تصميم وتنفيذ مناور الروبوتية مفصل لمادية خارجة عن الموجات فوق الصوتية

Summary

هذه الورقة بتقديم تصميم وتنفيذ مناور الروبوتية مفصل لفحص مادية خارجة عن الموجات فوق الصوتية. ويضم النظام خمس درجات من الحرية مع المفاصل خفيفة الوزن 3D الطباعة ومخلب ميكانيكية لإدارة السلامة.

Abstract

مع إمكانية عالية الدقة والبراعة والتكرار، يمكن أن تستخدم نظام روبوتية ذاتية متعقبة لمساعدة الحصول على الموجات فوق الصوتية في الوقت الحقيقي. ومع ذلك، بإعداد محدودة من الروبوتات المصممة لمادية خارجة عن الموجات فوق الصوتية قد ترجمت بنجاح إلى الاستخدام السريري. في هذه الدراسة، ونحن نهدف إلى بناء مناور روبوتية مفصل للفحص بفائق الصوت خارج مادية، الذي هو وزن خفيف وحجم صغير. الروبوت يتكون من خمس وصلات خصيصا على شكل وآليات مشتركة مصنوعة خصيصا للتلاعب بالتحقيق، تغطية النطاق اللازم للحركة مع درجات الحرية الزائدة عن الحاجة لضمان سلامة المريض. ويشدد على سلامة الميكانيكية مع إليه مخلب، إلى الحد من القوة المطبقة على المرضى. نتيجة لتصميم والوزن الإجمالي المناول أقل من 2 كجم وطول المناور حوالي 25 سم. قد تم تنفيذ التصميم، والمحاكاة، وقد أجريت دراسات الوهمية، والمتطوعين، للتحقق من مدى الحركة، القدرة على إجراء تعديلات دقيقة والموثوقية الميكانيكية، والتشغيل الأمن مخلب. تفاصيل هذه الورقة في تصميم وتنفيذ مناور الروبوتية مفصل بالموجات فوق الصوتية، مع أساليب التصميم والجمعية المصور. يتم عرض نتائج الاختبار إظهار ميزات التصميم والخبرة السريرية لاستخدام النظام. خلص إلى أن مناور الروبوتية المقترح الحالي يفي بالمتطلبات كنظام مفصل للفحص بفائق الصوت خارج مادية ولديها إمكانات كبيرة لأن تترجم إلى الاستخدام السريري.

Introduction

نظام الموجات فوق الصوتية روبوتية خارج مادية (الولايات المتحدة) يشير إلى التكوين الذي يستخدم نظام روبوتية لعقد والتلاعب مسبار أمريكي للامتحانات الخارجية، بما في ذلك استخدامها في تصوير البطن القلب والأوعية الدموية، والتوليد والعامة¹ . استخدام هذا النظام الآلي دافع من التحديات التي تواجه عقد يدوياً والتلاعب بتحقيق أميركي، على سبيل المثال، التحدي المتمثل في إيجاد آراء الولايات المتحدة القياسية المطلوبة بموجب بروتوكولات التصوير السريري وخطر إصابات الإجهاد المتكررة^{2، 4}من ^3،، وأيضا باحتياجات لنا فحص البرامج، على سبيل المثال، شهدت الشرط sonographers لتكون في الموقع^5،6. مع التركيز على وظائف مختلفة والهدف أناتوميس، عدة الروبوتية الولايات المتحدة، كما استعرضت في سابق يعمل^1،،من⁷⁸، أدخلت نظم منذ التسعينات، من أجل تحسين الجوانب المختلفة للولايات المتحدة فحص (مثلاً، تيليوبيريشن مسافات طويلة^9،10،،من¹¹¹²، فضلا عن روبوت-عامل التفاعل والتحكم الآلي)^{13، 14}. بالإضافة إلى نظم الولايات المتحدة الروبوتية المستخدمة لأغراض التشخيص، ركزت الروبوتية عالية الكثافة نظم الموجات فوق الصوتية (هيفو) لأغراض العلاج وقد تم التحقيق على نطاق واسع كما لخصها بريستر et al. ¹، مع بعض الأخيرة يعمل^15،16 الإبلاغ عن التقدم الأخير.

