生物医学设备的精密运动:L1B2超声波电机的使用

简介

生物医学设备的缩小限制了用于运动生产的标准电磁电机的使用。电磁电机的效率随着尺寸和功率的增加而降低，只有1厘米^3.马达几乎没有效率。压电超声电机可以成功地弥补这一差距，因为它们的效率与尺寸无关[1］．最初是在20世纪70年代开发的(为了响应半导体行业对精确非磁性定位器日益增长的需求)[2]，这些电机目前应用于广泛的精确运动应用，包括生物医学设备。在超声波电机的各种设计可能性中，L1B2型电机(基于第一纵向和第二弯曲模式组合的驻波直线电机)非常适合工业生产，将稳健的设计与高动态速度范围和高定位精度相结合。可能的应用范围涵盖生物医学设备、半导体制造和计量、光电和航空航天模块等领域[3.］．手术机器人的生物医学用途已得到证实，可在核磁共振成像场中操作[4，5]和虚拟显微镜应用[6］．设计范围还包括小型光学设备，精密注射器，小型泵，多关节椎体等的缩放能力。

最近发表的L1B2压电超声电机的结构和应用的综合综述可在参考文献[7］．简而言之，它们同时提供线性和旋转运动轴，沿运动方向具有高刚度，线性速度高于200毫米/秒(具有六个数量级的速度动态范围)，快速移动和沉降(具有无限行程)，亚纳米级定位分辨率，以及极低的磁性特征。专用谐振驱动方案允许使用低压电源，允许小型设备的电池运行。

中等大小的电机，具有典型的几厘米大小，可以施加几十牛顿的力(例如参见nanomomotion HR型电机[8])，以充分处理例如手术辅助机器人的运动要求[9］．小型电机的典型尺寸小于1厘米，可提供约0.5N的力(例如，参见nanommotion Edge电机[10])适用于紧凑的生物医学应用，例如用于内窥镜检查工具的缩放(见图1例如设计)，小泵和多关节椎体运动。压电材料的低磁特征使得上述所有应用都可以在强磁场(典型的电机剩余磁场小于0.1 nT)的存在下运行，例如存在于MRI设备内部的那些。其他设计资料可参阅[7］．

可用的运动类型包括直线和旋转运动轴。这些可以结合起来产生复合多轴器件。简单设备的示例，如图所示图1，采用L1B2元件驱动附着在旋转运动轴上的陶瓷环。轴的旋转改变了物镜的位置，从而为位于镜头后面的小型机载摄像机提供变焦功能。该设备足够小，可以集成到内窥镜工具中，提供高质量的缩放功能。其他设计概念包括，例如，用于药物输送的小型高精度注射器，其中镜头被高精度推动活塞取代。类似的概念可用于生产具有多个运动轴的小型泵和小型接头，允许高精度的三维运动。

参考文献

1. Uchino K.压电驱动器2006。电陶瓷。2008;20:301-311。
2. Uchino K.压电超声电机概述。智能板牙结构，1998;7:73 -285。
3. Karasikov N，等。压电微型高分辨率稳定万向节。学报。2016; 9828:982809。
4. Mraz S.世界上第一个无磁机械臂。机械设计，2008;
5. Fischer GS，等。机器人驱动技术的MRI兼容性——一项比较研究。MICCAI 2008，第2部分，mettaxas D等(编辑)，LNCS, 509-517;2008。
6. 基于压电陶瓷伺服电机的纳米运动组件、运动模块和定位系统2016.
7. Peled G等人。L1B2型超声电机的性能及应用。执行机构。2016;5:15。
8. Nanomotion有限公司Nanomotion汽车;2016.
9. Camarillo DB，等。外科手术中的机器人技术:过去、现在和未来。美国外科杂志，2004;
10. Nanomotion有限公司边缘马达;2016.