Moteurs et technologies de contrôle de mouvement dans la robotique chirurgicale orthopédique

Nov 10, 2023

Les moteurs trouvés à l'intérieur des outils orthopédiques servent normalement de source d'alimentation 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

Plusieurs rôles clés existent pour la technologie motrice et de contrôle du 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'alimentation 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 pour la technologie de commande de moteur et de mouvement impliquent le pompage, la ventilation et le dosage, pour n'en nommer que quelques-unes. Chacune de ces fonctions uniques nécessite un moteur hautement spécialisé et une solution de contrôle de mouvement.

Les moteurs trouvés à l'intérieur des outils orthopédiques servent normalement de source d'alimentation 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 avoir un diamètre exceptionnellement petit, être légers et capables de fonctionner à grande vitesse. Ils doivent également être capables de fonctionner à un niveau de puissance élevé en continu. Les exigences environnementales uniques rencontrées dans les applications chirurgicales entraînent le besoin de matériaux exotiques, de lubrifiants, de technologie de roulement, d'autoclavabilité, de tolérances serrées et d'un contrôle qualité strict. FAULHABER propose ses moteurs sans balais des séries BP4, BHS, BHT et BA, tous spécialement conçus pour être utilisés dans des applications d'outils chirurgicaux. FAULHABER associe également ces moteurs spécialisés à des produits de contrôle optimisés prenant en charge la régulation de la vitesse en boucle fermée, le fonctionnement sans capteur et la fourniture de puissance optimisée pour ces moteurs à haute vitesse et à forte densité de puissance, sans encoche.

Un ensemble entièrement différent d'exigences de performance émerge pour la technologie de commande de moteur et de mouvement lorsque les outils chirurgicaux doivent être contrôlés par robot ou activement soutenus pendant une procédure orthopédique. Ici, des moteurs de positionnement, ou "servomoteurs", sont nécessaires pour 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 d'asservissement, le "rapport puissance/poids" d'un moteur est souvent moins critique, mais son "rapport couple/inertie" est généralement plus critique. En effet, les moteurs appliqués dans les servomécanismes doivent maintenir leur position, mais ils doivent également être très dynamiques lors du changement de position ou réagir à un changement de charge lors du maintien de la position. Pour prendre en charge une dynamique élevée, les servomoteurs sont équipés d'encodeurs haute résolution qui fournissent le niveau accru de rétroaction nécessaire pour un contrôle plus sophistiqué des servoamplificateurs. Les moteurs FAULHABER BXT à grand nombre de pôles, dans une configuration de roue de sortie laminée magnétiquement, excellent dans cette situation. La disponibilité des moteurs BXT, complétée par une vaste gamme de réducteurs planétaires GPT, de codeurs optiques, magnétiques et absolus haute résolution, ainsi que de servoamplificateurs intelligents miniatures, permet de trouver un système d'asservissement entièrement optimisé en collaborant avec FAULHABER en tant que fournisseur verticalement intégré.

Contrairement aux moteurs à vitesse variable utilisés pour alimenter les outils chirurgicaux ou aux servomoteurs utilisés en robotique, les moteurs appliqués dans les interfaces haptiques jouent un rôle complètement différent en chirurgie orthopédique. En fait, les moteurs utilisés dans les appareils 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 aussi de fournir simultanément une sensation réaliste de force, ou de résistance, au chirurgien effectuant la procédure à distance. Dans un appareil haptique, la vitesse et la puissance du moteur sont moins critiques, mais à la place, 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 l'appareil. De plus, les moteurs utilisés dans les appareils haptiques sont normalement à courant continu sans fer, ou à courant alternatif sans balai sans encoche, car ce type de moteur fournit un niveau de couple très constant pour un niveau de courant fixe, à n'importe quelle position angulaire. En tant que tels, ces moteurs sont appelés moteurs "Zero Cogging". Avec des contrôles adéquats en place, ils permettent à un chirurgien orthopédique de détecter ou de ressentir à distance la procédure et de ne pas ressentir un effet parasite indésirable de la géométrie du moteur. Le couplage d'un moteur à crémaillère zéro 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 mécanique suisse de précision, offre au chirurgien un sens du toucher qui semble tout à fait naturel. FAULHABER propose des moteurs sans cogging avec un engrenage optimisé pour les applications haptiques qui sont vraiment sensibles, douces et puissantes. En fait, ils sont exactement ce que le médecin a prescrit !

L'un des principaux moteurs technologiques de l'avancement du traitement chirurgical orthopédique est la miniaturisation de la technologie motrice utilisée dans les outils chirurgicaux et les effecteurs finaux. Avec des moteurs plus petits, les ingénieurs concepteurs sont en mesure de produire des outils chirurgicaux plus ergonomiques. Une conception d'outil plus ergonomique réduit la fatigue du chirurgien. Alternativement, si un outil ou un effecteur terminal est contrôlé par robot, une taille et un poids d'outil plus petits réduisent par la suite la taille, la masse et le coût de tous les éléments structurels robotiques nécessaires pour le supporter. En termes simples, qu'ils soient tenus à la main ou contrôlés par robot, il est vraiment avantageux d'avoir un petit moteur puissant à l'intérieur d'un outil chirurgical ou d'un effecteur final.

