TU Eindhoven bestrijdt personeelstekort in de zorg met robots

Op 12 december organiseert het High Tech Systems Center een researchmeeting over autonome, mobiele robots. Een van de multidisciplinaire onderzoeksprojecten die daar voor het voetlicht komt, is het Ropod-project. Deze flexibele agv’s moeten in ziekenhuizen veel van de logistieke taken overnemen.

Alexander Pil

Ondanks de voorspelde marktpotentie en alle mooie verhalen valt de groei van het aantal automatisch geleide voertuigen in de logistiek tegen. Ziekenhuizen en zorginstellingen staan echter te springen om automatisering met agv’s. En niet alleen om economische, maar ook om sociale redenen.

De nood is hoog, maar er zijn helaas grote barrières die een brede introductie in de weg staan. Twee daarvan zijn kosten en legacy. De huidige logistieke robots voor ziekenhuizen zijn groot, zwaar en vooral duur; een prijs van boven de vijftig duizend euro per agv is niet uitzonderlijk. Ook zijn er fysieke aanpassingen nodig voor robuuste navigatie. Bovendien zijn de bestaande agv’s vaak zeer gespecialiseerd en kunnen ze slechts met enkele rolcontainers of karren omgaan, terwijl in een typisch ziekenhuis tientallen karretjes rondrijden, in allerlei vormen en maten. Kortom: er is een grote behoefte aan goedkope agv’s die een grote verscheidenheid aan bestaande producten kunnen verplaatsen.

Erwin Prassler van de Hogeschool Bonn-Rhein-Sieg verzamelde drie jaar geleden een aantal partners bij elkaar om het probleem het hoofd te bieden. Het Ropod-consortium – gefinancierd via het Horizon 2020-programma – bestaat verder uit de Duitse systeemintegrator Locomotec, het Duitse gezondheidsconcern Agaplesion en Speciaal Machinefabriek Ketels uit Drunen. Universitaire inbreng is er vanuit de KU Leuven en TU Eindhoven. Volgend jaar maart, op de Logimat-beurs in Stuttgart, wordt het eindresultaat gepresenteerd. Op 12 december tijdens de Research Meet van het High Tech Systems Center kun je de Ropod in actie zien in Eindhoven.

Nieuw concept

Jesse Scholtes, programmamanager robotica bij het High Tech Systems Center van de TUE, is nauw betrokken bij het project. Hij vertelt: ‘Binnen ziekenhuizen en zorginstellingen is er een steeds nijpender personeelstekort. Niet alleen onder verpleegkundigen en verzorgers, maar ook in de logistiek. Het verplaatsen van bedden, karren en zware diagnostiek heeft over de jaren heen een grote weerslag op het lichaam van die medewerkers. Het zou heel goed zijn als er technologie beschikbaar komt om dat soort werkzaamheden te verlichten of zelfs helemaal te automatiseren. Agaplesion verwacht dat het over vijf tot tien jaar met andere zorginstellingen kan concurreren op de arbeidsmarkt door in te zetten op die ontwikkeling. Voor potentiële medewerkers wordt het een belangrijk argument dat het werk bij Agaplesion fysiek minder belastend is en er meer tijd over is voor de echte zorg.’

Om dat doel te verwezenlijken, moet er een compleet nieuw agv-concept worden opgebouwd. ‘Bestaande oplossingen kunnen meestal maar met één type container van één fabrikant overweg. Er zijn geen flexibele agv’s te koop die met de legacy kunnen omgaan’, zegt Scholtes. ‘Bovendien hebben de meeste agv’s – zeker drie jaar geleden toen we met het project begonnen – heel veel infrastructuur nodig. Denk aan magneetstrips in de vloer en allerlei markers op de muren, wat een simpele implementatie in de weg staat.’

Tech United

Het idee achter het Ropod-project is om een relatief kleine agv te bouwen, die krachtig genoeg is om een lichte kar te verplaatsen en voor zwaardere last zoals een bed een team kan vormen met drie of vier andere Ropods. Scholtes: ‘De academische vraag is om een schaalbare robot te ontwerpen die zichzelf kan koppelen met andere agv’s als de taak daarom vraagt. Die coördinatie en synchronisatie is extreem moeilijk. Gelukkig hebben we er ervaring mee, want bij de voetbalrobots van Tech United is de coördinatie van acties ook van cruciaal belang.’

De knowhow die de TUE opdeed met de ontwikkeling van Tech Uniteds servicerobot komt ook zeer goed van pas. ‘Net als de Amigo moeten ook de Ropods kunnen navigeren in een dynamische omgeving’, legt Scholtes uit. ‘Ze komen in de gang allerlei situaties tegen met mensen, rolstoelen, bedden en andere apparatuur. Langs sommige muren staat het de ene dag vol met apparatuur en is het de volgende dag helemaal leeg. Typisch zijn moderne robots hier niet tegen bestand, met lokalisatie- en navigatiefouten tot gevolg. We hebben veel kennis over hoe je een wereldmodel voor zo’n robot opbouwt en onderhoudt bij veranderingen. Dit leidt tot zeer robuuste navigatie in hoogdynamische omgevingen. Voor de Ropod hebben we dat wel moeten uitbreiden omdat het een heel andere motionplanning wordt als je met een bed en vier gekoppelde robots door de bocht moet manoeuvreren.’

