L’RP-Vita è l’ultimo arrivato nella famiglia dei prodotti di presenza remota (Remote Presence, RP) offerti da InTouch. Oltre all’RP-Xpress, un’unità portatile per teleconsulti wireless, l’azienda offre altri due carrelli di telepresenza manuali: uno è l’RP-Lite, da usare in Pronto Soccorso (PS) e nell’Unità di Terapia Intensiva (UTI), l’altro è l’RP-Vantage, un’unità di telepresenza chirurgica dotata di telecamera installata sul braccio che può essere posizionata su un campo sterile da un utente remoto. L'RP-7i rappresenta il primo passo dell'azienda verso i robot autonomi di telepresenza. Quando la InTouch si è accinta a progettare il suo sistema più recente, l’RP-Vita, la compagnia ha cercato di costruire una versione antropomorfica in grado di dirigersi, su richiesta, verso una posizione pre-mappata o di dare a un operatore a distanza il controllo completo delle manovre nonché della comunicazione, degli elementi ottici e dei dati.
L’RP-Vita consiste in un “busto” di circa 125 cm su cui è montato un display che funge da testa, sia per la forma che per la sua funzione. Il robot è dotato di una suite di sensori, dai telemetri laser al sonar, che consentono di mappare l'infrastruttura in 3D con funzioni di prevenzione degli ostacoli. I canali I/O multipli consentono una comunicazione bidirezionale tra dottori, pazienti e personale sanitario, facilitando al contempo l’interfacciamento con le apparecchiature di diagnostica. Il controllo può avvenire a distanza via iPad o in loco grazie ad un touchscreen integrato.
Radunare così tante funzionalità in un’unità relativamente compatta ha rappresentato non poche sfide. Oltre a dover soddisfare requisiti quali il basso rumore acustico e l’alto rendimento per prolungare la durata delle batterie, il sistema doveva anche rispettare i severi standard di sicurezza medica con rigorose limitazioni in termini di emissioni irradiate e rumore elettrico. A differenza dei robot industriali, l’RP-Vita si muove dentro l’ambiente ospedaliero, entra ed esce dalle stanze, a volte teleguidato dal personale a distanza e altre volte in modo autonomo. Doveva essere veloce, affidabile ed esteticamente gradevole. Soprattutto però doveva essere sicuro ed affidabile. “Non può essere utilizzato per tutto il giorno, ma se arriva un paziente colpito da ictus e si deve interagire con uno specialista di un ospedale nelle vicinanze, il robot deve essere online e completamente funzionante”, dice Daniel Sanchez, Direttore del reparto di ingegneria meccanica ed elettrica di InTouch.
Panoramica ed inclinazione
Gli occhi e le orecchie di un medico sono essenziali per effettuare la diagnosi e scegliere le terapie da attuare. Proprio come altri dispositivi della gamma RP, anche l’RP-Vita presenta due telecamere ad alta definizione integrate nel display. Una telecamera è dotata di obiettivo fish-eye (“a occhio di pesce”) per un campo visivo a 180°, l’altra ha uno zoom ottico che ingrandisce più di 20 volte, offrendo in totale una capacità di ingrandimento effettiva di 120 volte tra le due telecamere. Questo consente al medico di fare tutto a distanza, dal percorrere i corridoi al soffermarsi sugli occhi di un paziente colpito da ictus per ingrandirli.
Naturalmente, anche la migliore telecamera del mondo è inutile se non è orientata nella direzione giusta. Tutti i robot mobili RP di InTouch sono dotati per il loro display di funzioni di panoramica ed inclinazione ad alta risoluzione. Nel caso dell’RP-Vantage e dell’RP-Lite, i display sono fissati a un “collo” cilindrico sufficientemente largo da poter ospitare i componenti per entrambi gli assi di movimento. Il “collo” dell’RP-Vita è completamente diverso sia per forma che per dimensioni: misura infatti soltanto 10,1 cm di larghezza e 3,8 cm di spessore. Qui non era possibile installare due set di motori, riduttori, encoder, accoppiamenti, ecc. in uno spazio così piccolo. In questo caso il team ha scelto di separare gli assi di movimento, collocando gli elementi per la panoramica nella zona delle “spalle”, nella parte alta del busto, e quelli per l’inclinazione nell’area in cui il display è fissato al “collo”.
Questo approccio presentava un unico ostacolo: in effetti il motore per la panoramica non solo doveva far muovere il display, bensì doveva anche azionare i componenti di movimento per l’asse d’inclinazione. I progettisti avevano bisogno di un motore per l’inclinazione che minimizzasse l’inerzia ma fornisse una forza sufficiente per inclinare il display dal peso di 2 kg a 90°/s. Al contempo, il motore per la panoramica doveva essere compatto. Sebbene l’area delle spalle nella parte alta del busto potrebbe sembrare sufficientemente spaziosa per installare un sottogruppo di movimento, in realtà gran parte di essa è già occupata. Da un lato c’è uno sportellino che ospita delle cuffie e uno stetoscopio, dall’altro una nicchia che nasconde un telefono per conversazioni private e varie porte di ingresso audio e video.
