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antriebstechnik 11/2017

antriebstechnik 11/2017

Antriebe für neuro

Antriebe für neuro chirurgische Operationen Motion Control und Servoantriebstechnik verbessern Behandlungsverfahren in der Neurochirurgie Operationen am Gehirn verlangen höchste Präzision, denn bereits kleinste Fehler können gravierende Folgen nach sich ziehen. Aus diesem Grund kommen bei neurochirurgischen Eingriffen häufig Medizinroboter mit Servoantriebs- und Motion-Control-Lösungen von Elmo Motion Control zum Einsatz. Sie ermöglichen es Chirurgen, lenkbare Nadeln bzw. robotergesteuerte Katheter exakt durch das Gehirn zu navigieren. Am Imperial College of London arbeiten Forscher am EU geförderten EDEN2020- Projekt. Es soll Behandlungsverfahren in der Neurochirurgie verbessern, indem sie weniger invasiv gemacht werden. Unter minimalinvasiver Chirurgie versteht man die Durchführung operativer Eingriffe ohne größere Schnitte. Sie wird auch als Knopfloch-OP oder Schlüssellochchirurgie bezeichnet. Ziel des EU-Projekts ist es, Fortschritte hinsichtlich der Behandlung von Hirnerkrankungen und der daraus erforderlichen Arzneimittelgabe zu erzielen. Für diese Aufgabe werden wichtige Technologien vereint, wobei die robotergestützte Kathetersteuerung zur Abgabe des Arzneimittels an der dafür vorgesehenen Stelle im Gehirn die Schlüsselkomponente darstellt. Für den Antrieb und die Steuerung des Medizinroboters wurden die Thomas Herold ist Prokurist der Werbekoch GmbH in Ubstadt-Weiher Servoantriebs- und Motion-Control-Lösungen des Antriebsspezialisten Elmo Motion Control ausgewählt. Anforderungsgerechte Motion Control Das Herzstück dieses medizinischen Roboters bilden lenkbare Nadeln bzw. robotergesteuerte Katheter mit geschliffener Spitze, die es Chirurgen ermöglichen, präzise durch das Gehirn zu navigieren, z. B. zum Tumor, um dort an der geeignetsten Stelle das Arzneimittel zu verabreichen. Die Bewegungsabläufe der Katheter sind optimiert und beachten verschiedene Hindernisse wie empfindliche Hirnregionen und manövrieren mit höchster Genauigkeit, um das Risiko für irreversible Schäden am Gehirn zu minimieren. Die Aufgabe, den lenkbaren Katheter durch das Gehirn zu steuern, ist sehr anspruchsvoll, denn es müssen bis zu vier Achsen gleichzeitig synchronisiert werden und dass mit einer Genauigkeit von bis zu 10 μm. Da kann jeder noch so kleine Fehler, bspw. verursacht durch ruckelndes Fahren des Katheters oder anderes Fehlverhalten, ernsthafte Schäden am Gehirn des Patienten anrichten. Zur Lösung dieser anspruchsvollen Aufgabe kommt der hochentwickelte Motion Controller Platinum Maestro von Elmo Motion Control für die vierachsige Kathetersteuerung zum Einsatz sowie vier winzige, aber sehr hochleistungsfähige Gold-Twitter-Servoantriebe für den Antrieb des bürstenlosen Motors. Elmos Platinum Maestro ist der Aufgabe gewachsen, die vier Achsen zu synchronisieren, die den Katheter mit einer Ethercat- Zykluszeit von 250 μs voranbewegen. „Das System kann intraoperative, sich kontinuierlich verformende Hirnanatomie mit einer unerreichten Genauigkeit und hoher Aktualisierungsraten wahrnehmen und erkennen“, erklärt Prof. Ferdinando Rodriqugez Y Baena, Projektkoordinator für das EDEN2020-Projekt. Er eignet sich für anspruchsvolle Anwendungen mit mehreren Achsen. Seine 36 antriebstechnik 11/2017

