Operations-Mikroskop

Entwicklung einer Stativ-Steuerung für ein Operationsmikroskop

Ausgangslage

Chirurgische Mikroskope werden vorwiegend in der Augenheilkunde und Mikrochirurgie eingesetzt und ermöglichen dem Operateur eine Anatomievergrösserung mit optimaler Beleuchtung. Das Stativ eines modernen Mikroskops trägt schwere optische Komponenten und muss einerseits eine hohe Standfestigkeit und Steifigkeit, andererseits volle Positionierungsfreiheit und Beweglichkeit gewährleisten.

Ein Hersteller von Operationsmikroskopen beauftragt IMT damit, die Motoransteuerungs- und Positionierungsfirmware für das Stativ eines neuen Mikroskops zu entwickeln. Die Terminplanung ist eng gesteckt – in einem Jahr muss die Aufgabe gelöst sein.

Ziel des Projekts

Aus Kundensicht stehen folgende Anforderungen im Fokus:

eine sichere Positionierung des Stativs mit 6 Freiheitsgraden
eine kraftlose Bedienung mit 2 Fingern oder mit dem Mundschalter
eine Motorisierung von ausgewählten Achsen
eine Verringerung der unerwünschten Vibrationen nach der Neupositionierung des Visualisierungssystems oder nach einer Anregung durch den Bediener

Aus technischer Sicht ist es wichtig, die neue Firmware in das gesamte System über die CAN-Bus-Kommunikation zu integrieren. Dafür muss das kundenspezifische Betriebssystem verwendet werden.

Technische Umsetzung

Gemeinsam mit dem Kunden entscheidet sich IMT, das Dataflow Framework (Runtime) von IMT DATAFLOW einzusetzen – ein Produkt der IMT. Das Framework ist in C++ geschrieben. Die dazugehörige Tool Suite unterstützt Entwickler dabei, systematisch und effizient Embedded-Anwendungen in hoher Qualität und mit geringem Dokumentationsaufwand zu erstellen.

Da eine freie Stativbewegung über sechs Achsen und unterschiedlichen Motoren erfolgt, wird pro Achse eine Firmware und zusätzlich eine den Achsen übergeordnete Firmware entwickelt. Diese kommuniziert mit jedem Achsenmotor-Mikrokontroller und koordiniert so die Achsbewegungen. Die Modellierung der Achsenmotoransteuerung erfolgt in MATLAB Simulink. Durch den Ansatz «Hardware in the Loop», bei der die Regelung in Echtzeit schon während der Auslegung auf der Ziel-Hardware ausgeführt wird, kann eine optimale Ansteuerung der Motoren erreicht werden. So gelingt es auch, die Kommutierung der DC-Motoren so zu optimieren, dass die Stromaufnahme minimal ist.

In die Control-Firmware wird für die Integration in das gesamte System das kundenspezifische CAN-Protokoll implementiert, das durch einen CAN-Protokoll-Generator (vom Kunden spezifiziert und entwickelt) generiert wird. In allen Firmware- Komponenten wird das kundespezifische Betriebssystem mit dem darauf angepassten DataFlow-Framework eingesetzt.

Selbstverständlich erstellt IMT die technische Dokumentation (SW-Architektur, V&V- Testpläne) und unterstützt den Kunden aktiv bei der System-integration.