Kraftzwerge für Sonderfälle

Kleinantriebe – Moderne Medizintechnik unterstützt die Ärzte bei operativen Eingriffen und erleichtert das Leben vieler Patienten. Die Grundlage dazu bilden leistungsfähige Kleinantriebe.

17. Oktober 2008

Ein zunehmender Trend in der modernen Medizin ist der Einsatz aktiv eingreifender Technik mit Hilfe von Kleinmotoren: So kann einerseits die Hand des Mediziners präziser arbeiten, andererseits können viele Geräte so auch automatisch ohne menschliche Überwachung ihren Dienst verrichten. Dazu kommen motorgetriebene Prothesen und Geräte für den Heimgebrauch, die besonders zuverlässig und störungsfrei arbeiten müssen. Die Kleinmotoren und das entsprechende Know-how rund um den Miniaturantrieb für solche und andere Anwendungen bietet der Antriebstechnikspezialist Faulhaber aus Schönaich.

Präzise Positionierung

Ein eindrucksvolles Beispiel liefern kompakte Mehrkanal-Manipulatoren, die mehrere haarfeine Elektroden gleichzeitig unabhängig voneinander in das Nervengewebe des Patienten führen und dabei auf kleinstem Raum Positionen reproduzierbar anfahren. Die Geräte erlauben dabei Positionierwege von 1 bis 15.000 Mikrometer mit Verfahrgeschwindigkeit zwischen 1 und 200 Mikrometer pro Sekunde. Die Bewegung der einzelnen Elektrodenfasern gewährleistet ein patentierter Schlauchelektrodenantrieb, dessen dämpfender Gummischlauch ständig unter definierter Vorspannung gehalten werden muss. Diesen Part übernehmen EC-Kleinmotoren mit sechs Millimeter Durchmesser und passendem Getriebevorsatz. Da jede Faser einzeln gesteuert wird, ist je Kanal auch ein Kleinantrieb erforderlich.

Exakte Bewegung

Höchste Genauigkeit erfordert auch die Wirbelsäulenchirurgie, da die Eingriffe hier vorwiegend im Umfeld von Nervenwurzeln und dem Rückenmark vorgenommen werden. Hier ermöglicht ein nur 250 Gramm schwerer Miniatur-Hexapodroboter mit einem Durchmesser von 50 Millimeter und einer Höhe von 80 Millimeter Eingriffe zur Wirbelsäulenfusion mit nur wenigen kleinen Einschnitten und mit einer Genauigkeit der Bewegungssteuerung von 10 Mikrometer. Das erforderliche Drehmoment liefert ein Miniaturantriebssystem mit bürstenlosem DC-Servo-Antriebssystem der Baureihe Smoovy von fünf Millimeter Durchmesser. Die Bewegungen des Hexapoden steuert der Operateur mit Hilfe einer Mikroskopbrille mit Mikroantrieben für die automatische Scharfstellung. Damit hat der Benutzer uneingeschränkte Bewegungsfreiheit und muss nicht wie bei einer Lupe einen festen Abstand einhalten. Zwei unabhängig Linsensysteme gewährleisten dabei ein dreidimensionales Sichtfeld.

Möglich wird diese komplexe, tragbare Lösung durch den Einsatz moderner Kleinstschrittmotoren, die ohne zusätzliche Weg- oder Winkelsensoren auskommen und sich einfach steuern lassen. Zum Einsatz kommen dabei für jedes Auge ein Zweiphasen- Schrittmotorantrieb AM 1020 mit 10 Millimeter Durchmesser für die Fokuseinstellung sowie ein AM 0820 mit acht Millimeter Durchmesser für den Zoom. Der Fokusantrieb arbeitet dabei praktisch ununterbrochen, da er jede Kopfbewegung kompensieren muss. Kleine Spielungenauigkeiten der Mechanik bekämpften die Kleinantriebsspezialisten durch den Einsatz einer fein polierten Spindel mit 0,2 Millimeter Steigung, die eine Auflösung von 10 Mikrometer ermöglicht.

