为生物医学设备精密运动:L1B2超声波马达的使用

介绍

生物医学设备的按比例缩小了约束的使用标准电磁马达运动生产。电磁电机的效率尺度大小和动力,使1厘米³汽车几乎没有效率。压电超声马达能够成功填补这一缺口作为他们的效率是没有大小的依赖1]。最初在1970年代开发(针对半导体行业日益增长的需求精确的非磁性定位器)(2),这些汽车是目前应用广泛的精确运动的应用程序,包括生物医学设备。在超声马达的各种设计的可能性,L1B2类型汽车(驻波直线电机基于第一纵向和第二弯曲的组合模式)是适合工业生产,结合稳健设计与高速度的动态范围和高定位精度。可能的应用范围涵盖领域的生物医学设备,半导体制造业和计量、光电和航天模块(3]。生物医学对手术机器人使用已经证明,在核磁共振领域操作(4,5和虚拟显微镜应用程序6]。设计范围还包括变焦能力小的光学设备,精确的注射器、小泵,关节椎等。

最近发表的全面审查L1B2压电超声马达的结构和应用程序可以在文献[7]。简而言之,他们提供线性和旋转运动轴,具有高刚度沿运动方向,线性速度超过200毫米/秒(6个数量级的动态范围速度),快速移动和解决(无限)旅行,事实上定位解决方案,以及极低的磁签名。专用的共振驱动方案允许使用低电压电源,使电池为小尺寸的设备操作。

中型汽车,一个典型的几厘米的大小,可以应用成千的牛顿的力量(例如看到Nanomotion人力资源类型(8]),完全解决,例如,surgery-assisting机器人的运动要求(9]。小尺寸的汽车,有一个典型的规模小于1厘米,提供部队约0.5 n(例子见Nanomotion边缘汽车[10])适合紧凑的生物医学应用程序,比如放大内镜工具(见图1例如设计)、小泵和多关节椎运动。压电材料的低磁签名允许上述应用程序运行在强磁场的存在(典型电动机剩余磁场小于0.1元),如内部现有的核磁共振成像设备。额外的设计数据可以在文献[7]。

可用的类型的运动包括线性和旋转运动轴。这些都可以组合在一起以产生多轴复合设备。简单的设备,一个例子所示图1,雇佣了一个L1B2元素推动陶瓷环连着一个转动轴。轴旋转物镜的位置变化,从而提供一个小型机载相机变焦能力,坐落在镜头后面。设备小到可以被纳入内窥镜检查工具,提供高质量的变焦功能。其他设计概念包括,例如,一个小型高精度注射药物输送的镜头被高精度推动活塞。相似的概念可以用来产生小泵和小关节与多个运动轴,使高精度三维运动。

引用

1. Uchino k .压电致动器2006。J Electroceram。2008; 20:301 - 311。
2. Uchino k .压电超声马达:概述。聪明的板牙Struct。1998; 7:273 - 285。
3. Karasikov N, et al . Piezo-based微型高分辨率的稳定平衡。学报。2016;9828:982809。
4. 穆拉兹s .世界上第一个非磁性机器人手臂。机器设计。2008;
5. 费舍尔GS, et al .核磁共振兼容机器人驱动技术——比较研究。第二部分MICCAI 2008年,迈塔克瑟白兰地D et al。(Eds),信号,509 - 517;2008。
6. Nanomotion——组件、模块和运动定位系统基于压电陶瓷伺服电机;2016年。
7. 贝利克,et al, L1B2超声电机的性能和应用。执行机构。2016;5:15。
8. Nanomotion有限公司Nanomotion汽车;2016年。
9. 贝DB, et al。在手术机器人技术:过去,现在和未来。2004 J Surg.; 188:2S-15S。
10. Nanomotion有限公司边缘马达;2016年。