Rod-basierte Herstellung von Anpassbare Weiche Robotic Pneumatic Gripper Geräte für empfindliche Gewebe Manipulation

Zusammenfassung

This protocol describes a rod-based approach, combining 3D-printing and soft lithography techniques for fabricating the soft gripper devices. This approach eliminates the need for an external air source by incorporating a chamber component and reduces the chance of occlusion during the sealing process, particularly for miniaturized pneumatic channels.

Zusammenfassung

Soft compliant gripping is essential in delicate surgical manipulation for minimizing the risk of tissue grip damage caused by high stress concentrations at the point of contact. It can be achieved by complementing traditional rigid grippers with soft robotic pneumatic gripper devices. This manuscript describes a rod-based approach that combined both 3D-printing and a modified soft lithography technique to fabricate the soft pneumatic gripper. In brief, the pneumatic featureless mold with chamber component is 3D-printed and the rods were used to create the pneumatic channels that connect to the chamber. This protocol eliminates the risk of channels occluding during the sealing process and the need for external air source or related control circuit. The soft gripper consists of a chamber filled with air, and one or more gripper arms with a pneumatic channel in each arm connected to the chamber. The pneumatic channel is positioned close to the outer wall to create different stiffness in the gripper arm. Upon compression of the chamber which generates pressure on the pneumatic channel, the gripper arm will bend inward to form a close grip posture because the outer wall area is more compliant. The soft gripper can be inserted into a 3D-printed handling tool with two different control modes for chamber compression: manual gripper mode with a movable piston, and robotic gripper mode with a linear actuator. The double-arm gripper with two actuatable arms was able to pick up objects of sizes up to 2 mm and yet generate lower compressive forces as compared to elastomer-coated and non-coated rigid grippers. The feasibility of having other designs, such as single-arm or hook gripper, was also demonstrated, which further highlighted the customizability of the soft gripper device, and it's potential to be used in delicate surgical manipulation to reduce the risk of tissue grip damage.

Einleitung

Soft - Roboter haben große Forschungsinteresse in der Robotik - Community ausgelöst , und sie haben in verschiedenen funktionellen Aufgaben wie welligen Lokomotion in unstrukturierten Umgebungen ¹ und Greif ² verwendet. Sie werden hauptsächlich aus weichen elastomeren Materialien bestehen und durch verschiedene Betätigungsverfahren durch die Verwendung von verschiedenen Materialien , wie beispielsweise elektroaktives Polymer (EAP) gesteuert, Formgedächtnislegierung (SMA) oder komprimiertem Fluid ^3. EAPs Funktion basiert auf einer Differenzspannung, die elektrostatischen Kräfte induziert aktive Stämme zu erzeugen, und erzeugt dadurch Betätigung. Die eigentümliche Formgedächtniseffekt des FGL wird eingesetzt, um die gewünschte Betätigung auf der Krafterzeugung während Phasenumwandlungen auf die Änderung der Temperatur zu generieren. Schließlich erleichtert das komprimierte Fluid Betätigungs Technik eine einfache Konstruktionsstrategie Steifigkeitsunterschied in den Weich Aktoren zu induzieren, so dass die nachgiebiger Regionen aufzublasenbei Druckbeaufschlagung. Soft-Roboter sind so konzipiert, die Anwendungen von herkömmlichen Fest Roboter, vor allem in Anwendungen zu erweitern, wo empfindliche Objekte beteiligt sind. Insbesondere in diesem Beitrag stellen wir unseren einzigartigen Ansatz in weichen Robotergreifer für empfindliche chirurgische Manipulation zu entwickeln.