Rendre un moteur petit est un défi, mais augmenter sa puissance de sortie en même temps est deux fois plus difficile. En effet, pour un niveau de puissance de sortie fixe, la température de surface d'un moteur augmentera si sa surface, ou la taille de son boîtier, diminue. Fournir un niveau de puissance accru grâce à un boîtier de moteur plus petit signifie qu'encore plus de chaleur doit se dissiper sur cette surface réduite, ce qui augmente encore la température. Ainsi, la gestion optimale de la conception thermique du moteur devient un facteur critique dans la conception des moteurs électriques. La caractérisation de la masse thermique et de la résistivité thermique entre divers éléments à l'intérieur d'un moteur a un impact très important sur sa capacité à fonctionner dans une application orthopédique.

La conception de moteurs électriques à hautes performances est complexe. La configuration de la géométrie magnétique d'un moteur pour minimiser les pertes, tout en maximisant la production de couple, est essentielle. Maximiser le remplissage en cuivre, tout en maintenant l'intégrité structurelle d'une bobine fonctionnant à haute température dans une conception sans encoche, est particulièrement difficile. Repousser les limites de tous les éléments mécaniques nécessite une analyse détaillée des contraintes, des déformations et de l'usure. Les matériaux isolants électriques doivent être sélectionnés pour leur rigidité diélectrique élevée et leurs propriétés thermiques efficaces. Les conceptions doivent fonctionner silencieusement à grande vitesse et fournir un couple régulier. Les conceptions doivent pouvoir être fabriquées et répondre à des normes de qualité médicale exigeantes. Les conceptions doivent pouvoir être utilisées en toute sécurité dans les applications orthopédiques.

FAULHABER fait progresser en permanence la technologie des moteurs sur ce marché en tirant parti d'outils de conception multiphysique avancés, en tirant parti des progrès de la science des matériaux et en améliorant continuellement l'art de fabriquer ces machines électromagnétiques énergétiques. En tant que fournisseur intégré verticalement sur ce marché, FAULHABER est également en mesure de tirer parti des investissements clés dans la technologie et l'infrastructure des moteurs pour fabriquer des systèmes complets de contrôle de mouvement pour les applications de la robotique chirurgicale.

En termes simples, les systèmes de commande de moteur et de mouvement doivent être conçus sur mesure pour chaque cas d'utilisation finale chirurgicale unique. Chaque forme ou surface de profil unique trouvée à l'extrémité de travail d'un outil chirurgical orthopédique fonctionne plus efficacement à un niveau spécifique de vitesse et de couple. Comprendre cette vitesse et ce couple représente le point de départ pour concevoir une solution de commande de moteur ou de mouvement personnalisée. Avec ce point de départ, une analyse thermique peut être effectuée pour déterminer physiquement la taille probable d'un moteur, quel type de moteur pourrait fonctionner le mieux et si une approche à engrenage ou à entraînement direct pourrait être indiquée.

Au-delà du simple dimensionnement de la puissance, il est également essentiel de considérer la qualité de mouvement qui doit être fournie pour faciliter la procédure finale. Cela conduit normalement à une discussion sur la résolution, la précision et la répétabilité du mouvement requis. Cette information aide à déterminer quel capteur de rétroaction est le meilleur ; optique, magnétique, linéaire, rotatif, incrémental, absolu ou sans capteur. Une discussion sur la qualité du mouvement conduira également directement à une discussion sur les types de roulements, les options de configuration, les lubrifiants et une réflexion sur le meilleur emplacement des capteurs de retour si nécessaire. La qualité du mouvement conduira également à une discussion sur la bande passante, la rigidité et la douceur de contrôle requises. Lorsque la meilleure solution commence à être mise au point, on peut alors réfléchir à la manière d'interconnecter les éléments sélectionnés, en les optimisant en termes de performances, de fabricabilité, de qualité et de coût. Enfin, il est possible de réfléchir à la meilleure façon de joindre les éléments pour chaque cas d'utilisation finale.

Lorsque FAULHABER est contacté lors de la phase de conceptualisation d'un nouveau projet majeur ou d'un effort de développement de produit, nous répondons en réunissant une équipe interdisciplinaire d'ingénieurs représentant les principaux acteurs de la technologie, de la conception, de la fabrication et de la qualité, pour organiser une table ronde ouverte avec l'équipe de conception de notre client. Nous savons par expérience que les meilleurs résultats et les solutions les mieux adaptées résultent lorsque, avec le client, nous examinons le défi de conception et de fabrication de manière globale, et que nous conduisons ensemble vers la meilleure solution finale.

