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　　Elmo伺服驅(qū)動(dòng)器自上市起，就以穩(wěn)定，高效的特征受到半導(dǎo)體、醫(yī)療、軍工、智能倉(cāng)儲(chǔ)、水下運(yùn)輸、協(xié)作機(jī)器人等行業(yè)用戶的青睞。本文將為大家盤點(diǎn)Elmo運(yùn)動(dòng)控制器等產(chǎn)品在醫(yī)療行業(yè)的應(yīng)用，幫助客戶在進(jìn)行選擇時(shí)有更多元的視角。

　　文/Elmo埃莫運(yùn)動(dòng)控制

　　1 神經(jīng)外科導(dǎo)航機(jī)器人

　　關(guān)鍵信息：低EMI，四軸同步

　　大腦是人體最重要和精密的器官之一, 微創(chuàng)介入治療是一種現(xiàn)代高科技微創(chuàng)性治療，神經(jīng)外科手術(shù)機(jī)器人能極大地增加神經(jīng)外科手術(shù)精準(zhǔn)度和安全性，且操作簡(jiǎn)易，應(yīng)用范圍廣，減少手術(shù)期并發(fā)癥。

　　在倫敦帝國(guó)理工學(xué)院，研究人員正在夜以繼日地工作，以便顯著改善神經(jīng)外科手術(shù)的流程，使之更加微創(chuàng)。歐盟資助的 EDEN2020 多學(xué)科項(xiàng)目旨在通過(guò)整合幾項(xiàng)關(guān)鍵技術(shù)來(lái)推進(jìn)腦部疾病的治療和確切的藥物輸送，其中機(jī)器人輔助導(dǎo)管操縱是一個(gè)關(guān)鍵的主要組成部分。

　　Elmo 運(yùn)動(dòng)控制公司被選中，以其 Platinum Maestro運(yùn)動(dòng)控制器來(lái)主控 4 軸機(jī)器人系統(tǒng)，并用 4 個(gè)微型 Gold Twitter 伺服驅(qū)動(dòng)器來(lái)驅(qū)動(dòng)電機(jī)。

　　作為該技術(shù)核心的可轉(zhuǎn)向機(jī)器人針頭(以及創(chuàng)新的藥物輸送方法，術(shù)前磁共振成像和術(shù)中超聲波)，可幫助外科醫(yī)生精確地在大腦導(dǎo)航，抵達(dá)準(zhǔn)確的腫瘤位置，從而實(shí)現(xiàn)精確的藥物輸送。優(yōu)化軌跡將各種障礙和敏感的大腦區(qū)域考慮在內(nèi)，并以最大的準(zhǔn)確度進(jìn)行操縱，從而最大限度地減少出現(xiàn)任何不可逆腦損傷的可能性。

　　通過(guò)大腦來(lái)控制機(jī)器人，可轉(zhuǎn)向?qū)Ч艿娜蝿?wù)并非易事。由于采用高 4 軸同步水平以及低至 10μm 的精度要求，因此任何錯(cuò)誤都可能嚴(yán)重?fù)p傷大腦。Elmo 先進(jìn)的多軸運(yùn)動(dòng)控制器 Platinum Maestro 可以實(shí)現(xiàn)最多 4 軸同步，以 250μs 的 EtherCAT 循環(huán)速度向前移動(dòng)刺針。

　　在最近與 Elmo 代表會(huì)面時(shí)，EDEN2020 項(xiàng)目協(xié)調(diào)員 Ferdinando Rodriqugez Y Baena 教授解釋說(shuō)：“該系統(tǒng)將能夠以無(wú)與倫比的準(zhǔn)確性，精確度和更新速度來(lái)感受及感知術(shù)中不斷變形的大腦解剖結(jié)構(gòu)。“