على الرغم من أن قد وضعت عدة أنظمة روبوتية الولايات المتحدة مع تقنيات موثوقة نسبيا للسيطرة والعملية السريرية، سوى عدد قليل منهم قد ترجمت بنجاح إلى الاستخدام السريري، مثل نظام عن بعد متاحة تجارياً-الموجات فوق الصوتية ¹⁷-السبب المحتمل هو انخفاض مستوى القبول للروبوتات تبحث الصناعية كبيرة الحجم تعمل في بيئة سريرية، من وجهة نظر كل من المرضى وسونوجرافيرس. بالإضافة إلى ذلك، لإدارة السلامة، وغالبية الروبوتات الولايات المتحدة القائمة تعتمد على قوة أجهزة استشعار لرصد ومراقبة الضغط التطبيقية للمسبار الأمريكي، بينما آليات السلامة الميكانيكية الأساسية للحد من القوة سلبية لا تتوفر عادة . قد يتسبب هذا أيضا الشواغل عند ترجمة إلى الاستخدام السريري سلامة عمليات الروبوت سيكون بحتة تعتمد على النظم الكهربائية ومنطق البرنامج.

مع التطورات الأخيرة من 3D الطباعة التقنيات، خصيصا على شكل وصلات بلاستيكية مع آليات مشتركة مصنوعة خصيصا يمكن أن توفر فرصة جديدة لتطوير روبوت طبي مفصل. يمكن تحسين مكونات خفيفة الوزن مصممة بعناية مع مظهر مدمجة القبول السريري. روبوت طبي مفصل بهدف ترجمتها إلى الاستخدام السريري خصيصا للنظر في الولايات المتحدة، ينبغي أن يكون الاتفاق، مع ما يكفي من درجات الحرية (DOFs) ومجموعة من الاقتراح لتغطية منطقة مصلحة الفحص؛ على سبيل المثال، البطن السطح، بما في ذلك كل من أعلى وجانبي البطن. بالإضافة إلى ذلك، ينبغي أن تتضمن الروبوت أيضا القدرة على إجراء تعديلات دقيقة المسبار الأميركي في منطقة محلية، عند محاولة تحسين طريقة عرض الولايات المتحدة. ويشمل ذلك عادة حركات إمالة للتحقيق داخل نطاق معين، كما اقترح ايسومبا et al. ¹⁸ والباسط¹⁹. لمواصلة التصدي لشواغل السلامة، فمن المتوقع أن يكون النظام ميزات السلامة الميكانيكية السلبية التي مستقلة عن الأنظمة الكهربائية ومنطق البرنامج.

في هذه الورقة، نقدم تفصيلاً طريقة 5-شعبة الشؤون المالية البارع الروبوتية مناور، الذي يستخدم عنصرا أساسيا في نظام الولايات المتحدة الروبوتية مادية خارجة عن التصميم والجمعية. المناور يتكون من عدة روابط للطباعة 3D خفيفة الوزن ومصنوعة خصيصا آليات مشتركة ومخلب سلامة مدمج. ترتيب معين للمصايد توفر المرونة الكاملة للتعديلات التحقيق، مما يسمح بعمليات سهلة وآمنة في منطقة صغيرة دون الاصطدام مع المريض. المناول المقترح multi-شعبة الشؤون المالية يهدف إلى العمل كما يمكن إرفاق المكون الرئيسي الذي على اتصال بالمرضى، وذلك ببساطة بأي الآلية التقليدية 3-شعبة الشؤون المالية تحديد المواقع العالمية لتشكيل روبوت أميركي كامل مع المصايد نشط بشكل كامل إجراء فحص للولايات المتحدة.

Protocol

1-إعداد كل ارتباط، نهاية المستجيب، ومكونات إضافية

1. طباعة كافة الارتباطات (ل₀، ل₁، ل₂، ل₃ول₄) والنهاية-المستجيب كما هو مبين في الشكل 1، مع أكريلونيتريل بيوتادايين ستايرين (ABS) البلاستيكية أو البلاستيك (جيش التحرير الشعبي) حمض اللبنيك أو النايلون، استخدام 3D قابلة للطباعة الخدمة. استخدام. STL الملفات المتوفرة في المواد التكميلية عند الطباعة.
   ملاحظة: تغييرات في الشكل والحجم لكل جزء يمكن أن تكون على أساس الملفات المقدمة. يمكن تغيير التشكيل الجانبي الداخلي للغاية-المستجيب لتناسب مختلف الولايات المتحدة تحقيقات.
2. طباعة كافة المكونات الإضافية المطلوبة كما هو مبين في الشكل 2 في النايلون، استخدام خدمة الطباعة 3D. الرجوع إلى الجدول للمواد للعدد المطلوب من كل مكون. استخدام. STL الملفات المتوفرة في المواد التكميلية عند الطباعة.
3. البولندية جميع أجزاء البلاستيك المطبوعة مع تلميع الأدوات إذا لزم الأمر. قم بإزالة أي من المواد الداعمة التي غادرت من 3D الطباعة، إذا لزم الأمر.
   ملاحظة: بعض الهياكل في تصميم المستجيب نهاية المقدمة لاستشعار قوة، الذي ليس جزء من البروتوكول ذكرت هنا ولن تستخدم للجمعية العامة. أبلغ عن مفهوم التصميم استشعار القوة في العمل السابق²⁰؛ وهكذا، فإنه لا يشمل في هذه الورقة.

