Kort nieuws
Bewegingsplatform beproeft evenwichtsvermogen patiënten
24 april 2008
Imotec en Baat Medical hebben een machine gebouwd waarop artsen kunnen testen hoe het evenwichtsgevoel van mensen werkt. Zeven servodrives laten een platform in vier richtingen bewegen, aangestuurd via een Ethercat verbinding. Om het platform soepel te laten bewegen moesten de bouwers statisch overbepaalde constructie voorkomen en sleutelen aan de bekabeling.
In een lege vleugel van het Radboud Ziekenhuis in Nijmegen (UMCN) is een gat in de vloer uitgezaagd ter grootte van een klein privé-zwembad. In het gat staat een machine met een platformpje van circa twee vierkante meter, waarop een proefpersoon kan plaatsnemen. Erboven loopt een rails met een takel voor de zekering van de proefpersoon. Het doel is tenslotte dat hij zijn evenwicht verliest.
De bewegingen van het platform combineren twee translaties en twee rotaties.
Theo de Vries van Imotec zet het apparaat aan via een pc die in een hoek van de ruimte staat opgesteld. Het duurt even voor het geïnitialiseerd is: iedere motor moet apart opstarten. Dan beweegt het apparaat langzaam naar zijn thuisposities in het midden van het uitgezaagde gat. Op een commando van de computer begint het experiment. Het platform zwenkt boven het gat rond met een snelheid van twee meter per seconde. Het ziet er nog het meest uit als een drijvend speelvlot in een golfslagbad. Boven het platform beweegt langs een rails een takel mee om mensen te kunnen zekeren. Als het experiment is afgelopen komt het platform tot rust in zijn horizontale positie en schuift weer naar de rand. Rustig, want ook mensen die slecht ter been zijn moeten veilig op en af kunnen stappen. Bewegingsonderzoekers willen met de machine bestuderen hoe mensen reageren wanneer ze hun evenwicht dreigen te verliezen.
De tafel is gebouwd op aanwijzingen van de artsen die het bewegingsonderzoek willen doen. Het platform kan horizontaal in twee richtingen bewegen schuinhangen. ‘Als je op het platform staat lopen de rotatieassen door je enkel. Zo kun je het makkelijkste je evenwicht bewaren, want plotselinge bewegingen vang je vooral met je enkels op,’ aldus de Vries. De maximumsnelheid van het platform is twee meter per seconde, maar de machinebouwer denkt dat dit in de praktijk te snel is. ‘De artsen baseerden hun eisen op eerdere experimenten maar hoe goed deze specificaties overeenkomen met praktijkomstandigheden moet nog blijken, want een dergelijke machine is niet eerder gebouwd.’
‘De machine bestaat uit een platform waarin sensoren en de rotatiemotoren verwerkt zitten met daaronder een x-y-tafel voor de translerende beweging,’ vertelt de Vries. ‘De gezamenlijke hoogte van die twee is tachtig centimeter, zodat het platform op gelijke hoogte komt met de vloer van de kamer. Over de grond loopt een kabelketting die de machine verbindt met een elektrokast waarin de servoversterkers en andere componenten voor de aansturing zitten. Deze wordt op zijn beurt weer aangestuurd met een realtime besturingscomputer en een pc waarop het gebruikersprogramma voor de artsen draait.’
De x-y-tafel bestaat uit vier aluminium extrusieprofielen die een H-configuratie met dubbele middenbalk vormen. In ieder profiel lopen twee wagentjes. Hierop zijn zowel de balken als het platform gemonteerd. De ontwikkelaars kozen voor een uitvoering met een dubbele balk. ‘Dat was het leukste onderdeel van het ontwerp,’ vindt de Vries, ‘normaal voldoet een enkele balk, maar bij een totale belasting die tot zeshonderd kilogram kan oplopen zou de rotatiestijfheid met één balk te laag zijn.’
