Aktuální vydání

celé číslo

08

2022

MSV 2022

Projektování, konstruování a programování automatizačních a řídicích systémů

celé číslo

Elektrické mikropohony v medicínské technice

Elektrické mikropohony napájené bezpečným napětím jsou nedílnou součástí nejrůznějších mechatronických systémů. V poslední době se tyto motory prosazují v netradičních oblastech užití, jako je např. medicínská technika, zejména invazivní chirurgie. Pro tento vývoj je charakteristické zdokonalování vlastností všech členů struktury pohonů, tj. motorů, převodovek, snímačů polohy nebo rychlosti otáčení rotoru i řídicí a výkonové elektroniky, a především jejich miniaturizace při snižování ceny. Podmínkou pro implementaci uvedených komponent do těchto a jiných pokročilých mechatronických soustav je kromě nízké ceny také vysoká kvalita a jejich vhodnost pro další funkční a prostorovou integraci celého robotu. Tento článek uvádí příklad použití pohonů od firmy Maxon v robotu pro miniinvazivní chirurgické operace. Požadavky kladené na pohony jsou zde obzvlášť vysoké, pohony od společnosti Maxon je však dokážou beze zbytku splnit.
 
V oblasti medicínské techniky určené pro chirurgické výkony směřuje vývoj k širokému používání chirurgických robotů pro minimálně invazivní chirurgické zákroky. Výhodou je menší operační rána, která se snáze hojí, méně zatěžuje pacienta a umožňuje mu dříve se vrátit k běžnému životu.
 

Chirurgický robot da Vinci S HD

 
V současné době se už mnoho operací dělá za použití chirurgického robotu da Vinci S HD. Základní komponenty tohoto robotu byly vyvinuty ve výzkumném ústavu Stanford Research Institute (USA) a intuitivní ovládání robotu bylo později navrženo ve spolupráci s firmou IBM a známou americkou univerzitou Massachusetts Institute of Technology (MIT). Roboty nyní vyrábí společnost Heartport, Inc. Americká agentura FDA schválila tyto roboty pro použití při operacích žlučníku a tlustého střeva, v hrudní chirurgii (s výjimkou operací srdce) a pro operace prostaty. Robot Da Vinci S HD se již používá i v Evropě, např. pro by-passy srdečních tepen.
 
Součástí robotu je velmi dokonalý systém pro řízení pohybu, který zaručuje, že každý pohyb chirurgických nástrojů upevněných na rameni robotu je plynulý a přesný minimálně stejně, jako jsou pohyby rukou zkušeného chirurga, a to i při velmi malé požadované rychlosti pohybu. Během několika posledních let, souběžně s technickým pokrokem při řízení pohybu v průmyslu, byly zlepšovány vlastnosti i chirurgického robotu da Vinci S HD. Nyní používá nejlepší komponenty, které jsou dosažitelné na trhu, a vyspělé metody řízení. V současné době je tento systém schopen provádět život zachraňující operace maximálně šetrným způsobem.
 

Průběh operace

 
Pro vlastní operaci je požadováno vytvořit v těle pacienta pouze jeden otvor o šířce 12 mm pro kameru a dva otvory šířky 8 mm pro vložení dvou chirurgických manipulátorů. Nad pacientem stojí asistenti chirurga a robot, zatímco chirurg může být na jiném místě u ovládacího panelu robotu, odkud vidí průběh operace na monitoru s vysokým rozlišením a přesností zobrazení. Chirurgický robot nevykonává operaci autonomně, ale podporuje operační tým při provádění zákroku.
 
Operační robot Da Vinci S HD se skládá ze tří základních složek: ovládacího panelu chirurga, manipulátoru pro práci s pacientem a s nástroji a zařízení pro zpracování obrazu. Sestava celého robotického systému je na obr. 1.
 
Manipulátor pro práci s pacientem má dvě robotická ramena a jedno endoskopické rameno, která kopírují pohyby chirurga. Volitelně je k dispozici třetí robotické rameno, které umožňuje chirurgům využívat další endoskopické nástroje a dále zvyšuje operační schopnosti.
 
Robotické manipulátory jsou ovládány chirurgem prostřednictvím pohybů zápěstí, rukou a prstů stejně, jak by tomu bylo u běžné operace. Pohony robotického systému pracují v režimu master-slave. Chirurg prsty uchopí hlavní ovládací prvky pod displejem. Jejich umístění je nastaveno vzhledem k poloze jeho očí tak, aby byly respektovány ergonomické požadavky (obr. 2). V ovládacím panelu chirurg ovládá řídicí pohony (masters). Jejich pohyb je přenášen na pohony ramena, které pracují jako řízené (slaves), a rameno kopíruje pohyby chirurga. Zpětně je na ruce chirurga od pohonů slaves prostřednictvím pohonů masters přenášen mechanický odpor, který působí proti pohybu ramena.
 
Pohony přímo na ramenu manipulátoru tady pracují v režimu slave. Pro to, aby byly pohyby chirurga přesně a plynule provedeny v reálném čase uvnitř pacientova těla, musí pohony manipulátoru pracovat se stejnou přesností jako řídicí pohony ovládacího panelu. Musí však mít také zpětnovazební řízení pro případ, že asistent chirurga manuálně změní polohu koncových efektorů robotického ramena.
 
