تصميم وتصنيع وحدة المرنة لينة وحدات الروبوتات في جراحة المناظير

Summary

This paper describes the design and fabrication of a soft unit for surgical manipulators. The base module includes three flexible fluidic actuators to achieve omnidirectional bending and elongation, and a granular jamming-based mechanism to enable stiffness control. A complete mechanical characterization is also reported.

Abstract

في السنوات الأخيرة، أثارت تقنيات الروبوتات الناعمة اهتماما متزايدا في المجال الطبي نتيجة لتفاعلها آمنة جوهريا في بيئات غير منظم. وفي الوقت نفسه، تم وضع إجراءات وتقنيات جديدة للحد من الغزو من العمليات الجراحية. الحد الأدنى من جراحة الغازية (MIS) وقد استخدمت بنجاح لتدخلات البطن، وتستند إجراءات MIS لكن القياسية أساسا على أدوات جامدة أو شبه جامدة التي تحد من البراعة من الطبيب. تقدم هذه الورقة مناور حاذق لينة وعالية لMIS. واستلهم مناور من قدرات البيولوجية للذراع الأخطبوط، وصمم مع نهج وحدات. تقدم كل وحدة نفس الخصائص الوظيفية، وبالتالي تحقيق البراعة العالية وبراعة عندما يتم دمج المزيد من الوحدات. تفاصيل ورقة تصميم وعملية التصنيع والمواد اللازمة لتطوير وحدة واحدة، وهي ملفقة من قبل castinز سيليكون داخل قوالب محددة. النتيجة تتكون في الاسطوانة المرنة بينهم ثلاثة المحركات الهوائية المرنة التي تمكن الاستطالة والانحناء متعددة الاتجاهات للوحدة. غلاف مضفر الخارجي على تحسين حركة وحدة. في وسط كل وحدة تختلف آلية القائم على التشويش الحبيبية صلابة الهيكل خلال المهام. تبين التجارب أن الوحدة هي قادرة على ثني تصل إلى 120 درجة واستطال تصل إلى 66٪ من طول الأولي. وحدة يولد قوة أقصاها 47 N، وتصلب لها يمكن أن تزيد إلى 36٪.

Introduction

الاتجاهات الحديثة في المجال الطبي تدفع للانخفاض في الغزو من العمليات الجراحية. الحد الأدنى من جراحة الغازية (MIS) قد تحسنت بنجاح في السنوات القليلة الماضية لعمليات البطن. تستند الإجراءات MIS على استخدام الأدوات قدم من خلال أربع أو خمس نقاط الوصول (trocars) وضعت على جدار البطن. من أجل تقليل عدد trocars، والأدوات يمكن إدراجها من قبل واحدة ميناء تنظير البطن (SPL) أو الجراحة الفوهة الطبيعية Translumenal بالمنظار (NOTES) ^1. هذه الإجراءات تمنع ندوب مرئية الخارجية، ولكن تزيد من صعوبة للأطباء في تنفيذ عملية جراحية. هذا القيد ويرجع ذلك أساسا إلى انخفاض نقاط الوصول وطبيعة جامدة وشبه جامدة من الأجهزة التي ليست قادرة على تجنب أو تمرير حول أجهزة ^{2، 3.} المهارة والحركة يمكن تحسينها باستخدام مفصلية وفرط زائدة الروبوتات التي يمكن أن تغطي مساحة عمل أوسع وأكثر تعقيدا، اللنا تمكين هدف محدد في الجسم ليتم التوصل بسهولة أكبر ^{4 و 5 و 6 و} للعمل في أنظمة تراجع عند الضرورة ^7. A مناور مرن يمكن تحسين الامتثال الأنسجة، مما يجعل الاتصال أكثر أمانا من خلال الأدوات التقليدية.

