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医疗应用案例 | Faulhaber驱动远程医疗机器人,为偏远地区提供优质医疗服务

供稿:福尔哈贝传动技术(太仓)有限公司
发布时间:2020-05-08

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以往,在远程医疗中,需要将心率监测器放到电话接收器前来传递声音信号。而现代远程机器人,例如InTouch Health远程医疗公司的医疗机器人RP-Vita,不仅能将患者的诊断信息发送给异地医生,还能让医生和患者获得与真实场景相似的体验。通过精确的控制、先进的成像技术和FAULHABER小巧且安静的直流电机,InTouch可为全球最偏远地区提供优质的医疗服务。

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RP-Vita医疗机器人是InTouch远程会诊 (RP) 系列产品中的新品。除了用于无线会诊的RP-Xpress手持式设备外,该公司还推出了两款手动远程会诊车:一种是用于急诊室和重症监护室的RP Lite,另一种是带有吊杆式摄像头的RP Vantage外科远程会诊设备,远程用户可在无菌区内定位。RP-7i的推出标志着该公司开始涉足自主远程医疗机器人领域。在设计最新的RP-Vita系统时,InTouch拟打造一个可按需导航到预设位置的拟人化产品,或者让非现场操作者完全控制转向、通信、视觉和数据。

 

RP-Vita拥有一个高约1.2米的机体,其顶部配有显示器,肩负着重要功能。该机器人还配有从激光测距仪到声纳的一系列传感器,可提供含避障功能在内的3D地图。其多个I/O通道可供医生、患者和员工之间双向交流,同时可与诊断设备轻松连接。用户还可通过iPad进行远程控制,或使用内置触摸屏进行现场控制。

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这是一种非常有效的方法。目前,InTouch已在现场安装了900多台设备,其平移和倾斜系统的性能均无故障

 

将如此多的功能集成到相对紧凑的单元中,会带来很多挑战。除了要满足低噪音、高效率以延长电池寿命等要求外,该系统还需满足严格的医疗安全标准,并对辐射和电气噪声有严格的限制。与工业机器人不同的是,RP-Vita在医院环境中移动、进出病房,有时由非现场用户操作,有时则是自主行进,因此需要灵活、可靠及美观。不过,最为重要的是,它必须安全可靠。“它可能不会整天处于使用中,但当中风患者需要与医院专家进行会诊时,该机器人需要在线且功能完整。”InTouch机械电气工程部总监Daniel Sanchez说道。

 

在诊断和治疗过程中,医生的眼睛和耳朵是必不可少的。与RP系列其他设备一样,RP-Vita的显示屏内置两个高清摄像头。其中一个采用鱼眼镜头,拥有180°视野;另一个具有高于20倍的光学变焦功能,两个摄像头可提供120倍的整体有效变焦,这便于非现场医生完成从走道导航到放大中风患者的眼睛等一切操作。

  

当然,如果方向不对,即使是世界上最好的摄像头也毫无意义。InTouch所有的移动RP机器人都具有高精度平移和倾斜显示功能。RP-Vantage和RP-Lite的显示屏均悬挂在圆柱形机体的“颈部”,可容纳两个运动轴组件。RP-Vita的“颈部”宽约10.2厘米、厚达3.8厘米,但是,要装下两组电机、变速箱、编码器、联轴器等部件是不可能的。为此,团队将运动轴分开,将平移组件放在机体顶部的“肩部”区域,将倾斜元件放在显示器连接颈部的区域。

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RP-Vita显示屏/摄像头模块具有倾斜功能(位于“颈部”连接到显示屏区域)和平移功能(位于“肩部”区域,也是颈部连接到躯干的区域)

 

不过,这种方法有一个缺陷:平移电机不仅要移动显示屏,还要移动倾斜轴的运动组件。设计师们需要一种既能将惯性降到最低的倾斜电机,还能提供足够的动力以实现90度/秒的速度来扫描2.3 kg重的显示屏。平移电机同样需要采用紧凑型设计。尽管机体的“肩部”看似拥有足够的空间来容纳运动组件,但实际上大部分已被占用。其一侧设有储物柜,装有耳机和听诊器;另一侧有凹槽,装有电话,以及各种音频和视频输入端口。

 

“我们的工作空间非常狭小,但电机需要足够大的扭矩,还得非常精确,”Sanchez说道,“为此,我们选用了FAULHABER无芯直流电机,其线圈采用自支撑设计,而非铜包铁芯转子。无芯电机具有极低的电机惯性,这非常重要,FAULHABER驱动的高功率体积比非常理想,在电刷产生辐射时,还能提供较低的电气噪声。”

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FAULHABER微驱动系统为医疗机器人节省了装配时间和成本,并提供所需的性能。

 

精度和分辨率对性能至关重要。在范围较广的平移和较高的变焦比情况下,电机必须减速才能达到所需的分辨率。RP-Vita使用两种电机:一种是不带减速箱,直径为26毫米的直流电机,用作倾斜谐波驱动齿轮系统的输入;另一种是与低背隙行星减速机耦合的电机,用作平移皮带轮减速机的输入。特别是在有效120:1变焦时,低背隙是关键,这样可实现精确定位。由于行星减速机具有低背隙,因此性能卓越。

 

该应用还带来其他挑战。尽管远程用户能完全控制显示屏的定位,但患者或现场工作人员有时想移动显示屏,让会诊更舒,或者将医生的注意力引到不同的地方。Sanchez表示,“传动系统的反向驱动能力也很关键,特别是通过高减速比来实现精确运动并获得所需扭矩时。”

 

如果没有高分辨率的反馈信息就无法得到精确定位,问题是使用哪种编码器。由于减速比较高,需要一个多圈编码器,但必须在有限空间内使用。虽然增量编码器能满足这一要求,但每次电源中断后都需要重新定位。以RP-Vantage为例,在手术期间重新定位根本不可行。

 

InTouch团队开发了一种创新的混合解决方案,解决了这两个问题。为了监测绝对位置,每个运动轴都包括一个电位器,用作绝对位置传感器。同时,每个轴还装有增量式磁性编码器,用于跟踪从某个起点产生的位移,允许用户根据需求重新定位显示屏。Sanchez说道:"由于外形尺寸小,分辨率高,薄型磁性编码器是我们的理想选择,这对我们而言十分关键。”基于FPGA的定制控制方案,集成了信息并进行路径规划。在电源中断和重启情况下,电位器可向系统提供运动范围内各轴的绝对位置,以及增量式编码器监测重新定位的闭环反馈信息。

 

这是一种高效设计。但在投入生产时,InTouch团队将面临原始设备制造商的常见困境:是制造还是购买?对InTouch而言,他们选择专注于控制和通信的核心价值,然后将电机等组件交给供应商。他们没有选择装配分离的组件,而是购买带有行星减速机的电机。FAULHABER的组件还内置有薄型编码器及自定义布线,每个模块均已通过质量检查。

如需了解更多信息,请访问 (福尔哈贝传动技术(太仓)有限公司)官网 http://www.faulhaber.cn/

关键词:Faulhaber

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