Pandemi COVID-19 telah merenggut banyak nyawa di seluruh dunia. Virus ini sangat menular dan mematikan sehingga beberapa dokter yang menangani pasien COVID-19 mengalami infeksi serius atau meninggal dunia, bahkan setelah menggunakan alat pelindung diri. Oleh karena itu, tantangannya bukan hanya membantu masyarakat pulih dari pandemi, tetapi juga melindungi staf/profesional kesehatan. Sehubungan dengan hal tersebut, makalah ini menyajikan desain komprehensif robot pseudo-humanoid yang disesuaikan untuk secara khusus menangani pasien yang menular dengan mengambil tanda-tanda vital dasar melalui anggota staf kesehatan dari lokasi terpencil di tengah pandemi COVID-19. 

Desain yang diusulkan terdiri dari dua bagian: desain lengkap komponen mekanis, elektrik/elektronik, mekatronik, kontrol, dan komunikasi bersama dengan perakitan lengkap untuk membuat robot berkinerja multitask lengkap yang berinteraksi dengan pasien untuk mengambil tanda-tanda vital, yang disebut sebagai RoboDoc, dan desain sisi staf kesehatan (sisi master/operator) yang mengontrol mekanisme joystick dengan umpan balik haptic. Desain RoboDoc yang diusulkan secara garis besar dapat dibagi menjadi tiga bagian: bagian penggerak terdiri dari motor DC beroda dua di atas dasar penjelajah dan dua roda omni untuk mendukung pergerakan robot; bagian interaksi terdiri dari leher dengan satu derajat kebebasan (sDOF) untuk berkomunikasi dengan ketinggian pasien yang berbeda, dan dua lengan antropomorfis dengan tiga derajat kebebasan (3-DOF).

Bagian ini membantu RoboDoc untuk menjangkau lokasi pasien dan mengambil semua data vital menggunakan perangkat yang relevan seperti termometer suhu IR, oksimetri denyut nadi, dan stetoskop elektronik untuk melakukan auskultasi langsung dari paru-paru dan jantung pasien. Desain mekanis dibuat menggunakan solidworks, dan desain kontrol elektronik dibuat melalui proteus 8.9. Untuk teleoperasi haptic, pengontrol XBOX 360 berbasis komunikasi nirkabel digunakan di sisi master/operator. Untuk kenyamanan staf kesehatan (operator), sebuah GUI berbasis desktop interaktif dikembangkan untuk pemantauan langsung semua tanda vital pasien.

Untuk percakapan jarak jauh antara staf kesehatan dan pasien, sebuah tablet dipasang (yang juga berfungsi sebagai wajah robot), dan tablet itu dikendalikan melalui aplikasi seluler. Untuk bantuan visual, sebuah kamera DSLR diintegrasikan dan dikendalikan dari jarak jauh, yang membantu dokter memantau lokasi pasien serta memeriksa tenggorokan pasien. Akhirnya, hasil eksperimen yang berhasil dari vitalitas dasar pasien jarak jauh seperti penginderaan suhu, oksimetri denyut nadi, dan detak jantung (menggunakan umpan balik haptic) diperoleh untuk menunjukkan pentingnya desain RoboDoc yang hemat biaya yang diusulkan.

Model dan Desain Perangkat Keras Mekanik

Desain mekanik RoboDoc yang diusulkan dibagi menjadi lima bagian: (a) desain kepala, (b) desain leher, (c) desain lengan dan pembuatan prototipe, (d) desain tubuh, dan (e) desain penjelajah. Dalam hal ini, platform Solidworks pada awalnya digunakan untuk membuat model 3D dari semua desain ini, dan kemudian perangkat keras mekanis RoboDoc akhirnya dirancang menggunakan bahan fiber dengan cetakan desain yang memberikan tampilan robot humanoid. Berikut ini adalah rincian dari setiap bagian desain RoboDoc.

Desain Kepala
Kepala robot dibuat dengan tinggi 180 mm, lebar 270 mm, dan panjang 210 mm agar setara dengan dimensi manusia sehingga terlihat mirip dengan manusia untuk interaksi yang ramah dalam lingkungan sosial. Bukaan depan digunakan untuk memasang tablet (layar sentuh) dengan panjang 130 mm dan lebar 205 mm, sedangkan dua lubang telinga, masing-masing berdiameter 32mm, digunakan untuk memasang speaker agar dapat mendengar suara HCP selama interaksi.