　　Platinum Maestro (P-MAS) 是一款配備有高效 EtherCAT 網(wǎng)絡(luò)的同類最佳運(yùn)動(dòng)控制器，專為要求苛刻的多軸應(yīng)用而定制，其高度同步的系統(tǒng)所需的巨大處理能力與無(wú)數(shù)運(yùn)動(dòng)算法相結(jié)合，使其成為需要更快更精確進(jìn)行擦拭的機(jī)器和機(jī)器人的理想之選。P-MAS 對(duì) EtherCAT 網(wǎng)絡(luò)的優(yōu)化方式獨(dú)一無(wú)二，將最短的網(wǎng)絡(luò)循環(huán)時(shí)間以及決定性的用戶程序相結(jié)合，可實(shí)現(xiàn)快速、可靠且無(wú)與倫比的多軸性能。

　　可編程斜面針尖 (PBN) 通過(guò)大腦向前推進(jìn)，它由 4 個(gè)生物具有相容性的柔性互鎖塑料段節(jié)構(gòu)成，每個(gè)塑料段節(jié)都有一個(gè)用于藥物輸送的工作通道以及一個(gè)含有用于形狀感測(cè)的光纖電纜通道，針頭的整體轉(zhuǎn)向能力受每段節(jié)同步推進(jìn)管控。

　　例如，某些段節(jié)會(huì)有針對(duì)性地推進(jìn)，而另一些段節(jié)會(huì)保持在原位，這能夠讓針頭在受到來(lái)自周圍軟組織的作用力時(shí)彎曲及屈曲，每段節(jié)的運(yùn)動(dòng)均由一個(gè)小型無(wú)鐵芯電機(jī)驅(qū)動(dòng)，該電機(jī)由 Elmo 的 Gold-Twitter (G-TWI) 伺服驅(qū)動(dòng)器驅(qū)動(dòng)。

　　G-TWI是世界上最小最強(qiáng)勁的伺服驅(qū)動(dòng)器，選中它出于幾個(gè)原因。由于它是一個(gè)便攜式工作站，因此極小的尺寸對(duì)于保持手術(shù)臺(tái)的總占地面積至關(guān)重要。此外，高效 PWM 切換過(guò)程會(huì)導(dǎo)致伺服驅(qū)動(dòng)器產(chǎn)生極低的 EMI，這是各種成像過(guò)程中所涉及到的醫(yī)療類應(yīng)用的另一個(gè)關(guān)鍵因素。

　　在被問(wèn)及對(duì) Elmo 運(yùn)動(dòng)解決方案所做的工作時(shí)，研究工程師 Eloise Matheson(醫(yī)學(xué)機(jī)電一體化博士學(xué)位預(yù)科生)補(bǔ)充說(shuō)，“縮短開發(fā)時(shí)間”是其控制項(xiàng)目選項(xiàng)的關(guān)鍵因素。P-MAS 是一種現(xiàn)貨運(yùn)動(dòng)控制器，可為用戶提供眾多工具和功能，簡(jiǎn)化并精簡(jiǎn)機(jī)器運(yùn)動(dòng)的實(shí)施。

　　對(duì)于帝國(guó)理工學(xué)院來(lái)說(shuō)，正是 P-MAS 與所有驅(qū)動(dòng)器之間的簡(jiǎn)單互連，以及所有節(jié)點(diǎn)的自動(dòng) EtherCAT 配置，才使其顯得與眾不同，此外也證明，從 P-MAS 級(jí)別控制所有驅(qū)動(dòng)參數(shù)非常有用。

　　圖1 神經(jīng)外科手術(shù)

　　圖2 可轉(zhuǎn)向針頭技術(shù)極大地降低了手術(shù)過(guò)程中的腦損傷

　　圖3 Platinum Maestro 主控腦部手術(shù)期間的多軸導(dǎo)航

　　圖4 PBN設(shè)計(jì)稱為 STING，由 4 個(gè)柔性段節(jié)組成，向前推進(jìn)并使其彎曲

　　圖5 Gold Twitter——Elmo超微伺服驅(qū)動(dòng)器

　　2 心臟成像掃描儀

　　關(guān)鍵信息：接線少，高通量，高精度，40毫秒完成移動(dòng)并穩(wěn)定所有頭

　　心臟成像掃描儀采用核磁成像技術(shù)和創(chuàng)新科技，具有極高的吞吐量和圖像分辨率，可在2 分鐘內(nèi)完成門電路心肌灌注斷層顯像(Gated SPECT)檢查，速度和圖像質(zhì)量的突破得益于制造商的先進(jìn)技術(shù)，包括：