Een belangrijk doel van het project is om een betaalbare oplossing te creëren. De perceptie van de Ropod is daarom beperkt tot een 2d-laserscanner en een 2d-wereldmodel. ‘Een uitzondering daarop is de detectie van de containers. Hiervoor gebruiken we een low-cost rgbd-camera’, vertelt Scholtes. ‘Die bouwt een 3d puntenwolk waaruit je het object kunt herkennen. Dat vertalen we vervolgens weer naar een 2d-beeld dat je in het 2d-wereldmodel van de robot kunt gebruiken om hem aan het object te koppelen.’

Slimme wielen

Een andere belangrijke eis aan de Ropods is dat ze back driveable zijn. Dat betekent dat je de robot altijd aan de kant kunt duwen, ook als hij uit staat. ‘Dat is natuurlijk nodig in noodgevallen’, legt Scholtes uit. ‘Dan mag zo’n systeem nooit een deur blokkeren.’

Binnen het consortium zijn speciale wielen ontwikkeld. Deze Smart Wheels zijn nog het best te vergelijken met de zwenkwieltjes onder een winkelwagentje, waarbij elk ‘zwenkwiel’ uit twee afzonderlijk geactueerde wielen bestaat. Elk wiel van de vier Smart Wheels kan dus zelf zijn oriëntatie bepalen en zijn vermogen inzetten in de gewenste richting.

Het design maakt de aansturing van de Ropod extreem flexibel, stelt Scholtes. ‘Tegelijkertijd brengt het interessante besturingsvraagstukken met zich mee. Helemaal als je bedenkt dat we rondom een bed – met twee gekoppelde Ropods – zestien afzonderlijk aangestuurde wieltjes moeten synchroniseren.’ De TUE-onderzoekers zijn verantwoordelijk voor de low-level aansturing van de wielen, die worden gefabriceerd in de machinefabriek van Ketels.

Bumper

De huidige prototypes meten ongeveer een halve bij een halve meter. Rondom zit een zachte bumper. Vergelijk het met een buitenband van een fiets, maar dan vol afstandssensoren die nauwkeurig detecteren waar de bumper wordt ingedrukt. Uit die informatie kan de Ropod de kracht en richting bepalen, en daarmee de motioncontroller aansturen om een meegaande beweging te creëren.

‘Je kunt de Ropod dus met je voet aan de kant duwen als hij in de weg staat’, zegt Scholtes. ‘Dat past in de trend die je tegenwoordig in robotland ziet dat de systemen steeds interactiever dienen te zijn. Klassieke robots vinden die fysieke interacties heel ingewikkeld. Verstoringen zoals botsingen kunnen leiden tot oncontroleerbaar gedrag met schade tot gevolg. Als je echter wat compliantie toevoegt en een paar sensoren integreert om die interactiekrachten te meten, kun je die metingen gebruiken om je robot aan te sturen.’

TRL 6

Zoals gezegd is de eindpresentatie volgend voorjaar op de Logimat. Hoe ver zijn de ontwikkelaars inmiddels? ‘Voor het verplaatsen van rolcontainers zitten we op technology readiness level 5’, antwoordt Scholtes. ‘We hebben veel in de openbare ruimtes van de TUE rondgereden; dat gaat prima. En we zitten midden in de testfase in het ziekenhuis. Die dagelijkse praktijk is anders dan de omstandigheden in ons lab. Het doel is om dat eind dit jaar te hebben afgerond. Dan zitten we op TRL 6.’

Voor het verplaatsen van bedden zijn de ontwikkelaars nog niet zo ver. Sowieso is ervoor gekozen om in dat scenario de mens de baas te laten zijn. De Ropods verzorgen er dezelfde functie als de trapondersteuning op een fiets: een mens geeft de snelheid en de richting aan door het bed vast te pakken en een initiële duw te geven. ‘We hebben daar de eerste TRL 4-prototypes gemaakt’, vertelt Scholtes. ‘In het lab werkt het prima, zonder bed weliswaar, maar met een object tussen meerdere robots om de coördinatie van de bewegingen goed te laten verlopen.’

Zodra de ontwikkelpartners in het consortium het juiste koppelmechanisme hebben gevonden, kunnen ze de volgende stap zetten. Dat is een uitdaging omdat er voor bedden een grote variatie aan ophangconstructies bestaat. Een grijper die alle bedden kan vastpakken, is dus allerminst evident. ‘We willen nog dit jaar de eerste tests in het ziekenhuis doen’, zegt Scholtes. ‘Uiteindelijk willen we natuurlijk naar dezelfde autonomie toe als met de karren en containers, zeker voor lege bedden.’ Voor personenvervoer liggen de eisen buiten de scope van het Ropod-project.

Scholtes en zijn medeonderzoekers binnen het consortium denken intussen al verder. Het concept is nu gericht op ziekenhuizen en zorginstellingen, maar het werk is ook zeer goed te vertalen naar andere logistieke toepassingen, zoals in magazijnen of autofabrieken. ‘Uiteraard hebben we dan andere koppelmechanismes nodig, maar als het goed is, kunnen we negentig procent van de software hergebruiken’, schat Scholtes. ‘Er is dan ook veel industriële interesse voor het project.’