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機(jī)器人輔助手術(shù)的優(yōu)勢在越來越多的手術(shù)領(lǐng)域、越來越多的醫(yī)院和患者中得到認(rèn)可。這推動(dòng)了該行業(yè)的增長以及手術(shù)機(jī)器人中使用技術(shù)的提升。一項(xiàng)關(guān)鍵技術(shù)是機(jī)器人運(yùn)動(dòng)控制，但所涉及的組件通常對外界是不可見的，這可能部分解釋了為什么它們經(jīng)常被忽視或誤解。然而，它們是安全、平穩(wěn)和準(zhǔn)確的機(jī)器人技術(shù)的關(guān)鍵組件。

“運(yùn)動(dòng)控制”描述了以受控方式移動(dòng)機(jī)器部件的系統(tǒng)和技術(shù)。在手術(shù)機(jī)器人中，這些通常包括運(yùn)動(dòng)（或伺服）控制器、電機(jī)、齒輪箱和位置反饋傳感器。一個(gè)常見的應(yīng)用是驅(qū)動(dòng)機(jī)器人手臂的肩關(guān)節(jié)、肘關(guān)節(jié)或腕關(guān)節(jié)。電機(jī)、齒輪箱和傳感器組件通常被稱為執(zhí)行器，系統(tǒng)有時(shí)被稱為“伺服”——這只是意味著反饋回路報(bào)告實(shí)際位置或速度以與命令進(jìn)行比較。

運(yùn)動(dòng)控制并不新鮮，但技術(shù)發(fā)展迅速，趨勢是：

 數(shù)字化

這是越來越多地使用全數(shù)字控制系統(tǒng)以及來自放大器、電位計(jì)等的模擬信號的消失。造成這種情況的原因有很多：

成本——現(xiàn)代數(shù)字電子產(chǎn)品通常比模擬電子產(chǎn)品便宜，而且布線/互連成本可以在數(shù)量和規(guī)格上降低；

性能——數(shù)字系統(tǒng)通常不太容易出現(xiàn) EMC 和熱漂移；

熟悉度——與模擬電路相比，年輕工程師更習(xí)慣于數(shù)字系統(tǒng)，因此他們對新設(shè)計(jì)采用數(shù)字方法也就不足為奇了。

小型化和凈外形

與 20 年前相比，大多數(shù)運(yùn)動(dòng)控制組件現(xiàn)在的尺寸越來越小，性能相當(dāng)：以前重 1 公斤的伺服驅(qū)動(dòng)器現(xiàn)在重量 <50 克；標(biāo)準(zhǔn)的 NEMA 34 尺寸電機(jī)現(xiàn)在輸出的功率是20世紀(jì)末的 3 倍，并且一些光學(xué)編碼器的讀取頭已減小到單個(gè)微芯片的大小。位置傳感器的小型化部分歸功于 ASIC 設(shè)計(jì)和微電路的進(jìn)步，而較小的電機(jī)則來自改進(jìn)的磁鐵和設(shè)計(jì)過程中更好的電磁模擬。技術(shù)進(jìn)步在很大程度上實(shí)現(xiàn)了這一點(diǎn)，但也有一種方法的改變，從使用無框電機(jī)和無框或無包裝傳感器，消除笨重的外殼，使其凈形式減少到基本要素。

直接驅(qū)動(dòng)

電機(jī)通常在更高的速度下產(chǎn)生最大的扭矩或功率。傳統(tǒng)上，變速箱用于降低該速度以在低速時(shí)產(chǎn)生扭矩。隨著無刷直流電機(jī)技術(shù)的發(fā)展，可以在無速或低速下產(chǎn)生全扭矩，因此不再需要變速箱。這種直接驅(qū)動(dòng)具有無間隙、通過齒輪箱沒有摩擦損失、減少維護(hù)、提高可靠性和消除齒輪箱成本的優(yōu)點(diǎn)。然而，直接驅(qū)動(dòng)并不普遍適用，因?yàn)辇X輪箱使較小的電機(jī)能夠?qū)崿F(xiàn)所需的扭矩。直接驅(qū)動(dòng)的優(yōu)缺點(diǎn)因具體要求而異，但在越來越多的情況下，直接驅(qū)動(dòng)是首選。

