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Per robot chirurgici di nuova generazione riduci al minimo la lunghezza assiale dei giunti

27 Set 2022
Esperti di Kollmorgen

E se potessi progettare e realizzare un robot chirurgico che aiuti i dottori nell'esecuzione di interventi meno invasivi e più precisi per ottenere risultati migliori sui pazienti? Sebbene gli esiti di un intervento chirurgico dipendano dalle sfide del caso specifico e dalle competenze del chirurgo, strumenti migliori garantiscono un trattamento migliore. Ecco come l'ingegneria del movimento di nuova generazione può aiutarti a sviluppare la prossima generazione di robot chirurgici.

Metti i bracci il più possibile vicini

I robot chirurgici di tipo convenzionale includono grandi colonne con diversi bracci che supportano una microtelecamera e vari strumenti quali forbici, pinze, porta aghi, clip e altro. A seconda del tipo d'intervento, la procedura viene svolta attraverso una singola incisione di piccole dimensioni in cui devono entrare sia la telecamera di visualizzazione che la strumentazione necessaria.

Se chiedi a un chirurgo, ti dirà che l'angolazione ideale della telecamera e degli strumenti nel sito d'incisione deve essere il più parallelo e ravvicinato possibile, sia per ridurre al minimo i traumi che per eliminare qualsiasi discrepanza tra la visuale della telecamera e l'angolo con cui opera ciascuno strumento.

Ovviamente è impossibile ottenere lo stesso angolo di approccio poiché gli strumenti non possono occupare lo stesso spazio. Tuttavia, gli strumenti odierni sono molto sottili e compatti. Il design a singola colonna e bracci multipli dei robot chirurgici di tipo convenzionale, oltre al gran numero di giunti, limita l'angolo di approccio quando si utilizzano più strumenti. È questa la sfida principale da superare quando si progetta la nuova generazione di robot.

Riduci al minimo la lunghezza assiale dei giunti

Bracci indipendenti garantiscono una flessibilità di molto superiore a livello di posizionamento rispetto al design convenzionale e permettono di allineare più bracci in un piano, posizionandoli quasi paralleli tra loro. Per avvicinarsi ancora di più alla condizione parallela ideale occorre ridurre al minimo l'ingombro di ciascun braccio.

Il fattore limitativo per la vicinanza con cui possono operare i bracci è la lunghezza assiale dei giunti. È necessario un sistema con motore e ingranaggi che eroghi tutta la coppia necessaria con una lunghezza assiale il più possibile ridotta. Ogni millimetro risparmiato, senza compromettere le prestazioni, aiuta i chirurghi a operare in maniera più efficace e crea un notevole vantaggio di mercato per il tuo robot chirurgico.

Inizia dagli ingranaggi

I motori con coppia elevata e lunghezze di statore ridotte sono essenziali per ottenere una coppia ottimale riducendo al minimo la lunghezza assiale, il volume totale e il peso. Tuttavia, oltre alla lunghezza di statore del motore stesso, anche gli ingranaggi e i dispositivi di retroazione devono essere ben integrati nel giunto.

In definitiva è l'ingranaggio che traduce il movimento del motore a velocità elevata nella velocità più bassa e nella coppia più elevata, necessarie per spostare il carico del braccio robotico alla velocità ottimale, posizionarlo con precisione e mantenere il carico costantemente in posizione. Dal momento che la scelta degli ingranaggi influisce anche sulla lunghezza assiale del giunto, si inizia da qui con la progettazione.

Velocità, prestazioni e punti di carico necessari determineranno il tipo d'ingranaggi adatti. Indipendentemente dal rapporto desiderato, questa applicazione richiede ingranaggi a onda di deformazione, detti anche "armonici".

Gli ingranaggi a onda di deformazione offrono tre vantaggi indispensabili. Permettono l'integrazione assiale più compatta nel giunto. Garantiscono rapporti di trasmissione relativamente elevati, tipicamente con una riduzione da 30:1 a 320:1, per accelerare/decelerare i carichi in modo uniforme e posizionarli con precisione. Inoltre, funzionano senza gioco per ridurre al minimo movimenti indesiderati che potrebbero influire sulla precisione della procedura o provocare inutili traumi.

