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

Oct 15, 2023

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、この状況で優れています。 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。

整形外科治療の進歩における主な技術原動力の 1 つは、手術ツールやエンドエフェクターに使用されるモーター技術の小型化です。 モーターが小型化されると、設計エンジニアはより人間工学に基づいた手術器具を製造できるようになります。 より人間工学に基づいたツール設計により、外科医の疲労が軽減されます。 あるいは、ツールまたはエンドエフェクタがロボット制御される場合、ツールのサイズと重量が小さくなり、それをサポートするために必要なすべてのロボット構造要素のサイズ、質量、およびコストが削減されます。 簡単に言えば、手持ち式であろうとロボット制御であろうと、外科用ツールやエンドエフェクター内に小型で強力なモーターを搭載することは非常に有益です。

モーターを小型化することは困難ですが、同時に出力を増加させることは 2 倍の困難です。 これは、出力レベルが一定の場合、表面積またはハウジングのサイズが減少すると、モーターの表面温度が上昇するためです。 より小さなモーターハウジングでより高いレベルの電力を供給するには、この減少した表面積全体でさらに多くの熱を放散する必要があり、温度がさらに上昇します。 したがって、モーターの熱設計を最適に管理することが、電気モーターの設計において重要な要素になります。 モーター内部のさまざまな要素間の熱質量と熱抵抗率を特徴付けることは、整形外科用途でのモーターの性能に非常に大きな影響を与えます。

高性能電気モーターの設計は複雑です。 トルク生成を最大化しながら、損失を最小限に抑えるようにモーターの磁気形状を構成することが重要です。 スロットレス設計で高温で動作するコイルの構造的完全性を維持しながら、銅の充填量を最大化することは特に困難です。 すべての機械要素の限界を押し上げるには、応力、ひずみ、摩耗の詳細な分析が必要です。 電気絶縁材料は、高い絶縁耐力と効率的な熱特性を考慮して選択する必要があります。 設計は高速でも静かに機能し、スムーズなトルクを提供する必要があります。 設計は製造可能である必要があり、厳しい医療品質基準を満たす必要があります。 デザインは整形外科用途で安全に使用できる必要があります。

FAULHABER は、高度なマルチフィジックス設計ツールを活用し、材料科学の進歩を利用し、これらの高エネルギー電磁機械の製造技術を継続的に改善することにより、この市場でモーター技術を継続的に進歩させています。 FAULHABER は、この市場の垂直統合サプライヤーとして、モーター技術とインフラストラクチャーへの重要な投資を活用して、外科用ロボット工学に見られるアプリケーション向けの完全なモーション制御システムを製造することもできます。

簡単に言えば、モーターおよびモーション制御システムは、それぞれの固有の外科的最終使用例に合わせてカスタム設計する必要があります。 整形外科用ツールの作業端に見られるそれぞれの独自のプロファイル形状または表面は、特定のレベルの速度とトルクで最も効率的に動作します。 この速度とトルクを理解することは、カスタム モーターまたはモーション制御ソリューションを設計するための出発点となります。 この開始点を使用して、熱解析を実行して、モーターがどのくらいの大きさになる可能性があるか、どのタイプのモーターが最適に機能するか、ギア駆動アプローチと直接駆動アプローチのどちらが必要かを物理的に判断できます。

パワーのサイジングだけでなく、最終処置を容易にするためにどのような動きの質を提供する必要があるかを考慮することも同様に重要です。 これは通常、必要な動作の解像度、精度、再現性についての議論につながります。 この情報は、どのフィードバック センサーが最適かを判断するのに役立ちます。 光学、磁気、リニア、ロータリー、インクリメンタル、アブソリュート、またはセンサーレス。 動作品質についての議論は、ベアリングの種類、構成オプション、潤滑剤についての議論にも直接つながり、必要に応じてフィードバック センサーをどこに配置するのが最適かについての検討にもつながります。 動きの質は、必要な帯域幅、剛性、制御の滑らかさについての議論にもつながります。 最適なソリューションに焦点が当てられ始めると、選択した要素を相互接続して、パフォーマンス、製造性、品質、コストを最適化する方法を検討できます。 最後に、各エンドユースケースに応じて要素を最適に囲む方法を検討できます。

主要な新規プロジェクトや製品開発の構想段階でFAULHABERに問い合わせがあった場合、私たちは技術、設計、製造、品質の主要なリーダーを代表する学際的なエンジニアのチームを結集して、オープンなラウンドテーブルディスカッションを主催することで対応します。私たちの顧客の設計チーム。 私たちは経験から、お客様と一緒に設計と製造の課題を総合的に検討し、最善の最終ソリューションを目指して取り組むときに、最良の結果と最適なソリューションが得られることを知っています。

