BLDC 모터, 수술 응용 분야를 위한 고정밀 모션 제어 모터 솔루션

Portescap

전동 수술도구는 수술실에서 매우 중요한 역할을 한다. 수십 년 동안 외과의와 디바이스 제조업체는 수술도구의 토크, 속도 및 신뢰성을 충족시키기 위해 멸균 가능한 BLDC 모터에 의존해 왔다. 제조업체는 수술로봇 및 로봇 보조 수술 디바이스의 발전으로 고객의 까다로운 요구사항을 충족하기 위해 BLDC 모터를 계속 찾고 있다. 모터와 모션은 로봇 공학의 핵심이지만 외과용 로봇 공학의 모터 요구사항은 기존 로봇공학 및 기존 수술도구의 요구사항과는 약간 다르다.

디바이스의 특성에 관계없이 외과 의사는 신뢰할 수 있는 멸균 도구가 필요하다. 재처리 과정에서 반복적인 증기 멸균에도 불구하고 현장 사용이 까다롭기 때문에 안정적인 기능을 지닌 디바이스가 필요하다.

신뢰성에 대한 요구사항 외에도 수술 디바이스 설계자는 정확한 속도 및 토크 요구사항, 온도 및 기타 제약조건 또는 극단적인 위치 제어 요구와 같은 해결해야 할 모션 문제를 안고 있다. 이러한 디바이스 제조업체는 해당 애플리케이션에 이상적이며 도구와 통합하고 성능을 최적화하기 위해 적절한 절충안을 갖는 맞춤형 모션 제어 솔루션이 필요하다.

수술실에서 멸균구역을 유지하고 보존하는 방법

수술실에서 감염, 교차 오염 및 질병 확산은 매우 중요한 문제이다. 멸균 구역에서 공구를 보호하는 방법은 다음과 같다.

일회용 도구

첫 번째 방법은 병원에서 일회용 도구를 사용하는 것이다. 일반적으로 저렴한 모터(긴 수명이 필요하지 않음)와 플라스틱 부품을 사용한다. 이 도구는 각 수술 후에 폐기해야 한다. 이 접근 방식은 재 처리를 단순화하고 공구 유지보수의 요구사항을 충족시키지만, 지속적인 공구 공급을 유지해야 하며 유해 폐기물의 양을 증가시킨다. 또한 일회용 공구는 재사용 가능한 공구의 전체 수명과 비교할 때 일반적으로 가장 비싼 방법이다.

살균 불가능한 부품을 사용한 멸균용 모듈 설계

다음의 방법은 노출된 구성요소는 멸균되게 하고 다른 구성요소는 그렇지 않게 설계한다. 예를 들어, BLDC 모터와 함께 제공되는 컨트롤러 및 배터리 팩은 디바이스 내에 배치될 수 있으며, 병원 직원은 멸균 전에 모터 및 배터리 팩을 도구에서 제거한다.

이 방법을 사용하려면 재가공된 도구가 올바르게 멸균되도록 하기 위해 특수공정을 따라야 하며, 시스템에서 모터와 배터리를 반복적으로 분리하고 다시 연결하기 때문에 더욱 내구성 있는 전자부품과의 연결이 필요할 수 있다.

보호용 베리어

또 다른 접근법은 로봇 팔 또는 기구를(일반적으로 일회용) 멸균된 베리어로 덮는 것이다(예를 들어, 플라스틱 드레이핑). 성공적으로 실행되면, 베리어에 의해 멸균 구역이 잘 지켜지고 멸균구역 외부의 구성요소를 다시 멸균 처리할 필요가 없다.

이 접근법은 대형 외과용 로봇 시스템의 전형적인 설계 구성요소다. 로봇 시스템의 인체 공학적 요구사항은 전통적인 수공구 수술과도 다르다. 예를 들어, 모터는 수술 엔드이펙터(surgical end effector)에서 물리적으로 떨어져 케이블 드라이브를 통해 움직임을 전달할 수 있다.

정밀한 작업을 수행하기 위해서 수공구를 정확하게 조작해야 한다. 이 디자인 방식은 치과 및 문신 애플리케이션과 같이 멸균 요구사항이 덜 엄격한 의료 절차에 사용된다. 하지만 이 접근 방식에는 단점이 있다. 체계적인 제거 및 교체가 필요한 복잡한 드레이핑(draping) 방식은 수술실의 수술 시간을 크게 증가시킬 수 있다. 드레이핑은 종종 부피가 크고 가시성을 줄이고 인체 공학에 부정적인 영향을 미친다.

오토클레이브 모터 솔루션

디바이스를 포함하여 모터를 포함한 모든 구성요소를 멸균할 수 있도록 디바이스를 설계할 수 있다. 30년 전에, 멸균 가능한 BLDC 모터를 도입함으로써 설계자는 멸균 프로세스를 거친 고출력의 인체 공학적 도구를 제조할 수 있었다. 이러한 이점은 로봇 지원 수술 디바이스에도 적용될 수 있으며 소형, 고출력, 내구성, 효율성, 저소음 및 긴 수명의 멸균 패키지가 동반되어야 한다.

수술 디바이스용 오토클레이브 BLDC 모터 설계

전동 수공구와 로봇 보조 수술 장치는 BLDC 기술을 슬롯형 또는 슬롯리스형 구성으로 활용할 수 있다. 슬롯형 vs 슬롯리스형은 모터 고정자의 라미네이션 유형을 나타낸다. 두 기술 모두 강점을 가지고 있다. 애플리케이션 요구사항에 따라 모터 설계에 더 적합한 기술이 결정된다.

