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Moteurs FAULHABER DC dans robot de télémédecine d’InTouch Health

Le RP-Vita est le dernier né de la famille des solutions de présence à distance (Remote Presence, RP) d'InTouch. En plus de son unité portable pour les consultations sans fil RP-Xpress, la société fabrique deux modèles de chariots manuels de téléprésence : le RP-Lite, pour les urgences et les soins intensifs, et le RP-Vantage, une unité de téléprésence chirurgicale avec une caméra montée au bout d'un bras qui peut être positionné au-dessus d'un champ stérile par un utilisateur distant. Le RP-7i représente la première incursion de la société dans le domaine des robots autonomes de téléprésence. Lors de la conception de son système le plus récent, le RP-Vita, InTouch a cherché à construire une version anthropomorphique qui puisse naviguer à la demande vers une position pré-configurée ou donner à l'opérateur hors site un contrôle total sur le pilotage, ainsi que sur les communications, les images et les données.

Le RP-Vita consiste en un « torse » haut de 125 cm, surmonté d'un écran qui fait office de tête, tant dans sa forme que dans sa fonction. Le robot est équipé d'une série de capteurs, depuis le télémètre laser jusqu'au sonar, qui permettent de cartographier l'infrastructure en 3D avec des fonctions d'évitement d'obstacles. Les multiples voies d'entrée/sortie permettent une communication bidirectionnelle entre le médecin d'un côté et le patient et le personnel de l'autre, tout en facilitant l'interfaçage avec l'équipement de diagnostic. Le contrôle peut s'effectuer à distance au moyen d'un iPad ou sur place à l'aide d'un écran tactile intégré.

Rassembler autant de fonctionnalités dans une unité relativement compacte a présenté de nombreux défis. En plus de satisfaire à des exigences telles qu'un faible niveau de bruit sonore et un rendement élevé pour une plus longue durée de vie des piles, le système devait également répondre à des normes de sécurité médicale rigoureuses avec des limitations strictes sur les émissions rayonnées et le bruit électrique. Contrairement aux robots industriels, le RP-Vita se déplace dans l'environnement hospitalier, entrant et sortant des chambres, parfois piloté par un utilisateur hors site, d'autres fois de manière autonome. Il doit être agile, stable et esthétiquement attrayant. Mais surtout, il doit être sûr et fiable. « Il n'est peut-être pas utilisé toute la journée, mais lorsqu'un patient victime d'un AVC arrive et que le personnel doit interagir avec un spécialiste d'un hôpital voisin, le robot doit être en ligne et pleinement fonctionnel », explique Daniel Sanchez, directeur du génie mécanique et électrique chez InTouch.

Moteurs FAULHABER DC dans robot de télémédecine d’InTouch Health

Panoramique et inclinaison

Les yeux et les oreilles d'un médecin sont essentiels au diagnostic et au traitement. Comme pour les autres appareils de la famille RP, deux caméras haute définition sont intégrées dans l'écran du RP-Vita. L'une des caméras est dotée d'un objectif fish-eye pour un champ de vision de 180° ; l'autre offre un zoom optique supérieur à 20X. Au total, les deux systèmes de caméras permettent d'atteindre un zoom effectif global de 120X, si bien que le médecin hors site peut tout faire, de la navigation dans les couloirs jusqu'au zoom sur les yeux du patient victime d'AVC.

Bien sûr, même la meilleure caméra du monde ne vaut rien si elle n'est pas orientée dans la bonne direction. Tous les robots mobiles InTouch RP sont dotés de capacités de panoramique et d'inclinaison haute résolution pour leur affichage. Dans le cas du RP-Vantage et du RP-Lite, les écrans sont suspendus à un « cou » cylindrique suffisamment grand pour accueillir les composants des deux axes de mouvement. Le cou du RP-Vita est entièrement différent, tant par sa forme que par sa taille, puisqu'il ne mesure que 10 cm de large sur 4 cm d'épaisseur (voir figure 3). Il n'était pas possible d'installer les deux jeux de moteurs, réducteurs, encodeurs, accouplements, etc. dans cet espace. Au lieu de cela, l'équipe a séparé les axes de mouvement, en plaçant les éléments de panoramique dans la zone des « épaules » au sommet du torse et les éléments d'inclinaison là où l'écran est fixé au cou.

Il y a eu un seul problème avec cette approche : le moteur du panoramique devait non seulement déplacer l'écran, mais aussi les composants de mouvement de l'axe d'inclinaison. Les concepteurs avaient besoin d'un moteur d'inclinaison qui minimise l'inertie tout en fournissant suffisamment de muscle pour incliner l'écran de 2 kg à 90 degrés/s. Le moteur de panoramique devait également être compact. Bien que la zone des épaules en haut du torse semble offrir beaucoup de place pour un sous-ensemble de mouvement, en réalité, une grande partie de l'espace est déjà occupée. D'un côté, un casier de rangement contient un casque et un stéthoscope ; de l'autre, un renfoncement cache un téléphone pour permettre une conversation privée, ainsi que divers ports d'entrée audio et vidéo.

