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Steuern & Vernetzen

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Mit Echtzeit-Simulation zum OP-Tisch

Text: Dieter Strauß für Cosateq Foto: Cosateq
Anpassbare OP-Tische sind komplexe kinematische Systeme mit aufwendiger Steuerung. Mit einem Hardware-in-the-Loop-Ansatz lässt sich die Steuer-Software wirtschaftlich testen, noch bevor ein Prototyp zur Verfügung steht.

Damit der Chirurg bei einer Hüft-OP ermüdungsfrei und rückenschonend arbeiten kann, sollte eine hochgelagerte Position des Patienten möglich sein. Eine Bauchspiegelung erfordert eine extreme Tieflage, während bei Operationen an der Bandscheibe die Knie-Ellenbogen-Patientenlagerung vorteilhaft ist. Dies ist nur ein kleiner Ausschnitt aus den Patientenlagerungen, die ein modernes OP-Tisch-System beherrschen sollte.

Flexible Gelenkmodule

Zu den modernen OP-Tischen zählt das Magnus-System von Maquet. Dessen OP-Tischsäule in Neigungssatteltechnik lässt hohe Neigungswinkel bis 80° und zugleich Kantungswinkel bis 45° zu. Mit einem Bediengerät kann der Operator die räumliche Ausrichtung der Platten über motorische Gelenkmodulpaare in weiten Grenzen einstellen.Die Variabilität des Systems erschwert jedoch den Entwicklungsprozess. Damit der Zeitaufwand nicht überhandnimmt, wird bei Maquet schon mit der Entwicklung der Tischelektronik begonnen, bevor der Prototyp fertig ist. Dieses Vorgehen setzt Simulationsmodelle voraus, die kinematorische und geometrische Verhältnisse virtuell nachbilden.Zum Ausführen des in Matlab/Simulink programmierten Modells suchte der Hersteller einen flexiblen Hardware-in-the-Loop-Simulator (HiL), der das Verhalten des Tischs in Echtzeit nachbilden kann. Die Basis des HiL-Systems von Cosateq bildet ein modifizierter Industrie-PC, der mit den erforderlichen Schnittstellen-Karten bestückt wird. Als Echtzeit-Simulationsumgebung wird Scale-RT genutzt. Das HiL-System stellt dem Steuergerät alle Ein- und Ausgangssignale zur Verfügung, die es in der späteren realen Umgebung sieht.

Kollision ausgeschlossen

Das HiL-System simuliert alle Sensoren und Aktuatoren. In der späteren Anwendung erkennen digitale Hall-Sensoren, ob eine Lagerfläche an der OP-Säule angedockt oder ein Transporter da ist. Daraufhin wird von der Steuerung der Bewegungsraum des Tisches so eingeschränkt, dass eine Kollision von Transporter und Tisch ausgeschlossen ist. Der größte Teil des Simulationsmodells wird mit einer Zykluszeit von 1 ms ausgeführt. Ebenfalls simuliert werden alle Antriebe mitsamt den zugehörigen Inkrementalgebern. Sehr zeitkritisch ist die Drehzahlregelung der pulsbreitenmodulierten Gleichstrommotoren. Die hohe Zykluszeit von rund 250 ns erfordert eine spezielle FPGA-Karte. Insgesamt sind neun Antriebe zu simulieren - fünf für die Lagerflächen-Einstellungen und vier für die OP-Tischsäule.

Tests in der Projektphase

Als Grund für die zunehmende Anwendung von HiL-Systemen nennt Cosateq-Chef Leiprecht die mittlerweile hohe Komplexität von Steuergeräten: „Der Vorteil des virtuellen Testens durch HiL-Systeme ist erheblich, da die Produktivität der Entwickler steigt und die Kosten im Rahmen bleiben.“ Michael Früh, Leiter der Elektronik- und Software-Entwicklung bei Maquet hebt hervor: „Bereits nach einer kurzen Nutzungszeit des Cosateq-HiL-Systems hat sich gezeigt, dass mit der Entwicklung und dem Test der Software für die Steuerungen schon begonnen werden kann, bevor ein Prototyp zur Verfügung steht.“

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