Desain Leher DoF Tunggal
Gerakan naik dan turun leher RoboDoc dilakukan oleh titik tetap yang disebut titik tumpu. Gerakan ini terdiri dari dua mekanisme: pertama adalah mekanisme sekrup utama yang digabungkan ke motor roda gigi DC di salah satu ujungnya yang selanjutnya memutar sekrup sambil bergerak ke atas dan ke bawah pada timbal, membentuk gerakan linier atau prismatik. Mekanisme lainnya adalah mekanisme poros engkol yang digunakan untuk mengubah gerakan prismatik sekrup menjadi gerakan memutar kembali leher. Hal ini dilakukan dengan menggunakan batang penghubung yang dipasangkan dengan ujung leher yang dapat digerakkan. Konversi putaran ke linier disediakan oleh sekrup utama dan gerakan linier ke putar disediakan oleh poros engkol (batang penghubung).
Mengingat berat kepala termasuk tablet dan periferal, kontrol leher berbasis motor langsung membutuhkan motor yang cukup besar yang menempati volume lebih banyak dan konsumsi energi yang tinggi. Oleh karena itu, mekanisme yang berbeda diselidiki untuk mengontrol motor leher dengan area minimum dan konsumsi energi yang rendah, terutama ketika dalam kondisi tidak bergerak.

Desain sekrup utama dan poros engkol untuk mekanisme leher diformulasikan menggunakan desain mekanis melalui pemodelan CAD Rotasi kiri dan kanan RoboDoc sendiri melakukan gerakan leher ke kiri dan ke kanan. Karena hampir semua pasien duduk di depan robot, maka tidak ada kebutuhan khusus untuk gerakan leher ke kiri dan ke kanan.
Untuk membatasi pergerakan leher, saklar batas mekanis dipasang di sisi depan dan belakang seperti yang ditunjukkan di atas pada Gambar 4a. Leher dibatasi untuk dinaikkan sebesar 80 mm.

Desain dan Pembuatan Prototipe Lengan
Lengan memiliki desain antropomorfik 3-DOF, di mana sendi bahu memiliki DOF tunggal, sendi siku memiliki DOF tunggal, dan efektor akhir lengan memiliki gerakan DOF tunggal. Lengan robot 3-DOF dirancang agar ringan, sederhana, dan hemat biaya dalam konstruksi. Kedua lengan memiliki dua sendi putar, satu di bahu dan satu di siku, sedangkan efektor akhir lengan kiri memiliki aktuator linier untuk menggerakkan bagian dada e-stetoskop ke arah depan dan belakang. Efektor akhir lengan kanan memiliki motor servo yang bertanggung jawab untuk memutar oksimetri denyut dan termometer suhu IR yang dipasang pada braket berbentuk L yang dipasang pada poros motor servo.

Lengan kiri memiliki tiga dimensi linier dari sendi bahu, seperti yang ditunjukkan pada Gambar 5a sehingga panjang dari sendi bahu ke sendi siku adalah L1 = 430 mm, dan panjang dari sendi siku ke aktuator linier (end-effector) adalah L2 = 180 mm, yaitu termasuk panjang tetap aktuator linier. Aktuator linier dapat memiliki panjang variabel 1 mm < L3 < 100 mm sedangkan panjang batang tetap adalah 140 mm. Lengan kanan terdiri dari dua sendi, dan panjang sendi bahu ke siku adalah L4 = 450 mm dan panjang sendi siku ke end-effector adalah L5 = 205 mm.

Sendi bahu dikontrol menggunakan motor DC 12V, 5 rpm dengan torsi tinggi sementara motor servo digital RoboDoc digunakan pada sendi siku. Aktuator linear motor DC digunakan untuk variabel panjang di ujung lengan kiri. Tautan yang digunakan untuk penyangga terbuat dari aluminium karena ringan. Bahan yang digunakan untuk cetakan luar lengan adalah fiber glass dengan ketebalan 3 mm yang cocok untuk karakteristik mekanik yang optimal. Untuk membatasi pergerakan kedua lengan, dua saklar batas diintegrasikan di sisi depan dan belakang setiap sendi bahu hingga lengan dapat bergerak antara 0 hingga 135 derajat untuk menghindari perilaku yang tidak pantas.

Desain Tubuh
Tubuh RoboDoc memiliki tinggi 4,5 kaki dan terbuat dari bahan fiber dengan menggunakan cetakan desain dengan tampilan yang estetis. Bentuk tubuh dirancang sedemikian rupa agar RoboDoc terlihat seperti manusia dan tinggi RoboDoc dianggap memudahkan komunikasi dengan orang dewasa. Ada ketentuan pada bagian badan RoboDoc di mana layar sekunder atau logo dapat ditempatkan. Sebuah rak ditempatkan di bagian badan untuk menampung sirkuit elektronik RoboDoc.

