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Pour les robots chirurgicaux de nouvelle génération, réduisez au minimum la longueur axiale de vos articulations robotiques.

27 Sep 2022
Experts Kollmorgen

Et si vous pouviez concevoir et construire un robot chirurgical qui aiderait les médecins à réaliser des opérations moins invasives et plus précises et à obtenir de meilleurs résultats pour les patients? Si les résultats d'une intervention chirurgicale dépendent des difficultés propres à chaque cas et des compétences du chirurgien, de meilleurs outils permettent d'améliorer les soins. Voici comment l'ingénierie du mouvement de nouvelle génération peut vous aider à développer la nouvelle génération de robots chirurgicaux.

Placer les bras aussi près que possible l'un de l'autre

Les robots chirurgicaux classiques comprennent de grandes colonnes dotées de plusieurs bras tenant une minuscule caméra et divers instruments tels que des ciseaux, des pinces, des porte-aiguilles et des dispositifs à ligature, entre autres. Selon l'opération, la procédure idéale est réalisée à travers une seule petite incision qui doit simultanément accueillir la caméra de visualisation et les instruments nécessaires.

Si vous demandez à n'importe quel chirurgien, il vous dira que l'angle d'approche idéal pour la caméra et les instruments dans le site d'incision est aussi parallèle et rapproché que possible, à la fois pour minimiser le traumatisme et pour éliminer toute divergence entre la vue de la caméra et l'angle auquel chaque instrument opère.

Il est bien sûr impossible d'obtenir un angle d'approche identique, car les instruments ne peuvent pas occuper le même espace. Les instruments d'aujourd'hui sont cependant très fins et compacts. La conception à une seule colonne et à plusieurs bras des robots chirurgicaux conventionnels, ainsi que l'encombrement des articulations de leurs bras, limitent l'angle d'approche lorsque plusieurs instruments sont déployés. C'est le principal défi à relever lors de la conception de la nouvelle génération de robots.

Réduire au minimum la longueur axiale des articulations des bras

Les bras autonomes offrent une plus grande souplesse de positionnement par rapport à la conception conventionnelle, permettant d'aligner plusieurs bras dans un plan beaucoup plus proche du parallèle. Pour s'approcher davantage du parallèle idéal, il faut réduire au minimum l'encombrement de chaque bras.

Le facteur limitant la proximité des bras est la longueur axiale des articulations des bras. Il vous faut un moteur et un système d'engrenage qui fournissent tout le couple requis avec la longueur axiale la plus courte possible. Chaque millimètre gagné sans compromettre les performances aide les chirurgiens à travailler plus efficacement et crée un avantage commercial important pour votre robot chirurgical.

Commencer par l'engrenage

Les moteurs à couple élevé et à empilement court sont essentiels pour obtenir un couple optimal tout en réduisant au minimum la longueur axiale, le volume total et le poids. Toutefois, au-delà de la longueur d'empilement du moteur, l'engrenage et les capteurs d'asservissement doivent également être étroitement intégrés dans l'articulation.

En fin de compte, c'est l'engrenage qui traduit le mouvement relativement rapide du moteur en une vitesse plus faible et un couple plus élevé, nécessaires pour déplacer la charge du bras robotique à la vitesse optimale, la positionner avec précision et maintenir la charge en place de manière stable. Le choix de l'engrenage a également un impact sur la longueur axiale de l'articulation. C'est par ce choix qu'il faut donc commencer pour créer votre conception.

La vitesse, les performances et les points de charge requis détermineront le jeu d'engrenages approprié. Quel que soit le rapport requis, cette application fait appel à la technologie des ondes de déformation, également connue sous le nom de réducteurs « harmoniques ».

Le réducteur harmonique offre trois avantages indispensables : il permet l'intégration axiale la plus compacte dans l'articulation; il offre ensuite des rapports de démultiplication relativement élevés (généralement compris entre 30:1 et 320:1) pour accélérer/décélérer les charges en douceur et les positionner avec précision; il fonctionne enfin avec une absence de jeu pour réduire au minimum tout mouvement indésirable qui pourrait potentiellement affecter la précision de la procédure ou induire un traumatisme inutile.