ومع ذلك، هذه المتلاعبين غالبا ما تفتقر الاستقرار عند الوصول إلى الهدف، وعموما لا يمكن التحكم في اتصال مع الأنسجة المحيطة بها ^{8، 9} دراسات على البنى البيولوجية، مثل ذراع الأخطبوط ^{(10) وجذع} الفيل ^11، ألهمت مؤخرا تصميم المتلاعبين مرن، تشوه والمتوافقة مع عدد زائدة من درجات الحرية (DoFs) وتصلب السيطرة عليها ^(12). هذه الأنواع من الأجهزة تستخدم الينابيع السلبي، المواد الذكية، عناصر الهوائية، أو الأوتار ^{13، 14، 15.} وبشكل عام، المتلاعبين ملفقة مع مواد لينة ومرنة لا تضمن توليد القوى عالية.

تانه قساة FLOP (صلابة مرنة وقابلة للتعلم مناور السيطرة على العمليات الجراحية) مناور تم عرضها مؤخرا كجهاز الجراحية رواية لNOTES وSPL مستوحاة من قدرات الأخطبوط و. من أجل التغلب على القيود المفروضة على المتلاعبين لينة السابق، أن لديها هيئة لينة وكذلك مهارة عالية، وقوة عالية وصلابة السيطرة عليها ^(16).

ويستند بنية تتلاعب على نهج وحدات: وحدة متعددة، مع نفس الهيكل وظائف، هي متكاملة معا. وأظهرت وحدة واحدة في الشكل 1. وهو يقوم على الاسطوانة المرنة التي حصل عليها افتراء متعدد المراحل. الخطوات تجميع مكونات العفن وعمليات الصب تمكن ثلاث غرف فارغة (ليشتغل فلويديك) وقناة واحدة المركزية جوفاء ¹⁷ (للسكن آلية القائم على التشويش الحبيبية ¹⁸⁾ لتكون جزءا لا يتجزأ. توضع الدوائر في 120 درجة، بحيثالتضخم الجمع بين الأشعة تحت الحمراء تنتج حركة شاملة لكل الاتجاهات واستطالة. وبالإضافة إلى ذلك يتم وضع غمد مضفر خارجي خارجيا للحد من توسع شعاعي الخارجي لغرف الموائعية عند الضغط، وبالتالي تحقيق الاستفادة المثلى من تأثير يشتغل غرفة في حركة وحدة (الانحناء واستطالة).

القناة المركزية منازل جهاز اسطواني تتألف من الغشاء الخارجي مليئة المواد الحبيبية. عند تطبيق ضغط الفراغ، فإنه يغير خصائصه المرنة تسبب تشنج الذي يؤثر على خصائص وحدة بأكملها.

يتم التحكم في الحركة وتصلب العروض من قبل الإعداد الخارجي بما في ذلك ضاغط الهواء وثلاثة صمامات الضغط عن المشغلات مجلسين واحد مضخة فراغ لتفعيل فراغ في القناة تشنج. واجهة مستخدم بديهية تتيح السيطرة على يشتغل والفراغ الضغوط داخل وحدة.

تفاصيل هذه الورقة fabricatioعملية ن من وحدة واحدة من هذا مناور والتقارير أهم النتائج على قدرات الحركة الأساسية. وبالنظر إلى الطبيعة وحدات من هذا الجهاز، يمكن تقييم تصنيع وأداء وحدة واحدة واحدة فقط أيضا النتائج إلى أن تمتد وللتنبؤ بسلوك الأساسي للمناور متعددة وحدة دمج اثنين أو أكثر من الوحدات.

Protocol

ملاحظة: يصف هذا البروتوكول مراحل تصنيع وحدة واحدة، والتي تشمل غرف الموائعية وتشنج القناة، وخطوط الأنابيب يشتغل وغمد الخارجي. لديه الإجراء التالي ليتم تنفيذها تحت غطاء الدخان ويرتدي معطف المختبر وقفازات لأسباب تتعلق بالسلامة. كما ذكر سابقا، ويستند عملية تصنيع الوحدة المرنة على استخدام متسلسلة من قوالب مصممة مع برنامج CAD. وهي تتألف من 13 قطعة هو مبين في الشكل (2) والمدرجة في الجدول 1.

