电动手术手动工具是手术室的支柱。数十年来，外科医生和设备制造商一直依赖可消毒的无刷直流电机（BLDC）来满足外科手动工具的扭矩，速度和可靠性要求。随着外科手术机器人技术和机器人辅助手术设备的发展，设备制造商继续寻求BLDC电机来满足其苛刻的要求。电机和运动对于机器人技术至关重要，但是，外科手术机器人中对电机的要求与传统机器人技术和传统外科手术手动工具的典型要求有所不同。

不管设备的性质如何，外科医生都需要他们可以依靠的无菌工具。他们需要即使在现场要求苛刻且在后处理过程中反复进行蒸汽灭菌的设备，也要始终可靠且稳定地运行。

除了可靠性要求之外，外科器械设计人员还需要解决具有挑战性的运动问题：
精确的速度和扭矩要求，温度和其他限制条件或极端位置控制要求。这些设备
制造商需要运动控制解决方案，这些解决方案非常适合其应用，并且已经过适
当定制，既可以与工具集成，也可以进行适当的权衡以优化性能。。

一种方法是让医院使用一次性的一次性工具。这些通常使用便宜的电动机（不需要长寿命）和塑料部件。每次手术后必须丢弃这些工具。尽管这种方法简化了后处理并消除了工具维护的要求，但它也需要保持工具的稳定供应，并增加了医院产生的有害废物的数量。另外，与可重复使用工具的总寿命相比，一次性工具通常不是最经济的选择。

2：使用不可灭菌组件进行灭菌的模块化设计

另一种方法是设计设备，以对暴露的组件进行消毒，而对其他组件不进行消毒。例如，BLDC电机以及随附的控制器和电池组可能位于设备内，需要医院工作人员卸下 motor/battery 在消毒之前从工具中包装。
这种方法需要正确地遵循特殊的流程，以确保对后处理的工具进行正确的消毒，并且由于反复断开和重新连接系统中的电动机和电池，在设计中还可能需要更耐用的电子组件和连接。。

3：防护屏障

又一种方法是用（通常是一次性使用的）无菌屏障覆盖机械臂或器械，例如塑料布或塑料“翻盖”。成功实施后，屏障可以很好地界定无菌区域，从而无需对区域外的组件进行重新处理。这种方法是大型外科手术机器人系统的典型设计组件，因为整个系统的高压灭菌是不切实际的。机器人系统的人体工程学要求也不同于传统的手动工具手术-例如，马达可能物理上位于远离手术末端执行器的位置，并通过电缆驱动器传递运动，这在外科医生试图进行手术的传统手术中可能不可行精确地操纵手动工具来执行精细的任务。请注意，这种设计方法也适用于对灭菌要求不那么严格的医疗程序，例如牙科和纹身应用。这种方法有不利的一面：需要系统地拆除和更换的复杂悬垂方案会大大增加手术室进行手术的时间。悬垂性通常也庞大且笨拙，从而降低了手术室的视野，并对人体工程学产生了负面影响。

4：高压灭菌电机解决方案

最终–该设备的设计应确保所有组件（包括电机）都可以消毒。无菌BLDC电机的介绍>30多年前，使工具设计人员能够生产出高功率，符合人体工学的工具，由于整个工具都经过了灭菌过程，因此可以相信它们是无菌的。这些好处可以延续到机器人辅助的手术设备上，后者通常还需要无菌包装，该包装具有
小尺寸，高功率，耐用性，效率，低噪音和长寿命。

传统的电动手动工具和机器人辅助的外科手术设备都可以在有槽或无槽配置中使用BLDC技术，以描绘所谓的“运行中” BLDC电机（转子在固定定子内部旋转）的有槽与无槽的对比。请注意，开槽与无槽是指电动机定子中的叠片类型。两种技术都有其优势-应用程序的需求将决定哪种技术更适合电机设计。槽式BLDC技术在外科手术市场上已被证明是可靠的解决方案，已有30多年的历史了。

在开槽设计中，铜线圈缠绕在插槽内（图4）。当将线圈插入叠片组的槽中时，其本质上受到保护。可以轻松添加额外的绝缘层和成型材料，而不会影响电机性能。这种物理配置使开槽BLDC成为要求对极端环境条件具有极高抵抗力
的电机的理想技术，例如在高压灭菌器或外科手术期间使电机暴露于盐水和其他污染物的环境。此外，开槽设计还提供：

• 易于定制电磁学（绕组，叠片长度等）

• 可以达到很高的介电电阻（1600 VAC高电位或更高）

• 改善散热功能从而实现更高的连续转矩

• 磁性气隙小，可以使用更薄的磁体，并提供更高的永磁系数（在较大的温度范围内提供扭矩稳定性）

• 低转子惯量

无槽BLDC，另一种BLDC技术，也非常有能力，可能非常适合该应用程序。在无槽电机中，线圈是在单独的外部操作中缠绕的，并且是“自持”型的（图4）。然后将自保持线圈直接在电机组装过程中插入气隙中。在这种设计中，由于气隙较大，因此减少了线圈中的磁感应强度。这种电动机中的感应通常比开槽BLDC电动机中的感应小得多，因此通常需要更大，功率更大的磁体来补偿感应损失。虽然无槽电机可以设计成通过暴露的电子元件上的绝缘层和其他保护涂层承受蒸汽灭菌，但与槽型电机相比，从恶劣的环境条件获得持久而可靠的保护本质上更具挑战性。如果不需要高压灭菌或大量灭菌循环–无槽设计的某些方面对于给定应用可能是有利的：

  • 零制动扭矩（即无齿槽效应）

  • 极高速度下的平稳运行
  • 电机惯量增加
  • 高峰值扭矩能力

对于某些外科手术程序或设备设计方法，可能需要对电机进行非常高精度的控制。对于利用辅助传感器，视觉系统，触觉反馈或3-D映射将材料控制在亚毫米级别的机器人辅助手术设备，通常是正确的。成功执行手术可能需要对电机输出进行极高精度的控制。精度要求可能会超出传统霍尔传感器所提供的要求，后者可以60度增量检测转子位置。利用编码器可以提供反馈，以控制转子的速度和位置。< < 1度增量。

编码器提供的转子轴角位置测量的精度比三个霍尔传感器可以提供的精度高得多。这样的反馈对于BLDC电机的位置控制或提高准确性可能很有用。从提供的位置测量结果中，可以推断出速度，加速度和方向。当寻找编码器时，第一步就是确定所需的精度和分辨率。还必须选择技术类型；光学和磁性是旋转编码器最常用的技术。通常，在诸如手术工具等可高温灭菌的应用中，我们发现磁性编码器提供了强大而可靠的选择。增量或绝对反馈是传达角度值的两个常用选项。如果使用增量信号，则每转一个索引脉冲，每转一次，并且需要一个计数器来计算绝对角位置，否则反馈是相对的。绝对反馈通常采用串行通信线，例如SSI，SPI或BiSS，以提供介于0和360度之间的编码角度值。
选项包括：

  • 可消毒选项 - 设计为超过 2,000 次并经过测试
  • 六步换向霍尔传感器信号（U、V、W）
  • 10位增量编码器（A，B，Z）
  • 11位分辨率绝对角度编码器
  • 通过 SPI 输出绝对位置
  • 差分输出适用于嘈杂环境
  • 离轴安装可获得通孔结构