技术 | 手术机器人运动控制的 7 个趋势

2022-02-11

马克·霍华德 (Mark Howard) 是一名获得硕士学位的工程师，也是位置传感器公司 Zettlex（现为 Novanta Inc. 的一部分）的联合创始人和前首席执行官。他现在是科技初创企业的投资者。

机器人辅助手术的优势在越来越多的手术领域、越来越多的医院和患者中得到认可。这推动了该行业的增长以及手术机器人中使用技术的提升。一项关键技术是机器人运动控制，但所涉及的组件通常对外界是不可见的，这可能部分解释了为什么它们经常被忽视或误解。然而，它们是安全、平稳和准确的机器人技术的关键组件。

“运动控制”描述了以受控方式移动机器部件的系统和技术。在手术机器人中，这些通常包括运动（或伺服）控制器、电机、齿轮箱和位置反馈传感器。一个常见的应用是驱动机器人手臂的肩关节、肘关节或腕关节。电机、齿轮箱和传感器组件通常被称为执行器，系统有时被称为“伺服”——这只是意味着反馈回路报告实际位置或速度以与命令进行比较。

运动控制并不新鲜，但技术发展迅速，趋势是：

01
数字化
这是越来越多地使用全数字控制系统以及来自放大器、电位计等的模拟信号的消失。造成这种情况的原因有很多：

成本——现代数字电子产品通常比模拟电子产品便宜，而且布线/互连成本可以在数量和规格上降低；

性能——数字系统通常不太容易出现 EMC 和热漂移；

熟悉度——与模拟电路相比，年轻工程师更习惯于数字系统，因此他们对新设计采用数字方法也就不足为奇了。

02
小型化和净外形
与 20 年前相比，大多数运动控制组件现在的尺寸越来越小，性能相当：以前重 1 公斤的伺服驱动器现在重量 < 50 克；标准的 NEMA 34 尺寸电机现在输出的功率是20世纪末的 3 倍，并且一些光学编码器的读取头已减小到单个微芯片的大小。位置传感器的小型化部分归功于 ASIC 设计和微电路的进步，而较小的电机则来自改进的磁铁和设计过程中更好的电磁模拟。技术进步在很大程度上实现了这一点，但也有一种方法的改变，从使用无框电机和无框或无包装传感器，消除笨重的外壳，使其净形式减少到基本要素。


▲Celera Motion Aura 光学编码器和 Ingenia 伺服驱动器
03
直接驱动
电机通常在更高的速度下产生最大的扭矩或功率。传统上，变速箱用于降低该速度以在低速时产生扭矩。随着无刷直流电机技术的发展，可以在无速或低速下产生全扭矩，因此不再需要变速箱。这种直接驱动具有无间隙、通过齿轮箱没有摩擦损失、减少维护、提高可靠性和消除齿轮箱成本的优点。然而，直接驱动并不普遍适用，因为齿轮箱使较小的电机能够实现所需的扭矩。直接驱动的优缺点因具体要求而异，但在越来越多的情况下，直接驱动是首选。

04
创新的齿轮系统
描述完直接驱动的增加使用，然后讨论创新齿轮系统的使用似乎很奇怪，但最近的发展意味着传统的电机和齿轮箱方法并没有像某些人预测的那样迅速减少。一个显著的例子是使用应变波齿轮（或谐波齿轮），其中一个薄的环形齿轮弯曲以产生接近零背隙的紧凑环形形式的高速减速（有时>100:1）。其他示例涉及锥形驱动和摆线齿轮系统，此类方法使工程师能够以合理的成本满足苛刻的运动控制要求。

05
非接触式传感器
这种趋势已经持续了几年，并且在手术机器人的运动控制中使用电位计作为反馈设备几乎已经消失。在具有大量循环的应用中，电位计可靠性可能不稳定助长了这一趋势 ，特别是在电位计轨道可能遭受磨损问题的受限运动中。这意味着位置或速度反馈设备由光学、磁性、电容和电感传感器主导，这些传感器现在提供以前只有非常昂贵的传感器才能实现的测量性能。

06
模拟和定制零件
对于我们这些年纪大到还记得从绘图板到 CAD 的过渡的人来说，CAD 声称的优势之一是它能够进行工程模拟。回到当时，我们中并没有多少人真正相信它...... 但是你能错到什么程度呢？CAD 现在可以轻松精确地模拟执行器、机构、电机、传感器，因此可以虚拟构建和测试系统，而无需物理构建、测试和迭代原型。对工程成本和交货时间的影响是巨大的，没有什么比使用根据客户规格开发的定制运动控制组件更好的说明了。传统上，定制零件只有在工程成本可以摊销的大批量应用中才具有经济可行性。

07
增值远程诊断
远程诊断已经存在多年，但通常价值不大。然而，现代技术现在可以提供如此精确的数据，从而使有价值的信息成为可能。传统上，位置传感器只报告执行器的位移，但现代测量技术允许如此高的分辨率，数据可用于预测密封件何时开始磨损；当执行器速度的变化表明是否需要润滑时，施加功率和启动运动之间的时间增量可以显示磨损是否超过了指定的限制。如果可以远程诊断此类问题，则可以在手头准备好必要部件的情况下安排干预措施——从而减少总停机时间；停机时间的影响；相关费用并尽量减少对患者的影响。

来源：MedRobot