Entwicklung sicherer Antriebssteuerungen Motorisierte Orthesen

Motorgestützte Bewegungstherapien können die Nachwirkungen von Schlaganfällen begrenzen, allerdings erfordern entsprechende Hilfsmittel spezielle Antriebskonstruktionen. Hier ist sorgfältige Planung erforderlich.

Kleine elektrische Motoren übernehmen in medizinischen Geräten oft kritische Aufgaben. Die verlässliche und exakte Funktion der Antriebe ist unerlässlich für das System, jedoch gehören die Antriebssteuerung und die Entwicklung oft nicht zu den Kernkompetenzen der Entwicklerteams. Die Verwendung dedizierter Hardware zur Motorsteuerung erlaubt es, die Entwicklungs- und Validierungszeiten zu reduzieren und echtzeitkritische Aufgaben auszulagern. Antriebsdesign und Motoransteuerung erfordern detailliertes Anwendungswissen im Umgang mit Elektromotoren.

Die Kernkompetenz von Geräte- und Systemherstellern, die elektrische Antriebe in ihren Produkten integrieren, liegt aber typischerweise auf einer viel höheren Abstraktionsebene. Wer Blutanalysatoren entwickelt, hat beispielsweise oft eine ausgeprägte Kompetenz in den Bereichen Bildverarbeitung oder Reagenzien, das Bewegen der Proben und Sensoren wird als nötiges Übel betrachtet. Dennoch ist eine verlässliche Positionierung und Handhabung der Proben oft entscheidend.

Daraus ergibt sich der Anspruch, dass Antriebe auf möglichst einfache Art und Weise in Form von fertigen Hardware- und Software-Building-Blocks in Medizingeräte integrierbar sein müssen, ohne detailliertes Know-how im Bereich der Motoransteuerung beim Produktentwickler vorauszusetzen. Gleichzeitig steigen, getrieben von reduzierten Baugrößen, Kostendruck und Gesetzgebung, stetig die technischen Anforderungen an eingebettete Antriebssteuerungen.

Waren vor einigen Jahren in vielen Anwendungen noch einfache Gleichstrommotoren einsetzbar, können diese nun aus EMV-Gründen oder wegen ihrer begrenzten Lebensdauer nicht mehr verwendet werden. Auch in Geräten mit begrenztem Bauraum kommen daher zunehmend Synchronmotoren verschiedener Bauart zum Einsatz. Gerade für Positionierungsaufgaben oder für langsam laufende Pumpen werden regelmäßig Schrittmotoren genutzt. Sind höhere Drehzahlen erforderlich, fällt die Wahl eher auf bürstenlose Gleichstrommotoren. Beide Motorklassen haben gemein, dass sie eine elektronische Ansteuerung und Kommutierungslogik erfordern. In vielen Fällen können beide Motortypen ohne einen Positionsgeber, also »open-Loop« betrieben werden (Bild).

Motivation für Closed-Loop Verfahren

Der einfachste Synchronmotor entspricht einem Kompass mit zwei Spulen. Das drehende Magnetfeld bringt den Rotor zum Rotieren. Was passiert nun, wenn die Kompassnadel durch einen mechanischen Widerstand über das Kippmoment hinaus belastet wird? Ohne Feedback wird das Magnetfeld weiter drehen und die Nadel kann nicht mehr folgen. Übertragen auf einen Antrieb heißt das, dass die Positionsinformation verloren geht.

Dieser Zustand ist vor allem in medizinischen Geräten, in denen eine verlässliche Positionierung für die sichere Funktion notwendig ist, als kritisch zu betrachten. Entsprechend werden Open-Loop-Schrittmotoren typischerweise mit großzügiger Drehmomentreserve ausgelegt. Die Folge ist, dass größere Motoren als notwendig Verwendung finden und entsprechend der kalkulierten Reserve zu bestromen sind. Auf der Kostenseite kann das durchaus sinnvoll sein, da ein Schrittmotor ohne Positionsgeber und entsprechende Regelung üblicherweise deutlich günstiger ist als ein Closed-Loop-System.

Allerdings wird die eingebrachte Energie, die nicht mechanisch umgesetzt werden kann, entsprechend als Wärmeleistung abgegeben. Bewegt der betreffende Motor empfindliche Proben in einem Blutanalysator oder sitzt wie in einem Dialysegerät direkt am Blutschlauchsystem, kann die thermische Verlustleistung fatale Auswirkungen haben.