1. إعداد سيليكون

1. تزن 12 غرام من الجزء ألف و 12 غرام من الجزء B في نفس الزجاج البلاستيك أو طبق بتري ومزجها معا، واثارة.
   ملاحظة: يمكن أن نسب المواد تختلف تبعا لسيليكون المحددة المستخدمة، في هذه الحالة يتكون من جزأين: الجزء ألف (القاعدة) والجزء باء (المحفز). وهي تستخدم في نسبة 1A: 1B في الوزن.
2. وضع الزجاج التي تحتوي على مزيجمواد السيليكون إد في جهاز الغاز الراحل في 1 بار ضغط الفراغ. الحفاظ على الزجاج تحت فراغ حتى تتم إزالة كافة الفقاعات من مادة السيليكون. للسيليكون المستخدمة في عملية التفريغ يستغرق حوالي 10 دقيقة. مرة واحدة على مواد خالية تماما من وجود فقاعات، استعادة الضغط الجوي في الجهاز واستخدام السيليكون.

2. تصنيع وحدة Siliconic

1. جمعية القالب.
   1. إدراج تشنج اسطوانة والجزء العلوي من الدوائر إلى cap_A (الشكل 3A).
   2. إغلاق قذائف حول الطبقة الثانية من cap_A.
2. أول صب سيليكون.
   1. صب سيليكون داخل تجميعها العفن تصل إلى حافة قذائف (الشكل 3B).
   2. وضع القالب في الفرن على 60 درجة مئوية لمدة 30 دقيقة.
3. إعادة ترتيب القالب.
   1. إزالة قذائف الخارجية وcap_A (الشكل 3ج).
   2. إدراج اسطوانات من قواعد الدوائر واسطوانة تشنج داخل cap_B (الشكل 3D).
   3. إغلاق قذائف مرة أخرى حول وحدة، وينحدر منها من 10 مم إلى الأعلى من أجل أن يكون هناك فجوة من 10 ملم بين السطح العلوي من وحدة وحواف قذائف (الشكل 3E).
4. صب سيليكون الثاني.
   1. صب سيليكون داخل ترتيبها العفن تصل إلى حافة قذائف على الجانب العلوي (أي أيضا ما يصل الى الاسطوانة تشنج) (الشكل 3F).
   2. وضع القالب في الفرن على 60 درجة مئوية لمدة 30 دقيقة.
   3. إزالة قذائف الخارجية، cap_B والدوائر (باستثناء اسطوانة تشنج) (الشكل 3G).

3. الإدراج للأنابيب

1. قطع 3 أنابيب إلى نفس الطول المطلوب (300 ملم على سبيل المثال).
2. وضع الغراء siliconic حول واحدة من نهاية كل أنبوب لمدة 10 ملم، دون اوبstructing الأنابيب.
3. إدراج أنابيب داخل 2 مم مخصص قنوات في وحدة siliconic (الشكل 3H).
4. تسمح فترة علاج من 12 دقيقة في درجة حرارة الغرفة أو وضع وحدة داخل الفرن على درجة حرارة أعلى (50 ° - 60 °) لتسريع عملية التجفيف.

4. تصنيع لمعقوص مزين غمد

1. قطع 700 ملم من غمد مضفر توسيع (حوالي 15 أضعاف ارتفاع وحدة).
2. إدراج اسطوانة معدنية 30 مم وقطرها 250 ملم في الطول داخل غمد.
3. دفع إلى أسفل وإجبار غمد من الانزلاق على اسطوانة، من أجل خلق يعقص.
4. إصلاح ميكانيكيا غمد في مكان مع المشبك والحرارة مع بندقية التدفئة في 350 درجة مئوية لمدة 2-3 دقائق حتى يتم الحصول على تشوه دائم.
5. السماح للغمد يبرد وإزالة الاسطوانة الداخلية.

5. دمج غمد الخارجي

1. مرر الالأنابيب من خلال ثقوب cap_C.
2. صب 3 غرام من السيليكون في cap_C.
3. المشبك cap_C إلى الدعم الذي هو أعلى من مستوى العمل.
4. إدراج الجانب السفلي من وحدة ملفقة مسبقا في cap_C.
5. حرك غمد مجعد حول وحدة.
6. دفع يعقص الأولى من غمد داخل cap_C وتغمس في سيليكون صب طازجة (الشكل 3I).
7. وضع القالب في الفرن على 60 درجة مئوية لمدة 20 دقيقة.
8. كرر نفس الإجراء من وجهة 5،1-5،6 لإصلاح غمد في الجانب العلوي، وذلك باستخدام cap_D (الشكل 3J).
9. إزالة cap_C وcap_D.
10. إزالة الاسطوانة المركزية (الشكل 3K).

