La Précision Des Solutions De Motorisation est Essentielle Aux Robots Chirurgicaux

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Pour le patient, le résultat d’une intervention chirurgicale réalisée par un robot dépend de la précision du contrôle de ses effecteurs terminaux. Au coeur de cette situation se trouve la performance de mouvement obtenue par le système de moteur miniature du robot. L’innovation dans la précision du contrôle du mouvement pourrait élargir le nombre de procédures chirurgicales. En revanche, pour les applications chirurgicales robotisées actuelles, l’amélioration de la précision du contrôle permettrait une meilleure récupération du patient. Quelles étapes les concepteurs de robots chirurgicaux doivent-ils suivre lors de la spécification d’un système de motorisation?

L’amélioration de la précision des interventions chirurgicales permet non seulement d’améliorer l’efficacité chirurgicale, mais aussi de libérer un nouveau potentiel pour les interventions précédemment considérées comme à haut risque, réduisant considérablement les lésions des organes vitaux et des tissus voisins. Ce changement de paradigme en matière de précision, entraîné par les systèmes de motorisation utilisés dans les robots chirurgicaux, promet des techniques miniinvasives et des temps de récupération plus rapides pour les patients.

Au coeur de cette évolution se trouve le composant central du système de motorisation: le moteur électrique. Grâce à sa structure sans encoches, le moteur à courant continu sans balais (brushless slotless) offre un contrôle et une réactivité inégalés, essentiels en chirurgie robotique. Les considérations de densité de puissance, de performance du codeur, de capacités de stérilisation en autoclave et de personnalisation redéfinissent quant à elles les normes de précision et de performance pour la chirurgie robotique.

LA PRÉCISION AMÉLIORE LES RÉSULTATS POUR LE PATIENT

Les progrès réalisés en matière de précision chirurgicale améliorent les résultats chirurgicaux pour les patients de tous les spectres et ont non seulement le potentiel de rendre la chirurgie plus efficace, mais pourraient également permettre des procédures qui étaient auparavant considérées comme trop risquées. À l’avenir, l’amélioration du contrôle des outils pourrait minimiser la possibilité de lésions des organes et des artères à proximité immédiate du lieu de l'intervention chirurgicale.

De la même façon, une incision plus petite minimise la zone de lésion des tissus sains. Même pour les procédures chirurgicales robotisées déjà considérées comme «standard», l’amélioration de la précision signifie une meilleure récupération du patient. Moins l’intervention chirurgicale est invasive, plus le temps de cicatrisation est court et plus les cicatrices résultant d’une incision sont petites, ce qui minimise également le risque de complications futures pour le patient.

Le rôle central du système de motorisation

La recherche permanente d’une plus grande précision est la tendance dans tous les types de développements en matière de robots chirurgicaux. Cela signifie qu’un contrôle précis des effecteurs terminaux du robot, des outils de guidage et de chirurgie, comme les lames de scie ou les meuleuses, est essentiel. Au coeur de cette capacité se trouve le système de motorisation, qui entraîne et contrôle les effecteurs terminaux.

Le composant clé du système de motorisation est le moteur électrique, dont la rotation contrôle la position et la vitesse du mouvement de l’effecteur terminal. L’application d’un couple régulier est essentielle pour garantir la précision. Pour ce faire, le moteur doit surmonter un phénomène appelé couple de détente, c'est-à-dire la variation périodique du couple qui provoque des ondulations pendant la rotation.

Bien que le couple de détente puisse entraîner un mouvement relativement saccadé, il peut également réduire la réactivité du moteur aux commandes de contrôle. Les retards dans l’obtention de la position ou de la trajectoire souhaitée pour l'effecteur terminal inhiberont le retour haptique et réduiront le contrôle chirurgical alors que la réactivité en temps réel est essentielle. Par conséquent, un moteur capable de fournir un couple de détente aussi proche que possible de zéro est essentiel à la précision en chirurgie robotique.

Zéro détente torque

Un moteur à courant continu sans balais (BLDC) est préférable pour obtenir un couple régulier. Un moteur BLDC utilise des composants électroniques pour la commutation, c'est-à-dire le processus de commutation du sens du flux de courant dans les bobines du moteur pour maintenir une rotation continue du rotor. La commutation électronique peut également inclure des capteurs à effet Hall intégrés pour optimiser le feedback et la commande du circuit électromagnétique. Cette conception est généralement plus uniforme que la méthode mécanique utilisée par un moteur CC à balais, où les balais entrent en contact physique avec un commutateur rotatif.

En combinaison, une conception sans encoches (slotless) minimise le couple de détente. Traditionnellement, le stator, responsable de la génération du champ électromagnétique du moteur, comprend des encoches, qui accueillent les bobinages en cuivre et fournissent un chemin pour le flux magnétique. En revanche, dans une conception BLDC sans encoches, les bobinages sont répartis uniformément, pour une structure plus symétrique et continue. Cela améliore la répartition de la force magnétique et permet un fonctionnement plus régulier du moteur. En optimisant cette conception, il est possible de supprimer virtuellement le couple de détente.