Chirurgisches Greif ist ein wichtiger Aspekt bei vielen chirurgischen Prozeduren , wie beispielsweise Leber beteiligt, gynäkologische, urologische und Nervenreparatur Operationen ^{4, 5.} Es wird in der Regel durch starr ausgeführt, Stahlgewebegreifwerkzeuge , wie beispielsweise die Pinzetten und laparoskopischen Greifer zum Zweck der Erleichterung Beobachtung, Exzision, Anastomose Verfahren usw. Allerdings ist extreme Vorsicht geboten , da die herkömmlichen Greifwerkzeuge aus Metall hergestellt sind, die eine hohe Spannungskonzentration Bereiche im Weichgewebe an den Kontaktpunkten ⁶ führen kann. Je nach Schwere der Gewebeschäden, verschiedene Komplikationen, wie Schmerzen, pathologische Narbengewebe formationen und sogar dauerhafte Behinderung führen kann. Eine frühere Studie berichtet , dass die Komplikationsrate bei peripheren Nervenchirurgie 3% ⁷ war. das Konzept der weichen Griff Daher die sicher konformen Grip kann, kann ein vielversprechender Kandidat für empfindliche chirurgische Manipulation sein.

Hier präsentieren wir eine Kombination aus 3D-Druck und modifizierte Softlithographie-Techniken, die einen Stab basierten Ansatz, anpassbare weiche Roboter pneumatische Greifer herzustellen. Traditionelle Herstellungstechnik von weichen Roboter basierend auf Druckfluid Betätigung erfordert eine Form mit pneumatischen Kanäle aufgedruckt und ein Versiegelungsverfahren die Kanäle ⁸ abzudichten. Allerdings ist es nicht möglich, für miniaturisierte weichen Roboter, die kleinen pneumatischen Kanäle benötigen, wo Okklusion von Kanälen leicht in den Siegelprozess passieren kann. Die traditionelle Technik erfordert die Abdichtung der Luftkanäle durch Verbinden einer beschichteten Siegelschicht, um es zu tun. Daher ist die layer aus Elastomermaterial, die zunächst dient als Bindeschicht in die winzigen Kanäle gelangen könnte und diese Kanäle verstopfen. Es ist auch nicht möglich, die Luftkanäle an der Mitte der Struktur zu positionieren und zu einer Kammer Komponente unter Verwendung herkömmlicher Techniken verbinden. Die vorgeschlagene Vorgehensweise ermöglicht die Schaffung von miniaturisierten pneumatischen Kanäle mit einer luftgefüllten Kammer Stäbe verwendet und nicht Abdichtung der winzigen Kanäle erfordern. Darüber hinaus dienen die Kammer mit den pneumatischen Kanäle als Luftquelle, die keine externe Luftquellen für komprimierte Fluid Betätigung erfordert. Es erlaubt sowohl die manuelle und Robotersteuerung Modi durch die Kammer Kompression Erleichterung der Greifkomponente zu betätigen, damit der Anwender die Möglichkeit, die Bereitstellung der Menge an Kraft zu steuern, dass sie durch den Greifer anwenden. Dieser Ansatz ist hochgradig anpassbar und verwendet werden, können verschiedene Arten von Weichgreifkonstruktionen wie Greifer mit Einzel- oder mu herzustellenltiple ansteuerbaren Arme.

Protokoll

Hinweis: Alle weichen pneumatischen Greifern wurden hergestellt, indem auf Silikonbasis Elastomermischungen in maßgeschneiderte 3D-Druckgussformen, die ein Herstellungsverfahren, das drei Schritte folgen: Formen Greifer-Arm-Komponenten mit eingebetteten pneumatischen Kanäle, Kammerkomponenten-Formen mit den pneumatischen Kanälen verbunden und Versiegeln des Kammerbauteils mit Luft gefüllt.

1. Herstellung von Elastomeren

1. Einen Behälter für Mischer auf einer Waage stellen und tarieren. Pour Teile A und B des silikonbasierten Elastomers in dem Behälter mit einem 1: 1-Gewichtsverhältnis.
2. Decken Sie den Behälter und messen das Gesamtgewicht.
3. Stellen Sie den Behälter und Material in einen Zentrifugalmischers. Stellen Sie die Gewichtsbalance auf dem Mischer auf das Gewicht gemessen in Schritt 1.2.
4. Stellen Sie die Misch- und Entlüftungsmoden zu 2.000 rpm und 2.200 rpm jeweils für 30 sec. Mischen Sie die Elastomerkomponenten gründlich einheitliche Härtung zu erreichen.

le "> 2. Mold Design und Produktion

Hinweis: Die Geometrie der Form variieren für verschiedene Anwendungen auf den spezifischen Anforderungen variieren. Die folgenden Schritte stellen allgemeine Schlüsselschritte in CAD-Software, die erforderlich sind, um die Kammer und Greiferkomponente der Form zu erstellen.

