Elmo伺服驅(qū)動器自上市起，就以穩(wěn)定，高效的特征受到半導體、醫(yī)療、軍工、智能倉儲、水下運輸、協(xié)作機器人等行業(yè)用戶的青睞。本文將為大家盤點Elmo運動控制器等產(chǎn)品在醫(yī)療行業(yè)的應用，幫助客戶在進行選擇時有更多元的視角。

　　文/Elmo埃莫運動控制

　　1 神經(jīng)外科導航機器人

　　關鍵信息：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)外科手術機器人能極大地增加神經(jīng)外科手術精準度和安全性，且操作簡易，應用范圍廣，減少手術期并發(fā)癥。

　　在倫敦帝國理工學院，研究人員正在夜以繼日地工作，以便顯著改善神經(jīng)外科手術的流程，使之更加微創(chuàng)。歐盟資助的 EDEN2020 多學科項目旨在通過整合幾項關鍵技術來推進腦部疾病的治療和確切的藥物輸送，其中機器人輔助導管操縱是一個關鍵的主要組成部分。

　　Elmo 運動控制公司被選中，以其 Platinum Maestro運動控制器來主控 4 軸機器人系統(tǒng)，并用 4 個微型 Gold Twitter 伺服驅(qū)動器來驅(qū)動電機。

　　作為該技術核心的可轉(zhuǎn)向機器人針頭(以及創(chuàng)新的藥物輸送方法，術前磁共振成像和術中超聲波)，可幫助外科醫(yī)生精確地在大腦導航，抵達準確的腫瘤位置，從而實現(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)，并以最大的準確度進行操縱，從而最大限度地減少出現(xiàn)任何不可逆腦損傷的可能性。

　　通過大腦來控制機器人，可轉(zhuǎn)向?qū)Ч艿娜蝿詹⒎且资?。由于采用?4 軸同步水平以及低至 10μm 的精度要求，因此任何錯誤都可能嚴重損傷大腦。Elmo 先進的多軸運動控制器 Platinum Maestro 可以實現(xiàn)最多 4 軸同步，以 250μs 的 EtherCAT 循環(huán)速度向前移動刺針。

　　在最近與 Elmo 代表會面時，EDEN2020 項目協(xié)調(diào)員 Ferdinando Rodriqugez Y Baena 教授解釋說：“該系統(tǒng)將能夠以無與倫比的準確性，精確度和更新速度來感受及感知術中不斷變形的大腦解剖結(jié)構?！?/p>

　　Platinum Maestro (P-MAS) 是一款配備有高效 EtherCAT 網(wǎng)絡的同類最佳運動控制器，專為要求苛刻的多軸應用而定制，其高度同步的系統(tǒng)所需的巨大處理能力與無數(shù)運動算法相結(jié)合，使其成為需要更快更精確進行擦拭的機器和機器人的理想之選。P-MAS 對 EtherCAT 網(wǎng)絡的優(yōu)化方式獨一無二，將最短的網(wǎng)絡循環(huán)時間以及決定性的用戶程序相結(jié)合，可實現(xiàn)快速、可靠且無與倫比的多軸性能。

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

　　例如，某些段節(jié)會有針對性地推進，而另一些段節(jié)會保持在原位，這能夠讓針頭在受到來自周圍軟組織的作用力時彎曲及屈曲，每段節(jié)的運動均由一個小型無鐵芯電機驅(qū)動，該電機由 Elmo 的 Gold-Twitter (G-TWI) 伺服驅(qū)動器驅(qū)動。

　　G-TWI是世界上最小最強勁的伺服驅(qū)動器，選中它出于幾個原因。由于它是一個便攜式工作站，因此極小的尺寸對于保持手術臺的總占地面積至關重要。此外，高效 PWM 切換過程會導致伺服驅(qū)動器產(chǎn)生極低的 EMI，這是各種成像過程中所涉及到的醫(yī)療類應用的另一個關鍵因素。

　　在被問及對 Elmo 運動解決方案所做的工作時，研究工程師 Eloise Matheson(醫(yī)學機電一體化博士學位預科生)補充說，“縮短開發(fā)時間”是其控制項目選項的關鍵因素。P-MAS 是一種現(xiàn)貨運動控制器，可為用戶提供眾多工具和功能，簡化并精簡機器運動的實施。

　　對于帝國理工學院來說，正是 P-MAS 與所有驅(qū)動器之間的簡單互連，以及所有節(jié)點的自動 EtherCAT 配置，才使其顯得與眾不同，此外也證明，從 P-MAS 級別控制所有驅(qū)動參數(shù)非常有用。

　　圖1 神經(jīng)外科手術

　　圖2 可轉(zhuǎn)向針頭技術極大地降低了手術過程中的腦損傷

　　圖3 Platinum Maestro 主控腦部手術期間的多軸導航

　　圖4 PBN設計稱為 STING，由 4 個柔性段節(jié)組成，向前推進并使其彎曲

　　圖5 Gold Twitter——Elmo超微伺服驅(qū)動器

　　2 心臟成像掃描儀

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

　　心臟成像掃描儀采用核磁成像技術和創(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技術，包括：

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

　　l 掃描固態(tài)探測器的新穎設計和獨有的重構算法將分辨率提升為之前的 2 倍;

　　l 自動化和個性化采集。

　　機器由放置在旋轉(zhuǎn)軸上的9個準直鏡組成，各自以一定角度掃描目標。第10個軸沿角度方向移動9個準直鏡的底座，與目標身體對齊。所有掃描運動在機器內(nèi)部，患者看不到。