2-الجمعية المشتركة 1

ملاحظة: يستند الجمعية المشتركة 1 (ي₁) على الرقم 3.

1. مكان المحركات السائر الصغيرة، توجه أربعة (مع 20-أسنان التروس حفز المرفقة) في تجاويف المتصاعدة للأم₀ وجبل لهم مع مسامير.
2. ضع اثنين 37 ملم OD المحامل في العلب تحمل ل₀ وتأمين العتاد حفز 120-الأسنان (النوع A) على المفتاح السداسي للأم₁.
3. إدراج رمح ل₁ في حفرة رمح ل₀ مع التروس حفز القيادة الأربعة الصغيرة والكبيرة، مدفوعة حفز والعتاد، وتجميع رمح ذوي الياقات البيضاء لتأمين والإبقاء الرمح.

3-الجمعية المشتركة 2

ملاحظة: يستند الجمعية المشتركة 2 (ي₂) الرقم 4.

1. ضع موتورز السائر الصغيرة، توجه أربعة (مع 20-أسنان التروس حفز تعلق) في تجاويف المتصاعدة للأم₁ وجبل لهم مع مسامير.
2. إرفاق التروس حفز 120-أسنان اثنين (نوع B) إلى 37 ملم OD محامل اثنين وموقف لهم في تجاويف والعتاد ل₁، مع حفز 120-الأسنان والعتاد (النوع ب) تشارك مع حفز 20-أسنان التروس التي شنت على المحركات. فك وإعادة المسمار المحرك إذا لزم الأمر للسماح لتحديد المواقع سهلة للعتاد حفز نوع ب 120-الأسنان اثنين.
3. قم بمحاذاة ل₁ ول₂ وإدراج حمل وأزواج ربيع الكرة في الثقوب مخلب في ل₂. مع اثنان يغطي مخلب جولة محاذاة ودفع الربيع في إليه مخلب للتحميل، إدراج الترباس M6 المملون ل₁ ول₂.
4. تدوير الجمعية إلى الجانب الآخر، ثم كرر الخطوات من 3-3 لهذا الجانب. تأمين الجمعية العامة عن طريق إرفاق الجوز الترباس M6.

4-الجمعية المشتركة 3

ملاحظة: يستند الجمعية المشتركة 3 (ي₃) على الرقم 5.

1. مكان المحركات السائر الصغيرة، وتوجه اثنان (مع 20-أسنان التروس حفز المرفقة) في تجاويف المتصاعدة للأم₂ وجبل لهم مع مسامير.
2. ضع OD 37 ملم واضعة في السكن أثر من العتاد حفز 120-الأسنان (النوع C) ثم ضع OD 32 مم واضعة في السكن أثر ل₃.
3. تأمين العتاد حافز كبير في ثقب المفتاح السداسي ل₃ (يمكن استخدام مسامير إضافية إذا لزم الأمر) وإدراج رمح ل₂ المملون كبيرة حفز العتاد ول₃، مع الصغيرة والتروس حافز كبير تعمل.

5-الجمعية إليه القيادة المشتركة 4

ملاحظة: يستند الجمعية المشتركة 4 (ي₄) على الرقم 6.

1. ضع موتورز السائر الصغيرة، وتوجه اثنان في تجاويف المتصاعدة ل₃ وجبل لهم مع مسامير. ضع المحامل OD 8 مم في العلب تحمل ل₄.
2. جبل 20-أسنان طويلة والعتاد حفز على المحركات الصغيرة السائر اثنين.

6-الجمعية إليه تحركها المشترك 4 و 5 المشتركة

ملاحظة: الجمعية المشتركة 4 (ي₄) يستند إلى الرقم 6 والمشترك 5 (ي₅) يستند الرقم 7.