“Nonostante gli spazi siano strettissimi, i motori devono generare una buona quantità di coppia ed essere anche molto accurati”, afferma Sanchez. La soluzione è stata fornita dai motori DC coreless prodotti da FAULHABER. Invece del rotore dall’anima in ferro con avvolgimento in rame, le bobine del motore coreless sono progettate per essere autoportanti. “Il motore coreless ha una bassissima inerzia e questo è molto importante per noi”, osserva Sanchez. “Date le loro elevatissime caratteristiche di potenza-volume, i motori di FAULHABER sono l’ideale. Inoltre, presentano ottime caratteristiche in termini di rumore elettrico quando si tratta di emissioni irradiate che potrebbero provenire dalle spazzole”.
La precisione e la risoluzione erano aspetti cruciali per le prestazioni. Per via dell’ampia panoramica e dell’elevato rapporto di zoom, occorreva applicare ai motori una riduzione per raggiungere la risoluzione richiesta. L’RP-Vita usa due differenti motori: un motore DC dal diametro di 26 mm senza riduttore come input per un sistema di riduzione con azionamento armonico per l’inclinazione, e una seconda versione accoppiata con un riduttore planetario dal gioco ridotto come ingresso ad uno stadio di riduzione della puleggia per la panoramica. “Soprattutto per lo zoom ottico da 120:1 il gioco ridotto è essenziale per poter puntare in maniera accurata”, ha continuato. “Il gioco ridotto offerto dal riduttore planetario permette di ottenere ottime prestazioni”.
L’applicazione presentava anche altre sfide. Sebbene sia l’utente a distanza ad avere il pieno controllo della posizione del display, il paziente o il personale presente in loco potrebbero volerlo muovere magari per rendere l’interazione più confortevole o per dirigere l’attenzione del medico verso un’altra parte della stanza. “La capacità di back-drive dei sistemi di trasmissione è essenziale”, dice Sanchez. “Soprattutto perché per raggiungere questo movimento di precisione abbiamo bisogno di rapporti alquanto elevati e di ottenere la coppia di cui abbiamo bisogno”.
Il feedback
È impossibile ottenere un posizionamento accurato senza un feedback ad alta risoluzione. La domanda era solo quale tipo usare. Dato l’elevato rapporto di riduzione avevano bisogno di un encoder multigiro ma che entrasse in uno spazio ristretto. Un encoder incrementale avrebbe potuto soddisfare questo requisito ma si sarebbe reso necessario un rehoming dopo ogni interruzione dell’alimentazione. Nel caso dell’RP-Vantage, ad esempio, il rehoming durante le operazioni chirurgiche non poteva essere preso in considerazione.
Per questo il team di InTouch ha sviluppato una soluzione innovativa in grado di risolvere entrambi gli aspetti. Per monitorare la posizione assoluta, ogni asse di movimento è dotato di un potenziometro che funziona come un sensore di posizione assoluta. Allo stesso tempo, ogni asse ha anche un encoder incrementale magnetico per tenere traccia degli spostamenti da un determinato punto di partenza, consentendo all’utente di riposizionare il display in base alle proprie necessità. “Gli encoder magnetici a basso profilo sono l’ideale per noi in quanto sono di piccole dimensioni e hanno un’elevata risoluzione”, dice Sanchez. “Per noi sono stati fondamentali”. Una soluzione di controllo customizzata basata su FPGA (Field Programmable Gate Array) integra le informazioni e programma il percorso. In caso di interruzione dell’alimentazione e quindi di riavvio, il potenziometro mette al corrente il sistema sulla posizione assoluta di ogni asse all’interno del range di movimento, mentre il feedback a circuito chiuso dell’encoder incrementale monitora il riposizionamento.
Questo design si è rivelato quello giusto. Tuttavia, quando è arrivato il momento di passare alla produzione, il team di InTouch si è trovato di fronte al classico dilemma dei produttori di componentistica OEM: produrselo da soli o acquistarlo da altri? Nel caso di InTouch, l’azienda ha preferito continuare a concentrarsi sulla propria proposta di valore principale, che consiste nei sistemi di controllo e comunicazione, affidando al loro fornitore il compito di occuparsi del sottogruppo motore. Anziché assemblare da soli dei componenti discreti, hanno preferito acquistare un motore dotato di riduttore planetario integrato. Il sottogruppo realizzato da FAULHABER comprende anche l’encoder a basso profilo e vanta un cablaggio personalizzato. Ogni modulo fornito ha superato un’ispezione di qualità ed è pronto all’uso.
Si tratta di un approccio che funziona. InTouch conta attualmente 900 unità in campo e, in ognuna di loro, i sistemi di panoramica e d’inclinazione hanno funzionato senza errori. I sottogruppi di movimento fanno risparmiare tempo e denaro durante il processo di assemblaggio e forniscono le prestazioni richieste. Il connubio tra il design innovativo e la scelta di un fornitore di qualità come FAULHABER ha permesso a InTouch di portare alle comunità periferiche la medicina di domani già oggi.
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