Konstruktion und Herstellung eines Elastomer-Einheit für Soft Modular Robots in die Minimal Invasive Chirurgie

Zusammenfassung

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.

Zusammenfassung

In den letzten Jahren haben weiche Robotik-Technologien geweckt zunehmendes Interesse in der Medizin aufgrund ihrer eigensicheren Interaktion in unstrukturierten Umgebungen. Zur gleichen Zeit, neue Verfahren und Techniken entwickelt worden, um die Invasivität von chirurgischen Eingriffen zu reduzieren. Minimal Invasive Chirurgie (MIS) wurde erfolgreich für Bauch Eingriffe verwendet werden, werden jedoch Standard MIS Verfahren vor allem auf starre oder halbstarre-Tools, die die Geschicklichkeit des Arztes beschränken basiert. Dieser Beitrag stellt eine weiche und hohe geschickten Manipulator für MIS. Der Manipulator wurde von den biologischen Funktionen des Krakarm inspiriert und ist mit einem modularen Ansatz entwickelt. Jedes Modul stellt die gleichen funktionellen Eigenschaften, wodurch eine hohe Bewegungsfreiheit und Vielseitigkeit, wenn mehrere Module integriert werden. Das Papier beschreibt die Konstruktion, Fertigung Prozess und die Materialien für die Entwicklung einer einzigen Einheit, die von castin hergestellt ist notwendigg Silikon innen spezifische Formen. Das Ergebnis besteht in einer Elastomerzylinder mit drei flexiblen pneumatischen Stellantrieben, die Dehnung und omni-direktionale Durchbiegung der Einheit zu ermöglichen. Eine äußere geflochtene Hülle verbessert die Bewegung der Baugruppe. In der Mitte jedes Moduls ein körniges Verklemmen basierten Mechanismus variiert die Steifigkeit der Struktur während der Aufgaben. Tests zeigen, dass das Modul in der Lage ist sich zu biegen bis 120 ° und bis zu 66% der ursprünglichen Länge zu verlängern auf. Das Modul erzeugt eine maximale Kraft von 47 N, und seine Steifigkeit kann bis zu 36% erhöhen.

Einleitung

Aktuelle Trends in der Medizin drängen auf eine Verringerung der Invasivität von chirurgischen Operationen. Minimal Invasive Chirurgie (MIS) wurde erfolgreich in den letzten Jahren für die Bauchoperationen verbessert. MIS Verfahren basieren auf der Verwendung von Werkzeugen durch vier oder fünf Zugangspunkte (Trokare) auf die Bauchdecke plaziert eingeführt wurde. Um die Anzahl der Trokare zu reduzieren, können die Instrumente durch Single Port Laparoskopie (SPL) oder Natural Orifice Translumenal endoskopische Chirurgie (NOTES) ¹ eingefügt werden. Diese Verfahren verhindern, dass externe sichtbare Narben, aber erhöhen die Schwierigkeit für die Kliniker bei der Ausführung der Operation. Diese Beschränkung ist vor allem aufgrund der geringeren Zugangspunkte und der starren und halbstarren Art der Instrumente, die nicht in der Lage zu vermeiden oder zu laufen um Organe ^2, können ^3. Geschicklichkeit und Beweglichkeit mit Hilfe verbessert werden artikuliert und hyper-redundante Roboter, die eine breitere und komplexere Arbeitsbereich abdecken kann, thuns ermöglicht ein spezifisches Ziel im Körper leichter ^{4, 5, 6} zu erreichen und als Rückzugssysteme bei Bedarf ⁷ zu arbeiten. Eine flexible Manipulator Gewebe Compliance zu verbessern, wodurch Kontakt sicherer als mit herkömmlichen Werkzeugen.

