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I robot di telemedicina portano la competenza in aree remote

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Il modulo display/camera di RP-Vita è dotato di capacità di inclinazione dove il "collo" si attacca al display e di capacità di panoramica nella regione della "spalla" dove il collo si attacca al busto.

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C'era una telemedicina a tempo che significava tenere un monitor della frequenza cardiaca fino al ricevitore del telefono per riprodurre un segnale acustico. I moderni robot di telepresenza come RP-Vita di InTouch Health fanno molto di più che mettere le informazioni diagnostiche di un paziente nelle mani di un medico fuori sede; creano una presenza virtuale che permette sia al medico che al paziente di avere un'esperienza sorprendentemente vicina alla realtà. Grazie ai sofisticati controlli, all'imaging avanzato e ai piccoli e silenziosi motori a corrente continua di FAULHABER, InTouch porta l'assistenza medica di alto livello ai più lontani confini del mondo.

L'RP-Vita è l'ultima di una famiglia di offerte di presenza a distanza (RP) di InTouch. Oltre all'RP-Xpress, un'unità portatile per la consultazione senza fili, l'azienda realizza una coppia di carrelli per la telepresenza manuale: l'RP-Lite, per l'uso in ER e in terapia intensiva; e l'RP-Vantage, un'unità di telepresenza chirurgica con una telecamera montata sul braccio che può essere posizionata su un campo sterile da un utente remoto. L'RP-7i rappresenta la prima incursione dell'azienda nei robot di telepresenza autonomi. Quando si è trattato di progettare il suo sistema più recente, l'RP-Vita, InTouch ha cercato di costruire una versione antropomorfa in grado di navigare verso una posizione pre-mappata su richiesta o di dare all'operatore fuori sede il pieno controllo dello sterzo, così come delle comunicazioni, delle immagini e dei dati.

L'RP-Vita consiste in un "torso" alto 49 pollici sormontato da un display che funge da testa, sia nella forma che nella funzione. Il robot dispone di una serie di sensori che vanno dai rilevatori di portata laser al sonar che fornisce una mappatura 3-D della struttura con capacità di elusione degli ostacoli. I canali I/O multipli consentono la comunicazione bidirezionale tra medico, paziente e personale, rendendo al tempo stesso facile l'interfaccia con le apparecchiature diagnostiche. Il controllo può avvenire in remoto tramite iPad o in loco utilizzando un touchscreen integrato.

Imballare così tante funzionalità in un'unità relativamente compatta presentava molte sfide. Oltre a soddisfare requisiti come la bassa rumorosità udibile e l'alta efficienza per una maggiore durata della batteria, il sistema doveva anche soddisfare severi standard di sicurezza medica con severe limitazioni sulle emissioni irradiate e sul rumore elettrico. A differenza dei robot industriali, l'RP-Vita si muove all'interno dell'ambiente ospedaliero, viaggiando dentro e fuori le stanze, a volte pilotato dall'utente fuori sede e altre volte viaggiando in modo autonomo. Doveva essere agile, affidabile ed esteticamente accattivante. Soprattutto, però, doveva essere sicuro e affidabile. "Potrebbe non essere usato tutto il giorno, ma quando un paziente con ictus arriva e ha bisogno di interagire con uno specialista di un ospedale vicino, il robot deve essere online e completamente funzionante", dice Daniel Sanchez, direttore dell'ingegneria meccanica ed elettrica di InTouch.

Pan e Tilt

Gli occhi e le orecchie di un medico sono essenziali per la diagnosi e il processo di trattamento. Come gli altri dispositivi della famiglia RP, l'RP-Vita integra nel suo display due telecamere ad alta definizione. Una telecamera è dotata di un obiettivo a occhio di pesce per un campo visivo di 180°; l'altra offre uno zoom ottico superiore a 20X, offrendo una capacità di zoom effettivo complessivo di 120X tra i due sistemi di telecamere, consentendo al medico fuori sede di fare tutto, dalla navigazione nei corridoi allo zoom sugli occhi di un paziente colpito da ictus.

Naturalmente, anche la migliore macchina fotografica del mondo non vale nulla se non punta nella giusta direzione. Tutti i robot RP mobili InTouch includono capacità di pan e tilt ad alta risoluzione per la loro visualizzazione. Nel caso di RP-Vantage e RP-Lite, i display pendono da un "collo" cilindrico abbastanza grande da accogliere i componenti per entrambi gli assi di movimento. Il collo dell'RP-Vita è completamente diverso sia nella forma che nelle dimensioni, e misura solo 4 pollici di larghezza per 1,5 pollici di spessore. Non è stato possibile montare i due gruppi di motori, riduttori, encoder, accoppiamenti, ecc. in quello spazio. Invece, il team ha separato gli assi di movimento, localizzando i componenti della pentola nella zona "spalla" nella parte superiore del busto e gli elementi di inclinazione dove il display si attacca al collo.

