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医疗行业中的嵌入式电机控制应用系统

2009年03月31日 ?? 收藏0

  由于精度不断提高,机器人系统已在实验室、医院甚至病人的体内得到了实际应用。

  从药品研发实验室、放射科,到手术室,机器人应用中的嵌入式电机控制技术正改变着医学研究与医疗过程。

  通过稳定、可靠和可重复地控制高流量的液体分注仪(liquid-handling system)、分析仪(detection reader)、培养皿以及大量的试管和药瓶,机器人技术已经深深地影响了新药品研发的效率。一个线性的电机,实际上被称作“直”的电机,它带有一个扁平的定子,能够产生线性运动而非旋转运动。这种电机对于精确地调配各种液体很有帮助。除了精确配置各种液体的次微升(sub-microliter)量,这些系统还能一次同时精确地操作和安置大量的试管和药瓶。伺服电机能足够精准地旋转、驱动和放置大量的试管。

  当医生在机器人技术协助下,对于病患进行医学诊断的时候,对定位和运动精确性的要求便大大增加了。比如,磁共振成像(MRI)的质量,就很大程度上取决于对MRI机架台上病患者的适当定位。不良的定位会造成最终图像的倾斜以及数据判读的复杂化。运动控制系统可以使用多种技术,例如通过分析电机电流偏移和使用位置译码器 ,来探测出机器是否接触到了病人,从而可以避免对病人潜在的伤害。

  激光眼科手术则更能显现出一点,即如果没有高精确度的机器的协助,这一医学过程便不可能存在。这个过程完全依靠精确的运动控制,同时外加间歇性的不同强度的激光脉冲。在进行激光眼科手术时,激光系统必须实时追踪患者持续运动的眼球,而眼球的运动速度可能会达到每秒100次。跟踪系统必须能够跟上眼球无意的快速运动,以确保它能指引激光束精确定位到需要改造的角膜部位。

  近几年,机器人外科助理装置已经有了很大的发展。现如今这些装置甚至能够支持创口仅为1厘米的心脏穿刺手术。腹腔镜外科助理机器人技术,例如Intuitive Surgical的一些装置,它们并不是让外科手术自动化,而是在手术时有限的外部环境下,增加了外科医生精确操作、解剖以及缝合患者生理组织的能力。该公司的Endowrist仪器,每种都支持一种特定的手术任务,例如通过提供七种自由度的运动来模仿人的手和手腕的灵活性,来实现夹住和缝合的动作。

Intuitive Surgical 的腹腔镜机器人系统模仿人的手和手腕灵活性.

Intuitive Surgical 的腹腔镜机器人系统模仿人的手和手腕灵活性.

  在标准的腹腔镜外科手术中,仪器的运动是违反直觉的,就如同看着一面镜子在做手术。

  机器人运动控制器会在外科医生手、腕的运动和外科仪器间,保持着一种相应的眼-手-仪器的顺序。这样就减少了医生学习使用设备的负担,减小了医生的疲劳度,更有利于灵活精确的操作。只要外科医生顺时针扭动调节装置,机器手就会随之顺时针扭动。同时,运动控制器也会滤除医生手的颤动。

  尽管压电致动器能够提供十分微小的位移,但Intuitive Surgical的高级副主席Gary Guthart指出,直流伺服电机足够简单,花费很值,而且能够提供所必需的大驱动力——手术刀尖几磅的力量,以切开组织。

  由于手术中需要的亚毫米分辨率,机器人技术正在推动着直流伺服电机分辨率的提高。Intuitive的运动控制系统使用一个1200Hz的控制回路来提供足够的速度和精确性,从而使仪器运动更快,更自然,以达到医生的期望。

  机器人外科助理装置的另外一个控制回路为外科医生提供了基础的触觉反馈。低摩擦的直流伺服电机足够支持Intuitive Surgical机器人反馈系统。这个反馈系统给外科医生提供了与病人的感觉交互。运动控制器在和医生的通信交互中构造出了触觉的界限。除了这种环路感觉外,运动控制系统还使用了硬件看门狗和软件计算核对,同时使用逻辑一致性检查以保证安全。系统只需要为错误检查提供一些冗余的感测,并在发生错误时跳入安全模式和通知手术医生或操作者即可。

  以上这些基于运动控制的系统,为系统设计者们提供了成功的先例,促进了他们继续寻找新的方式,把嵌入式电机控制应用到医学研究和医疗过程之中。


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