RP staat voor Remote Presence: aanwezigheid op afstand. De RP-Vita is een van de meest recente RP-producten van InTouch. Het bedrijf produceert de RP-Xpress, een draagbaar apparaat voor consulten op afstand, en ook twee carts voor hands-on tele-aanwezigheid: de RP-Lite voor eerste hulp en intensive care en de RP-Vantage voor operatieruimtes, met een camera aan een kraan die door een gebruiker op afstand over een steriel werkveld kan worden geplaatst. De RP-7i is de eerste autonome robot voor tele-aanwezigheid die het bedrijf heeft ontworpen. Voor het ontwerp van zijn meest recente systeem, de RP-Vita, wilde InTouch een antropomorfe versie bouwen die zelf naar een vooraf ingesteld positie kan navigeren als dat nodig is. Daarnaast moest het ook mogelijk zijn om de besturing over te dragen aan een operator op afstand, die dan de controle heeft over de aansturing, communicatie, visuele technologie en gegevens.
De RP-Vita heeft een “lichaam” van 124,5 cm, met een display erbovenop dat als hoofd fungeert – qua uiterlijk en qua functies. De robot is voorzien van uiteenlopende sensoren, van laserbereikzoekers tot sonar om de omgeving driedimensionaal in kaart te brengen en obstakels te vermijden. Diverse I/O-kanalen maken communicatie mogelijk tussen arts, patiënten en behandelaars ter plaatse en ondersteunen de aansturing van de diagnostische apparatuur. De robot kan op afstand worden bediend via een iPad, of ter plaatse via een ingebouwd touchscreen.
Om zoveel functionaliteit in een relatief kleine robot in te bouwen, moest het ontwerpteam de nodige problemen oplossen. De systeemvereisten waren onder andere een lage geluidsproductie en een hoge efficiëntie voor een langere batterijduur. Maar voor deze robot gelden ook de strenge veiligheidsvereisten voor medische toepassingen, met bijzonder lage limieten voor de stralingsemissies en elektrische ruis. In tegenstelling tot industriële robots beweegt de RP-Vita zich door een ziekenhuisomgeving. Hierbij gaat hij kamers in en uit, soms aangestuurd door de operator op afstand en soms autonoom. Het design moest “lichtvoetig” zijn, en er ook nog eens goed uitzien. Maar de belangrijkste eisen waren duidelijk: betrouwbaarheid en veiligheid. Daniel Sanchez, Director of Mechanical & Electrical Engineering bij InTouch, licht de specificaties toe: “Misschien wordt de robot niet de hele dag gebruikt. Maar als er een patiënt binnen wordt gebracht met een beroerte en er is contact nodig met een specialist uit een ander ziekenhuis, dan moet de robot online zijn en volledig werken.”
Draaien en kantelen
Artsen moeten bij diagnoses en behandelingen kunnen zien en horen wat er speelt. Net als andere apparaten in de RP-productreeks zijn er bij de RP-Vita twee HD-camera's ingebouwd in het display. Eén camera heeft een vissenooglens voor een blikveld van 180°. De andere camera levert een optische zoom van meer dan factor 20, voor een gecombineerde zoomcapaciteit van factor 120 voor beide camera's. Zo kan de arts op afstand navigeren door de gangen van een ziekenhuis, maar ook inzoomen op de ogen van een patiënt met een beroerte.
Zelfs de allerbeste camera is echter waardeloos, als hij niet in beeld brengt wat de arts wil kunnen zien. Alle mobiele RP-robots van InTouch kunnen hun displays bijzonder nauwkeurig pannen – roteren – en kantelen. Bij de RP-Vantage en de RP-Lite hangt het display aan een soort cilindervormige hals, die groot genoeg is om componenten voor beide bewegingsassen in te bouwen. De hals van de RP-Vita is compleet anders, zowel qua vorm als formaat: slechts 10,16 cm breed en 3,80 cm dik. Het was niet mogelijk om in deze krappe ruimte twee sets met motoren, tandwielkasten, encoders, koppelingen etc. in te passen. Het team koos er daarom voor om de bewegingsassen van elkaar te scheiden. De componenten voor de roterende beweging zitten in de “schouder” bovenaan de torso van de robot, de aandrijving van de kanteling is ingebouwd bij de aansluiting tussen display en hals.
Die benadering had echter wel een nadeel. De motor voor de rotatie moest nu niet alleen het display bewegen, maar ook de bewegingscomponenten voor de kantelingsas. De ontwerpers hadden een kantelmotor nodig met minimale inertie en voldoende kracht om het display van 2,27 kg met 90 graden per seconde te bewegen. Ook de motor voor de rotatie moest compact zijn. Hoewel het misschien lijkt alsof er in het schoudergebied voldoende ruimte is voor de inbouw van een bewegingsapparaat, was veel van deze ruimte al vergeven. Aan de ene kant bevindt zich een opslagruimte met een headset en stethoscoop, aan de andere kant een telefoon voor afgeschermde gesprekken en diverse ingangspoorten voor audio- en videosignalen.