1. Gestalten Sie die Formen und Versiegelungsform mit Computer-Aided Design (CAD) Software. Siehe Abbildung 1 für die Geometrie und die spezifischen Abmessungen der Formen in diesem Manuskript verwendet.
   1. Gestaltung der äußeren Begrenzungskasten
      1. Klicken Sie rechts auf der oberen Ebene und klicken Sie auf "Normal", um zur oberen Ebene zu normalisieren.
      2. Klicken Sie auf "Sketch" in der oberen linken Ecke ein "Sketch" Fenster zu öffnen. Dann klicken Sie auf den "Sketch" -Taste auf der linken oberen Ecke der Symbolleiste eine rechteckige Grundfläche von Kammerkomponenten zu ziehen.
      3. Klicken Sie auf das "Smart-Dimension" -Funktion, die neben der "Sketch" Taste befindet, zu definieren skEtch-Dimensionen. Stellen Sie sicher , dass die Skizze voll definiert ist (dh alle Zeichnungslinien schwarz werden) und die Skizze beenden , wenn Sie fertig.
      4. Klicken Sie auf "Eigenschaften" Fenster. Dann klicken Sie auf "Extruded Boss / Base" Feature ausgewählten Konturen in der Y-Richtung zu extrudieren.
      5. Klicken Sie auf die obere Oberfläche des Modells die Skizze Ebene vorgewählt. Skizzieren Sie ein Rechteck und definieren die Dimensionen wie in 2.1.1.2 und 2.1.1.3 beschrieben.
      6. Klicken Sie auf "Eigenschaften" Fenster. Dann klicken Sie auf "Extruded Cut" -Funktion , um einen Hohlraum zu extrudieren geschnitten zum Gießen Elastomere (2A). Stellen Sie sicher, dass die Wanddicke 2,5 mm ist.
   2. Design der inneren Kammer
      1. Klicken Sie rechts auf der Oberfläche, auf der Y-Richtung der Öffnungsfläche. Klicken Sie dann auf "Normal" auf die Oberfläche zu normalisieren.
      2. Als nächstes klicken Sie auf den "Sketch" Fenster ein Rechteck für Kammerkomponenten zu zeichnen, wie 2.1.1.2 in den Schritten und2.1.1.3.
      3. Klicken Sie auf "Eigenschaften" Fenster. Dann klicken Sie auf "Extruded Boss / Base" Funktion , um die Kammer Komponente in der Y-Richtung (2B) zu extrudieren.
         Hinweis: Die Tiefe des Schnitts in Schritt 2.1.1.6 beträgt 2,5 mm größer als dieser extrudierten Basis.
   3. Aufbau des Greifers Komponente
      1. Klicken Sie auf die Oberfläche des Modells in negativer X-Richtung, um die Skizzierebene für Greiferkomponente vorgewählt werden. Erstellen Sie ein Rechteck in der "Sketch" Fenster wie in den Schritten 2.1.1.2 und 2.1.1.3 beschrieben.
      2. Klicken Sie auf "Eigenschaften" Fenster. Dann klicken Sie auf "Extruded Boss / Base" Funktion, um die ausgewählte Kontur in negativer X-Richtung zu extrudieren.
      3. Klicken Sie auf die Oberseite des Greiferkomponente die Skizzierebene vorgewählt. Erstellen Sie eine Form der Greifer in der "Sketch" Fenster (Abbildung 2C) und die Skizze zu schließen , wenn die Dimensionen voll wie ein in den Schritten definiert ist 2.1.1.2d 2.1.1.3.
      4. Klicken Sie auf "Eigenschaften" Fenster. Dann klicken Sie auf "Extruded Cut" einen Hohlraum zu schneiden für Elastomere in der Greiferkomponente Gießen. Stellen Sie sicher, dass die Wanddicke 2,5 mm ist.
   4. Aufbau der Verbindung zwischen Kammer und Greifer
      1. Erstellen Sie ein Rechteck in der "Sketch" Fenster auf der Oberseite des Kammerstück wie in 2.1.1.2 und 2.1.1.3 beschrieben.
      2. Klicken Sie auf "Eigenschaften" Fenster. Dann klicken Sie auf "Extruded Cut" , um eine Verbindung zwischen der Kammer und Greiferkomponenten (2D) erstellen.
   5. Entwurf der pneumatischen Kanäle
      1. Erstellen 1,5 mm Durchmesser Kreise auf der Oberfläche der Kammer Stücks in der positiven X-Richtung, wie in den Schritten 2.1.1.2 und 2.1.1.3 beschrieben.
      2. Klicken Sie auf "Eigenschaften" Fenster. Dann klicken Sie auf "Extruded Cut" auf die Kanäle zum Einsetzen Drahtstäben erzeugen (Abbildung 2E). Stellen Sie sicher, das holes sind nicht durch die Greifkomponente geschnitten.
2. In einem separaten CAD-Datei, zeichnen ein Versiegelungsform mit einem Hohlraum mit einer Länge und Breite, die mit 1 mm größer als die Außenabmessungen des Kammerbauteils des Greifers sind. Hinweis: Die Wandstärke 2,5 mm ist.
   1. Klicken Sie auf das "Sketch" Fenster ein Rechteck auf der oberen Ebene, wie beschrieben Schritte 2.1.1.2 und 2.1.1.3 zu erstellen.
   2. Klicken Sie auf "Eigenschaften" Fenster. Dann klicken Sie auf "Extruded Boss / Base" Feature ausgewählten Konturen in der Y-Richtung zu extrudieren.
   3. Klicken Sie auf die Oberseite des Modells die Skizze Ebene vorgewählt. Skizzieren Sie ein Rechteck und definieren die Dimensionen wie in den Schritten 2.1.1.2 und 2.1.1.3).
   4. Klicken Sie auf "Eigenschaften" Fenster. Dann klicken Sie auf "Extruded Cut" -Funktion, um einen Hohlraum zu extrudieren geschnitten Elastomere zum Gießen. Stellen Sie sicher, dass die Wanddicke 2,5 mm ist.
3. Speichern Sie jede Form Stück als .STL--Datei für den 3D-Druck.
4. Laden Sie die STL - Datei in den 3D - Drucker mit einer Auflösung von 30 um und drucken die Formstücke ^9.
5. Entfernen Sie alle Trägermaterial auf die Formstücke und waschen Sie die Formstücke mit Wasser.