Densité de puissance

La dimension réduite de l'effecteur terminal des robots chirurgicalux rend nécessaire la sélection d'un petit système de motorisation, mais toujours en fournissant le couple requis pour le fonctionnement. L’optimisation du rapport couple/masse permet également de s’assurer que le moteur est en mesure de fournir une force de rotation suffisante pour surmonter l’effet de retard causé par tout couple de détente.

En outre, la réduction de l’inertie d’un moteur, ou de sa résistance aux changements de mouvement, peut également améliorer la vitesse de réponse. L’optimisation de la dynamique du moteur améliore la précision et permet un contrôle en temps réel. La conception et les matériaux permettant de réduire la masse du rotor sont aussi des considérations importantes. De plus, des techniques efficaces de refroidissement du moteur permettent de minimiser la résistance induite par la chaleur, qui entraînerait autrement une augmentation de l’inertie.

Combinée à une conception BLDC, la performance d’un codeur est cruciale pour optimiser le contrôle de la position et de la vitesse du moteur. Le codeur fournit un retour au contrôleur sur les caractéristiques de rotation réelles du moteur pour garantir un contrôle précis. Une résolution élevée permet d'améliorer ces performances.

La technologie de codeur magnétique est la solution idéale pour les applications de robot chirurgical. En s’appuyant sur la détection des champs magnétiques du moteur pour identifier la position et la vitesse, un codeur magnétique offre une plus grande fiabilité opérationnelle dans un bloc opératoire qu'une conception optique, où les éclaboussures et l’intrusion de débris peuvent occulter le capteur.

Stérilisation en autoclave

L’effecteur terminal d’un robot chirurgical peut fonctionner à l’intérieur ou à grande proximité d’une incision pendant une intervention chirurgicale. Par conséquent, l’effecteur terminal, et le système de motorisation qui l’entraîne, doivent être stériles pour garantir la sécurité et le bien-être du patient. Cette stérilisation est permise par un système d'autoclave, qui élimine les bactéries et les micro-organismes grâce à de la vapeur saturée à haute pression.

Il est essentiel que le système de micro-motorisation résiste pleinement au processus de stérilisation. C'est là qu'intervient Portescap, qui a toujours été à l’avant-garde de l’innovation en matière de solutions de motorisation stérilisables. Ses moteurs CC à encoches sans balais et ses contrôleurs sont garantis pour 1000 cycles minimum de stérilisation en autoclave. Les codeurs stérilisables de Portescap sont conçus pour résister à au moins 2000 cycles de stérilisation en autoclave, tandis que ses réducteurs sont rigoureusement testés pour résister à au moins 3000 cycles de stérilisation. La conception et l’étanchéité, avec un indice IP élevé, ainsi que l’innovation continue dans le développement des matériaux, garantissent la durabilité de ces composants.

Design spécial

Bien que le besoin de précision et de résistance à la stérilisation soit commun à tous les systèmes de motorisation pour robots chirurgicaux, chaque fabricant a généralement des exigences spécifiques. Cela implique souvent des profils de couple et de vitesse, ainsi que des caractéristiques de contrôle spécifiques. La forme du robot hôte peut également nécessiter une intégration mécanique spécifique, qui peut inclure un encombrement personnalisé voire un moteur en kit. En raison de ces spécificités, environ 80% des développements de moteur Portescap sont personnalisés.

Impliquer l’équipe de motorisation dès le début de la conception du robot permet de maximiser les avantages de la personnalisation. Partager une visibilité complète des exigences dès le départ permet d'accélérer le développement et de minimiser les reprises ou adaptations à une phase ultérieure du projet. Cela remet également en cause l'idée qu’un moteur prêt à l’emploi retarde la mise sur le marché. Bien qu’un moteur sélectionné dans le catalogue puisse initialement faire gagner du temps, les adaptations de conception requises peuvent prolonger la durée du projet au-delà de celle de l’approche personnalisée.

À la place, un système de motorisation adapté aux paramètres opérationnels spécifiques au robot chirurgical élimine tout compromis. Une approche personnalisée permettra d’obtenir un équilibre optimal entre les performances du moteur tout en les associant à une intégration facile et rapide de la conception.

CONTACTER UN INGÉNIEUR

Schéma 1 : Gros plan sur un effecteur terminal de robot chirurgical
Schéma 2 : Moteur sans balais ni encoches Portescap 35ECS80 Ultra ECTM
Schéma 3 : Codeur magnétique stérilisable M-Sense12A de Portescap
Schéma 4 : Rendu d’une stérilisation en autoclave
Schéma 5 : Calendrier idéal de conception du projet