Sanchez: “We moeten werken met een ontzettend krappe ruimte, maar de motoren moeten wel een fors koppel kunnen genereren. En ze moeten heel erg nauwkeurig zijn.” Ze vonden een geschikte oplossing met de FAULHABER kernloze DC-motoren van FAULHABER. Kernloze motoren bevatten geen ijzeren kern die omwikkeld is met koper. De spoelen zijn zo ontworpen dat ze hun vorm zelf behouden. “Voor ons is de bijzonder lage motorinertie van de kernloze motor belangrijk”, vertelt Sanchez. “De motoren van FAULHABER leveren ontzettend veel kracht in verhouding met hun volume, dat is ideaal. En ze hebben ook uitstekende eigenschappen als het gaat om elektrische ruis van de mogelijke stralingsemissies door de borstels.”
Essentieel voor de performance in deze toepassing: nauwkeurigheid en een hoge resolutie. Het brede rotatiebereik en de hoge zoomverhouding betekenden dat de motoren moesten worden teruggeschakeld om de vereiste resolutie te kunnen behalen. In de RP-Vita zijn twee verschillende motoren ingebouwd: een DC-motor van 26 mm zonder tandwielkast als input naar een harmonisch aandrijfsysteem voor de kanteling, en een tweede versie die is aangesloten op een planetaire tandwielkast met weinig speling, als input voor de riemschijfreductie voor de rotatie. “Vooral met een zoomfactor van effectief 120:1 is een bijzonder kleine speling essentieel, zodat we de camera goed kunnen richten”, vertelt hij. “Dankzij de kleine speling levert de planetaire tandwielkast een uitstekende performance.”
De toepassing had nog meer uitdagingen voor de ontwerpers. De behandelaar op afstand heeft de volledige controle over de displaypositie, maar de patiënt of het personeel bij de robot kan ook de behoefte hebben om het display te verplaatsen – om de interactie comfortabeler te maken of om de aandacht van de behandelaar naar een ander punt in de ruimte te sturen. “De transmissiesystemen moeten kunnen omkeren”, licht Sanchez toe, “zeker omdat we behoorlijk hoge overdrachtsverhoudingen moeten halen voor de precieze bewegingen en het koppel dat we nodig hebben.”
Terugkoppeling
Zonder hi-res feedback is nauwkeurige positionering onmogelijk. De vraag was: welk type? Vanwege de hoge reductieverhouding had het team een multi-turn encoder nodig, maar die moest wel in de beperkte ruimte passen. Een incrementele encoder zou wat dat betreft een optie zijn, maar die vereist na iedere stroomonderbreking een “rehoming” om de uitgangspositie opnieuw bepalen. Bij de operatierobot RP-Vantage is rehoming van de encoder tijdens een inzet echter niet mogelijk.
Het team van InTouch ontwierp een innovatieve hybride oplossing, die beide aspecten afdekt. Om de absolute positie te monitoren is iedere bewegingsas voorzien van een potentiometer die fungeert als positiesensor. Tegelijkertijd heeft iedere as ook een incrementele magnetische encoder die de verplaatsing vanaf een specifiek startpunt bijhoudt, zodat de gebruiker het display naar behoefte kan herpositioneren. “De kleine magnetische encoders zijn voor ons ideaal vanwege de hoge resolutie en de compacte bouw”, legt Sanchez uit. “Dat is voor ons ontzettend belangrijk.” Een aangepaste besturing op basis van een FPGA integreert de gegevens en voert de planning van het bewegingspad uit. Bij een stroomonderbreking en herstart geeft de potentiometer het systeem de absolute positie van iedere as binnen het bewegingsbereik, en closed-loop feedback van de incrementele encoder bewaakt de herpositionering.
Het bleek een effectief ontwerp. Voor de productie stond het team echter voor het klassieke dilemma van iedere OEM: bouwen of kopen? InTouch koos ervoor om de motorproductie over te laten aan een motorleverancier, zodat het team zich kon concentreren op hun eigen toegevoegde waarde: aansturing en communicatie. Ze monteren daarom aparte componenten, maar kopen een motor met een geïntegreerde planetaire tandwielkast. De aandrijfset van FAULHABER wordt geleverd met geïntegreerde, compacte encoder en aangepaste bekabeling. Iedere aangeleverde module heeft de kwaliteitstests al doorstaan en is klaar voor gebruik.
De benadering werkt. Er zijn momenteel ruim 900 robots van InTouch in gebruik en in iedere robot werken de systemen voor het draaien en kantelen probleemloos. De geïntegreerde bewegingssystemen besparen tijd en geld in het productieproces en leveren de vereiste performance. Met innovatief ontwerp en hoogwaardige leveranciers als FAULHABER kan InTouch de geneeskunde van morgen vandaag al leveren in afgelegen gebieden.
Producten
