Eine Publikation der Swissprofessionalmedia AG

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Ausgabe 05/2017, 26.05.2017

Roboterkinematik für Augenuntersuchungsgeräte

Die Spaltlampe ist eines der wichtigsten Untersuchungsgeräte in der Augenheilkunde. Um die Arbeit von Augenärzten und Optometristen zu erleichtern, soll das Gerät automatisiert werden. In seiner Master-Arbeit hat André Huber-Meznaric von der Haag-Streit AG untersucht, welche Ansätze die Robotik bietet, um die Problemstellung einer automatisierten Kinematik einer Spaltlampe nach aktuellen Standards zu lösen.

Wer schon eine Augenuntersuchung absolviert hat, kennt das Gerät: Die Spaltlampe ist das Werkzeug der Wahl von Augenärzten (Ophthalmologen) und Optometristen, wenn sie das Auge von Patientinnen und Patienten stereoskopisch inspizieren wollen. Das Untersuchungsgerät projiziert einen definierten Strahl auf das Auge, mit dem sich gezielt verschiedene Bereiche des Auges genauer untersuchen lassen. Es ist damit möglich, beispielsweise einen Querschnitt der Hornhaut hervorzuheben.

Eine klassische Spaltlampe setzt sich aus der Spaltbeleuchtung mit Lichtquelle und dem Stereomikroskop mit Kameraschnittstelle zusammen. Das Gerät wird zwischen Patient und Bediener auf der Tischoberfläche installiert. Mit Hilfe eines Kreuzschlittens werden die Instrumente manuell vor dem Patientenauge positioniert. Der Patient legt für die Untersuchung sein Kinn in einen mit dem Tisch fix verbundenen Kopfhalter.

Für eine ordentliche Positionierung der Spaltlampeninstrumente nach gängigem Standard sind mindestens fünf Freiheitsgrade zu steuern: drei gemeinsame Translationen beider Instrumente und jeweils eine Rotation pro Instrument in vertikaler Richtung.

Für die Automatisierung einer klassischen Spaltlampe kann die bestehende Kinematik direkt mit Antriebssystemen ausgerüstet werden, was auch schon im Rahmen der Forschung zur Telemedizin entsprechend getestet ist. Dazu ist im Wesentlichen eine Anpassung des mechanischen Systems notwendig, wobei die Antriebsstränge mehr Raum in Anspruch nehmen, um die nötige Dynamik zu erreichen.

An diesem Punkt setzt diese Arbeit an: Es wird untersucht, welche Ansätze die Robotik bietet, um die Problemstellung einer automatisierten Kinematik einer Spaltlampe nach aktuellen Standards zu lösen. Aspekte wie Sicherheit und Gebrauchstauglichkeit gehören dazu. Im Zentrum steht der Aufbau eines physischen Funktionsmusters, womit Chancen und Risiken einer automatisierten Spaltlampe praktisch ermittelt werden können.

Basierend auf einer abstrakten Systemabbildung einer klassischen Spaltlampe wird das zu entwickelnde Subsystem mit dazugehörenden Schnittstellen definiert. Es werden Varianten für die Kinematik, das Steuersystem und die Bedienung mit Hilfe von Brainstorming-Meetings, morphologischen Kästen und 3D-CAD-Entwürfen entwickelt.

Die gewählte Roboterkinematik besitzt einen Parallelmechanismus mit drei Translationsfreiheitsgraden, welcher unterhalb der Spaltlampen-Instrumente platziert wird. Der Parallelmechanismus trägt deren gemeinsame Rotationsachse in einem Doppeldrehgelenk (siehe Abbildung: Funktionsmuster). Parallelmechanismen erlauben eine geschlossene analytische Lösung der inversen Kinematik und sind daher geeignet im medizinischen Anwendungsgebiet. Zudem sind dynamischere Werte gegenüber einer direkten Kinematik erzielbar.

