電動手術手動工具是手術室的支柱。數(shù)十年來，外科醫(yī)生和設備制造商一直依賴可消毒的無刷直流電機（BLDC）來滿足外科手動工具的扭矩，速度和可靠性要求。隨著外科手術機器人技術和機器人輔助手術設備的發(fā)展，設備制造商繼續(xù)尋求BLDC電機來滿足其苛刻的要求。電機和運動對于機器人技術至關重要，但是，外科手術機器人中對電機的要求與傳統(tǒng)機器人技術和傳統(tǒng)外科手術手動工具的典型要求有所不同。

不管設備的性質(zhì)如何，外科醫(yī)生都需要他們可以依靠的無菌工具。他們需要即使在現(xiàn)場要求苛刻且在后處理過程中反復進行蒸汽滅菌的設備，也要始終可靠且穩(wěn)定地運行。

除了可靠性要求之外，外科器械設計人員還需要解決具有挑戰(zhàn)性的運動問題：
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。這些設備
制造商需要運動控制解決方案，這些解決方案非常適合其應用，并且已經(jīng)過適
當定制，既可以與工具集成，也可以進行適當?shù)臋嗪庖詢?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機（不需要長壽命）和塑料部件。每次手術后必須丟棄這些工具。盡管這種方法簡化了后處理并消除了工具維護的要求，但它也需要保持工具的穩(wěn)定供應，并增加了醫(yī)院產(chǎn)生的有害廢物的數(shù)量。另外，與可重復使用工具的總壽命相比，一次性工具通常不是最經(jīng)濟的選擇。

2：使用不可滅菌組件進行滅菌的模塊化設計

另一種方法是設計設備，以對暴露的組件進行消毒，而對其他組件不進行消毒。例如，BLDC電機以及隨附的控制器和電池組可能位于設備內(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，以確保對后處理的工具進行正確的消毒，并且由于反復斷開和重新連接系統(tǒng)中的電動機和電池，在設計中還可能需要更耐用的電子組件和連接。。

3：防護屏障

又一種方法是用（通常是一次性使用的）無菌屏障覆蓋機械臂或器械，例如塑料布或塑料“翻蓋”。成功實施后，屏障可以很好地界定無菌區(qū)域，從而無需對區(qū)域外的組件進行重新處理。這種方法是大型外科手術機器人系統(tǒng)的典型設計組件，因為整個系統(tǒng)的高壓滅菌是不切實際的。機器人系統(tǒng)的人體工程學要求也不同于傳統(tǒng)的手動工具手術-例如，馬達可能物理上位于遠離手術末端執(zhí)行器的位置，并通過電纜驅(qū)動器傳遞運動，這在外科醫(yī)生試圖進行手術的傳統(tǒng)手術中可能不可行精確地操縱手動工具來執(zhí)行精細的任務。請注意，這種設計方法也適用于對滅菌要求不那么嚴格的醫(yī)療程序，例如牙科和紋身應用。這種方法有不利的一面：需要系統(tǒng)地拆除和更換的復雜懸垂方案會大大增加手術室進行手術的時間。懸垂性通常也龐大且笨拙，從而降低了手術室的視野，并對人體工程學產(chǎn)生了負面影響。

4：高壓滅菌電機解決方案

最終–該設備的設計應確保所有組件（包括電機）都可以消毒。無菌BLDC電機的介紹>30多年前，使工具設計人員能夠生產(chǎn)出高功率，符合人體工學的工具，由于整個工具都經(jīng)過了滅菌過程，因此可以相信它們是無菌的。這些好處可以延續(xù)到機器人輔助的手術設備上，后者通常還需要無菌包裝，該包裝具有
小尺寸，高功率，耐用性，效率，低噪音和長壽命。

傳統(tǒng)的電動手動工具和機器人輔助的外科手術設備都可以在有槽或無槽配置中使用BLDC技術，以描繪所謂的“運行中” BLDC電機（轉(zhuǎn)子在固定定子內(nèi)部旋轉(zhuǎn)）的有槽與無槽的對比。請注意，開槽與無槽是指電動機定子中的疊片類型。兩種技術都有其優(yōu)勢-應用程序的需求將決定哪種技術更適合電機設計。槽式BLDC技術在外科手術市場上已被證明是可靠的解決方案，已有30多年的歷史了。

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

• 易于定制電磁學（繞組，疊片長度等）

• 可以達到很高的介電電阻（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

無槽BLDC，另一種BLDC技術，也非常有能力，可能非常適合該應用程序。在無槽電機中，線圈是在單獨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組裝過程中插入氣隙中。在這種設計中，由于氣隙較大，因此減少了線圈中的磁感應強度。這種電動機中的感應通常比開槽BLDC電動機中的感應小得多，因此通常需要更大，功率更大的磁體來補償感應損失。雖然無槽電機可以設計成通過暴露的電子元件上的絕緣層和其他保護涂層承受蒸汽滅菌，但與槽型電機相比，從惡劣的環(huán)境條件獲得持久而可靠的保護本質(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)–無槽設計的某些方面對于給定應用可能是有利的：

  • 零制動扭矩（即無齒槽效應）

  • 極高速度下的平穩(wěn)運行
  • 電機慣量增加
  • 高峰值扭矩能力

對于某些外科手術程序或設備設計方法，可能需要對電機進行非常高精度的控制。對于利用輔助傳感器，視覺系統(tǒng)，觸覺反饋或3-D映射將材料控制在亞毫米級別的機器人輔助手術設備，通常是正確的。成功執(zhí)行手術可能需要對電機輸出進行極高精度的控制。精度要求可能會超出傳統(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)子軸角位置測量的精度比三個霍爾傳感器可以提供的精度高得多。這樣的反饋對于BLDC電機的位置控制或提高準確性可能很有用。從提供的位置測量結(jié)果中，可以推斷出速度，加速度和方向。當尋找編碼器時，第一步就是確定所需的精度和分辨率。還必須選擇技術類型；光學和磁性是旋轉(zhuǎn)編碼器最常用的技術。通常，在諸如手術工具等可高溫滅菌的應用中，我們發(fā)現(xiàn)磁性編碼器提供了強大而可靠的選擇。增量或絕對反饋是傳達角度值的兩個常用選項。如果使用增量信號，則每轉(zhuǎn)一個索引脈沖，每轉(zhuǎn)一次，并且需要一個計數(shù)器來計算絕對角位置，否則反饋是相對的。絕對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。
選項包括：

  • 可消毒選項 - 設計為超過 2,000 次并經(jīng)過測試
  • 六步換向霍爾傳感器信號（U、V、W）
  • 10位增量編碼器（A，B，Z）
  • 11位分辨率絕對角度編碼器
  • 通過 SPI 輸出絕對位置
  • 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)