外科医は基本的に、患者の転帰を改善するための処置に重点を置いています。 医療機器メーカーは、設計エンジニアを雇用し、これらの外科手術を実行するために必要なツールや機器の開発に重点を置いています。 FAULHABER は、これらの医療機器メーカーにサービスを提供する、垂直統合されたモーターおよびモーション コントロールのサプライヤーです。 当社の顧客である医療機器エンジニアは、当然のことながら、最高性能のモーターおよびモーション制御テクノロジーに非常に興味を持っています。 しかし、より商業的な観点から見ると、医療機器メーカーは多くの場合、自社独自の知的財産 (IP) を活用した新技術を市場に投入するために、協力してくれる有能なサプライヤーを探しています。 通常、彼らの知的財産は、おそらく何らかの新しい画像処理機能や新しい外科手術の応用に焦点を当てており、あるいは情報技術の画期的な進歩に関連している場合もあります。 さらに、この重要な IP を市場に投入するために必要な外科用デバイスまたはシステムには、以下で構成される複雑なモーション制御サブシステムが含まれています。 モーター、ギア、ベアリング、カップリング、親ネジ、潤滑剤、フィードバック センサー、および駆動電子機器。 重要な患者の転帰を実現するには、これらすべての電気機械要素がシステムとして一貫して完璧に連携して動作する必要があります。 医療機器メーカーにとって、成功か失敗は、経験豊富なエンジニアとともに新製品設計を実行し、それを適切に検証し、厳しい品質管理基準を満たしながら生産を開始できるかどうかに大きく左右されます。

FAULHABER のような垂直統合モーション コントロール サプライヤーは、この重要なサブシステム設計を最適化するために必要なコンポーネント テクノロジー、エンジニアリング、製造経験を持っています。 すべての主要なコンポーネント技術を社内で製造する垂直統合型サプライヤーは、すべての重要なコンポーネントの設計統合を最適化し、各コンポーネントにベスト プラクティスを適用することで、供給を制御し、サブシステムに対するエンドツーエンドのシステム責任を負うことができます。最終的な使用例。 医療機器メーカーにとって、新製品の市場投入を支援するのに最も適しているのは、ISO13485 認証を受けたモーション コントロール システム サプライヤーです。

患者や外科医への影響を軽減するための手術器具に使用されるモーター技術の小型化は、今後も重要な要素となるでしょう。 整形外科におけるロボット工学はさらに一般的になるでしょう。 ほぼすべての整形外科手術でロボット支援手術が可能になる。 現在、世界中で 70 社以上の企業が、幅広い手続きに対応するシステムを提供しています。 たとえば、脊柱、膝、股関節、腹部、脳神経外科、耳、鼻、喉の領域での処置などです。

手術室で使用される機器は、目的に応じてさまざまなデザインが異なります。 これらのデバイスのフォームファクターは、非常にボリュームのあるマルチアームシステムから、飲料缶ほどの大きさのシステムまで多岐にわたります。 前者は複雑な低侵襲処置に使用されますが、後者のシステムは単に器具を最適な方向に正確に保持するために使用されます。 モーターとモーション制御技術のシステム統合の成功は、この医療トレンドの中心です。 これらのシステムの安全基準は進化し、改善され続けます。 患者はこの技術革新の恩恵を受けるでしょう。

ジョン・チャンドラーについて John Chandler は、ミシガン大学で電気工学を学び、34 年以上電子ドライブとモーション コントロール業界で働いてきました。 John のアプリケーション経験は豊富で、医療機器業界の先進的な OEM 開発チームとの連携に重点を置き、協力的かつ学際的なアプローチを重視しています。

1961 年以来、FAULHABER MICROMO は OEM と提携して、北米の医療、ロボット、オートメーションなどの市場に高精度、高性能のカスタム マイクロ モーション システム ソリューションを提供してきました。 FAULHABER MICROMO の革新の伝統は、数十年前にドイツで始まりました。 FAULHABER コアレス巻線の画期的な発明は、今日何百万台ものモーターを生産する市場にとってすべての始まりでした。 FAULHABER MICROMO チームは、次のイノベーションを最初に市場に提供するのにどのように役立ちますか?最も要求の厳しいアプリケーション向けの MICROMO のソリューション、当社の多様なモーション製品とテクノロジー、オンライン注文、エンジニアリングおよび R&D チーム、クリーン ルーム アセンブリ、マシニング センターなどについて詳しくご覧ください。フロリダ州クリアウォーターの施設（https://www.faulhaber.com）でサービスを提供しています。

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