차세대 프레임리스 모터로 수술 로봇의 성능 향상시킨다!
의사들에게 있어서 환자들의 수술을 보다 더 정확하게 진행하고, 수술 과정에서 체내 조직으로 세균과 같은 미생물이 들어가지 않도록 하는 것은 무엇보다도 중요한 일일 것이다. 환자의 수술 결 과를 좀 더 개선하고 도움을 줄 수 있는 수술 로봇을 설계하고 제작할 수 있다면 어떨까?
수술의 결과는 특정 케이스의 어려움과 외과의사의 기술에 따라 달라지지만, 더 나은 도구는 더 나은 치 료를 지원하는 것이 사실이다. 이에 따라 이 기사에서는 차세대 모션 엔지니어링을 통해 어떻게 차세대 수술 로봇을 개발할 수 있는지 살펴보기로 한다.
양팔을 최대한 가깝게 위치
기존의 수술용 로봇은 작은 카메라와 가위, 집게, 바늘 홀더, 클립 애플리케이터 등과 같은 다양한 기구를 들고 있는 여러 팔을 가진 로봇으로 이루어졌다. 수술에 따라서는 시각화 카메라와 필요한 모든 기구를 동시에 수용할 수 있는 단일의 작은 절개를 통해 이상적인 절차가 수행된다.
만약 당신이 어떤 외과의사에게 물어보든지, 의사들의 답은 한결 같을 것이다. 그들은 카메라와 수술기구가 절개 부위로 들어가 는 이상적인 접근 각도는 가능한 평행하고 서로 가까울수록 좋다 고 말할 것이다. 이는 외상을 최소화하고 카메라 시야와 각도 사이의 불일치를 없애기 위해서다.
물론 동일한 접근 각도를 얻는 것은 불가능하다. 왜냐하면 각 도구는 동일한 공간을 차지할 수 없기 때문이다. 오늘날의 수술 도구는 매우 얇고 조밀하지만, 여러 도구가 배치되는 경우 단일 기둥, 다중 팔 디자인과 팔 관절의 엄청난 부피 때문에 여러 기구 가 배치될 때 접근 각도가 제한된다. 이것은 차세대 로봇을 설계 할 때 극복해야 할 주요 과제다.
팔 관절의 축 길이 최소화
독립형 암은 기존 설계에 비해 위치 지정에 훨씬 더 큰 유연성을 제공하므로 여러 암을 평행에 훨씬 더 가깝게 배치할 수 있다. 그 이상에 더 접근하려면 각 암의 부피를 최소화해야 한다. 암이 작 동할 수 있는 최소 간격은 팔 관절의 축 길이이다. 가능한 한 축 길이가 짧으면서도 필요한 모든 토크를 제공하는 모터와 기어 시스템이 필요하다. 성능을 저해하지 않으면서도 절약된 1밀리미터 는 외과 의사들이 더 효과적으로 작업할 수 있도록 도와주며, 수 술 로봇에 대한 중요한 시장 경쟁력을 창출해 낸다.
기어링으로 시작
최적의 토크를 달성하면서도 축 길이, 총 부피 및 무게를 최소화 하는데 중요한 것은 축 길이가 짧은 고토크 모터이다. 그러나 모 터 자체의 축 길이 이상으로 기어링 및 피드백 장치도 조인트 내 에서 밀접하게 통합되어야 한다.
궁극적으로 모터의 비교적 높은 속도 운동을 로봇 팔의 하중을 움직이기에 필요한 낮은 속도와 높은 토크로 변환하는 것은 기어 링이다. 기어링의 선택은 조인트의 축 길이에도 영향을 미치기 때 문에 설계를 시작할때 이곳에서 시작해야 한다. 이를 통해 로봇 팔을 최적의 속도로 정확하게 위치시키고 하중을 안정적으로 유지할 수 있다.