Allerdings sind diese Manipulatoren fehlt es oft an Stabilität, wenn das Ziel erreicht ist und in der Regel sie den Kontakt mit dem umgebenden Gewebe ^8, nicht kontrollieren können ^9. Studien zu biologischen Strukturen, wie der Oktopus ^Arm 10 und dem Elefantenrüssel ^11, haben vor kurzem den Entwurf inspiriert flexibel, verformbar und konform Manipulatoren mit einer redundanten Anzahl von Freiheitsgraden (DoFs) und steuerbare Steifigkeit ^12. Diese Art von Vorrichtungen verwenden passive Federn, intelligente Materialien, pneumatische Elemente, oder Sehnen ^{13, 14, 15.} Im Allgemeinen Manipulatoren mit weichen und flexiblen Materialien hergestellt garantieren nicht für die Erzeugung hoher Kräfte.

Ter STIFF-Flop (Steifigkeit steuerbaren Flexible und Lernfähig Manipulator für chirurgische Eingriffe) Manipulator wurde vor kurzem als neuartige chirurgische Vorrichtung für Notes und SPL inspiriert von der Krake Fähigkeiten vorgestellt. Um die Grenzen der früheren weichen Manipulatoren zu überwinden, hat es einen weichen Körper sowie eine hohe Fingerfertigkeit, hohe Kraft und steuerbare Steifigkeit ^16.

Die Architektur des Manipulators basiert auf einem modularen Ansatz: mehrere Geräte mit der gleichen Struktur und Funktionalitäten, miteinander integriert. Die Einheit ist in Abbildung 1 dargestellt. Es basiert auf einer von einem mehrphasigen Herstellungs erhaltenen elastomeren Zylinder auf. Die Montageschritte der Formteile und der Gießverfahren ermöglichen drei leere Kammern (für die fluidische Betätigung) und einen hohlen Zentralkanal ¹⁷ (für die Aufnahme eines granularen Verklemmen basierten Mechanismus ¹⁸⁾ eingebettet werden. Die Kammern werden bei 120 ° gelegt, so daß dieir kombiniert Inflation produziert omnidirektionale Bewegung und Dehnung. Zusätzlich eine äußere geflochtene Hülle von außen angeordnet, um die nach außen gerichtete radiale Expansion der Fluidkammer zu begrenzen, wenn unter Druck gesetzt, wodurch die Wirkung der Kammer Betätigungs Optimierung in dem Modulbewegungs (Biegung und Dehnung).

Der zentrale Kanal befindet sich eine zylindrische Vorrichtung von einer externen Membran mit körnigem Material gefüllt besteht. Wenn ein Unterdruck angelegt wird, ändert es seine elastischen Eigenschaften bewirkt eine Versteifung, die die Eigenschaften des gesamten Moduls auswirkt.

Bewegung und Steifigkeit Leistungen werden durch eine externe Einrichtung, die einen Luftkompressor und drei Druckventile zur Ansteuerung der Kammern und eine Vakuumpumpe zur Aktivierung des Vakuums in der Versteifungskanal gesteuert. Eine intuitive Benutzeroberfläche ermöglicht die Steuerung der Betätigung und Vakuumdruck innerhalb des Moduls.

Dieses Papier beschreibt die fabrication Prozess des einzelnen Moduls dieser Manipulator und berichtet über die wesentlichen Ergebnisse zu den grundlegenden Bewegungsfähigkeiten. Unter Berücksichtigung der modularen Beschaffenheit der Vorrichtung, die Beurteilung der Herstellung und Leistung der nur ein einzelnes Modul die Ergebnisse zu verlängern und dem Grundverhalten eines Multimodul-Manipulator die Integration von zwei oder mehr Modulen vorauszusagen.