　　l 更大的輻射收集角度和獨(dú)有掃描模式，將光子收集效率提升為之前的 10 倍，改進(jìn)計(jì)數(shù)統(tǒng)計(jì)并提高圖像質(zhì)量;

　　l 掃描固態(tài)探測(cè)器的新穎設(shè)計(jì)和獨(dú)有的重構(gòu)算法將分辨率提升為之前的 2 倍;

　　l 自動(dòng)化和個(gè)性化采集。

　　機(jī)器由放置在旋轉(zhuǎn)軸上的9個(gè)準(zhǔn)直鏡組成，各自以一定角度掃描目標(biāo)。第10個(gè)軸沿角度方向移動(dòng)9個(gè)準(zhǔn)直鏡的底座，與目標(biāo)身體對(duì)齊。所有掃描運(yùn)動(dòng)在機(jī)器內(nèi)部，患者看不到。

　　Elmo在為心臟成像系統(tǒng)設(shè)計(jì)應(yīng)用解決方案時(shí)，面臨下面的挑戰(zhàn)：

　　l 從計(jì)算機(jī)發(fā)出命令到達(dá)將采集圖像的下一個(gè)點(diǎn)開始，在短短的40毫秒內(nèi)移動(dòng)所有頭并穩(wěn)定;

　　l 必須非常緊湊且節(jié)約空間;

　　l 必須在有限機(jī)器空間內(nèi)完成機(jī)械集成;

　　l 由于空間有限，只能使用最少接線;

　　l 由于醫(yī)療環(huán)境的要求，解決方案必須符合相關(guān) EMI 標(biāo)準(zhǔn)。

　　為此，Elmo提供的解決方案如下：

　　l 心臟成像系統(tǒng)的緊湊性需要緊湊電子元件和最少布線，設(shè)計(jì)具有高功率密度并采用快速串行通信的高性能驅(qū)動(dòng)器完美適合;

　　l 選擇 Whistle 數(shù)字驅(qū)動(dòng)器用于此應(yīng)用，因?yàn)槠涑叽缇o湊，可以在機(jī)器接口限制內(nèi)集成;

　　l 9個(gè)WHI-1/60伺服驅(qū)動(dòng)器用于移動(dòng)準(zhǔn)直鏡的基座角;

　　l 一個(gè) WHI-5/60伺服驅(qū)動(dòng)器用于移動(dòng)準(zhǔn)直鏡底座的基座角;

　　l Maestro作為主控制器控制所有軸的移動(dòng)，通過(guò) CANopen 通信與 10 個(gè) Whistle伺服驅(qū)動(dòng)器通信;

　　l 心臟成像系統(tǒng)的 PC機(jī)用于使用 TCP/IP 通信，向 Maestro 發(fā)出命令。

　　使用 Maestro運(yùn)動(dòng)控制器，制造商工程師無(wú)需使用掃描儀板載處理器，處理 CANopen 通信或運(yùn)動(dòng)控制過(guò)程。

　　Elmo提供支持客戶設(shè)計(jì)的 PCB 接口板，以及按要求設(shè)計(jì)定制接口板的服務(wù)。在此情況下，制造商在 Elmo的協(xié)助下設(shè)計(jì) Whistle 接口板以符合機(jī)器的機(jī)械限制。然后由 Elmo工程師檢測(cè)認(rèn)證接口板。

　　為什么選擇Elmo的原因:

　　(1)Elmo 的緊湊型Whistle伺服驅(qū)動(dòng)器可以放入機(jī)器的有限空間;

　　(2)Elmo 所有驅(qū)動(dòng)器均符合醫(yī)療EMI標(biāo)準(zhǔn)，無(wú)需外部濾波器;