C'è stato solo un intoppo in questo approccio: Ora, il motore pan non solo doveva spostare il display, ma doveva anche spostare i componenti di movimento per l'asse di inclinazione. I progettisti avevano bisogno di un motore di inclinazione che minimizzasse l'inerzia e allo stesso tempo fornisse un muscolo sufficiente per scansionare il display da 5 libbre a 90 gradi/s. Anche il motore pan doveva essere compatto. Anche se l'area della spalla del torso sembra offrire molto spazio per un sottoinsieme di movimento, in realtà gran parte dello spazio è occupato. Da un lato, un gavone per riporre le cuffie e lo stetoscopio; dall'altro lato, la rientranza nasconde un telefono per consentire la conversazione privata, oltre a varie porte di ingresso audio e video.

"Stiamo lavorando con uno spazio così ridotto, ma i motori devono generare una buona quantità di coppia e devono anche essere molto precisi", dice Sanchez. La soluzione si è dimostrata essere i motori CC senza nucleo FAULHABER di FAULHABER. Invece di un rotore che consiste in un nucleo di ferro avvolto in rame, le bobine del motore senza nucleo sono progettate per essere autoportanti. "La bassissima inerzia del motore senza nucleo è importante per noi", osserva. "Le caratteristiche di potenza e volume molto elevate dei motori FAULHABER sono ideali". Offrono anche ottime caratteristiche di rumorosità elettrica quando si tratta di emissioni irradiate che potrebbero provenire dalle spazzole"

L'accuratezza e la risoluzione sono state fondamentali per le prestazioni. Con un'ampia panoramica e un elevato rapporto di zoom, i motori dovevano essere orientati verso il basso per raggiungere la risoluzione richiesta. L'RP-Vita utilizza due motori diversi: un motore a corrente continua di 26 mm di diametro senza testa del riduttore come ingresso ad un sistema di riduttore armonico per l'inclinazione e una seconda versione accoppiata ad una testa del riduttore epicicloidale a gioco ridotto come ingresso ad uno stadio di riduzione della puleggia per il pan. "Soprattutto con l'efficace zoom 120:1, il gioco ridotto è fondamentale per poter puntare con precisione", dice. "Abbiamo ottime prestazioni grazie al gioco ridotto offerto dal riduttore epicicloidale"

L'applicazione presentava anche altre sfide. Sebbene l'utente remoto abbia il pieno controllo del posizionamento del display, il paziente o il personale sul posto potrebbe volerlo spostare, sia per rendere più confortevole l'interazione, sia per dirigere l'attenzione del medico verso un'altra parte della stanza. "La capacità dei sistemi di trasmissione di retro-guidare è fondamentale", dice Sanchez, "soprattutto se si considera che abbiamo rapporti piuttosto elevati per ottenere questo preciso movimento e ottenere la coppia di cui abbiamo bisogno"

Feedback

È impossibile ottenere un posizionamento accurato senza un feedback ad alta risoluzione. La domanda era di che tipo utilizzare. A causa dell'elevato rapporto di riduzione, avevano bisogno di un encoder multigiro, ma doveva adattarsi ad uno spazio limitato. Un encoder incrementale poteva soddisfare questo requisito, ma avrebbe dovuto essere reinserito dopo ogni interruzione dell'alimentazione. Nel caso dell'RP-Vantage, ad esempio, il reinserimento durante l'intervento chirurgico non era semplicemente un'opzione.

Il team InTouch ha sviluppato una soluzione ibrida innovativa che ha affrontato entrambe le questioni. Per monitorare la posizione assoluta, ogni asse di movimento include un potenziometro che funziona come un sensore di posizione assoluta. Allo stesso tempo, ogni asse ha anche un encoder magnetico incrementale per tracciare lo spostamento da un certo punto di partenza, permettendo all'utente di riposizionare il display come richiesto. "Gli encoder magnetici a basso profilo sono ideali per noi grazie al loro piccolo fattore di forma e all'alta risoluzione", dice Sanchez. "E' la chiave per noi" Una soluzione di controllo personalizzata basata su FPGA integra le informazioni ed esegue la pianificazione del percorso. In caso di interruzione e riavvio dell'alimentazione, il potenziometro fornisce al sistema la conoscenza della posizione assoluta di ogni asse all'interno del campo di movimento e la retroazione ad anello chiuso del riposizionamento dei monitor dell'encoder incrementale.

È stato un design efficace. Quando è arrivato il momento di andare in produzione, però, il team di InTouch si trova ad affrontare il classico dilemma di un OEM: costruirlo o comprarlo? Nel caso di InTouch, hanno scelto di concentrarsi sulla loro proposta di valore fondamentale di controlli e comunicazioni e di lasciare il sottoinsieme del motore al fornitore del movimento. Invece di assemblare componenti discreti, acquistano un motore con un riduttore epicicloidale integrato. Il sottoinsieme di FAULHABER integra anche l'encoder a basso profilo e aggiunge un cablaggio personalizzato. Ogni modulo che arriva ha superato il controllo di qualità ed è pronto per l'uso.

È un approccio che funziona. Attualmente InTouch dispone di oltre 900 unità sul campo e in ognuna di esse i sistemi pan e tilt hanno funzionato senza problemi. I sottoinsiemi di movimento fanno risparmiare loro tempo e denaro nel processo di assemblaggio e forniscono le prestazioni di cui hanno bisogno. La combinazione di un design innovativo con un fornitore di qualità come FAULHABER ha permesso a InTouch di portare la medicina di domani alle comunità periferiche, oggi

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