創(chuàng)新的齒輪系統(tǒng)

描述完直接驅(qū)動(dòng)的增加使用，然后討論創(chuàng)新齒輪系統(tǒng)的使用似乎很奇怪，但最近的發(fā)展意味著傳統(tǒng)的電機(jī)和齒輪箱方法并沒有像某些人預(yù)測的那樣迅速減少。一個(gè)顯著的例子是使用應(yīng)變波齒輪（或諧波齒輪），其中一個(gè)薄的環(huán)形齒輪彎曲以產(chǎn)生接近零背隙的緊湊環(huán)形形式的高速減速（有時(shí)>100:1）。其他示例涉及錐形驅(qū)動(dòng)和擺線齒輪系統(tǒng)，此類方法使工程師能夠以合理的成本滿足苛刻的運(yùn)動(dòng)控制要求。

非接觸式傳感器

這種趨勢已經(jīng)持續(xù)了幾年，并且在手術(shù)機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)控制中使用電位計(jì)作為反饋設(shè)備幾乎已經(jīng)消失。在具有大量循環(huán)的應(yīng)用中，電位計(jì)可靠性可能不穩(wěn)定助長了這一趨勢 ，特別是在電位計(jì)軌道可能遭受磨損問題的受限運(yùn)動(dòng)中。這意味著位置或速度反饋設(shè)備由光學(xué)、磁性、電容和電感傳感器主導(dǎo)，這些傳感器現(xiàn)在提供以前只有非常昂貴的傳感器才能實(shí)現(xiàn)的測量性能。

模擬和定制零件

對于我們這些年紀(jì)大到還記得從繪圖板到 CAD 的過渡的人來說，CAD 聲稱的優(yōu)勢之一是它能夠進(jìn)行工程模擬?；氐疆?dāng)時(shí)，我們中并沒有多少人真正相信它...... 但是你能錯(cuò)到什么程度呢？CAD 現(xiàn)在可以輕松精確地模擬執(zhí)行器、機(jī)構(gòu)、電機(jī)、傳感器，因此可以虛擬構(gòu)建和測試系統(tǒng)，而無需物理構(gòu)建、測試和迭代原型。對工程成本和交貨時(shí)間的影響是巨大的，沒有什么比使用根據(jù)客戶規(guī)格開發(fā)的定制運(yùn)動(dòng)控制組件更好的說明了。傳統(tǒng)上，定制零件只有在工程成本可以攤銷的大批量應(yīng)用中才具有經(jīng)濟(jì)可行性。

增值遠(yuǎn)程診斷

遠(yuǎn)程診斷已經(jīng)存在多年，但通常價(jià)值不大。然而，現(xiàn)代技術(shù)現(xiàn)在可以提供如此精確的數(shù)據(jù)，從而使有價(jià)值的信息成為可能。傳統(tǒng)上，位置傳感器只報(bào)告執(zhí)行器的位移，但現(xiàn)代測量技術(shù)允許如此高的分辨率，數(shù)據(jù)可用于預(yù)測密封件何時(shí)開始磨損；當(dāng)執(zhí)行器速度的變化表明是否需要潤滑時(shí)，施加功率和啟動(dòng)運(yùn)動(dòng)之間的時(shí)間增量可以顯示磨損是否超過了指定的限制。如果可以遠(yuǎn)程診斷此類問題，則可以在手頭準(zhǔn)備好必要部件的情況下安排干預(yù)措施——從而減少總停機(jī)時(shí)間；停機(jī)時(shí)間的影響；相關(guān)費(fèi)用并盡量減少對患者的影響。