電動(dòng)手術(shù)手動(dòng)工具是手術(shù)室的支柱。數(shù)十年來(lái)，外科醫(yī)生和設(shè)備制造商一直依賴可消毒的無(wú)刷直流電機(jī)（BLDC）來(lái)滿足外科手動(dòng)工具的扭矩，速度和可靠性要求。隨著外科手術(shù)機(jī)器人技術(shù)和機(jī)器人輔助手術(shù)設(shè)備的發(fā)展，設(shè)備制造商繼續(xù)尋求BLDC電機(jī)來(lái)滿足其苛刻的要求。電機(jī)和運(yùn)動(dòng)對(duì)于機(jī)器人技術(shù)至關(guān)重要，但是，外科手術(shù)機(jī)器人中對(duì)電機(jī)的要求與傳統(tǒng)機(jī)器人技術(shù)和傳統(tǒng)外科手術(shù)手動(dòng)工具的典型要求有所不同。

不管設(shè)備的性質(zhì)如何，外科醫(yī)生都需要他們可以依靠的無(wú)菌工具。他們需要即使在現(xiàn)場(chǎng)要求苛刻且在后處理過(guò)程中反復(fù)進(jìn)行蒸汽滅菌的設(shè)備，也要始終可靠且穩(wěn)定地運(yùn)行。

除了可靠性要求之外，外科器械設(shè)計(jì)人員還需要解決具有挑戰(zhàn)性的運(yùn)動(dòng)問(wèn)題：
精確的速度和扭矩要求，溫度和其他限制條件或極端位置控制要求。這些設(shè)備
制造商需要運(yùn)動(dòng)控制解決方案，這些解決方案非常適合其應(yīng)用，并且已經(jīng)過(guò)適
當(dāng)定制，既可以與工具集成，也可以進(jìn)行適當(dāng)?shù)臋?quán)衡以優(yōu)化性能。。

一種方法是讓醫(yī)院使用一次性的一次性工具。這些通常使用便宜的電動(dòng)機(jī)（不需要長(zhǎng)壽命）和塑料部件。每次手術(shù)后必須丟棄這些工具。盡管這種方法簡(jiǎn)化了后處理并消除了工具維護(hù)的要求，但它也需要保持工具的穩(wěn)定供應(yīng)，并增加了醫(yī)院產(chǎn)生的有害廢物的數(shù)量。另外，與可重復(fù)使用工具的總壽命相比，一次性工具通常不是最經(jīng)濟(jì)的選擇。

2：使用不可滅菌組件進(jìn)行滅菌的模塊化設(shè)計(jì)

另一種方法是設(shè)計(jì)設(shè)備，以對(duì)暴露的組件進(jìn)行消毒，而對(duì)其他組件不進(jìn)行消毒。例如，BLDC電機(jī)以及隨附的控制器和電池組可能位于設(shè)備內(nèi)，需要醫(yī)院工作人員卸下 motor/battery 在消毒之前從工具中包裝。
這種方法需要正確地遵循特殊的流程，以確保對(duì)后處理的工具進(jìn)行正確的消毒，并且由于反復(fù)斷開(kāi)和重新連接系統(tǒng)中的電動(dòng)機(jī)和電池，在設(shè)計(jì)中還可能需要更耐用的電子組件和連接。。