Desain Penjelajah
Desain penjelajah RoboDoc berdiameter 178 mm yang terbuat dari ACM (bahan komposit aluminium). RoboDoc memiliki empat roda yang terpasang padanya; dua roda dipasangkan dengan motor DC yang dikontrol, sedangkan dua roda lainnya adalah roda omni untuk menopang dan gerakan bebas RoboDoc ke segala arah. Baterai, bersama dengan sirkuit pengendali, ditempatkan di dasar rover karena beratnya yang cukup besar. Untuk menghindari tabrakan, dua sensor jarak dipasang di dasar RoboDoc; ini adalah robot sosial sehingga tindakan pencegahan ini merupakan keharusan dengan penambahan kontrol teleoperasi jarak jauh. Sensor jarak ultrasonik HC SR04 yang populer telah digunakan, dan sensor ini memiliki jangkauan deteksi yang berguna dari 30 hingga 40 cm. Sinyal dari sensor ini saling terkait dengan perintah penggerak ke penggerak motor penggerak sehingga penggerak robot tidak terjadi ketika ada objek yang terdeteksi di dekatnya.

Desain Listrik dan Elektronik

Tiga unit membentuk sirkuit kontrol elektronik: unit kontrol, unit sensor, dan unit penggerak.

Unit Kontrol
Unit kontrol terdiri dari pengontrol Xbox 360 yang berfungsi sebagai master dan slave, yang mengkomunikasikan perintah ke dan dari Arduino mega 2560. Arduino Mega 2560. Proteus 8.9 digunakan dalam desain rangkaian listrik. Diagram ini menggambarkan bagaimana semua modul yang dibahas di atas terhubung secara elektrik satu sama lain. Baterai asam timbal di blok catu daya memiliki nilai 12V 12Ah, dan terhubung ke LM2596.

Unit Penginderaan
Unit Penginderaan memiliki sensor jarak untuk menghindari tabrakan karena sensor ini terhubung dengan driver dasar untuk menjalankan (menghidupkan) dan menghentikan (mematikan) RoboDoc. Saklar batas mekanis terhubung ke lengan dan leher untuk membatasi gerakan dan mencegah gerakan abnormal karena RoboDoc harus bekerja dengan manusia. Saklar batas diatur untuk beroperasi 'biasanya tertutup'. Ketika saklar ditekan, daya motor segera dimatikan, dan lengan serta leher segera berhenti bergerak. Selain itu, FSR (Force Sensing Resistor) dipasang di bagian belakang bagian dada e-stetoskop. Ketika bersentuhan dengan dada pasien, gaya terdeteksi pada area permukaan sensor dan HCP menerima sinyal sensorik melalui getaran pada pengontrol Xbox 360. Berdasarkan hal tersebut, HCP berhenti menggerakkan lengan lebih jauh.

Selain itu, ditemukan bahwa ketika e-steth digunakan pada tekanan tertentu pada dada pasien, maka akan menghasilkan suara yang lebih sedikit dan memberikan hasil auskultasi yang dapat diandalkan. Hasilnya, terdapat berbagai tingkat umpan balik sensorik yang diperoleh sedemikian rupa sehingga jika bagian dada bersentuhan dengan dada pasien, dokter dapat merasakan getaran berkala dengan intensitas yang lebih rendah. Namun, jika tekanan yang diberikan sesuai dan tidak membahayakan pasien, getaran menjadi lebih kuat dan berfungsi sebagai peringatan bagi dokter untuk berhenti menggerakkan e-steth lebih jauh. Hasilnya, FSR pada dasarnya mengirimkan sinyal ke pengontrol utama pengontrol Xbox, mengaktifkan getaran yang memperingatkan dokter untuk menghentikan aktuator tertentu.

Unit penggerak
Segera setelah driver motor L298N mendapatkan sinyal dari unit kontrol, mereka menyalakan aktuator yang diperlukan yang bertanggung jawab untuk penggerak, gerakan leher, dan gerakan lengan. Sirkuit kontrol pertama-tama menilai status masing-masing sensor dan kemudian memberikan perintah ke sirkuit driver untuk menggerakkan motor. Terdapat lima motor DC, satu aktuator linier (juga motor DC), dan tiga motor servo. Driver motor 1 bertugas mengatur motor DC 1 dan 2, yang membantu robot bergerak, sedangkan driver motor 2 bertugas mengatur motor DC 3 dan 4, yang masing-masing terhubung ke mekanisme leher dan bahu lengan kanan, b. Siku lengan kanan menjadi tempat motor servo 2 dan end effector, seperti termometer IR dan oksimeter pulsa, terhubung ke motor servo 1. Siku lengan kiri terhubung ke motor servo 3. Pengemudi motor 3 beroperasi untuk menggerakkan motor DC 5 yang terpasang pada bahu lengan kiri. Aktuator linier dipasang dengan e-steth untuk mencapai gerakan maju (ke arah dada pasien) dan mundur (menjauhi dada pasien).