Konzeption und Umsetzung eines maßgeschneiderten Robotic Manipulator für extra körperliche Ultraschall

Zusammenfassung

Dieses Papier stellt die Konzeption und Umsetzung eines maßgeschneiderten robotic Manipulator für extra körperliche Ultraschalluntersuchung. Das System besitzt fünf Freiheitsgrade mit leichten Gelenke von 3D-Druck und einer mechanischen Kupplung für Sicherheitsmanagement gemacht.

Zusammenfassung

Mit dem Potential für hohe Präzision, Geschicklichkeit und Wiederholbarkeit kann selbst verfolgte Robot-System eingesetzt werden, um den Erwerb von Echtzeit-Ultraschall zu unterstützen. Begrenzte Anzahl von Robotern für extra körperliche Ultraschall entwickelt haben jedoch klinische Anwendung erfolgreich übersetzt worden. In dieser Studie wollen wir einen maßgeschneiderten robotic Manipulator für extra körperliche Ultraschalluntersuchung zu bauen, die ist leicht und hat einen geringen Platzbedarf. Der Roboter bilden fünf speziell geformten Links und maßgeschneiderte gemeinsame Mechanismen für die Sonde Manipulation, zur Deckung der notwendigen Bewegungsfreiheit mit redundante Freiheitsgrade um die Sicherheit des Patienten zu gewährleisten. Die mechanische Sicherheit wird mit einer Kupplung Mechanismus, um die Krafteinwirkung auf Patienten zu beschränken betont. Durch das Design das Gesamtgewicht des Manipulators ist weniger als 2 kg und die Länge des Manipulators ist ca. 25 cm. Das Design wurde umgesetzt, und Simulation, phantom und freiwilligen Studien wurden durchgeführt, um die Bewegungsfreiheit, die Fähigkeit, den sicheren Betrieb der Kupplung, Feineinstellungen und mechanische Zuverlässigkeit zu überprüfen. Dieses Papier beschreibt die Gestaltung und Umsetzung von maßgeschneiderten Roboter Ultraschall-Manipulator mit der Konstruktion und Montage Methoden dargestellt. Testergebnisse zum Nachweis der Konstruktionsmerkmale und klinische Erfahrung im Umgang mit dem System werden vorgestellt. Es wird festgestellt, dass der aktuelle vorgeschlagene robotische Manipulator die Anforderungen als ein maßgeschneidertes System für extra körperliche Ultraschalluntersuchung erfüllt und hat ein großes Potenzial in der klinischen Anwendung umgesetzt werden.

Einleitung

Eine extra körperliche Roboter (US)-Ultraschallsystem bezieht sich auf die Konfiguration, bei der ein Robot-System genutzt wird, um zu halten und manipulieren von einer US-Sonde für externe Prüfungen, einschließlich seiner Verwendung in der Herz-, Gefäß-, geburtshilflichen und allgemeine abdominale Bildgebung¹ . Die Verwendung von einem Robotersystem ist motiviert durch die Herausforderungen der manuell holding und Manipulation einer US-Sonde, zum Beispiel die Herausforderung des Findens US Standardansichten geforderte klinische Bildgebung Protokolle und das Risiko für sich wiederholende Belastung Verletzung^{2, 3,4}, und auch von den Bedürfnissen der uns screening-Programme, zum Beispiel die Forderung nach erfahren Ultraschalldiagnostiker zu vor-Ort-^5,6. Mit Betonung auf unterschiedliche Funktionalitäten und Ziel Anatomien wurden mehrere US-Robotersysteme, wie in früheren Werken^1,7,8, überprüft seit den 1990er Jahren, um verschiedene Aspekte der US zu verbessern eingeführt Prüfung (z.B., Fernverkehr Teleoperation^9,10,11,12, als auch Roboter-Betreiber Interaktion und automatische Steuerung)^{13, 14}. neben der US-Robotersysteme zu diagnostischen Zwecken eingesetzt, konzentriert Roboter Hochleistungs-(HIFU) Ultraschallsysteme für therapeutische Zwecke weit untersucht worden sind, wie durch Priester Et Al. zusammengefasst ¹, mit einige aktuelle Werke^15,16 der neuesten Entwicklung berichten.