Protokoll

Hinweis: Dieses Protokoll beschreibt die Herstellungsphasen eines einzelnen Moduls, das die Fluidkammern aufweist, Versteifungskanal Betätigungs Pipelines und Außenmantel. Das folgende Verfahren muss unter einem Abzug und tragen Laborkittel und Handschuhe aus Sicherheitsgründen durchgeführt werden. Wie zuvor erwähnt, ist der Herstellungsprozess der elastomeren Einheit auf der sequentiellen Verwendung von Formen mit CAD-Software entwickelt, basierend. Sie sind von der 13 in 2 gezeigt und in Tabelle 1 aufgelistet Stücken.

1. Herstellung der Silikon

1. Man wiegt 12 g von Teil A und 12 g Bestandteil B in der gleichen Kunststoffglas oder eine Petrischale und mischen sie zusammen, Rühren.
   Anmerkung: Material Verhältnisse können in Abhängigkeit von dem spezifischen verwendeten Silikons variieren, in diesem Fall besteht es aus zwei Teilen: Teil A (der Basis) und Teil B (der Katalysator). Gewichts 1B: sie werden proportional 1A verwendet.
2. Das Glas, das die Mischunged Silikonmaterialien in einem Entgaser Maschine bei 1 bar Unterdruck. Halten Sie das Glas unter Vakuum, bis alle Luftblasen aus dem Silikonmaterial entfernt wird. Für die verwendeten Silikon die Entgasung Vorgang dauert etwa 10 min. Sobald die Materialien sind völlig frei von der Anwesenheit von Blasen, Wiederherstellen des Atmosphärendrucks in die Maschine und Verwenden des Silikons.

2. Die Herstellung der silikon Modul

1. Versammlung der Form.
   1. Legen Sie die Versteifungszylinder und die Spitze der Kammern in cap_A (Abbildung 3a).
   2. Schließen Sie die Schalen um die zweite Schicht der cap_A.
2. Erste Silikonguss.
   1. Gießen des Silikon innerhalb der zusammengesetzten Form bis an den Rand der Schalen (Abbildung 3b).
   2. Plaziere die Form in einem Ofen bei 60 ° C für etwa 30 min.
3. Umlagerung der Form.
   1. Entfernen Sie die äußeren Schalen und cap_A (Abbildung 3c).
   2. Legen Sie die Zylinder von den Basen der Kammern und der Versteifungszylinderinnen cap_B (Abbildung 3d).
   3. Schließen die Schalen wieder um das Modul, sie von 10 mm nach oben schieben, um einen Spalt von 10 mm zwischen der Oberseite des Moduls, und die Kanten der Schalen (3e) aufweisen.
4. Zweiten Silikonguss.
   1. Gießen Silikon nach innen umgelagerten Form an den Rand der Schalen auf der Oberseite (das heißt auch zur Versteifung Zylinder) (Figur 3f).
   2. Setzen der Form in einem Ofen bei 60 ° C für etwa 30 min.
   3. Entfernen Sie die äußeren Schalen, cap_B und die Kammern (mit Ausnahme des Versteifungszylinder) (Abbildung 3 g).

3. Einsetzen der Rohre

1. Schneiden 3 Rohre mit dem gleichen gewünschten Länge (300 mm zum Beispiel).
2. Setzen silikon Kleber um ein Ende jeder Röhre für 10 mm, ohne OBstruk die Rohre.
3. Legen Sie die Rohre in den 2 mm dedizierte Kanäle in der silikonEinheit (Abbildung 3 h).
4. Erlauben eine Aushärtezeit von 12 Minuten bei Raumtemperatur oder setzen Sie das Modul in einem Ofen bei einer höheren Temperatur (50 ° - 60 °) zur Beschleunigung des Trocknungsprozesses.

4. Herstellung des gekräuselten geflochtenen Mantel

1. 700 mm ausgeschnitten aus einem dehnbaren geflochtenen Mantel (ca. 15-fache der Höhe des Moduls).
2. Setzen Sie einen metallischen Zylinder von 30 mm Durchmesser und 250 mm Länge im Inneren der Scheide.
3. Nach unten drücken und die Kraft der Hülle, indem Sie über den Zylinder, um Kräuselungen zu erstellen.
4. Mechanischen Fixierung der Hülle an Ort und Stelle mit einer Klemme und Wärme mit einer Heißluftpistole bei 350 ° C für 2-3 min, bis eine bleibende Verformung erhalten wird.
5. Lassen Sie den Mantel abkühlen lassen und den Innenzylinder zu entfernen.

