26.03.2020

Leistungsfähige Antriebstechnik für die Robotik

Kommt ein Roboter in den OP

Heute sind die Argumente für den Einsatz von Robotern vielfältig. Mit zunehmendem Fachkräftemangel werden wir künftig mehr denn je auf ihre Hilfe angewiesen sein. Roboter sollen den Menschen zum einen dabei unterstützen, mehrere Prozesse parallel zu erledigen, produktiver zu arbeiten und zuverlässigere Ergebnisse zu erzielen. Zum anderen werden Roboter Menschen zunehmend bei ermüdenden, stupiden, wiederkehrenden Arbeiten helfen oder können höhere Genauigkeit und Zuverlässigkeit bieten als Menschen. Das gilt nicht nur für die Fertigung oder die Logistik, sondern auch für die Medizintechnik. Auch in dieser Branche wird es künftig nicht mehr ohne Robotik gehen.


Bild: Dr. Fritz Faulhaber GmbH & Co. KG

Um etwas zu bewegen, brauchen Roboter Antriebe, die allerdings unterschiedliche Anforderungen erfüllen müssen. Fast allen Anwendungen gemeinsam ist der geringe Einbauplatz und damit die Forderung nach kompakten und oft auch leichten Antriebseinheiten. Von den kleinen Antrieben werden meist dennoch hohe Drehmomente, Wiederholgenauigkeit, Dynamik und Leistungsdichte gefordert. Gerade in der Zusammenarbeit mit menschlichen Kollegen sollen sie dabei geräuscharm arbeiten. Zudem sollen sie kommunikationsfreudig sein, damit sie sich mit anderen Komponenten im Verbund der Kinematik zuverlässig austauschen können. Besondere Anwendungen fordern zudem z.B. Unempfindlichkeit gegenüber Magnetfeldern, Vakuumfestigkeit oder geringen Energieverbrauch für den mobilen, batteriebetriebenen Einsatz. In manchen Fällen ist der zuverlässige Umgang mit Überlast bei hohen Drehzahlen gefragt. Je nach Anwendung müssen lange Verfahrwege oder Rotationen realisiert werden, sind selbsthemmende Antriebe gefordert oder solche mit extrem geringem Spiel. Andernorts ist die Sterilisierbarkeit der Antriebe essentiell. Kurz: die Anforderungen sind sehr vielfältig.

Einsatzbereich OP

Der Antriebsanbieter Faulhaber kennt die verschiedenen Anforderungen aus jahrelanger Erfahrung und hat mittlerweile bei vielen unterschiedlichen Robotiklösungen mitgewirkt. Die Einsatzbereiche der Antriebe reichen von Kanalsanierungsrobotern über Lösungen für Handling und Logistik bis hin zu OP-Anwendungen. Mittlerweile gibt es fast kaum einen medizinischen Eingriff, bei dem robotergestütztes Operieren nicht in Frage kommt. Schon heute bieten mehr als 70 Unternehmen Systeme für medizinische Eingriffe an. So z.B. bei Eingriffen an der Wirbelsäule, dem Knie, der Hüfte, im Bauchraum, in der Neuro-Chirurgie, im HNO-Bereich, bei Biopsien, in der Gynäkologie und Urologie oder auch bei Operationen am Herz oder im Auge. Auch vor Haartransplantationen mach die Robotik nicht Halt. Was für den Einsatz von Robotern im OP-Saal spricht, liegt auf der Hand: Ein Roboter wird nicht müde, bietet hohe Präzision sowie Geschwindigkeit und hat keine Einschränkungen beim Thema Ergonomie. Experten gehen davon aus, dass die Robotik die Arbeit im OP künftig revolutionieren wird: Der Chirurg steuert dann von einer Konsole via Joysticks die Roboterarme, die für den Eingriff am OP-Tisch eingesetzt werden. Auch nach einer 24h-Schicht arbeitet der Roboter absolut präzise und ohne Zittern. Rechnergestützt kann der Roboter jederzeit prüfen, ob der Arzt noch genau da operiert, wo es notwendig ist. Im Zweifel kann das System den Arzt stoppen und so potenzielle Behandlungsfehler verhindern. Hochdynamische, präzise Antriebssysteme wie die von Faulhaber sind für solche Anwendungsfälle gefragt. Aufgrund der eisenlosen Wicklungstechnik und flacher Drehzahl- bzw. Drehmomentkennlinie die erforderlichen Eigenschaften wie etwa exakte Positionierung und Drehzahlkontrolle.

Praxisgerechte Lösungen

Je mehr robotergestützte Tätigkeiten in den unterschiedlichen Disziplinen eingesetzt werden, desto mehr steigt auch der Bedarf an Antriebssystemen, etwa für die Positionierung von Roboterarmen. Hier sind hochdynamische Systeme gefragt, die in kurzer Zeit volle Drehzahl liefern. Dass Faulhaber als Anbieter für Kleinstantriebe über ein sehr großes Portfolio an Miniatur- und Mikroantriebstechnik verfügt, kommt Anwendern zugute. Durch das modular aufgebaute Baukastensystem lassen sich im Standardprogramm rasch individuell passende Lösungen bestehend aus Antrieb, Getriebeeinheit und Motion Controller zusammenstellen. Die Kleinstmotoren stehen mit Durchmessern von 6 bis 22mm zur Verfügung und lassen sich für besondere Anforderungen modifizieren. Zu den häufigsten Anpassungen gehören z.B. Vakuumtauglichkeit, Erweiterung des Temperaturbereichs, modifizierte Wellen, andere Spannungstypen sowie kundenspezifische Anschlüsse oder Stecker. Im OP finden sich aber auch abseits der Robotik Anwendungen für solche Kleinantriebe: Während einer Vollnarkose wird der Patienten grundsätzlich künstlich bearbeitet. In der Turbineneinheit eines dafür benötigten Beatmungsgerätes, das in ein Anästhesiesystem integriert ist, arbeitet ein bürstenloser Highspeed-DC-Motor mit nur 24mm Durchmesser. Der eingesetzte Antrieb ist nicht nur sehr schnell und geräuscharm über den gesamten Drehzahlbereich, sondern auch sehr dynamisch. Damit ermöglicht er eine annähernd natürliche Beatmung und zwar sowohl für Erwachsene als auch Kinder und Neugeborene.

Einsatz außerhalb des OP-Saals

Auch außerhalb des Operationssaals finden Kleinstantriebe Einsatzbereiche in der Medizintechnik. Motoren von Faulhaber stecken heute etwa auch in implantierbaren Herzpumpen, chirurgischen Handwerkszeugen in der Ophthalmologie, in der Kosmetik und in der medizinischen Bildgebung und -verarbeitung. Leistungsstarke Motorfamilien wie BX4, BP4 oder die neue BXT-Baureihe lassen sich kombiniert mit weiteren Komponenten wie verschiedene Getrieben, optischen, magnetischen oder absoluten Encodern sowie Motion Controllern flexibel an die jeweiligen Anwendungen anpassen.

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