K dispozici je kompletní řada nástrojů EndoWrist Instruments. Tyto nástroje mají sedm stupňů volnosti, takže jejich obratnost odpovídá lidskému zápěstí. Každý nástroj má své chirurgické použití, jako jsou stahová ní, šití a tkáňové manipulace.
 
V robotickém systému da Vinci S HDTM je použito 39 motorů firmy Maxon, jmenovitě motory RE 25 o průměru 25 mm, z nichž některé mají a některé nemají zpětnovazební řízení se snímačem polohy, motory RE 13 s převodovkou GP 13 a magnetickým snímačem polohy o průměru 13mm a rovněž motory RE 35 s odpovídajícími snímači. Příklad ze sortimentu sterilizovatelných komponent pohonů od firmy Maxon je na obr. 3.
 
Poděkování
Příspěvek vznikl s podporou specifického výzkumu Fakulty strojního inženýrství Vysokého učení technického v Brně Výzkum a vývoj nekonvenčních robotů a manipulátorů.
 
Literatura:
[1] VDI 2206: Design methodology for mechatronic systems. Beuth Verlag, Berlín, 2004.
[2] RÜEGG, M.: Nothing runs without Movement. Technical Report. Maxon motor ag, 2009.
 
doc. Ing. Vladislav Singule, CSc.
Ing. Zdeněk Hadaš, Ph.D.
Fakulta strojního inženýrství VUT v Brně
 
Obr. 1. Sestava operačního robotu da Vinci S HD
Obr. 2. Pohled na ovládací pohony v rukou chirurga
Obr. 3. Sterilizovatelný motor EC 13 s převodovkou GP 13, životnost 500 cyklů sterilizace
 

Proč právě pohony s motory Maxon dokonale vyhovují v robotice?

 
Pro použití robotu v reálných podmínkách je nezbytné, aby každá sekvence pohybu byla provedena přesně, dynamicky a s co nejlepší energetickou účinností. Současně musí být jednotlivé komponenty co nejmenší a nejlehčí, aby bylo dosaženo co největší pohyblivosti a úspory energií. Tyto požadavky DC/EC motory od firmy Maxon díky koncepci samonosného vinutí rotoru bez železa zcela splňují.
 
Hlavní výhody motorů této koncepce lze shrnout do těchto bodů:
  1. Motory Maxon nemají zubový moment (cogging). Klasické stejnosměrné motory mají zuby rotoru z magneticky měkkého materiálu, které jsou magneticky polarizovány, a tudíž přitahovány k permanentním magnetům, jež se nacházejí poblíž. Změna polohy k následujícímu magnetického pólu vyžaduje přemagnetování. Rotor má tendenci se zastavit v těchto preferovaných magnetických polohách, a když motor není napájen, zastaví se pouze v jedné z těchto poloh. Výsledkem je tzv. zubový moment (cogging), který způsobuje zvlnění celkového momentu. Tento jev je u motorů s rotorem bez železa zcela potlačen. Je tedy zajištěno plynulé otáčení bez pulzací rychlosti i při malých otáčkách, jednoduché je řízení libovolné polohy rotoru a motory mají malé vibrace a nízkou úroveň zvukové emise.
  2. Motory Maxon mají v podstatě nulové ztráty v železe. Ztráty v železe jsou definovány jako ztráty energie, které se vyskytují ve feromagnetickém jádru v důsledku hystereze a indukování vířivých proudů. Protože uvedené motory mají permanentní magnety na statoru a rotor neobsahuje žádné železo, nemohou se tyto jevy znatelně projevit.
  3. Motory Maxon mají jsou vynikající pro použití s akumulátorovými bateriemi. Je to dáno velkou maximální účinností, více než 90 %, a malým proudem naprázdno, obvykle do 50 mA.
  4. Motory Maxon mají malou indukčnost kotvy. Je to opět dáno vinutím kotvy bez železa. Při komutaci proudu je proto v komutující cívce akumulováno méně energie magnetického pole, a je tedy menší jiskření při přerušování kontaktu mezi kartáčem a lamelou komutátoru. Proto DC motory Maxon bez železa mají delší životnost a jsou bez elektromagnetického vyzařování.
  5. Motory Maxon jsou v kompaktním provedení. Protože tvar rotoru je hrníčkový, může být magnet umístěn na vnitřním statoru malých rozměrů. To vede ke zmenšení rozměrů motoru. Geometrické uspořádání magnetického obvodu je výhodnější než u motorů, které obsahují železo. Následkem toho je efektivnější práce magnetického obvodu a dosažení velké magnetické indukce ve vzduchové mezeře. Moment setrvačnosti hrníčkového rotoru je podstatně menší než u rotoru se železným jádrem. Motory mají velmi vysoký měrný výkon (W/m3), velmi malou hmotnost, rychlou dynamickou odezvu a rychlou akceleraci v časech od několika milisekund. DC motory Maxon jsou k dispozici v kartáčovém nebo bezkartáčovém provedení. Výhody bezkartáčových DC motorů (tzv. EC motorů, motorů s elektronickou komutací) spočívají především v delší životnosti a vyšší dosažitelné rychlosti.