5. Integration der Außenhülle

1. Übergeben Sie dieRöhren durch die Löcher der cap_C.
2. Gießen Sie 3 g Silikon in cap_C.
3. Klemme cap_C auf einen Träger, der höher als der Arbeitsebene ist.
4. Setzen Sie die Unterseite des Moduls zuvor in cap_C hergestellt.
5. Schieben Sie die gekräuselte Hülle um das Modul.
6. Schieben Sie die ersten Sicken der Hülle im Inneren cap_C und tauchen sie in die frisch gegossenen Silikon (Abbildung 3i).
7. Setzen der Form in einem Ofen bei 60 ° C für ca. 20 min.
8. Wiederholen Sie den Vorgang ab Punkt von 5,1 bis 5,6, um die Hülle an der Oberseite zu befestigen, mit cap_D (Abbildung 3j).
9. Entfernen cap_C und cap_D.
10. Entfernen Sie den Zentralzylinder (Abbildung 3k).

6. Die Herstellung der Granular Jamming Membrane

1. Gießen Sie 5 g von flüssigem Latex in ein Kunststoffglas.
2. Tauchen Sie den Zylinder für die Membran (letzte in 2 gezeigte Stück) im Inneren des flüssigen Latex, bis die Oberflächevollständig bedeckt ist.
3. Lassen Sie es unter einer Haube für 20 Minuten trocken.
4. Wiederholen Sie die Punkte 6.2 und 6.3.
5. Entfernen Sie die Membran aus der Form.

7. Einsetzen des Granular Jamming Membrane

1. Geschnitten ein Rohr (2 mm im Durchmesser) auf die gewünschte Länge (300 mm zum Beispiel).
2. Schnitt einen quadratischen Stück von etwa 100 mm ² aus Nylongewebe und schließt ein Ende des Rohrs bei der Verwendung einer Kunststofffolie oder Paraffin superglue diesem Gewebe.
3. Man wiegt 4 g Kaffeepulver und füllen Sie die Membran.
4. Stecken Sie den Schlauch (das Ende mit dem Filter) im Inneren der gefüllten Membran und fixieren Sie sie um das Rohr mit einer Kunststoffparaffinfilm.
5. Einen Unterdruck auf der anderen Seite des Rohres (die Membran steifer wird).
6. Legen Sie die Membran im Inneren des leeren zentralen Kanal des silikonModul (Abbildung 3l).
7. Kleben die Enden des Versteifungsmembran zu der Silikonmoduls.
8. Schließen Sie die Ringe um die SpitzeSeite des Moduls (Figur 3M).
9. Pour 2 g Silicon in die Ringe, um die Bodenhöhe.
10. Lassen Sie das Silikon trocken unter der Motorhaube oder in einem Ofen bei 60 °.
11. Entfernen Sie die Ringe.
12. Wiederholen von Punkten von 7,8 bis 7,11 für die Unterseite (Abbildung 3n).

Ergebnisse

Die verschiedenen Phasen der Herstellung, in dem Protokoll beschrieben, werden in 3 dargestellt.

Um die Wirksamkeit der Technik und die Ergebnisse des endgültigen Prototyp zu bewerten, wurde das Modul in unterschiedlichen Arbeitsbedingungen getestet. Eine externe Einrichtung ermöglicht die Steuerung sowohl des Betätigungs und Steifigkeit der Baugruppe. Sie umfasst einen Luftkompressor, der drei Ventile aktiviert. Sie sind auf die in den Kammern integrierten silikonRohren ...

Diskussion

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...

Materialien

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