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直流无刷电机 高科技医疗机器人助理

TMS不仅是一种有用的神经科学研究工具,也可 用于一些神经和精神性疾病,特别是抑郁症的诊断和 治疗。它的作用方式是在大脑皮层产生强烈的磁场。该磁场通过电磁感应对神经细胞的电活动产生刺激或 抑制。用于生成聚焦磁场的线圈必须定位精确并可重 复,以准确对准大脑的某一点。在这些前提条件下, 法国的Axilum Robotix公司与合作伙伴Streb & Weil共 同研制出了世界上第一个专门用于TMS的机器人助 手。该系统可将TMS线圈以最高的精度和安全性定位 在每个病人事先确定的大脑区域上。为获得坚固、紧 凑和精确的设备,开发人员和FAULHABER应用工程师 一起工作,通过将低背隙减速箱集成安装在线圈导臂 上制造出了可最大限度重复定位的驱动装置。

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控制系统和高性能电机确保精确和动态的TMS线圈定位。

新的医疗方法

最早的经颅磁刺激疗法是在19世纪末由医生和物 理学家Jacques-Arsène d'Arsonval在巴黎法兰西学 院实行。1985年,Anthony Barker在Sheffield大学用现 代化的经颅磁刺激法工作。显著变小的线圈只刺激大 脑皮层某一个很小的区域,明显改善了治疗效果。如 今,近颅骨皮质磁刺激对被测试者和病人几乎不会造 成任何不适。但小小的线圈却要求非常精确的磁场源定位。经颅磁刺激的工作原理很简单:与颅骨切向放 置的TMS线圈与刺激器连接在一起,在数毫秒内产生 一个强度高达3特斯拉的磁场。由此引起近颅骨大脑皮 层电势改变,导致神经细胞去极化并生成动作电位。 电场强度与到线圈的距离呈指数下降关系。这种消减 变化也是在不影响定位精度的情况下将线圈尽可能靠 近需要刺激的大脑区域,即直接与颅骨接触的另一个 原因。

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小巧的FAULHABER驱动装置使整个系 统变得极其紧凑

结构紧凑的机器人引导线圈

根据这些要求,来自法国的专家研制出了一个机 器人,可将TMS线圈围绕被测试者的头部进行精确并 可重复的定位。病人坐在舒适的、带头枕的电动调节 椅上,以尽量减少头部运动。机器人由神经导航系统 控制,配备的光学监控系统可识别和补偿任何头部运 动。线圈上装有接触传感器,可确保线圈与颅骨正确 接触。机器人手臂呈半球形并有七个轴,保证了良好的操 作性。减速箱和驱动装置尽可能近轴安装。功率调节器也紧靠驱动装置,以最大限度地减小与电机和编码器的连接距离。功率调节器配有公共电源和总线连接 器,用于与控制和操作系统(带处理器的中央单元) 进行通信。控制和操作系统还承担了急停等安全管理 及所有上级控制任务,如机器人手臂的运动学计算、借助接触传感器调节位置等等。基于技术和医学方面的限制,减速电机及其调节器 必须满足一些特殊要求。由TMS线圈发出的脉冲磁场 要求机器人手臂高度处的电磁兼容抗扰度(电磁兼容 性)必须很高。电子单元通常只能生成很少的辐射,以防止对周围的医疗设备产生干扰。因此连接导线必 须尽可能短并做屏蔽处理,以避免因治疗磁场引起数 据错误。此外电缆的屏蔽也很重要,否则电缆会变成 天线,对其他设备产生干扰。为快速补偿头部运动, 电机必须具备高启动转矩,但不能出现过温。高分辨 率编码器和低背隙减速箱确保精确的定位。

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全世界第一个用于针对性大脑皮层磁 刺激的TMS机器人助手

技术细节

实际应用中,机器人专家在机器人手臂内装入了不同的无刷电机,电机在设计上既能提供需要的转 矩又尽可能保持紧凑的结构。最终机器人手臂内安装 了两个44 mm电机和四个32 mm电机。此外还有一个 22 mm减速电机,由电机和直径合适的行星减速箱组成。四极微电机提供约9 W的功率,其编码器每转生 成1024个脉冲,相应的分辨率为每转4096点。在与三 级行星减速箱的86 : 1减速比结合后,可产生很高的 旋转运动分辨率,从而确保极其精确的线圈定位。其他六个较大的电机在输出轴上产生33或210 W的功 率,同时配有高分辨率编码器。预装免维护球轴承确 保运行长久、无间隙。驱动装置不仅满足TMS在安全 和标准符合性方面的特殊要求,还满足医疗应用的所 有相关条件。
为使驱动装置能最佳满足特殊应用条件,Axilum 工程师与FAULHABER专家紧密合作。从而他们可以一 起快速解决电磁兼容性问题、决定电缆长度和屏蔽并 集成安装特殊的插接头。这种合作方式加快了TMS机 器人的开发和测试,同时不会导致安全性和可靠性降 低。

产品

直流无刷电机
高效无槽设计
高转矩或高转速,体积小,重量轻
动态加速和 减速性能好
噪音低
可提供各种传感器或无传感器选择
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