Adapter le moteur à l'engrenage et aux exigences thermiques

Après avoir spécifié la technologie et le rapport d'engrenage appropriés, vous pouvez choisir un moteur en fonction du rapport de démultiplication, de la vitesse à laquelle le bras doit fonctionner et de la masse qu'il doit maintenir. L'augmentation de la température lors du fonctionnement à la charge typique ou maximale peut également être une considération importante, car une chaleur excessive dans les limites étroites de l'articulation peut endommager le lubrifiant de l'engrenage, l'électronique du codeur et d'autres composants à proximité. Un moteur qui peut fournir des performances complètes avec une augmentation de température plus faible est donc souhaitable.

Tirer parti de la règle D2L

Dans le cadre du processus de spécification de votre moteur, vous pouvez réduire davantage la longueur axiale grâce à un principe de conception de moteur souvent négligé, que nous appelons la règle D2L.

Dans la conception d'une articulation robotique, le diamètre du moteur est généralement une préoccupation mineure. Pour permettre aux bras robotiques de fonctionner aussi près les uns des autres que possible, il faut plutôt minimiser la longueur axiale. La règle D2L vous permet de compenser un plus grand diamètre par une longueur axiale considérablement réduite. Voici comment cela fonctionne.

Dans les moteurs sans boîtier utilisés dans les articulations robotiques, le couple augmente ou diminue de manière directement proportionnelle aux variations de la longueur du moteur, mais de la même manière que le carré des variations du bras de levier du moteur. En d'autres termes, selon la règle D2L, le fait de doubler le bras de levier (et donc de doubler approximativement le diamètre total) multiplie le couple par quatre.

Ou encore, ce qui est plus pertinent pour la conception de robots chirurgicaux, doubler le bras de levier permet de réduire la hauteur d'empilement par un facteur de quatre tout en conservant le même couple. C'est un avantage considérable lorsque votre priorité de conception est d'obtenir la longueur axiale la plus compacte possible.

Optimiser l'efficacité mécanique, électrique et thermique avec le TBM2G

Pour obtenir les performances des robots chirurgicaux de nouvelle génération, choisissez des moteurs de nouvelle génération spécialement conçus pour les applications robotiques. Les moteurs sans boîtier TBM2G de Kollmorgen sont conçus pour relever tous les défis techniques auxquels vous êtes confronté.

Les moteurs TBM2G offrent une efficacité mécanique, électrique et thermique sans précédent dans les articulations robotiques les plus compactes possibles. Ils sont disponibles dans des tailles inférieures à 1" de longueur axiale (extrémités et cartes PC comprises) tout en offrant la densité de couple la plus élevée de l'industrie du mouvement pour leur taille. Ils sont également conçus pour offrir toutes les performances dont vous avez besoin avec un échauffement nettement inférieur, ce qui permet de protéger l'intégrité et les performances de tous les composants de votre articulation robotique.

Les moteurs TBM2G sont également optimisés pour fonctionner avec des réducteurs harmoniques sans jeu et à rapport élevé, facilement disponibles, sans qu'aucune personnalisation ou modification ne soit nécessaire. Vous pouvez donc accélérer votre temps de développement, compter sur un approvisionnement de production fiable et livrer des robots chirurgicaux qui permettent aux médecins d'utiliser des instruments aussi proches les uns des autres et aussi parallèles que possible.

Choisissez un partenaire qui peut vous aider à réussir

Un autre avantage de l'utilisation des moteurs TBM2G est qu'ils sont accompagnés de l'expertise et du soutien d'un partenaire d'ingénierie qui comprend les exigences uniques de la conception et de la production de robots chirurgicaux et peut y répondre.

Comptez sur nos options de soutien en libre-service, comme nos outils de conception en ligne, les possibilités d'apprentissage en ligne, la base de connaissances et la communauté d'experts au sein du réseau de développeurs Kollmorgen. Si vous avez besoin d'une aide individuelle, vous savez que vous pouvez nous contacter à tout moment pour discuter, en ligne ou au téléphone, avec des ingénieurs qui comprennent parfaitement vos produits et vos exigences, et qui se consacrent à votre réussite.

Parce que de meilleurs outils signifient de meilleurs soins de santé et un secteur de la robotique chirurgicale plus florissant.

À propos de l'auteur

Kollmorgen Experts

Ce blog est le fruit d'une collaboration entre une équipe d'experts en mouvement et en automatisation de Kollmorgen, comprenant des ingénieurs, du personnel du service clientèle et des experts de la conception. Quelle que soit l'avancée de votre projet, nous sommes là pour vous aider.

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