Kleiner Antrieb, große Wirkung

Schwerpunkt

Kleinantriebe – Simulations- und Behandlungsgeräte für Ärzte erfordern eine präzise Antriebstechnik. Ultrakompakte Kleinmotoren von Faulhaber mit passendem Microcontroller gewährleisten dabei feinfühlige und exakte Bewegungen.

10. Dezember 2013

Eine der innovativsten Branchen innerhalb der Industrie ist die Medizintechnik. Die vielfältigen Aktivitäten reichen von der Forschung über die Entwicklung mobiler Geräte, die sich vom Patienten bedienen lassen, bis hin zum Bau von chirurgischen und diagnostischen Werkzeugen oder zur Entwicklung von Simulationsmöglichkeiten für die Ausbildung der Mediziner. Jeder Einsatzfall stellt dabei besondere Ansprüche an die eingesetzten Komponenten.

Allen gemeinsam ist jedoch die Forderung nach höchster Zuverlässigkeit, sicherer Funktion und meist auch größtmöglicher Genauigkeit. Im Unterschied zu anderen industriellen Anwendungen bieten medizintechnische Anwendungen zudem meistens nur einen sehr beschränkten Bauraum, sodass die verschiedenen Bauteile auch besonders kompakt sein müssen. Vor allem leistungsfähige Kleinantriebe sind deshalb in den unterschiedlichen medizintechnischen Sparten weit verbreitet.

Freier Blick für den Chirurgen

Ein aktuelles Beispiel ist das automatisierte Betrachtungssystem Merlin für die Augenchirurgie, das der US-amerikanische Optikspezialist Volk Optical entwickelt hat. Das System ergänzt ein chirurgisches Mikroskop und ermöglicht einen schnellen Wechsel der Fokalebene zwischen der Hornhaut auf der vorderen Außenfläche des Auges und der Netzhaut auf der inneren, rückseitigen Fläche des Augapfels. Im Prinzip besteht das Betrachtungssystem aus einer Linsenpositionierungseinheit mit der Operationslinse sowie der Kondensorbaugruppe, die in den Strahlengang des Mikroskops eingeschwenkt werden kann und so die die Brennweite der Mikroskop-Objektivlinse um etwa 2,5 Zentimeter verkürzt

Auf diese Weise kann der Operateur zwischen der Hornhautansicht und der Netzhautansicht wechseln, ohne das Mikroskop nach oben und unten zu bewegen, was dem Chirurgen während der mehrstündigen Operation oft zu nur wenig ergonomischen Körperhaltung zwingen würde. Im Unterschied zu den meisten herkömmlichen Betrachtungssystemen arbeitet die Neuentwicklung vollständig automatisch und muss weder manuell noch per Fußschalter bedient werden.

Begrenzter Bauraum

Um den gewohnten Arbeitsabstand nicht zu verändern, musste das System in dem bestehenden Gehäuse untergebracht werden. Dabei verlangte der extrem kleine Bauraum einen besonders kompakten Motor, der zudem mit einem Getriebe kombiniert werden musste, um die benötigten Drehzahl- und Drehmomentwerte zu erreichen. Für eine Lösung auf Basis eines Klein-Servomotors mit Encoder war der zur Verfügung stehende Platz jedoch zu klein. Die Medizintechnikspezialisten aus dem US-Bundestaat Ohio entschieden sich deshalb für einen 15-Millimeter-Schrittmotor des Kleinantriebsherstellers Faulhaber in Kombination mit einer Microcontroller-Einheit.

Ein Kunststoff-Planetengetriebe reduziert die Drehzahl im Verhältnis von 14:1 und gibt das Drehmoment über einen Riemenantrieb an die Linsenhalterung weiter. Ein optischer Sensor im Boden der Kondensor-Baugruppe erfasst dabei die Position der Linsenpositionierungseinheit, und der Controller sendet die entsprechenden Verfahrbefehle an den Schrittmotor. Das Merlin-System wurde in enger Zusammenarbeit mit der US-amerikanischen Faulhaber-Schwester Micromo entwickelt und erwies sich seit ihrer Einführung im Sommer 2011 im praktischen Betrieb als sehr zuverlässig. Mittlerweile befinden sich Dutzende von Systemen weltweit im praktischen Einsatz.

Präzise Simulation

Ein anderes Einsatzgebiet für Kleinantriebe in der Medizin bieten auch Simulationsgeräte für die Aus- und Weiterbildung von Chirurgen. Derartige haptische Systeme vermitteln dem übenden Operateur klare und realistische Sinneswahrnehmungen und ermöglichen gleichzeitig Rückschlüsse, wie viel Kraft der Chirurg aufgewendet hat und wie umfangreich die Schnitte sind. Als Spezialist auf diesem Gebiet der Chirurgie-Simulation gilt der kanadische Hersteller Quanser, der außer anwendungsspezifischen OEM-Produkten auch allgemeine Haptiksysteme für die Forschung konstruiert.

Die neueste Entwicklung ist das sogenannte High Definition Haptic Device HD2, ein Parallelogrammmechanismus mit sechs Freiheitsgraden. Dieser mechanisch ausbalancierte, reibungsarme Roboter besteht aus zwei miteinander gekoppelten Auslegern mit je fünf Gelenken und kann über einen großen Arbeitsbereich Bewegungen in hoher Auflösung ausführen. Er ermöglicht Drehbewegungen um die Querachsen von jeweils ±90 Grad sowie Drehbewegungen um die vertikale Achse von ±180 Grad.

Vielfältige Anforderungen

Um das Reaktionsvermögen zu maximieren, montierten die Entwickler die Motoren nicht auf dem Arm des Stellglieds, sondern im Gehäuse. Die Auswahl der Motoren war jedoch keineswegs trivial: Sie sollten ein hohes Ausgangsdrehmoment liefern, aber zugleich sehr reibungsarm arbeiten sowie eine sehr niedrige Massenträgheit aufweisen. Außerdem müssen die Motoren ein hohes Maß an Reproduzierbarkeit bieten, damit das Gerät eine kontinuierliche Sinneswahrnehmung liefern kann. In enger Zusammenarbeit mit den Antriebsspezialisten von Micromo entwickelten die Simulationsexperten schließlich eine exakt auf die Applikationsanforderungen abgestimmte Spezial-Antriebseinheit.

Der gewählte Motor besitzt eine modifizierte Spule, mit der sich ein sehr hohes Ausgangsdrehmoment bei vergleichsweise niedrigen Drehzahlen erzeugen lässt. Ein entscheidender Faktor bei der Motorenauswahl war zudem die nicht selbsthemmende Kraftübertragung, also die Fähigkeit des Benutzers, die Reibung zu überwinden, um das Haptikgerät zu betätigen. Zudem liefern hochauflösende optische Encoder die präzisen Feedbackgrößen, die erforderlich sind, um eine realitätsnahe taktile Wahrnehmung zu erzeugen. Die Kleinantriebe tragen auf diese Weise wesentlich zur Aus- und Weiterbildung in der Chirurgie bei.

Erschienen in Ausgabe: 09/2013