　　(3)Elmo為設(shè)計(jì)制造心臟成像系統(tǒng)的醫(yī)療工程師提供了全面支持;

　　(4)分布式通信需要布線少，節(jié)約空間和成本。

　　圖6 Whistle數(shù)字伺服驅(qū)動(dòng)器

　　3 優(yōu)化C型臂成像

　　關(guān)鍵信息：即時(shí)響應(yīng)，精確控制運(yùn)動(dòng)

　　精準(zhǔn)的成像技術(shù)推進(jìn)了如今最先進(jìn)的醫(yī)學(xué)治療手段。例如，由醫(yī)師操控的C型臂能在手術(shù)，整形外科，整形外科，重癥監(jiān)護(hù)和急診治療過(guò)程中更安全精準(zhǔn)地透視成像。但是，這需要在處理設(shè)備大量的復(fù)雜操作時(shí)，保證持續(xù)傳遞一個(gè)高分辨率影像的數(shù)據(jù)流。Elmo先進(jìn)的運(yùn)動(dòng)控制解決方案使之成為可能。

　　C 形臂是現(xiàn)代醫(yī)療極為重要的工具，用于手術(shù)、整形外科、重癥護(hù)理和急診應(yīng)用的透視成像。精確控制，即時(shí)響應(yīng)和患者安全是現(xiàn)代最先進(jìn)C形臂X光機(jī)使用過(guò)程的關(guān)鍵。

　　醫(yī)生通過(guò)控制臺(tái)/腳踏開關(guān)控制所有工作模式和移動(dòng)，實(shí)時(shí)操作C形臂。C形臂通過(guò)醫(yī)生的直接控制，圍繞患者移動(dòng)，它采用平衡和同中心設(shè)計(jì)，為軌道旋轉(zhuǎn)提供幾乎不受限制的投影。C型臂在成像源(如 X 射線)與待成像身體部位之間保持恒定距離。中心豎線始終保持在同中心，節(jié)約了整個(gè)過(guò)程的時(shí)間，大大減少患者在過(guò)程中接收的輻射劑量。

　　C型臂的移動(dòng)由一個(gè)計(jì)算機(jī)程序控制，能夠收到醫(yī)生的從控制臺(tái)發(fā)出的指令。而其他的計(jì)算機(jī)程序則負(fù)責(zé)采集，處理和呈現(xiàn)高分辨率的影像給醫(yī)生觀看，幫助醫(yī)生在整個(gè)診療過(guò)程更好地完成操作。某醫(yī)療設(shè)備公司在研發(fā)一款C型臂時(shí)，需要一個(gè)理想的解決方案，既能達(dá)到高質(zhì)量的性能，又要在處理C型臂大量的復(fù)雜操作時(shí)持續(xù)穩(wěn)定地傳輸高分辨率影像的數(shù)據(jù)流。

　　Elmo的運(yùn)動(dòng)控制解決方案包括：Gold Maestro多軸網(wǎng)絡(luò)控制器和Gold Twitter伺服驅(qū)動(dòng)器。

　　Elmo能提供的獨(dú)特優(yōu)勢(shì)包括：

　　l Elmo多軸網(wǎng)絡(luò)控制器能進(jìn)行復(fù)雜實(shí)時(shí)的計(jì)算，釋放計(jì)算機(jī)程序的資源;

　　l 先進(jìn)的運(yùn)動(dòng)算法確保C型臂的精確移動(dòng);

　　l 小型的伺服驅(qū)動(dòng)器使設(shè)備的設(shè)計(jì)更為緊湊輕巧;

　　l 通過(guò)TUV認(rèn)證的內(nèi)置安全功能以STO(安全關(guān)斷)的形式實(shí)現(xiàn)。

　　最終，該公司選擇Gold Maestro多軸網(wǎng)絡(luò)控制器來(lái)應(yīng)對(duì)這些挑戰(zhàn)。當(dāng)所有的到達(dá)C型臂的運(yùn)動(dòng)控制指令仍然通過(guò)計(jì)算機(jī)應(yīng)用程序源源不斷地輸入的同時(shí)，Gold Maestro系列網(wǎng)絡(luò)控制器和Elmo的閉環(huán)解決方案完美地協(xié)調(diào)了大量復(fù)雜實(shí)時(shí)的計(jì)算，釋放計(jì)算機(jī)的資源，把這些資源集中在快速的影像采集，處理和呈現(xiàn)上。