Andere Kinematiktypen, beispielsweise solche, die einem Portal- oder Scara-Roboter ähnlich sind, erzielen aufgrund eines zu offenen Wirkbereichs oder einer zu niedrigen Steifigkeit in diesem Anwendungsfall weniger Punkte. Aus der Variantenbildung geht die Bedienung via PC-Maus und das notwendige Steuer-/Regelungskonzept hervor.

Beschreibung der Kinematik und Dimensionierung

Zur Dimensionierung wird die Vorwärts- und Rückwärts-Kinematik beschrieben, gefolgt von einer Umsetzung als Matlab-Modell. Enthalten ist auch die Koppelung mit dem Kräftesystem. Mit dem Modell lassen sich variable Trajektorien testen und daraus die Motorlasten ableiten. Dies kann auch für eine präzise Überlastüberwachung der Antriebssysteme verwendet werden.

Die Dimensionierung selbst ist ein iterativer Prozess, in dem sich Anpassungen im 3D-CAD und der Kinematikparameter abwechseln. Eine Rolle spielt dabei auch die Arbeitsraumanalyse zusammen mit den Grenzlasten. Daraus ist erkennbar, ob der Roboter den geforderten Wegbereich abfahren kann und sich auch ausserhalb dieses Raumes aus jeder einnehmbaren Lage selbst befreien kann.

Die Evaluierung der Antriebskomponenten läuft parallel zur Kinematik-Entwicklung. Sobald der Leistungsbereich eingegrenzt werden kann, erfolgt die Bestellung der Antriebskomponenten, noch bevor die Kinematik abschliessend dimensioniert und konstruiert ist.

Basierend auf den Ergebnissen der Dimensionierung wird ein Funktionsmuster gebaut. Die Konstruktion setzt auf Rapid-Prototype-Bauteilen und gängigen Antriebselementen auf. Die Spaltlampeninstrumente werden als äquivalente Trägheitsmassen approximiert.

Das Funktionsmuster wird mittels NI LabView gesteuert. Dabei dient ein handelsüblicher PC mittlerer Leistungsstärke als Host PC; er kommuniziert über TCP/IP mit einem Compact-RIO-RT-System von NI. Dieses kontrolliert alle fünf Servoachsen über einen gemeinsamen CAN-Bus. Für die Software-Architektur werden typische LabView-Design-Pattern wie der «Producer Consumer Design» und «Funktionale Globale Variablen» angewendet. Letztere sorgen für eine übersichtliche Programmstruktur und ermöglichen eine Datenkapselung auf einfache Art und Weise.

Das Ergebnis ist ein voll bedienbares Funktionsmuster, womit die Antriebslasten und die Antriebssteuerung reell abgebildet werden und Risikomassnahmen validiert werden können. Bei der Validierung und Verifizierung des Roboterkinematik-Konzepts werden die zu Beginn gestellten Anforderungen geprüft: User-Anforderungen werden von Produktexperten beurteilt, technische Anforderungen werden beispielsweise in Form von Leistungsmessungen getätigt. Die gesammelten Ergebnisse ermöglichen eine Verfeinerung der Modellparameter und die relativ einfach umgesetzte Mechanik hebt subtil prioritär zu behandelnde Bereiche hervor.

Das Ergebnis der Master-Arbeit zeigt, dass unter Einbezug von Robotik-Standards eine innovative Lösung zur Automatisierung einer klassischen Spaltlampe in nützlicher Zeit konzipiert und getestet werden kann. Mit den gewonnenen Erkenntnissen und erarbeiteten Grundlagen können Optimierungen gezielt angegangen und weiterführende Tests effizient realisiert werden. Der Start für ein interessantes Projekt ist vorbereitet.

André Huber-Meznaric 
Prof. Dr. Roland Anderegg 

Prof. Dr. Jürg Peter Keller
Fachhochschule Nordwestschweiz FHNW


Fachhochschule Nordwestschweiz FHNW, Hochschule für Technik
5210 Windisch, Tel. 056 202 99 55
weiterbildung.technik@fhnw.ch



Eine Spaltlampe, so wie sie beim Augenarzt zur Anwendung kommt. (Bild: Haag-Streit AG)


Funktionsmuster der Steuerung.

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