Les chirurgiens se concentrent fondamentalement sur les procédures visant à améliorer les résultats pour les patients. Les fabricants de dispositifs médicaux, employant des ingénieurs concepteurs, se concentrent sur le développement des outils et des équipements nécessaires à la réalisation de ces interventions chirurgicales. FAULHABER est un fournisseur de moteurs et de commandes de mouvement à intégration verticale au service de ces fabricants de dispositifs médicaux. Nos clients, ingénieurs en dispositifs médicaux, sont bien sûr très intéressés par la technologie de commande de moteur et de mouvement la plus performante. Mais d'un point de vue plus commercial, les fabricants de dispositifs médicaux recherchent le plus souvent des fournisseurs capables de collaborer pour mettre sur le marché une nouvelle technologie qui tire parti de leur propriété intellectuelle (PI) unique. En règle générale, leur propriété intellectuelle est centrée sur l'application d'une nouvelle capacité d'imagerie, d'une nouvelle intervention chirurgicale ou peut même être liée à une percée dans les technologies de l'information. Et pourtant, l'appareil ou le système chirurgical requis pour commercialiser cette IP critique contient un sous-système complexe de contrôle de mouvement composé de ; moteurs, engrenages, roulements, accouplements, vis-mères, lubrifiants, capteurs de rétroaction et électronique d'entraînement. Tous ces éléments électromécaniques doivent fonctionner ensemble comme un système, de manière cohérente et sans faille, pour fournir un résultat critique au patient. Pour les fabricants de dispositifs médicaux, le succès ou l'échec dépend fortement de l'exécution d'une nouvelle conception de produit avec des ingénieurs expérimentés, de sa validation correcte, puis de la capacité d'accélérer la production tout en respectant les normes de contrôle qualité exigeantes.

Les fournisseurs de contrôle de mouvement intégrés verticalement comme FAULHABER disposent des technologies de composants, de l'expérience en ingénierie et en fabrication nécessaires pour optimiser la conception de ce sous-système clé. Les fournisseurs intégrés verticalement, qui fabriquent toutes les technologies de composants clés en interne, sont en mesure de contrôler l'approvisionnement et d'assumer la responsabilité du système de bout en bout pour un sous-système, en optimisant l'intégration de la conception de tous les composants critiques et en appliquant les meilleures pratiques dans chaque cas d'utilisation finale. Pour les fabricants de dispositifs médicaux, les fournisseurs de systèmes de contrôle de mouvement certifiés ISO13485 sont les plus qualifiés pour aider à mettre un nouveau produit sur le marché.

La miniaturisation de la technologie motrice utilisée dans les outils chirurgicaux pour réduire l'impact sur les patients et les chirurgiens continuera d'être un facteur de plongée. La robotique en chirurgie orthopédique va se banaliser. Une opération assistée par robot sera possible pour presque toutes les procédures orthopédiques. Aujourd'hui, plus de 70 entreprises dans le monde proposent des systèmes pour un large éventail de procédures. Par exemple, les interventions sur la colonne vertébrale, le genou, les hanches, dans l'abdomen, en neurochirurgie, dans la région des oreilles, du nez et de la gorge.

Les appareils utilisés dans la salle d'opération ont des conceptions différentes en fonction de leur objectif. Les facteurs de forme de ces appareils vont des systèmes très volumineux à plusieurs bras aux systèmes qui ne sont pas plus grands qu'une canette de boisson. Alors que le premier est utilisé pour des procédures peu invasives complexes, le second système est utilisé simplement pour maintenir avec précision les instruments dans une orientation optimale. L'intégration réussie de systèmes de technologie de commande de moteur et de mouvement est au cœur de cette tendance médicale. Les normes de sécurité continueront d'évoluer et de s'améliorer pour ces systèmes. Les patients bénéficieront de cette révolution technologique.

À propos de John Chandler John Chandler a étudié le génie électrique à l'Université du Michigan et a travaillé dans l'industrie des entraînements électroniques et du contrôle de mouvement pendant plus de 34 ans. L'expérience de John en matière d'applications est vaste et il se concentre sur le travail avec des équipes de développement OEM avancées dans l'industrie des dispositifs médicaux, en mettant l'accent sur une approche collaborative et interdisciplinaire

Depuis 1961, FAULHABER MICROMO s'est associé à des équipementiers pour fournir des solutions de systèmes de micro-mouvement personnalisées de haute précision et de haute performance à des marchés tels que le médical, la robotique et l'automatisation en Amérique du Nord. La tradition d'innovation de FAULHABER MICROMO a commencé il y a des décennies en Allemagne. L'invention révolutionnaire du bobinage sans noyau FAULHABER a tout déclenché pour un marché qui produit aujourd'hui des millions de moteurs. Comment l'équipe FAULHABER MICROMO peut-elle vous aider à commercialiser votre prochaine innovation en premier ? En savoir plus sur les solutions MICROMO pour les applications les plus exigeantes, nos divers produits et technologies de mouvement, les commandes en ligne, les équipes d'ingénierie et de R&D, l'assemblage en salle blanche, le centre d'usinage et d'autres services dans notre usine de Clearwater, en Floride, sur https://www.faulhaber.com.

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