« Nous travaillons dans un espace tellement restreint, mais les moteurs doivent générer un bon couple et être très précis », explique M. Sanchez. La solution retenue a été celle des moteurs C.C. sans noyau de FAULHABER. Au lieu d'un rotor constitué d'un noyau de fer enveloppé de cuivre, les bobines du moteur sans noyau sont conçues pour être autoportantes. « La très faible inertie du moteur sans noyau est importante pour nous, observe-t-il. Les moteurs de FAULHABER présentent un rapport puissance/volume très élevé, ce qui est idéal. Ils offrent également de très bonnes caractéristiques de bruit électrique lorsqu'il s'agit de tenir compte des émissions rayonnées qui pourraient provenir des balais. »

Moteurs FAULHABER DC dans robot de télémédecine d’InTouch Health
Le module d'affichage et de caméra du RP-Vita dispose de capacités d'inclinaison là où l'écran est attaché au « cou » et de capacités de panoramique dans la région des « épaules », là où le cou est attaché au torse.

La précision et la résolution sont essentielles à la performance. Avec un grand panoramique et un taux de zoom élevé, une réduction des moteurs s'est avérée nécessaire pour obtenir la résolution requise. Le RP-Vita utilise deux moteurs C.C. différents : un de 26 mm de diamètre sans réducteur en tant qu'entrée d'un système de réduction d'entraînement harmonique pour l'inclinaison et un second couplé à un réducteur planétaire de faible jeu en tant qu'entrée d'un étage de réduction de poulie pour le panoramique. « En particulier avec le zoom effectif de 120:1, un faible jeu est essentiel pour pouvoir viser avec précision, ajoute-t-il. Le faible jeu garanti par le réducteur planétaire nous permet d'obtenir de très bonnes performances. »

L'application a également présenté d'autres défis. Bien que l'utilisateur à distance ait le contrôle total du positionnement de l'écran, le patient ou le personnel sur place peut également vouloir le déplacer, soit pour rendre l'interaction plus confortable, soit pour diriger l'attention du médecin vers une autre partie de la pièce. « La possibilité pour les systèmes de transmission de reculer est essentielle, explique M. Sanchez, d'autant plus que nous disposons de rapports assez élevés pour réaliser ce mouvement précis et obtenir le couple dont nous avons besoin. »

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Rétroaction

Il est impossible d'obtenir un positionnement précis sans une rétroaction de haute résolution. La question était de savoir quel type utiliser. En raison du rapport de réduction élevé, on avait besoin d'un codeur multitours, mais celui-ci devait tenir dans un espace limité. Un codeur incrémental pouvait satisfaire cette exigence, mais il devait être réinitalisé après chaque interruption de courant. Dans le cas du RP-Vantage, par exemple, la réinitialisation pendant l'intervention n'était tout simplement pas envisageable.

L'équipe InTouch a mis au point une solution hybride innovante qui a permis de résoudre ces deux problèmes. Pour surveiller la position absolue, chaque axe de mouvement comprend un potentiomètre qui fonctionne comme un capteur de position absolue. En même temps, chaque axe dispose également d'un codeur magnétique incrémental pour suivre le déplacement à partir d'un certain point de départ, ce qui permet à l'utilisateur de repositionner l'écran selon ses besoins. « De par leur faible facteur de forme et leur haute résolution, les codeurs magnétiques à profil bas sont idéaux pour nous », explique M. Sanchez. Une solution de contrôle personnalisé basée sur un FPGA intègre les informations et effectue la planification des chemins. En cas d'interruption et de redémarrage du courant, le potentiomètre renseigne le système sur la position absolue de chaque axe dans la plage de mouvement et la rétroaction en boucle fermée du codeur incrémental surveille le repositionnement.

C'était une conception efficace. Cependant, lorsque le moment est venu de passer à la production, l'équipe d'InTouch a été confrontée au dilemme classique d'un OEM : construire ou acheter ? Dans le cas d'InTouch, l'équipe a choisi de se concentrer sur leur proposition de valeur fondamentale, à savoir les commandes et les communications, et de laisser le sous-ensemble moteur au fournisseur de mouvement. Au lieu d'assembler des composants discrets, elle achète un moteur avec réducteur planétaire intégré. Le sous-ensemble de FAULHABER comprend également le codeur à profil bas et un câblage personnalisé. Chaque module qui arrive a passé un contrôle de qualité et est prêt à l'emploi.

C'est une approche qui fonctionne. InTouch compte actuellement plus de 900 unités sur le terrain, et dans chacune d'entre elles, les systèmes de panoramique et d'inclinaison fonctionnent sans faille. Les sous-ensembles de mouvement permettent d'économiser du temps et de l'argent lors de l'assemblage et de fournir les performances nécessaires. La combinaison d'une conception innovante et de la qualité du fournisseur FAULHABER a permis à InTouch de faire bénéficier les communautés périphériques de la médecine de demain, dès aujourd'hui.

Produits

Micromoteurs C.C.
2642 ... CR
Commutation graphite
Fiche technique (PDF)
Particularités clés
Tension nominale:
12 ... 48 V
Couple nominal jusqu'à:
32 mNm
Vitesse à vide jusqu'à:
6500 min⁻¹
Couple à l’arrêt jusqu'à:
144 mNm
Diamètre:
26 mm
Longueur:
42 mm
Série 2642 ... CR
Informations complémentaires

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