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Vereinfachte Multi-Motorsteuerung gefordert

Eine vereinfachte und erheblich kompaktere FPGA-basierte Motorsteuerungslösung machte ein haptisches Simulationssystem 40mal schneller.

Die Aufgabenstellung:
Vereinfachte und kompakte Multi-Motorsteuerung

Das haptische Simulationssystem in dieser Anwendung bildet die Arbeit mit chirurgischen Instrumenten in der Herz- und Gefäßchirurgie nach. Es wird zur Vorbereitung auf den eigentlichen Eingriff oder auch zu Schulungszwecken eingesetzt. Daten über die inneren Organe eines Patienten werden in einem PC-System gespeichert, das die jeweiligen Gegebenheiten für eine bestimmte Behandlung ausgibt.

Alle Bewegungen sind auf dem Monitor sichtbar. Für eine realitätsnahe Simulation muss das System in der Lage sein, verschiedenste Effekte an den Instrumenten zu erzeugen, die der Chirurg oder Student benutzt, beispielsweise Reibung und Vibration. Eine besondere Schwierigkeit dabei war die Simulation eines Zustands ohne Reibung, besonders bei kleinen Instrumenten, da bei geringer oder keiner Reibung auch nur eine geringe bzw. praktisch keine Signalrückmeldung erfolgen darf.

Das ursprüngliche System besteht aus drei Simulatorträgern. Für jeden Simulatorträger gibt es drei kleine Gleichstrommotoren, die jeweils über eine eigene Mikroprozessor-Steuerung verfügen. Aufgrund ihres Platzbedarfs müssen diese neun Steuerungen in einem Schaltschrank installiert werden. Steuerungen und Motoren sind jeweils durch einen dicken Kabelstrang pro Motor miteinander verbunden. Auf der anderen Seite sind die Steuerungen mit dem PC verbunden. Die Bandbreite der Regelschleife beträgt etwa 2 kHz, die Ansteuerungsarchitektur ist zentralisiert.

Der mechanische Teil des Simulators besteht aus Trägern, die an einer linearen Führung laufen und unabhängig voneinander angesteuert werden. An den Trägern sind verschiedene chirurgische Instrumente angebracht. Das System wählt und hält die Instrumente, die im Simulator eingesetzt werden sollen.

Die Herausforderung:
Verbesserte Leistung und vereinfachte Motorsteuerung

Die bisherige Lösung erbrachte nicht die Leistung, die für wirklich gute haptische Eigenschaften, d. h. eine realitätsnahe Simulation, benötigt wird. Aufgrund des guten Rufs, den wir in der Entwicklung von FPGA-basierten High-end-Motorsteuerungen genießen, wandte sich der Kunde an Unjo. Die Entwicklungsphase erstreckte sich über 12 Monate und war geprägt von einer engen Zusammenarbeit zwischen dem Projektteam des Kunden und den Steuerungsspezialisten von Unjo.

Die Lösung:
Jeder Träger wird von einer einzigen FPGA-basierten Steuerung gesteuert

Bei der neuen Lösung werden die drei Motoren in jedem Träger von nur noch einer einzigen FPGA-basierten Motorsteuerung mit extrem hoher Servoleistung gesteuert. Diese Steuerung ist so klein, dass sie direkt auf dem Träger montiert ist. Damit werden als einzige bewegliche Kabel nur noch die Stromversorgung und die Kommunikationsverbindung zum PC benötigt. Die Bandbreite ist bis zu 40mal höher als im ursprünglichen System, sodass sich das System durch sehr hohe Leistung und hervorragende haptische Eigenschaften sowie eine dezentrale Ansteuerungsarchitektur auszeichnet.

Der Nutzen:
Extrem hohe Leistung und überlegene Nachbildung der Realität

Die Erwartungen des Kunden an die optimale Steuerung wurden mehr als erfüllt. Das Produkt ist ausgesprochen wettbewerbsfähig und arbeitet jetzt mit vier anstatt drei Instrumententrägern, wodurch die Produkteigenschaften noch weiter optimiert wurden und den Nutzern noch weitere Möglichkeiten zur Verfügung stehen. Darüber hinaus können ggf. noch weitere Träger hinzugefügt werden.

  • Durch die FPGA-basierte Motorsteuerung von Unjo wird der Simulator extrem leistungsfähig und ermöglicht eine überlegen realitätsnahe Simulation.
  • Das System ist robust, einfach und kostengünstig zugleich, denn die Steuerung ist kompakt, leicht und kann in unmittelbarer Nähe der Motoren installiert werden.
  • Durch die auf ein Minimum reduzierte Verkabelung werden die Kosten, die Montagezeit und der Platzbedarf reduziert.

Warum sollten Sie sich für Unjo entscheiden?
Kompakte FPGA-basierte Motorsteuerungslösung macht 40mal schneller

Unjos bewährte Technologie für kundenspezifische, FPGA-basierte Motorsteuerung und ein genaues Verständnis der Bedürfnisse des Kunden führten zu einer erheblich besseren Simulationsleistung und einer Vergrößerung der Regelschleifenbandbreite um das bis zu 40fache, wobei nur noch kompakte, unmittelbar an den Instrumententrägern angebrachte Motorsteuerungen in einer dezentralen Ansteuerungsarchitektur zum Einsatz kamen.

 

Weiterführende Informationen/Links:

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