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PiezoMotors 电源MRI机器人

在实时反馈的引导下,该机器人可将高能间质聚焦超声探头精确定位在肿瘤上,为患者带来最佳手术结果和理想的治疗效果。当然,制造可在由 MRI 设备产生的高磁场中工作的机器人并不容易,但借助复杂的控制工程和来自 FAULHABER 的压电定位器,WPI 团队已建立一套有望彻底改变 MRI 治疗可能性的系统。

此手术器械的设计过程充满挑战。系统需要精确和可重复,并具有超高分辨率。它们必须维持安静的电子环境。最重要的是,它们必须可靠。就 MRI 机器人而言,Fischer 的团队面临着另一个巨大挑战:系统需要在多特斯拉磁场中工作,并且要实现所有这些特性。

MRI 机器产生的强大磁场甚至对很小的铁磁物体(如螺丝钉)都会产生危害,更不用说永磁电机、齿轮箱和致动器等运动设备。很明显,MRI 机器人从一开始就必须基于非传统驱动。答案是压电装置。

PiezoMotors 电源MRI机器人
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在磁性环境中运动

压电致动器基于可在施加电压后膨胀的压电陶瓷。问题是由压电效应引起的位移只能达到元件尺寸的一小部分,而 MRI 机器人则需要大约 100 毫米的直线行程或 360 度连续旋转。WPI 团队发现 FAULHABER 的 Piezo LEGS 电机可提供解决方案。

该单元由一组双晶驱动腿组成,这些双晶驱动腿可在施加电压后略微弯曲和伸展。

事实上,它们成对交替驱动,从而以高达 15 毫米/秒的速度以纳米级步距向前“推动”驱动杆(在旋转时转动圆盘)。由于始终有一组腿与致动器接触,它们本身就是安全的致动器(无动力时提供制动),其中电机提供高达 10N 的失速力(保持力)。

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施加在仿生腿上的电压会使其弯曲、伸展或收缩,从而向前移动驱动杆。
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WPI 机器人由一个带 X、Y、Z 平移的模块和两个与头架的弧角对应的旋转模块组成。在未来的设计中还将包括更多自由度,以允许插入和旋转套管和管心针。

为产生线性运动,WPI 团队组合使用线性 Piezo LEGS 电机(用于插入针的直接驱动)和旋转 Piezo LEGS 电机(用于驱动铝制丝杠)。对于旋转运动,他们使用 3D 打印的定制皮带轮和橡胶或玻璃纤维增强的同步带。

尽管涉及的质量较小,但这些材料相比传统设计产生的摩擦力更大,这意味着它们需要更高的扭矩来产生运动,而此压电电机能够提供动力。“在很多应用中,你都可以摆脱压电马达和直接驱动或皮带轮成倍减少带来的困扰,”Fischer 说道。“你无需像使用小型直流电机那样需要 100:1 的齿轮减速比。”

Piezo LEGS 是 WPI 项目的正确解决方案。“有些压电致动器最多只能让你运动 1 毫米。”Fischer 说道。“此外,你实际上只有几家公司可以选择。在这些公司中,有些会销售旋转电机或推动驱动杆的模块,那么你就需要围绕它真正设计出整个定制设备。就紧凑型和独立式电机而言,我还没有看到 FAULHABER 设备有任何竞品。”

控制挑战

压电致动器只需要非常小的导电电极(非磁性的有色金属),这使得它可在 MRI 环境中安全使用。然而,在此应用中,确保安全是不够的。电源或驱动电子设备产生的任何电噪声都有可能使图像失真,导致无法实现目的。“很多时候,你都会看到静态伪影。”Fischer 说道。“电子噪声以及与 MRI 不兼容的材料可有效地扭曲图像,导致事情不按预期发展。当你尝试根据图像指导干预时,就会出现大问题。”

显然,该应用需要专用电子设备。同时,压电电机的特性意味着它需要复杂的驱动波形。为此,Fischer 的团队开发出用于在 MRI 扫描仪中操作压电电机的定制控制包。他们通过编程现场可编程门阵列(又称 FPGA)来调整驱动信号波形的相对频率和相位。高速数模转换器提供精确的波形时间控制,高带宽、高压线性放大器允许控制器合成产生运动所需的精确驱动信号。外部滤波器可消除噪声,编码器反馈通过在单个板上运行实时控制回路的微控制器实现闭环位置或速度控制。模块化背板将多达八块板组合成一个单独的屏蔽外壳,与机器人一起位于 MRI 扫描仪内。定制电缆线束将控制器与机器人连接起来,可控制八个轴。

PiezoMotors 电源MRI机器人

这个控制挑战并不适合胆小的人,但独立的压电电机确实让这个项目变得简单。“拥有可靠、随时可用的封闭线性或旋转致动器一直是巨大优势。”Fischer 说道。“它确实可让学生专注于机械机构设计和控制器设计。”

不过,这个项目不只是局限于手术机器人。Fischer 的目标是开发一个工具箱,用于支持兼容 MRI 的机器人的开发,并在机器人中集成传感器、致动器、控制器和通过通信协议增强的放大器。“在这个行业,你可以购买 PLC、电机或编码器,把它们连接在一起,然后就能立即得到可以工作的装置。”他说道。“但医疗设备上不会出现这样的现象,更不用说 MRI 了。”

为了演示方法,团队正在研究 MRI 机器人的多种应用,包括:深部脑癌的高精度热消融、帕金森病的深部脑刺激电极放置、靶向 MRI 引导前列腺癌活检和局部治疗药物递送。“我们想要非常紧凑并特定于应用的方法,而一切都基于这些电机。”他说道。“我的实验室里拥有市场上几乎所有的压电电机。我们甚至试着自己制造。对我们而言,FAULHABER MICROMO 致动器的尺寸非常好,具有很好的作用力范围和扭矩范围。总的来说,它们非常高效。”

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