Abbina il motore agli ingranaggi e ai requisiti termici

Dopo aver definito la tecnologia d'ingranaggi adatta e il relativo rapporto, è possibile scegliere un motore in base al rapporto di trasmissione, alla velocità a cui devono muoversi i bracci e alla massa che deve sostenere. Anche l'incremento termico durante il funzionamento con un carico tipico o massimo può essere un fattore importante di cui tenere conto, dal momento che un eccesso di calore negli spazi ristretti del giunto può danneggiare il lubrificante degli ingranaggi, i componenti elettronici dell'encoder e altri componenti nelle immediate vicinanze. È preferibile un motore in grado di garantire le massime prestazioni con un incremento termico inferiore.

Sfrutta la regola D2L

Nell'ambito del processo di definizione del motore, è possibile ridurre ancora la lunghezza assiale attraverso un processo di progettazione, spesso trascurato, detto regola D2L.

Nella progettazione dei giunti robotici, il diametro del motore è in genere di minore importanza. Per permettere la massima vicinanza tra i bracci robotici durante gli interventi, occorre invece ridurre al minimo la lunghezza assiale. La regola D2L consente di sfruttare un diametro maggiore con una lunghezza assiale significativamente ridotta. Ecco come funziona.

Nei motori frameless utilizzati nei giunti robotici, la coppia aumenta o diminuisce proporzionalmente alle variazioni della lunghezza del motore, e aumenta al quadrato all'aumentare del diametro. In altre parole, se si applica la regola D2L al raddoppio del diametro complessivo, si ha un incremento di quattro volte della coppia.

Oppure, più rilevante per la progettazione di robot chirurgici, raddoppiando il braccio di momento si riduce l'altezza di statore di un fattore pari a quattro pur mantenendo invariata la coppia. È un vantaggio enorme quando la priorità per la progettazione è ottenere la lunghezza assiale più compatta.

Ottimizza l'efficienza meccanica, elettrica e termica con TBM2G

Per robot chirurgici con prestazioni avanzate scegli motori di nuova generazione progettati specificamente per applicazioni robotiche. I motori frameless TBM2G di Kollmorgen sono studiati per affrontare qualsiasi sfida ingegneristica.

I motori TBM2G garantiscono efficienza meccanica, elettrica e termica senza precedenti in giunti robotici più compatti possibili. Sono disponibili in dimensioni inferiori a 1" di lunghezza assiale, comprese le spire terminali e le schede PC, offrendo al contempo la più alta densità di coppia del settore per le loro dimensioni. Inoltre sono progettati per assicurare tutte le prestazioni necessarie con un incremento termico nettamente inferiore, contribuendo in tal modo a proteggere l'integrità e le prestazioni di tutti i componenti del giunto robotico.

I motori TBM2G sono anche ottimizzati per operare con set di ingranaggi armonici con rapporti di trasmissione elevati e senza gioco, facilmente reperibili senza bisogno di personalizzazione o modifiche. In questo modo è possibile accelerare i tempi di sviluppo, contare su una catena di fornitura affidabile e realizzare robot chirurgici che consentono ai medici di utilizzare gli strumenti in posizione il più possibile ravvicinata e parallela tra loro.

Scegli un partner che ti aiuti ad avere successo

Un ulteriore vantaggio legato ai motori TBM2G è rappresentato dalla competenza e dall'assistenza di un partner tecnico in grado di comprendere e soddisfare le esigenze specifiche di progettazione e produzione di robot chirurgici.

Conta sulle nostre opzioni di supporto self-service, come i nostri tool di progettazione online, le opportunità di e-learning, la knowledge base e la community di esperti del Kollmorgen Developer Network. E quando hai bisogno di un supporto personalizzato, puoi contattarci in qualsiasi momento tramite il form online o con una telefonata per parlare con i tecnici che conoscono alla perfezione i nostri prodotti e i tuoi requisiti e che si impegnano per il tuo successo.

Perché strumenti migliori significano un'assistenza sanitaria e una chirurgia robotica migliore.

Info sull'autore

Kollmorgen Experts

Questo blog è il risultato della collaborazione di un team di esperti di motion & automation in Kollmorgen, tra cui ingegneri, addetti al servizio clienti ed esperti di progettazione. In qualsiasi fase del vostro progetto vi troviate, noi siamo qui per aiutarvi.

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