Moteurs et technologies de contrôle de mouvement en robotique chirurgicale orthopédique

Les moteurs présents à l’intérieur des outils orthopédiques servent normalement de source d’énergie principale pour entraîner des appareils tels que des scies à os, des perceuses ou des rasoirs. Dans ces applications à vitesse variable, les moteurs doivent être d'un diamètre exceptionnellement petit, légers et capables de fonctionner à grande vitesse.

John Chandler, directeur des systèmes de contrôle | FAULHABER MICROMO

Il existe plusieurs rôles clés pour la technologie de contrôle moteur et de mouvement dans le domaine de la chirurgie orthopédique. Les applications dans ce domaine sont exigeantes et diverses. Les applications fondamentales vont de la fourniture d'énergie primaire pour les outils chirurgicaux au contrôle de position des articulations robotiques, en passant par la génération de retour de force dans les dispositifs d'interface haptique. D'autres applications critiques de la technologie de commande de moteurs et de mouvements concernent le pompage, la ventilation et le dosage, pour n'en citer que quelques-unes. Chacune de ces fonctions uniques nécessite un moteur hautement spécialisé et une solution de contrôle de mouvement.

Les moteurs présents à l’intérieur des outils orthopédiques servent normalement de source d’énergie principale pour entraîner des appareils tels que des scies à os, des perceuses ou des rasoirs. Dans ces applications à vitesse variable, les moteurs doivent être d'un diamètre exceptionnellement petit, légers et capables de fonctionner à grande vitesse. Ils doivent également être capables de fonctionner en permanence à un niveau de puissance élevé. Les exigences environnementales uniques rencontrées dans les applications chirurgicales nécessitent des matériaux exotiques, des lubrifiants, une technologie de roulements, une autoclavabilité, des tolérances strictes et un contrôle qualité strict. FAULHABER propose nos produits de moteurs sans balais des séries BP4, BHS, BHT et BA, tous spécialement conçus pour être utilisés dans les applications d'outils chirurgicaux. FAULHABER associe également ces moteurs spécialisés à des produits de contrôle optimisés prenant en charge la régulation de vitesse en boucle fermée, le fonctionnement sans capteur et la fourniture de puissance optimisée pour ces moteurs sans fente, à grande vitesse et à forte densité de puissance.

Un ensemble d’exigences de performance totalement différent émerge pour la technologie de contrôle du moteur et du mouvement lorsque les outils chirurgicaux doivent être contrôlés par robot ou activement soutenus pendant une procédure orthopédique. Ici, les moteurs de positionnement, ou « servomoteurs », doivent produire un couple élevé, mais pas nécessairement une puissance continue élevée. Dans ce cas, un moteur de plus grand diamètre et à vitesse relativement faible fonctionne mieux. Pour le positionnement des servos, le « rapport puissance/poids » d'un moteur est souvent moins critique, mais son « rapport couple/inertie » est généralement plus critique. En effet, les moteurs utilisés dans les servomécanismes doivent maintenir leur position, mais ils doivent également être très dynamiques lorsqu'ils changent de position ou réagir à un changement de charge lorsqu'ils maintiennent leur position. Pour prendre en charge une dynamique élevée, les servomoteurs sont équipés d'encodeurs haute résolution qui fournissent le niveau de retour accru nécessaire à un contrôle plus sophistiqué du servoamplificateur. Les moteurs FAULHABER BXT à nombre élevé de pôles, dans une configuration à rotors laminés magnétiquement, excellent dans cette situation. La disponibilité des moteurs BXT, complétée par une vaste gamme de réducteurs planétaires GPT, des codeurs optiques, magnétiques et absolus haute résolution, ainsi que des servoamplificateurs intelligents miniatures, permettent de trouver un système d'asservissement entièrement optimisé, en collaborant avec FAULHABER en tant que fournisseur. fournisseur verticalement intégré.

Contrairement aux moteurs à vitesse variable utilisés pour alimenter les outils chirurgicaux ou aux servomoteurs utilisés en robotique, les moteurs appliqués aux interfaces haptiques jouent un rôle complètement différent en chirurgie orthopédique. En fait, les moteurs utilisés dans les dispositifs haptiques fonctionnent davantage comme des générateurs que comme des moteurs. En effet, le but d'une interface haptique est de produire un signal de référence que le système de contrôle robotique doit suivre, mais également de fournir simultanément une sensation réaliste de force, ou de résistance, au chirurgien effectuant la procédure à distance. Dans un dispositif haptique, la vitesse et la puissance du moteur sont moins critiques, mais la sensibilité et la fidélité sont primordiales. Les moteurs utilisés dans les interfaces haptiques doivent avoir une très faible inertie ; sinon, le chirurgien ressentira un effet de volant non naturel lors de l’interaction avec le dispositif. De plus, les moteurs utilisés dans les dispositifs haptiques sont normalement des moteurs à courant continu sans fer ou à courant alternatif sans balais et sans fente, car ce type de moteur fournit un niveau de couple très constant pour un niveau de courant fixe, dans n'importe quelle position angulaire. En tant que tels, ces moteurs sont appelés moteurs « Zero Cogging ». Avec des commandes adéquates en place, ils permettent à un chirurgien orthopédiste de détecter à distance la procédure et de ne pas ressentir d'effet parasite indésirable de la géométrie du moteur. Le couplage d'un moteur sans engrenage aux mains du chirurgien grâce à un engrenage de précision, comme le type d'engrenage que l'on trouve à l'intérieur d'une montre suisse mécanique de précision, offre au chirurgien une sensation de toucher complètement naturelle. FAULHABER propose des moteurs sans engrenage avec un engrenage optimisé pour des applications haptiques véritablement sensibles, fluides et puissantes. En fait, c’est exactement ce que le médecin a prescrit !