Ein Betätigungsfeld finden die Kleinantriebe auch bei einer neuartigen Laufhilfe, die das natürliche Laufgefühl elektromechanisch nachbildet.

Die Natur dämpft die Stöße auf die Gelenke über Sehnen und Muskeln bei jedem Schritt individuell, unbewusst und reflexartig ab. Diese natürliche Dämpfung technisch nachzuempfinden erfordert daher einen hohen mechatronischen Aufwand unter dem Einsatz moderner Prozessortechnik, miniaturisierter Präzisionssensorik und Mikromechanik bei Antrieb und Bewegungsapparat.

Hoher Wirkungsgrad

Als Bindeglied zwischen Elektronik und Dämpfungsmechanik dienen einfach ansteuerbare DC-Kleinantriebe mit 10 Millimeter Durchmesser. Der hohe Wirkungsgrad der mit Edelmetallbürsten ausgestatteten Kleinmotoren ermöglicht eine Laufzeit des integrierten Lithium-Akkus von mehr als zwei Tagen ohne nachzuladen.

Die hochdynamischen Motoren arbeiten über ein Planetengetriebe mit einem Reibrad, das das eigentliche Dämpfungsventil verstellt. Bei jedem Schritt ändert sich so die Dämpfung von maximal auf nahezu null und wieder zurück. Alle Komponenten müssen die Dauerbelastung über Jahre und damit Millionen Schritte vertragen. Obwohl dabei immer nur sehr kurze Steuerungsimpulse nötig sind, ist das für die Edelmetall-DC-Motoren kein Problem. Erhebliche Anforderungen an die Technik stellt jedoch der weltweite Einsatz der Prothese mit möglichen Einsatztemperaturen von – 15 °C bis + 65 Grad Celsius in allen Klimazonen der Erde von trocken bis feucht, mit salzhaltiger Luft oder feinstem Wüstenstaub.

Kostengünstige Produktion

Eine Erleichterung für zahlreiche Patienten bringt auch ein neues automatisches Blutzuckermessgerät im Handyformat. Das speziell entwickelte, sehr handliche Messgerät enthält statt einzelner Messstreifen eine Trommel mit 17 Streifen sowie zwei Miniaturantriebe mit Getrieben und Sensorik.

Dabei arbeitet einer der Motoren als Positionierantrieb, der die Vorratstrommel auf Tastendruck jeweils eine 1/17 Umdrehung bis zum nächsten Messstreifen weiterdreht. Der zweite Motor ist für die translatorische Bewegung zuständig, die den Messstreifen in Messposition bringt. Gefragt ist hier nicht nur eine hohe Positioniergenauigkeit, sondern auch ein guter Gleichlauf.

Die vollautomatische Montage und Funktionskontrolle des Motormoduls aus 45 Einzelteilen ermöglicht eine kostengünstige Serienproduktion und damit einen niedrigen Endpreis.

Fakten

Die Faulhaber-Gruppe mit Stammsitz in Schönaich bei Böblingen ist Spezialist für elektrische Miniatur- und Mikroantriebssysteme und beschäftigt weltweit rund 1.400 Mitarbeiter.

Zum Einsatz kommen die Motoren vor allem in komplexen Einsatzbereichen, etwa in medizinischen Geräten, Handhabungsautomaten, in der Telekommunikation, bei Präzisionsoptiken oder im Modellbau.

Die Produktpalette der Unternehmensgruppe umfasst neben Gleichstrommotoren mit eisenloser freitragender Wicklung unter anderem auch bürstenlose Linear-Servomotoren, Schrittmotoren, Flachmotoren, Piezoaktoren, Getriebe, Drehgeber, Bewegungsregler und Steuerungen.

Erschienen in Ausgabe: 07/2008