3. Weiche Einzel / Doppel-ansteuerbaren Arm Pneumatische Greifer

1. Molding Greifer-Arm-Komponenten mit integrierten pneumatischen Kanäle
   1. Einfügen zwei 3D-Druckkammer-Blöcke auf der linken und rechten Seite des Kammerbauteils (3A) , um eine abgedichtete Kammer mit Luftkanälen mit ihm verbunden zu erzeugen.
   2. Legen Sie zwei 1,5 mm-Durchmesser Titan Drahtstäbe durch die Kammer, eine 2 mm Abstand von den Greiferspitzen halten die Luftkanäle (3A) zu erstellen. Hinweis: Verwenden Sie eine Drahtstange für den einzelnen zu betätigende-Arm-Greifer.
   3. Gießen Sie die elastomere Mischung in die Form, um vollständig den Greifer Komponente zu füllen.
   4. Stellen Sie sicher, es gibt keine sichtbaren Luftblasen.
   5. Place die Form in den Ofen für 10 min bei 60 ° C gehärtet wird. Sobald Elastomer ausgehärtet ist, entfernen Sie die Form aus dem Ofen.
2. Formkammerkomponenten zu den pneumatischen Kanälen verbunden
   1. Ziehen Sie die Drahtstäbe und die beiden Kammerblöcke aus der Form.
   2. Platzieren eines 3D-Druckgreiferblock auf der Oberseite des Greiferkomponente, um die Kammer (3B) zu erzeugen. Legen Sie die Drahtstäbe die Löcher in der Wand der Form zu blockieren.
   3. Gießen der elastomeren Mischung in die Form des verbleibenden Teils des Kammerbauteils zu füllen und sicherstellen, dass keine sichtbaren Luftblasen in der Form eingeschlossen ist.
   4. Härten des Teils bei einer Temperatur von 60 ° C für 10 min. Entfernen Sie die Form aus dem Ofen einmal Elastomer gehärtet wird.
   5. Entfernen Sie den Greifer-Block und Entformen der ausgehärteten Greifer mit Kammerstruktur.
3. Die Abdichtung der Kammer Komponente mit Luft gefüllt
   1. Gießen Sie die elastomere Mischung in die Versiegelungsform undhärten bei 60 ° C für 10 min.
   2. Pinsel eine Schicht aus elastomerem Material auf der gehärteten 2,5 mm Siegelschicht. Legen Sie die gehärtete Greifer mit Kammerstruktur auf der Oberseite der beschichteten Siegelschicht und verbinden die beiden Teile zusammen (3C).
   3. Anschließend härten die gesamte Struktur vollständig bei 60 ° C für 15 min.
   4. Entformbar die vollständig weichen Robotergreifvorrichtung ausgehärtet.

