica y propiedades térmicas eficientes. Los diseños deben funcionar silenciosamente a alta velocidad y ofrecer un par suave. Los diseños deben poder fabricarse y cumplir con 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 herramientas avanzadas de diseño multifísico, aprovechando los avances en la ciencia de los materiales y mejorando continuamente el arte de fabricar estas energéticas máquinas electromagnéticas. 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 motores deben diseñarse a medida para cada caso de uso final quirúrgico único. Cada forma o superficie de perfil 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 este 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 podría estar indicado un enfoque de transmisión directa o por engranajes.

Más allá de simplemente dimensionar la potencia, es igualmente fundamental considerar qué calidad de movimiento se debe proporcionar para facilitar el procedimiento final. Esto normalmente conduce a una discusión sobre la resolución, precisión y repetibilidad del movimiento requerido. Esta información ayuda a determinar qué sensor de retroalimentación es mejor; óptico, magnético, lineal, rotativo, incremental, absoluto o sin sensores. La discusión sobre la calidad del movimiento también conducirá directamente a una discusión sobre los tipos de rodamientos, opciones de configuración, 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, la rigidez y la suavidad de control necesarios. Cuando comienza a centrarse en la mejor solución, se puede considerar cómo interconectar los elementos seleccionados, optimizándolos en términos de rendimiento, capacidad de fabricación, calidad y costo. Finalmente, se puede considerar cuál es 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 producto, respondemos reuniendo un equipo interdisciplinario de ingenieros que representan a los principales interesados ​​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 de diseño y fabricación de manera integral y juntos conducimos hacia la mejor solución final.

Los cirujanos se centran fundamentalmente en procedimientos para mejorar los resultados de los pacientes. Los fabricantes de dispositivos médicos, que emplean ingenieros de diseño, se centran en desarrollar las herramientas y equipos necesarios para realizar estos procedimientos quirúrgicos. FAULHABER es un proveedor de control de movimiento y motores integrados verticalmente que presta servicios a estos fabricantes de dispositivos médicos. Nuestros clientes, los 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 quienes colaborar para llevar al mercado una nueva tecnología que aproveche su propiedad intelectual (PI) única. Por lo general, su propiedad intelectual se centra en la aplicación de alguna nueva capacidad de obtención de imágenes, un procedimiento quirúrgico novedoso o incluso podría estar relacionada con un avance en la tecnología de la información. Y, sin embargo, el dispositivo o sistema quirúrgico necesario para llevar este IP crítico al mercado contiene un subsistema de control de movimiento complejo que consta de: motores, engranajes, cojinetes, acoplamientos, husillos, lubricantes, sensores de retroalimentación y electrónica de accionamiento. Todos estos elementos electromecánicos deben trabajar juntos como un sistema, de manera consistente y perfecta, para brindar un resultado crítico al paciente. Para los fabricantes de dispositivos médicos, el éxito o el fracaso depende en gran medida de ejecutar el diseño de un nuevo producto con ingenieros experimentados, validarlo adecuadamente y luego poder aumentar la producción cumpliendo con 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 en fabricación necesarias para optimizar el diseño de este 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 de un subsistema, optimizando la integración del diseño de todos los componentes críticos y aplicando las mejores prácticas en cada uno de ellos. caso de uso final. Para los fabricantes de dispositivos médicos, los proveedores de sistemas de control de movimiento certificados según ISO13485 son los más calificados para ayudar a lanzar un nuevo producto al mercado.

La miniaturización de la tecnología motora utilizada en las herramientas quirúrgicas para reducir el impacto en los pacientes y cirujanos seguirá siendo un factor de buceo. La robótica en cirugía ortopédica será cada vez 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, las rodillas, las caderas, el abdomen, en neurocirugía, en la zona de los oídos, la nariz y la garganta.

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

Acerca deJuan Chandler John Chandler estudió Ingeniería Eléctrica en la Universidad de Michigan y ha trabajado en la industria de accionamientos electrónicos y control de movimiento durante más de 34 años. La experiencia en aplicaciones de John es extensa y está enfocado en trabajar con equipos de desarrollo OEM avanzados 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 micromovimiento personalizados, de alta precisión y alto rendimiento para 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 bobinado sin núcleo FAULHABER inició todo para un mercado que produce millones de motores en la actualidad. ¿Cómo puede el equipo de FAULHABER MICROMO ayudarle a llevar su próxima innovación al mercado primero? 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 investigación y desarrollo, ensamblaje de sala limpia, centro de mecanizado y otros. servicios en nuestras instalaciones de Clearwater, FL en https://www.faulhaber.com.

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