3：防護(hù)屏障

又一種方法是用（通常是一次性使用的）無(wú)菌屏障覆蓋機(jī)械臂或器械，例如塑料布或塑料“翻蓋”。成功實(shí)施后，屏障可以很好地界定無(wú)菌區(qū)域，從而無(wú)需對(duì)區(qū)域外的組件進(jìn)行重新處理。這種方法是大型外科手術(shù)機(jī)器人系統(tǒng)的典型設(shè)計(jì)組件，因?yàn)檎麄€(gè)系統(tǒng)的高壓滅菌是不切實(shí)際的。機(jī)器人系統(tǒng)的人體工程學(xué)要求也不同于傳統(tǒng)的手動(dòng)工具手術(shù)-例如，馬達(dá)可能物理上位于遠(yuǎn)離手術(shù)末端執(zhí)行器的位置，并通過(guò)電纜驅(qū)動(dòng)器傳遞運(yùn)動(dòng)，這在外科醫(yī)生試圖進(jìn)行手術(shù)的傳統(tǒng)手術(shù)中可能不可行精確地操縱手動(dòng)工具來(lái)執(zhí)行精細(xì)的任務(wù)。請(qǐng)注意，這種設(shè)計(jì)方法也適用于對(duì)滅菌要求不那么嚴(yán)格的醫(yī)療程序，例如牙科和紋身應(yīng)用。這種方法有不利的一面：需要系統(tǒng)地拆除和更換的復(fù)雜懸垂方案會(huì)大大增加手術(shù)室進(jìn)行手術(shù)的時(shí)間。懸垂性通常也龐大且笨拙，從而降低了手術(shù)室的視野，并對(duì)人體工程學(xué)產(chǎn)生了負(fù)面影響。

4：高壓滅菌電機(jī)解決方案

最終–該設(shè)備的設(shè)計(jì)應(yīng)確保所有組件（包括電機(jī)）都可以消毒。無(wú)菌BLDC電機(jī)的介紹>30多年前，使工具設(shè)計(jì)人員能夠生產(chǎn)出高功率，符合人體工學(xué)的工具，由于整個(gè)工具都經(jīng)過(guò)了滅菌過(guò)程，因此可以相信它們是無(wú)菌的。這些好處可以延續(xù)到機(jī)器人輔助的手術(shù)設(shè)備上，后者通常還需要無(wú)菌包裝，該包裝具有
小尺寸，高功率，耐用性，效率，低噪音和長(zhǎng)壽命。

傳統(tǒng)的電動(dòng)手動(dòng)工具和機(jī)器人輔助的外科手術(shù)設(shè)備都可以在有槽或無(wú)槽配置中使用BLDC技術(shù)，以描繪所謂的“運(yùn)行中” BLDC電機(jī)（轉(zhuǎn)子在固定定子內(nèi)部旋轉(zhuǎn)）的有槽與無(wú)槽的對(duì)比。請(qǐng)注意，開(kāi)槽與無(wú)槽是指電動(dòng)機(jī)定子中的疊片類型。兩種技術(shù)都有其優(yōu)勢(shì)-應(yīng)用程序的需求將決定哪種技術(shù)更適合電機(jī)設(shè)計(jì)。槽式BLDC技術(shù)在外科手術(shù)市場(chǎng)上已被證明是可靠的解決方案，已有30多年的歷史了。

在開(kāi)槽設(shè)計(jì)中，銅線圈纏繞在插槽內(nèi)（圖4）。當(dāng)將線圈插入疊片組的槽中時(shí)，其本質(zhì)上受到保護(hù)。可以輕松添加額外的絕緣層和成型材料，而不會(huì)影響電機(jī)性能。這種物理配置使開(kāi)槽BLDC成為要求對(duì)極端環(huán)境條件具有極高抵抗力
的電機(jī)的理想技術(shù)，例如在高壓滅菌器或外科手術(shù)期間使電機(jī)暴露于鹽水和其他污染物的環(huán)境。此外，開(kāi)槽設(shè)計(jì)還提供：

