Kleinmotoren steuern Spulen zur Stimulation von Gehirnbereichen

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Der hemisphärische Aufbau des Roboterarms mit sieben Achsen garantiert eine gute Zugänglichkeit (Bild 3). Die Getriebe und Antriebe sitzen möglichst nahe an den Achsen. Die Leistungsregler sind ebenfalls sehr dicht an den Antrieben platziert, um eine möglichst kurze Verbindung zu Motor und Encoder zu gewährleisten.

Die Leistungsregler sind mit gemeinsamer Stromversorgung und Busverbindung zur Kommunikation mit dem Steuer- und Bediensystem (Zentraleinheit mit Prozessor) ausgestattet. Zusätzlich übernimmt das Steuer- und Bediensystem das Sicherheitsmanagement u.a. für Not-Aus sowie alle übergeordneten Steuerungsaufgaben wie die Berechnung der Kinematik des Roboterarms, Lageregelung mit Hilfe des Kontaktsensors etc. (Bild 4).

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Die Getriebemotoren und deren Stellelemente müssen aufgrund technischer und medizinischer Beschränkungen besonderen Anforderungen entsprechen. Die gepulsten Magnetfelder, die von der TMS-Spule abgegeben werden, erfordern auf Höhe des Roboterarms eine sehr hohe EMC-Immunität (elektromagnetische Verträglichkeit).

Die Elektronikeinheit darf generell nur sehr niedrige Emissionen erzeugen, um medizinische Geräte im Umfeld nicht zu stören. Daher müssen die verwendeten Leitungen so kurz wie nur möglich und zudem ausreichend abgeschirmt sein, um Datenfehler durch die therapeutischen Magnetfelder sicher auszuschließen.

Außerdem ist die Abschirmung der Kabel auch deshalb wichtig, da diese sonst zu Antennen werden und andere Geräte stören können.

Um Kopfbewegungen des Patienten schnell zu kompensieren, müssen die Motoren ein hohes Anlaufmoment haben und dürfen trotzdem nicht überhitzen. Encoder mit hoher Auflösung und Getriebe mit reduziertem Spiel sorgen für eine präzise Positionierung. In der Praxis setzen die Roboterspezialisten im Arm unterschiedliche bürstenlose Motoren ein, die so dimensioniert sind, dass sie das erforderliche Drehmoment aufbringen können und dabei möglichst klein bleiben.

Folglich sind zwei 44-mm-Motoren und vier 32-mm-Motoren im Roboterarm untergebracht. Hinzu kommt ein 22-mm-Getriebemotor bestehend aus Motor und Planetengetriebe passenden Durchmessers. Der kleine Vierpolmotor leistet rund 9 W, sein Encoder generiert 1024 Impulse je Umdrehung, was zu einer Auflösung von 4096 Punkten pro Umdrehung führt.

Alle Bedingungen für den Medizin-Einsatz werden erfüllt

Zusammen mit der Untersetzung des dreistufigen Metallgetriebes von 86:1 ergibt das eine sehr hohe Auflösung der Drehbewegung und ermöglicht eine äußerst exakte Spulenpositionierung (Bild 5).

Die sechs größeren Motoren leisten 33 bzw. 210 W an der Abtriebswelle und sind auch mit hochauflösenden Encodern ausgestattet. Vorgespannte, wartungsfreie Kugellager sorgen für einen langen, spielfreien Betrieb.

Die Antriebe erfüllen neben den speziellen Anforderungen der TMS unter den Gesichtspunkten der Sicherheit und Normenkonformität alle Bedingungen für den Einsatz im medizinischen Bereich.

Um die Antriebe optimal auf die besonderen Bedingungen abzustimmen, arbeiteten die Ingenieure von Axilum eng mit den Spezialisten von FAULHABER zusammen. So konnten sie gemeinsam schnell Fragen der elektromagnetischen Kompatibilität klären, Kabellängen und Kabelabschirmung bestimmen und spezielle Steckverbinder integrieren.

Diese Vorgehensweise beschleunigte die Entwicklung und Erprobung des TMS-Roboters, ohne dass dabei Kompromisse bei Sicherheit oder Zuverlässigkeit eingegangen werden mussten.

* Andreas Seegen ist Leiter Marketing bei FAULHABER, Schönaich.

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