De profielen en de wagentjes vormen samen een lineaire motor. Hiertoe bevatten de wagentjes ieder een spoelenblok en een sensor. De extrusieprofielen zijn over de gehele lengte voorzien van magneten, en vormen zo het ‘afgerolde rotorgedeelte’ van de motor. Voor de positiebepaling zitten achterop de wagentjes magnetische encoders. Langs de profielen zit een lange strip met afwisselend noord- en zuidmagneten en het wagentje is uitgerust met Hall-sensoren.
De motoren voor de rotatie zitten in het onderstel van het platform. Dit stelsel bestaat uit twee aluminium bakken die een stijve en toch lichte constructie vormen. De onderste bak bevat de motoren. De bak daarboven is via tandriemen met die motoren verbonden, zodat hij kan roteren.
‘Een probleem met dit soort tafels is dat ze mechanisch overbepaald zijn. De ongedefinieerde krachten die dit in de constructie opwekt bemoeilijken de bewegingsaansturing,’ aldus de Vries. Imotec heeft in de constructie van het bewegingsplatform daarom bewust een aantal vrijheidsgraden geïntroduceerd. De dwarsbalken kunnen langer of korter worden, waardoor het onderstel de vorm van een parallellogram kan aannemen. Meer vrijheidsgraden zijn geïntroduceerd in de ophanging van de tafel op het onderstel. Via een tussenframe hangt de aluminium bak aan drie punten, die zorgen voor verschillende vrijheidsgraden. ‘Zo zit een van de punten met een bladveer en dunne spriet vast zodat hij stijf is voor translaties, maar wel in één richting kan roteren.’ legt de Vries uit.
‘Om alle bewegingen soepel te kunnen maken moest het bewegingsplatform licht lopen. De parallellogramconstructie en de keuze voor een lineaire motor zorgen hiervoor.
Het platform zelf bestaat uit twee force-plates waarin rekstrookjes meten hoe groot de kracht is die de proefpersoon uitoefent en waar op de plaat die kracht aangrijpt. Samen met sensoren op de proefpersoon en camera’s die de stand van het lichaam registreren geven die data over zijn reactie. Het systeem is zo ontworpen dat je een experiment kan definiëren op basis van wat er tijdens het bewegen gebeurt. ‘Concreet betekent dit dat je bijvoorbeeld kan definiëren dat een nieuwe beweging wordt ingezet nadat de proefpersoon naar voren gestapt is.’ licht de Vries toe. ‘Het bleek nog een hele klus om een gebruikersinterface te ontwerpen waarmee de artsen hun experimenten goed kunnen definiëren. Ze wilden onverwachte bewegingen kunnen uitvoeren. In de software kunnen ze stukjes beweging aan elkaar knippen en plakken.’
‘Ook de bekabeling was een issue,’ aldus de Vries. ‘Zie maar eens de kabels weg te werken in een apparaat dat alle kanten uit beweegt. Stel dat je er achteraf achter komt dat je er één vergeten bent, dat is verschrikkelijk. We hebben zitten puzzelen om alle lijnen zo kort mogelijk te houden. Voor de I/O-signalen was het de kunst om de analoge signalen afkomstig van de sensoren zo snel mogelijke om te zetten in digitale. Aan de zijkant van het platform is voor de omzetting een bakje geplaatst met analoog-digitaalconverters. Dit kastje voor remote-I/O werkt met Ethercat. Realtime ethernet maakt het systeem betrouwbaar omdat het alle I/O door een enkel kabeltje naar de regelkast teruggaat. Voor de paar analoge signalen die overblijven zoals die afkomstig van de noodknop zit een I/O-kastje in de elektrokast.’
De Ethercat-kast is in serie geschakeld met de zeven servo’s voor de bewegingsaansturing: twee voor de bewegingen in de x-richting, de y-richting, en de roterende bewegingen en eentje voor de bewegingen van de veiligheidsrail aan het plafond. De Ethercat-kabel komt na het passeren van de servo’s uit in de besturingscomputer. Hierop draait Twincat, een aansturingsprogramma voor Ethercat. Een gewone Ethernet-verbinding zorgt uiteindelijk voor de communicatie tussen de realtime computer en de gebruikersinterface.