필요한 속도, 성능 및 하중 지점에 따라 적절한 기어 세트가 결 정된다. 어떤 비율이 요구되더라도 이 애플리케이션에는 스트레 인 웨이브 기술 즉 ‘하모닉’ 기어링이 필요하다. 스트레인 웨이브 기어링은 세 가지 필수적인
이점을 제공한다. 관절 내에서 가장 컴팩트한 축 통합을 가능하게 한다. 일반적으로는 기어 감속비가 30:1에서 320:1에 이르기 때문에 부드럽게 가 속·감속하고 정확하게 위치를 배치시킨다. 또 제로 백래시로 작동하여 절차의 정밀도에 잠재적으로 영향을 미치거나 불필요한 외상을 유발할 수 있는 원치 않는 움직임을 최소화한다.
기어링과 열 요구조건에 부합되는 모터
적절한 기어 기술과 비율을 지정했으면 기어 비율, 암이 작동해야 하는 속도 및 유지해야 하는 질량에 따라 모터를 선택할 수 있다. 일반 또는 최대 부하에서 작동할 때 열 상승도 중요한 고려 사항 이 될 수 있다. 조인트의 좁은 범위에서 과도한 열이 기어 윤활제, 엔코더 전자 장치 및 근접한 기타 구성 요소를 손상시킬 수 있기 때문이다. 더 낮은 열 상승에서 최대 성능을 제공할 수 있는 모터 가 바람직하다.
D2L 규칙 활용
모터 사양 프로세스의 일부로 D2L 규칙이라고 하는 그리고 자주 간과되는 모터 설계 원칙을 통해 축 길이를 더 줄일 수 있다. 로봇 관절 설계에서 모터의 직경은 일반적으로 사소한 문제다. 로봇 팔 이 최대한 가깝게 작동하도록 하려면 대신 축 길이를 최소화해야 한다.
D2L 규칙을 사용하면 축 길이를 크게 줄이기 위해 더 큰 직 경을 교환할 수 있다. 로봇 관절에 사용되는 프레임리스 모터에서는 모터 길이의 변 화에 정비례하여 토크가 증가하거나 감소하지만, 모터의 모멘트 암 제곱 변화에 비례해 증가하거나 감소한다.
다시 말해 D2L 규칙에 따라 모멘트 암을 두 배로 늘리면 전체 직경이 대략 두 배가 되며 토크가 4배 증가된다. 또는 수술용 로봇 설계와 관련하여 모멘트 암을 두 배로 늘리면 동일한 토크를 유지하면서 스택 높이를 4배 줄일 수 있다. 이는 설계 우선 순위가 가장 작은 축 길이를 달 성하는 것일 때 큰 이점이다.
TBM2G로 기계 및 열 효율 최적화
차세대 수술 로봇 성능을 위해 로봇 애플리케이션용으로 특별히 설계된 차세대 모터를 선택하면 좋다. Kollmorgen의 TBM2G 프 레임리스 모터는 직면한 모든 엔지니어링 문제를 해결하도록 설 계되었다.
TBM2G 모터는 가장 컴팩트한 로봇 조인트에서 전례 없는 기 계적, 전기적 및 열적 효율성을 제공한다. 종단 회전 및 PC 보드를 포함하여 축 방향 길이가 1인치 미만인 크기로 제공되며 크기에 비해 모션 업계에서 가장 높은 토크 밀도를 제공한다. 또 훨씬 낮은 열 상승으로 필요한 모든 성능을 제공하도록 설계되어 로봇 관절에 있는 모든 구성 요소의 무결성과 성능을 보호해야 한다.
TBM2G 모터는 또한 사용자 지정이나 수정이 필요 없이 쉽게 사용할 수 있는 제로 백래시, 높은 비율의 스트레인 웨이브 기어 세트와 함께 작동하도록 최적화되어 있다. 따라서 개발 시간을 단 축하고 신뢰할 수 있는 생산 공급에 의존하며 의사가 가능한 한 근접하고 병렬에 가깝게 기구를 작동할 수 있는 수술 로봇을 제공 할 수 있다.
자료제공: Kollmorgen(www.kollmorgen.com)