4. Insertion von Soft-Robotic Pneumatische Greifvorrichtung in Handhabungswerkzeug

1. Entwerfen Sie die Umgang mit Werkzeugen, wie in der Supplemental-Datei 1 CAD-Software beschrieben und speichern Sie es in .STL- Datei. Siehe 4 und 5 für die Abmessungen der Werkzeuge.
2. Laden Sie die STL - Datei in dem 3D - Drucker und drucken die Formstücke ^9.
   Hinweis: Alle Druckschritte für die manuelle Steuerung der Handhabung Werkzeug, rechteckige Kappe und beweglichen Kolben (Abbildung 4) kann innerhalb von 3 h 48 min abgeschlossen sein. Die Öffentlichkeitsarbeitinting Zeit für die Robotersteuerung Herstellung Handhabung Werkzeug und rechteckige Kappe (Abbildung 5) ist 1 h 56 min. Siehe Zusatzdatei 2 für 3D-Drucker-Betriebsanleitung.
3. Ziehen Sie weg jedes Trägermaterial an den Werkzeugen, nachdem der Druck beendet ist. Dann waschen Sie die Werkzeuge mit Wasser.
4. Setzen Sie den Greifer in die manuelle Steuerung Handhabungswerkzeug (4A) und decken den Öffnungsbereich mit einem beweglichen rechteckigen Kappe (4B).
5. Legen Sie einen beweglichen Kolben (4C) Kammer Kompression zu erleichtern.
6. Setzen Sie den Greifer und Linearantrieb in die Robotersteuerung Handhabungswerkzeug (5A). Hinweis: Der Linearantrieb ersetzt den beweglichen Kolben im Handbetrieb für Kammerkompression.
7. Decken Sie die Öffnungsfläche mit einem beweglichen rechteckigen Kappe (5B).