　　Elmo在為心臟成像系統(tǒng)設計應用解決方案時，面臨下面的挑戰(zhàn)：

　　l 從計算機發(fā)出命令到達將采集圖像的下一個點開始，在短短的40毫秒內(nèi)移動所有頭并穩(wěn)定;

　　l 必須非常緊湊且節(jié)約空間;

　　l 必須在有限機器空間內(nèi)完成機械集成;

　　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 EMI 標準。

　　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，設計具有高功率密度并采用快速串行通信的高性能驅(qū)動器完美適合;

　　l 選擇 Whistle 數(shù)字驅(qū)動器用于此應用，因為其尺寸緊湊，可以在機器接口限制內(nèi)集成;

　　l 9個WHI-1/60伺服驅(qū)動器用于移動準直鏡的基座角;

　　l 一個 WHI-5/60伺服驅(qū)動器用于移動準直鏡底座的基座角;

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

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

　　使用 Maestro運動控制器，制造商工程師無需使用掃描儀板載處理器，處理 CANopen 通信或運動控制過程。

　　Elmo提供支持客戶設計的 PCB 接口板，以及按要求設計定制接口板的服務。在此情況下，制造商在 Elmo的協(xié)助下設計 Whistle 接口板以符合機器的機械限制。然后由 Elmo工程師檢測認證接口板。

　　為什么選擇Elmo的原因:

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

　　(2)Elmo 所有驅(qū)動器均符合醫(yī)療EMI標準，無需外部濾波器;

　　(3)Elmo為設計制造心臟成像系統(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)動器

　　3 優(yōu)化C型臂成像

　　關鍵信息：即時響應，精確控制運動

　　精準的成像技術推進了如今最先進的醫(yī)學治療手段。例如，由醫(yī)師操控的C型臂能在手術，整形外科，整形外科，重癥監(jiān)護和急診治療過程中更安全精準地透視成像。但是，這需要在處理設備大量的復雜操作時，保證持續(xù)傳遞一個高分辨率影像的數(shù)據(jù)流。Elmo先進的運動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、整形外科、重癥護理和急診應用的透視成像。精確控制，即時響應和患者安全是現(xiàn)代最先進C形臂X光機使用過程的關鍵。

　　醫(yī)生通過控制臺/腳踏開關控制所有工作模式和移動，實時操作C形臂。C形臂通過醫(yī)生的直接控制，圍繞患者移動，它采用平衡和同中心設計，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)約了整個過程的時間，大大減少患者在過程中接收的輻射劑量。

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

　　Elmo的運動控制解決方案包括：Gold Maestro多軸網(wǎng)絡控制器和Gold Twitter伺服驅(qū)動器。

　　Elmo能提供的獨特優(yōu)勢包括：

　　l Elmo多軸網(wǎng)絡控制器能進行復雜實時的計算，釋放計算機程序的資源;

　　l 先進的運動算法確保C型臂的精確移動;

　　l 小型的伺服驅(qū)動器使設備的設計更為緊湊輕巧;

　　l 通過TUV認證的內(nèi)置安全功能以STO(安全關斷)的形式實現(xiàn)。

　　最終，該公司選擇Gold Maestro多軸網(wǎng)絡控制器來應對這些挑戰(zhàn)。當所有的到達C型臂的運動控制指令仍然通過計算機應用程序源源不斷地輸入的同時，Gold Maestro系列網(wǎng)絡控制器和Elmo的閉環(huán)解決方案完美地協(xié)調(diào)了大量復雜實時的計算，釋放計算機的資源，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最先進的多軸運動控制器，并能和Elmo所有大功率伺服驅(qū)動器配合。分布式拓撲帶來整個運動控制系統(tǒng)包括節(jié)點的智能模塊化設計，每個節(jié)點包含一個帶有EtherCAT標識的伺服驅(qū)動器，控制器既能緊密地監(jiān)測和控制伺服驅(qū)動器，確保輕松無縫集成對應每個軸的伺服驅(qū)動器，又提供了極為精確和靈敏的運動控制。

　　在 Gold Maestro的控制下，伺服驅(qū)動器精確監(jiān)控 C 形臂的每一次運動，極大提高整體運動系統(tǒng)效率，同時保持設計緊湊。

　　另外，Gold Twitter驅(qū)動器安裝在C型臂的每個軸上。這款驅(qū)動器只有火柴盒大小，重量僅為18到22克，減輕了移動部件的整體重量，增加了系統(tǒng)的靈活性。所有驅(qū)動器。所有驅(qū)動器都由EtherCAT網(wǎng)絡鏈接接入Gold Maetro控制器，系統(tǒng)的循環(huán)時間控制在500μ秒內(nèi)。Elmo小巧而強大的伺服驅(qū)動器搭載先進的算法，滿足了C型臂對速度、精度、準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)驗和標準合規(guī)性帶來的優(yōu)勢。Elmo的驅(qū)動器驅(qū)動了為C型臂的運動，保證在任何電壓下保持最高精度，能在治療過程中實現(xiàn)最佳操作和最小劑量傷害。當Gold Maestro協(xié)調(diào)運動控制網(wǎng)絡時，計算機的應用程序資源集中在成像，每個Elmo的伺服驅(qū)動器控制對應的軸，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間(MTBF),實施和操作簡單等優(yōu)點，更易于設備的升級更新。

　　Elmo MotionControl 是一家致力于研發(fā)、生產(chǎn)和實施各種復雜且經(jīng)過現(xiàn)場驗證的運動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器尺寸，減少電纜，提高產(chǎn)量，為OEM制造商提供極大的競爭優(yōu)勢。

　　圖7 Gold Maestro先進的網(wǎng)絡多軸運動控制

　　圖8 Gold Twitter伺服驅(qū)動器/大流量NANO伺服驅(qū)動器