Motores e tecnologias de controle de movimento em robótica cirúrgica ortopédica

John Chandler, Diretor de Sistemas de Controle | FAULHABER MICROMO

Existem várias funções importantes para a tecnologia motora e de controle de movimento no campo da cirurgia ortopédica. As aplicações neste campo são exigentes e diversas. As aplicações fundamentais vão 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 tecnologia de motor e controle de movimento envolvem bombeamento, ventilação e dosagem, para citar apenas algumas. Cada uma dessas funções exclusivas requer um motor altamente especializado e uma solução de controle de movimento.

Os motores encontrados dentro de ferramentas ortopédicas normalmente servem como fonte de energia primária para acionar dispositivos como serras ósseas, brocas ou barbeadores. Nessas aplicações de velocidade variável, os motores precisam ter diâmetro excepcionalmente pequeno, ser leves e capazes de funcionar em alta velocidade. Eles também precisam ser capazes de funcionar continuamente em 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 motor sem escova 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 sem slots, de alta velocidade e com alta densidade de potência.

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 apoiadas ativamente durante um procedimento ortopédico. Aqui, motores de posicionamento, ou “servomotores”, são necessários para produzir alto torque, mas não necessariamente alta potência contínua. Neste caso, um motor de diâmetro maior e velocidade relativamente baixa funciona melhor. Para o posicionamento servo, a “relação potência/peso” de um motor é muitas vezes menos crítica, mas a “relação torque/inércia” é normalmente 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 encoders de alta resolução que fornecem o maior nível de feedback necessário para um controle de servo amplificador mais sofisticado. Os motores FAULHABER BXT de alto número de pólos, em configuração out-runner magneticamente laminada, são excelentes nesta situação. A disponibilidade de motores BXT, complementados por uma extensa linha 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 dos servomotores usados na 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 a ser seguido pelo sistema de controle robótico, 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. Os motores utilizados em interfaces hápticas devem ter inércia muito baixa; caso contrário, o cirurgião sentirá um efeito de volante não natural ao interagir com o dispositivo. Além disso, os motores usados em dispositivos hápticos são normalmente CC sem ferro ou CA sem escovas e sem ranhuras, 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 controles adequados instalados, eles permitem que um cirurgião ortopédico detecte ou sinta remotamente o procedimento e não sinta algum efeito parasita indesejado da geometria do motor. Acoplar um motor de engrenagem zero às mãos do cirurgião por meio de engrenagens de precisão, como o tipo de engrenagem encontrado dentro de um relógio mecânico suíço de precisão, proporciona ao cirurgião uma sensação de toque completamente natural. A FAULHABER oferece motores de engrenagem zero com engrenagens otimizadas para aplicações táteis que são verdadeiramente sensíveis, suaves e potentes. Na verdade, são exatamente o que o médico receitou!