슬롯형 BLDC 기술은 30년 이상 수술용 모터 시장에서 입증된 솔루션이다. 슬롯형 설계에서 구리 코일은 슬롯 안에 감겨 있다(그림 4). 코일은 적층 스택의 슬롯에 삽입될 때 보호된다. 모터 성능에 영향을 주지 않으면서 절연층과 성형재료를 쉽게 추가할 수 있다. 이러한 물리적 구성으로 인해 슬롯형 BLDC는 오토클레이브에서 또는 수술 중에 모터를 식염수 및 기타 오염 물질에 노출시키는 환경에도 내성이 필요한 모터에 이상적이다. 또한 슬롯형 설계는 다음을 제공한다.

• 전자기(와인딩, 라미네이션 스택 길이 등)에 대한 쉬운 사용자 정의
• 매우 높은 유전 저항(1,600 VAC 하이 포트 이상)에 도달할 수 있음
• 방열 개선 및 연속 토크 향상
• 더 작은 자석을 사용하고 더 높은 영구 계수를 제공할 수 있는 작은 자기 에어 갭(큰 온도 범위에서 토크 안정성 허용)
• 낮은 로터 관성

다른 BLDC 기술인 슬롯리스 BLDC도 매우 유용하며 애플리케이션에 적합할 수 있다. 슬롯리스 모터에서 코일은 별도의 외부 작동으로 감겨 있으며 ‘자체 유지(self-sustaining)’ 타입이다(그림 4).

그런 다음 모터 유지보수 코일을 모터 조립 중에 에어 갭에 직접 삽입한다. 이 설계에서는 에어 갭이 크기 때문에 코일의 자기 유도가 감소한다. 이러한 모터의 유도는 일반적으로 슬롯형 BLDC 모터보다 훨씬 작기 때문에 유도 손실을 보상하기 위해 더 크고 강력한 자석이 필요하다.

슬롯리스 모터는 노출된 전자 부품의 절연 및 기타 보호 코팅을 통해 증기 멸균을 견딜 수 있도록 설계할 수 있지만, 슬롯형 모터와 비교할 때 열악한 환경 조건에서 오래 지속되고 신뢰할 수 있는 보호가 본질적으로 더 어려워진다. 슬롯리스 설계는 오토클레이 또는 매우 많은 수의 멸균주기가 필요하지 않은 경우의 애플리케이션에 유리할 수 있다.

• 제로 디텐트 토크(즉, 코깅 없음)
• 매우 빠른 속도로 부드러운 작동
• 모터 관성 증가
• 높은 피크 토크 기능

정밀 모션 제어

일부 수술 절차 또는 디바이스 설계 접근법의 경우 모터의 매우 정밀한 제어가 필요하다. 이는 정교한 센서, 비전 시스템, 햅틱 피드백 또는 3D 매핑을 사용한 로봇 지원 수술 디바이스에 적용된다. 수술을 성공적으로 수행하려면 모터 출력을 매우 정밀하게 제어해야 한다. 정밀한 요구사항은 기존 홀 센서가 제공하는 것 이상으로 회전자 위치를 60도씩 감지할 수 있어야 한다. 엔코더를 사용하면 1도 단위로 로터의 속도 및 위치 제어를 위한 피드백을 제공할 수 있다.

엔코더는 3개의 홀 센서가 제공할 수 있는 것보다 훨씬 높은 정밀도로 로터 샤프트의 각도 위치 측정할 수 있다. 이러한 피드백은 BLDC 모터 제어에서 위치 제어 또는 정확도 향상에 유용할 수 있다. 제공된 위치 측정으로부터 속도, 가속 및 방향이 모두 추론될 수 있다. 엔코더를 찾을 때 첫 번째 단계 중 하나는 정확도와 해상도를 결정하고 기술 유형도 선택해야 한다. 광학 및 자기는 로터리 엔코더에 사용되는 가장 일반적인 기술이다.

일반적으로 수술도구와 같은 오토클레이브가 가능한 애플리케이션에서는 마그네틱 엔코더가 강력하고 안정적인 옵션을 제공한다. 인트리멘털 또는 앱솔루트 피드백은 각도 값을 전달하는 두 가지 일반적인 옵션이다.

인트리멘털 신호를 사용하는 경우 회전 당 한 번의 인덱스 펄스와 절대 각도 위치를 계산하기 위해 카운터가 필요하다. 그렇지 않으면 피드백이 상대적이다. 절대 피드백은 0 에서 360 도 사이의 엔코딩 된 각도 값을 제공하기 위해 일반적으로 SSI, SPI 또는 BiSS와 같은 직렬 통신 회선을 사용한다.

옵션은 다음과 같다.

• 멸균 옵션: 2,000 회 이상의 오토클레이브 주기로 설계 및 테스트
• 6 단계 정류를 위한 홀 센서 신호(U, V, W)
• 10 비트 인크리멘탈 엔코더(A, B, Z)
• 11 비트 분해능 앱솔루트 각도 엔코더
• SPI를 통한 절대 위치 출력
• 시끄러운 환경을 위한 차동(Differential) 출력
• 축을 허용하는 축외 장착

결론

최신 수술 도구(기존 수공구와 로봇 보조 장치 모두)는 매우 까다롭고 정확한 모션 요구사항이 있다. 이러한 요구사항은 광범위한 기술과 전통적인 수술 도구, 로봇 보조 수술 장치에 대한 풍부한 경험을 갖춘 모터 공급 업체와의 협력을 통해 충족할 수 있다.

자료 제공: Portescap(www.portescap.com)