1. ضع العتاد شطبه الأسنان 144 مدفوعة إلى بثق ل₄.
2. ضع موتورز السائر الصغيرة، وتوجه اثنان (مع 18-الأسنان مائل التروس المرفقة) في تجاويف المتصاعدة ل₄ وجبل لهم مع مسامير. وأخيراً، إدراج رمح M5 في حفرة رمح ل₃ ول₄ بعد أن يتم محاذاة الروابط اثنين. ضمان بنيت في هياكل العتاد مدفوعة على ل₄ مباريات مع العتاد حفز طويل الأسنان 20.
3. إدراج النهاية-المستجيب في مجرى الخابور العتاد شطبه كبيرة وموقف النهاية-المستجيب عمودياً مع ذوي الياقات البيضاء نهاية المستجيب مشدود على أنه.

النتائج

بعد على البروتوكول، النظام الناتجة مناور روبوتية مع خمسة روابط خصيصا على شكل (L₀ L₄) والمفاصل revolute الخمسة (ي₁ ي₅) للتحرك، وعقد، وآماله محلياً مسبار أمريكي (الشكل 8). المشترك تناوب العلوي (ي₁)، مع الآليات والعتاد دفعتها بالمحركات ال...

Discussion

خلافا للعديد من غيرها الروبوتات الصناعية التي ترجمت إلى التطبيقات الطبية، مناور الآلية المقترحة المبينة في البروتوكول تم تصميمه خصيصا للامتحانات الأمريكية وفقا للمتطلبات السريرية لنطاق الحركة، تطبيق القوة، وإدارة السلامة. وقد مناور الروبوتية خفيفة الوزن نفسه مجموعة واسعة من الحركات ك...

Materials

Name	Company	Catalog Number	Comments
3D-printed link L0	3D printing service	1	As shown in Figure 1, with the STL file provided
3D-printed link L1	3D printing service	1	As shown in Figure 1, with the STL file provided
3D-printed link L2	3D printing service	1	As shown in Figure 1, with the STL file provided
3D-printed link L3	3D printing service	1	As shown in Figure 1, with the STL file provided
3D-printed link L4	3D printing service	1	As shown in Figure 1, with the STL file provided
3D-printed end-effector	3D printing service	1	As shown in Figure 1, with the STL file provided
20-teeth spur gear	3D printing service	12	0.5 module, 5 mm face width, with mounting keyway, as shown in Figure 2, with the STL file provided
18-teeth bevel gear	3D printing service	2	0.5 module, 5 mm face width, with mounting keyway, as shown in Figure 2, with the STL file provided
120-teeth spur gear (Type A)	3D printing service	1	0.5 module, 6 mm face width, with mounting keyway, bearing housing, and bore, as shown in Figure 2, with the STL file provided
120-teeth spur gear (Type B)	3D printing service	2	0.5 module, 6 mm face width, with detent holes, bearing housing, and bore, as shown in Figure 2, with the STL file provided
120-teeth spur gear (Type C)	3D printing service	1	0.5 module, 6 mm face width, with mounting key, bearing housing, and bore, as shown in Figure 2, with the STL file provided
20-teeth long spur gear	3D printing service	1	0.5 module, 21.5 mm face width, with mounting keyways, as shown in Figure 2, with the STL file provided
144-teeth bevel gear	3D printing service	1	0.5 module, 7 mm face width, with mounting keyways, as shown in Figure 2, with the STL file provided
Bearing (37 mm O.D and 30 mm I.D)	Bearing Station Ltd., UK	5	Bearing size and supplier can be varied
Bearing (12 mm O.D and 6 mm I.D)	Bearing Station Ltd., UK	2	Bearing size and supplier can be varied
Bearing (32 mm O.D and 25 mm I.D)	Bearing Station Ltd., UK	1	Bearing size and supplier can be varied
Bearing (8 mm O.D and 5 mm I.D)	Bearing Station Ltd., UK	2	Bearing size and supplier can be varied
Plastic/metal shaft (6 mm O.D, 70 mm long)	TR Fastenings Ltd., UK	1	e.g. Could be an M6 bolt and a nut
Plastic/metal shaft (5 mm O.D, 70 mm long)	TR Fastenings Ltd., UK	1	e.g. Could be an M5 bolt and a nut
Ball-spring pairs	WDS Ltd., UK	4	Numbers of ball-spring pairs could varied to adjust the triggering force of the clutch
Clutch covers	3D printing service	2	104 mm O.D, 5mm face width, 6 mm bore, as shown in Figure 2, with the STL file provided
3D-printed shaft collar	3D printing service	1	35 mm O.D and 30 mm I.D, 8mm face width, as shown in Figure 2, with the STL file provided
3D-printed end-effector collar	3D printing service	1	As shown in Figure 2, with the STL file provided
Small geared stepper motors	AOLONG TECHNOLOGY Ltd., China	14	Part number: GM15BYS; Internal gear ratio 232:1 or 150:1, all acceptable