6. تصنيع ومحبب التشويش غشاء

1. صب 5 غرام من مادة اللاتكس السائل في كوب من البلاستيك.
2. تزج اسطوانة لغشاء (آخر قطعة هو مبين في الشكل 2) داخل المطاط السائل حتى السطحوتغطي تماما.
3. اتركها لتجف تحت غطاء محرك السيارة لمدة 20 دقيقة.
4. كرر نقاط 6.2 و 6.3.
5. إزالة غشاء من القالب.

7. الإدراج من حبيبي التشويش غشاء

1. قطع أنبوب (2 ملم في القطر) إلى الطول المطلوب (300 ملم على سبيل المثال).
2. قطع قطعة التربيعية من حوالي 100 مم ² من نسيج النايلون وإغلاق واحدة من نهاية الأنبوب مع هذا النسيج باستخدام فيلم البارافين البلاستيك أو superglue.
3. تزن 4 غرام من مسحوق القهوة وملء الغشاء.
4. إدراج أنبوب (النهاية مع فلتر) داخل الغشاء شغل واصلاحها حول الأنبوب باستخدام فيلم البارافين البلاستيك.
5. تطبيق فراغ على الجانب الآخر من الأنبوب (يصبح أكثر صلابة غشاء).
6. إدراج الغشاء داخل القناة المركزية فارغة من حدة siliconic (الشكل 3L).
7. الغراء طرفي غشاء تشنج إلى وحدة السيليكون.
8. إغلاق حلقات حول الجزء العلويجانب من وحدة (الشكل 3M).
9. صب 2 غرام من السيليكون في الحلقات لمستوى السطح.
10. السماح للسيليكون الجافة تحت غطاء محرك السيارة أو في الفرن على 60 درجة.
11. إزالة الحلقات.
12. كرر من نقطة 7،8-7،11 عن الجانب السفلي (الشكل 3N).

النتائج

المراحل المختلفة للتصنيع، وصفت في البروتوكول، ويوضح في الشكل (3).

من أجل تقييم فعالية هذه التقنية ونتائج النموذج النهائي، تم اختبار وحدة في مختلف ظروف العمل. الإعداد الخارجي يسمح السيطرة على كل من يشتغل وصلابة وحدة. وهو ي...

Discussion

The technique described in this protocol enables the fabrication of a pneumatically actuated soft unit usable for modular compliant structures. Thanks to the design of the molds and their simple assembly, it is possible to fabricate one complete module in about 4 hours with 7 main steps. The process of fabrication involves specific materials, which are easily available, and work should be carried out under a fume hood. An external set up including air valves, air compressor and vacuum pump is necessary to activate the mo...

Materials

Name	Company	Catalog Number	Comments
Ecoflex 00-50 Trial Kit	SmoothOn		Used for the fabrication of the soft unit, combining equal amounts of liquid parts A (the base) and B (the catalyst)
Latex	Antichità Belsito		Used for the fabrication of the granular jamming membrane
Peroxide-Cured Silicone Tubing	Cole Parmer	T-06411-59	Used for actuating the chambers and applying vacuum
PET expandable braided sleeving	RS	408-249	Used for the fabrication of the external braided sheath
Silicone Rubber	Momentive	127374	Used to fix the actuation tubes to the module
Parafilm	Cole Parmer	EW-06720-40	Used to fix the latex membrane to the vacuum tube
Fume hood Secuflow	Groupe Waldner		Working space
Precision scale	KERN EW		Used to weight silicone, latex and coffee powder
Oven/degasser	Heraeus		Used to degass the silicone and reduce its cure time
Vacuum pump	DVP Vacuum Technology		Used to apply vacuum to the latex membrane