5. Auswertungen und Grip Druckversuch

1. Bewertendie Funktionalität des weichen Greifer durch Greifen Tests mit einem Überbrückungskabel durchführen.
   1. Legen Sie eine Drahtbrücke auf dem Tisch.
   2. Stellen Sie den Greifer so dass der Draht zwischen der beiden Greifarme.
   3. Bewegen Sie den beweglichen Kolben in die Kammer zu komprimieren, um die Greifarme zu betätigen, um den Draht zu halten.
      Hinweis: Nur die manuelle Steuerung Umgang mit Werkzeug in der Greif Demonstration verwendet wird.
   4. Halten und den Draht zu einem Kasten wegbewegen ursprünglichen Position bei 20 cm entfernt von Draht ist.
2. Legen Sie eine kalibrierte Kraftmesswiderstand zwischen den beiden Backen des Greifers. Sicherstellen, dass die Greifbacken Griff auf den Erfassungsbereich. Hinweis: Der Durchmesser des Sensorfläche beträgt 14,7 mm.
3. Komprimieren Sie die Kammer, um die Greifarme zu greifen auf die Kraftmesswiderstand zu betätigen.
4. Messen Sie die maximale Griffigkeit Druckkräfte , dass die weiche Single-ansteuerbaren-Arm und doppelt ansteuerbaren-Arm pneumatische Greifer erzeugen könnte , wie in ¹⁰ beschrieben.
   Anmerkung: Die ausgelesenen Werte werden auf einem Laptop angezeigt werden. Die maximalen Grip Druckkräfte an dem Punkt der maximalen Druck gemessen, der die pneumatischen Kanäle standhalten können.
5. Schneiden Sie die einzelnen elastomeren Greifbacken aus einem weichen Doppel ansteuerbaren-Arm pneumatische Greifer aus.
6. Legen Sie die Zangenspitzen in die Luftkanäle der elastomeren Greifbacken.
7. Legen Sie eine kalibrierte Kraftmesswiderstand zwischen den beiden Backen der Zange.
8. Messen Sie die Druckkräfte ¹⁰ , die durch elastomerbeschichteten Pinzette und Zange während einer simulierten Nervenchirurgie von einem Neurochirurgen durchgeführt.
   Hinweis: Der Neurochirurg eine Kraft, die ähnlich ist, was er gilt normalerweise während der tatsächlichen Operation an dem Kraftmesswiderstand.
9. Der Mittelwert der Daten aus fünf Studien in jedem Test erhalten.

Ergebnisse

Die weichen Roboter pneumatischen Greifvorrichtungen waren in der Lage Aufnahme von Objekten mit Abmessungen von bis zu 1,2 mm Durchmesser (Abbildung 6). Die maximale Griffigkeit Druckkraft, die durch den Ein- ansteuerbaren-Arm und Double- ansteuerbaren-Arm weichen Greifeinrichtungen waren 0,27 ± 0,07 N und 0,79 ± 0,14 N bzw. im Vergleich zu 1,71 ± 0,16 N und 2,61 ± 0,22 N Druckkräfte in simulierte Operation durch die elastomerbeschichteten Pinzette und durch unbesc...

Diskussion

Wir haben erfolgreich gezeigt, dass die weichen robotic pneumatischen Greifeinrichtungen nachgiebigen Greifen von Gegenständen erlaubt, die auf dem gegriffenen Gegenstand viel geringere Druckkräfte ausgeübt, als die elastomerbeschichteten Zangenspitzen und Zange ausgeübt wird. Zange ist ein wichtiges Instrument für die Nerven Manipulation während peripheren Nervenreparatur ^{11 Operationen, 12.} Allerdings ist seine Metallstruktur von den Chirurgen , um in Gebrauch extreme Vorsicht erforderlich Nervenschä...

Materialien

Name	Company	Catalog Number	Comments
Weighing Scale	Severin	KW3667	(Step: Preparation of elastomers)
Ecoflex Supersoft 0030 Elastomer	Smooth-On	EF0030	(Step: Preparation of elastomers)
Planetary Centrifugal Mixer and Containers	THINKY USA Inc.	ARE-310	(Step: Preparation of elastomers)
Solidworks CAD	Dassault Systèmes	Solidworks Research Subscription	(Step: Soft single/double-actuatable arm pneumatic grippers)
Objet 3D Printer	Stratasys	260 Connex2	(Step: Soft single/double-actuatable arm pneumatic grippers)
Titanium Wire Rods	Titan Engineering	N/A	(Step: Soft single/double-actuatable arm pneumatic grippers)
Natural Convection Oven with Timer	Thermo Fisher Scientific	BIN#ED53	(Step: Soft single/double-actuatable arm pneumatic grippers)
Linear Actuator	Firgelli Technologies	L12	(Step: Insertion of soft robotic pneumatic gripper device into handling tool)
Jumper Wire	sgbotic	CAB-01146	(Step: Evaluations and grip compressive test)
Force Sensing Resistor	Interlink Electronics	FSR402	(Step: Evaluations and grip compressive test)