• 易于定制電磁學(xué)（繞組，疊片長(zhǎng)度等）

• 可以達(dá)到很高的介電電阻（1600 VAC高電位或更高）

• 改善散熱功能從而實(shí)現(xiàn)更高的連續(xù)轉(zhuǎn)矩

• 磁性氣隙小，可以使用更薄的磁體，并提供更高的永磁系數(shù)（在較大的溫度范圍內(nèi)提供扭矩穩(wěn)定性）

• 低轉(zhuǎn)子慣量

無(wú)槽BLDC，另一種BLDC技術(shù)，也非常有能力，可能非常適合該應(yīng)用程序。在無(wú)槽電機(jī)中，線圈是在單獨(dú)的外部操作中纏繞的，并且是“自持”型的（圖4）。然后將自保持線圈直接在電機(jī)組裝過(guò)程中插入氣隙中。在這種設(shè)計(jì)中，由于氣隙較大，因此減少了線圈中的磁感應(yīng)強(qiáng)度。這種電動(dòng)機(jī)中的感應(yīng)通常比開(kāi)槽BLDC電動(dòng)機(jī)中的感應(yīng)小得多，因此通常需要更大，功率更大的磁體來(lái)補(bǔ)償感應(yīng)損失。雖然無(wú)槽電機(jī)可以設(shè)計(jì)成通過(guò)暴露的電子元件上的絕緣層和其他保護(hù)涂層承受蒸汽滅菌，但與槽型電機(jī)相比，從惡劣的環(huán)境條件獲得持久而可靠的保護(hù)本質(zhì)上更具挑戰(zhàn)性。如果不需要高壓滅菌或大量滅菌循環(huán)–無(wú)槽設(shè)計(jì)的某些方面對(duì)于給定應(yīng)用可能是有利的：

  • 零制動(dòng)扭矩（即無(wú)齒槽效應(yīng)）

  • 極高速度下的平穩(wěn)運(yùn)行
  • 電機(jī)慣量增加
  • 高峰值扭矩能力

對(duì)于某些外科手術(shù)程序或設(shè)備設(shè)計(jì)方法，可能需要對(duì)電機(jī)進(jìn)行非常高精度的控制。對(duì)于利用輔助傳感器，視覺(jué)系統(tǒng)，觸覺(jué)反饋或3-D映射將材料控制在亞毫米級(jí)別的機(jī)器人輔助手術(shù)設(shè)備，通常是正確的。成功執(zhí)行手術(shù)可能需要對(duì)電機(jī)輸出進(jìn)行極高精度的控制。精度要求可能會(huì)超出傳統(tǒng)霍爾傳感器所提供的要求，后者可以60度增量檢測(cè)轉(zhuǎn)子位置。利用編碼器可以提供反饋，以控制轉(zhuǎn)子的速度和位置。< < 1度增量。

編碼器提供的轉(zhuǎn)子軸角位置測(cè)量的精度比三個(gè)霍爾傳感器可以提供的精度高得多。這樣的反饋對(duì)于BLDC電機(jī)的位置控制或提高準(zhǔn)確性可能很有用。從提供的位置測(cè)量結(jié)果中，可以推斷出速度，加速度和方向。當(dāng)尋找編碼器時(shí)，第一步就是確定所需的精度和分辨率。還必須選擇技術(shù)類型；光學(xué)和磁性是旋轉(zhuǎn)編碼器最常用的技術(shù)。通常，在諸如手術(shù)工具等可高溫滅菌的應(yīng)用中，我們發(fā)現(xiàn)磁性編碼器提供了強(qiáng)大而可靠的選擇。增量或絕對(duì)反饋是傳達(dá)角度值的兩個(gè)常用選項(xiàng)。如果使用增量信號(hào)，則每轉(zhuǎn)一個(gè)索引脈沖，每轉(zhuǎn)一次，并且需要一個(gè)計(jì)數(shù)器來(lái)計(jì)算絕對(duì)角位置，否則反饋是相對(duì)的。絕對(duì)反饋通常采用串行通信線，例如SSI，SPI或BiSS，以提供介于0和360度之間的編碼角度值。
選項(xiàng)包括：

  • 可消毒選項(xiàng) - 設(shè)計(jì)為超過(guò) 2,000 次并經(jīng)過(guò)測(cè)試
  • 六步換向霍爾傳感器信號(hào)（U、V、W）
  • 10位增量編碼器（A，B，Z）
  • 11位分辨率絕對(duì)角度編碼器
  • 通過(guò) SPI 輸出絕對(duì)位置
  • 差分輸出適用于嘈雜環(huán)境
  • 離軸安裝可獲得通孔結(jié)構(gòu)