　　Gold Maestro是Elmo最先進(jìn)的多軸運(yùn)動(dòng)控制器，并能和Elmo所有大功率伺服驅(qū)動(dòng)器配合。分布式拓?fù)鋷?lái)整個(gè)運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)包括節(jié)點(diǎn)的智能模塊化設(shè)計(jì)，每個(gè)節(jié)點(diǎn)包含一個(gè)帶有EtherCAT標(biāo)識(shí)的伺服驅(qū)動(dòng)器，控制器既能緊密地監(jiān)測(cè)和控制伺服驅(qū)動(dòng)器，確保輕松無(wú)縫集成對(duì)應(yīng)每個(gè)軸的伺服驅(qū)動(dòng)器，又提供了極為精確和靈敏的運(yùn)動(dòng)控制。

　　在 Gold Maestro的控制下，伺服驅(qū)動(dòng)器精確監(jiān)控 C 形臂的每一次運(yùn)動(dòng)，極大提高整體運(yùn)動(dòng)系統(tǒng)效率，同時(shí)保持設(shè)計(jì)緊湊。

　　另外，Gold Twitter驅(qū)動(dòng)器安裝在C型臂的每個(gè)軸上。這款驅(qū)動(dòng)器只有火柴盒大小，重量?jī)H為18到22克，減輕了移動(dòng)部件的整體重量，增加了系統(tǒng)的靈活性。所有驅(qū)動(dòng)器。所有驅(qū)動(dòng)器都由EtherCAT網(wǎng)絡(luò)鏈接接入Gold Maetro控制器，系統(tǒng)的循環(huán)時(shí)間控制在500μ秒內(nèi)。Elmo小巧而強(qiáng)大的伺服驅(qū)動(dòng)器搭載先進(jìn)的算法，滿足了C型臂對(duì)速度、精度、準(zhǔn)確度和性能的所有要求。

　　Elmo為客戶提供的C型臂解決方案源于豐富的行業(yè)經(jīng)驗(yàn)和標(biāo)準(zhǔn)合規(guī)性帶來(lái)的優(yōu)勢(shì)。Elmo的驅(qū)動(dòng)器驅(qū)動(dòng)了為C型臂的運(yùn)動(dòng)，保證在任何電壓下保持最高精度，能在治療過(guò)程中實(shí)現(xiàn)最佳操作和最小劑量傷害。當(dāng)Gold Maestro協(xié)調(diào)運(yùn)動(dòng)控制網(wǎng)絡(luò)時(shí)，計(jì)算機(jī)的應(yīng)用程序資源集中在成像，每個(gè)Elmo的伺服驅(qū)動(dòng)器控制對(duì)應(yīng)的軸，并保持最高分辨率。另外，這一解決方案還擁有超出一般的平均故障時(shí)間(MTBF),實(shí)施和操作簡(jiǎn)單等優(yōu)點(diǎn)，更易于設(shè)備的升級(jí)更新。

　　Elmo MotionControl 是一家致力于研發(fā)、生產(chǎn)和實(shí)施各種復(fù)雜且經(jīng)過(guò)現(xiàn)場(chǎng)驗(yàn)證的運(yùn)動(dòng)控制解決方案的提供商，Elmo的伺服控制器和多軸控制器能最大程度縮小機(jī)器尺寸，減少電纜，提高產(chǎn)量，為OEM制造商提供極大的競(jìng)爭(zhēng)優(yōu)勢(shì)。

　　圖7 Gold Maestro先進(jìn)的網(wǎng)絡(luò)多軸運(yùn)動(dòng)控制

　　圖8 Gold Twitter伺服驅(qū)動(dòng)器/大流量NANO伺服驅(qū)動(dòng)器