02 STEUERN UND AUTOMATISIEREN SPINPLUS AN LEICHTIGKEIT KAUM ZU ÜBERBIETEN 01 01 Der Gold Twitter ist eine Lösung für alle Applikationen, die auf kleinstem Raum hohe Servo-Performance erfordern 02 Der kleine und kompakte Platinum Maestro Motion Controller bietet moderne Maschinenfunktionen sowie ein hocheffizientes Network Mastering Leicht und schlank präsentiert sie sich und ist die ideale Präzisionskupplung für hochdynamische Anwendungen. hohe Rechenleistung, die für hochsynchronisierte Systeme nötig ist, und zahllose Bewegungsalgorithmen machen ihn ideal für Maschinen und Roboter, die sehr schnell und präzise funktionieren müssen. Der Platinum Maestro optimiert die Ethercat-Vernetzung wie kein anderer Motion Controller. Minimale Netzwerkzy kluszeiten in Verbindung mit deterministischen Nutzerprogrammen erlauben eine hoch performante Mehrachsenleistung in Echtzeit, die schnell und zuverlässig ist, sowie Motion-Blending, Echtzeit- Updates von Zielpositionen, 1-D-, 2-D- und 3-Dhochauflösende Positionsfehlerkorrektur, ECAM (elektronische Kurvenscheiben), Smart-Gearing, hohe mehrteilige Bewegungssegmente und Bahnkurven, Inter polationen mit Polynomen bis 7. Ordnung sowie Position Velocity Time (PVT), Position Time (PT) und Spline-Profilierung für eine ruckfreie Bewegung, die bei der Kathetersteuerung Voraussetzung ist. Das Mehrachs­ Motion- Szenario wird mit hoher Präzision und, durch die hohe Bandbreite, in kürzesten Reaktionszeiten ausgeführt. Der Platinum Maestro verfügt über einen leistungsfähigen integrierten Dual-Core-Prozessor (2 × 1,5 GHz) mit nahezu unbegrenztem Speicher (RAM, ROM, und SD-Karte) und zusätzlichen Onboard-Hardware-Peripheriegeräten. Klein und leistungsfähig Die programmierbare Katheternadel, die vorwärts durch das Gehirn vorrückt, besteht aus vier biokompatiblen, flexiblen, ineinandergreifenden Plastiksegmenten, jeweils mit einem Kanal zur Verabreichung von Arzneimitteln und einem Kanal mit einem Glasfaserkabel, das zur Wahrnehmung der Formen verwendet wird. Die Steuerbarkeit der Nadel basiert insgesamt auf dem synchronisierten Antrieb jedes einzelnen Segments. Wenn sich bspw. einige Segmente auf eine bestimmte Art voran bewegen, während andere sich nicht bewegen, kann sich die Nadel biegen und wölben, während sie dem Druck durch das umgebende weiche Gewebe ausgesetzt ist. Jedes Segment bewegt sich mithilfe eines kleinen eisenlosen Motors, der wiederum von Elmos hochleistungsfähigen Gold-Twitter-Servoantrieb angetrieben wird. Der Gold Twitter ist mit einer Nennleistung bis zu 4 kW, hohen Nennströmen bis zu 50 A und Versorgungsspannungen bis 196 VDC der kleinste und leistungsstärkste Servoantrieb der Welt. Die Kommunikation erfolgt über Ethercat- oder CANopen-Schnittstellen in Echtzeit und erlaubt somit einen Mehrachsbetrieb. Der Gold Twitter entspricht zudem allen internationalen Standards in Bezug auf EMV und funktionale Sicherheit (STO). Er wurde aus mehreren Gründen für die Applikation ausgewählt. Einerseits war seine Größe von nur 35 × 30 × 12,8 mm bei einem Gewicht von nur 18 g wichtig, um die Standfläche der mobilen chirurgischen Station möglichst klein und das Gewicht möglichst leicht zu halten, und andererseits war die sehr gute EMV-Verträglichkeit des Gold-Twitter-Servoantrieb aufgrund Elmos geschützter FASST (Fast and Soft Switching Technology) Schalttechnologie ausschlaggebend. Sie ermöglicht einen Wirkungsgrad > 99 %, was gerade bei medizinischen Anwendungen ein wesentlicher Faktor ist. Alle Anforderungen erfüllt Eloise Matheson, Doktorandin für Mecha tronik in der Medizin am Imperial College of London, resümierte über die Arbeit mit den Antriebslösungen von Elmo Motion Control, dass die kurze Implementierungszeit ein Schlüsselfaktor bei der Auswahl geeigneter Motion Controller darstellte. „Der Platinum Maestro ist ein Motion Controller, der dem Anwender viele Werkzeuge und Merkmale zur Verfügung stellt, die die Implementierung von Maschinenbewegungen enorm vereinfachen“, führt Matheson weiter aus. Für das Imperial College of London waren die einfache Kopplung des Platinum Maestro mit allen An trieben und die automatischen Ethercat-Konfigurationen mit allen Schnittpunkten entscheidend. Darüber hinaus erwies sich die Kontrolle über alle Antriebsparameter vom Platinum Maestro als sehr nützlich. Mit der rasanten Entwicklung in der Medizintechnik nimmt der Bedarf an innovativen Antrieben mit hoher Exaktheit, Zuverlässigkeit, Sicherheit, geringer Bau größe und optimaler Entwärmung zu. Elmos kompakter Platinum Maestro Motion Controller und die baukleinen Gold-Twitter-Servoantriebe sind prädestiniert für den Einsatz in medizintechnischen Geräten und Robotern sowie für viele andere medizinische Anwendungen. www.elmomc.com Egal ob präzise positioniert, bestückt oder gemessen wird – das Leichtgewicht fühlt sich überall zu Hause. SCHMIDT-KUPPLUNG GmbH www.schmidt-kupplung.com

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