Obwohl mehrere US-Robotersysteme mit relativ zuverlässige Technologien zur Steuerung und klinischen Betrieb entwickelt wurden, sind nur wenige von ihnen erfolgreich in klinischen Gebrauch, wie ein handelsüblicher Tele-Ultraschallsystem übersetzt worden ¹⁷. eine mögliche Ursache ist die geringe Akzeptanz für große industrielle aussehende Roboter in einem klinischen Umfeld, aus der Sicht der Patienten und Ultraschalldiagnostiker. Darüber hinaus verlassen sich für Sicherheitsmanagement, die Mehrheit der bestehenden US-Roboter auf Kraft-Sensoren zur Überwachung und Kontrolle den angewandte Druck auf die US-Sonde während grundlegendere mechanische Sicherheitsmechanismen, die Kraft passiv beschränken in der Regel nicht verfügbar sind . Dies kann auch Bedenken führen, wenn die Übersetzung in klinischen Gebrauch wie die Betriebssicherheit Roboter rein abhängig von elektrischen Systemen und Software-Logik wäre.

Die neuen Zuführungen von 3D könnte Drucktechniken, speziell geformten Kunststoff Links mit maßgeschneiderten gemeinsame Mechanismen eine neue Chance für die Entwicklung maßgeschneiderter Medizinroboter bieten. Sorgfältig gestaltete Leichtbauteile mit eine kompakte Erscheinung könnte klinische Akzeptanz verbessern. Ein maßgeschneiderter medizinische Roboter übersetzt klinischen Einsatz abzielen sollten speziell für US-Prüfung kompakt, mit genügend Freiheitsgrade (Freiheitsgrade) und Beweglichkeit des Interessenbereichs eines Scans decken; zum Beispiel die Abdominal-Oberfläche, einschließlich oben und seitlich des Bauches. Darüber hinaus sollte der Roboter auch Feineinstellungen der US-Sonde in ein lokales durchzuführen, wenn Sie versuchen, eine US-Ansicht optimieren integrieren. Dies umfasst in der Regel Kipp Bewegungen der Sonde innerhalb eines bestimmten Bereichs, wie von internationaler Et Al. vorgeschlagen ¹⁸ und Bassit¹⁹. Um weiter die Sicherheitsbedenken auszuräumen, wird erwartet, dass das System passive mechanische Sicherheits-Features haben sollte, die unabhängig von elektrischen Systemen und Software-Logik sind.

In diesem Papier stellen wir die detaillierte Planung und Montage-Methode eines 5-DOF geschickt robotic Manipulator, die als zentraler Bestandteil eine extra körperliche Robot US-System verwendet wird. Der Manipulator besteht aus mehreren leichte 3D druckbare Links, maßgeschneiderte gemeinsame Mechanismen und eine integrierte Sicherheits-Rutschkupplung. Die spezifische Anordnung der die Freiheitsgrade bietet volle Flexibilität für Anpassungen der Sonde, ermöglicht einfachen und sicheren Betrieb auf kleinem Raum ohne Kollision mit dem Patienten. Der vorgeschlagene Multi-DOF-Manipulator will als die wichtigste Komponente, die in Kontakt mit Patienten und es ist einfach konventionellen 3-DOF globale Positionierung Mechanismus bilden einen komplette US-Roboter mit vollaktives Freiheitsgrade um einen US-Scan durchführen befestigt werden kann.

Protokoll

1. Vorbereitung der einzelnen Links Effektor und Zusatzkomponenten

1. Alle Links (L₀, L₁, L₂, L₃und L₄) und der Effektor zu drucken, wie in Abbildung 1dargestellt mit Acrylnitril-Butadien-Styrol (ABS) Kunststoff, sauren Polymilchsäure (PLA)-Kunststoff oder Nylon, mit einem 3D-Druck Service. Verwendung der. STL-Dateien zur Verfügung gestellt in den Ergänzenden Materialien beim Drucken.
   Hinweis: Änderungen in Form und Größe der einzelnen Teile können basierend auf der bereitgestellten Dateien vorgenommen werden. Das Innenprofil des Endeffektors-kann an verschiedene US-Sonden angepasst werden.
2. Drucken Sie die erforderlichen zusätzlichen Komponenten wie in Abbildung 2 gezeigt, aus Nylon, mit einem 3D-Druck-Service. Beziehen sich auf die Tabelle der Materialien für die erforderliche Anzahl der einzelnen Komponenten. Verwendung der. STL-Dateien zur Verfügung gestellt in den Ergänzenden Materialien beim Drucken.
3. Polieren Sie die gedruckten Kunststoffteile mit Polierwerkzeuge bei Bedarf. Entfernen Sie jede unterstützenden Materialien aus dem 3D-Druck, Links ggf..
   Hinweis: Einige Strukturen in das mitgelieferte Effektor-Design sind für einen Kraftsensor, der nicht Teil des Protokolls berichtet hier ist und nicht für die Montage verwendet werden. Das Kraft-Sensor-Design-Konzept wurde in früheren Arbeiten²⁰beschrieben; so fällt es nicht in diesem Papier.

2. Montage des gemeinsamen 1

Hinweis: Die Montage der gemeinsamen 1 (J₁) basiert auf Abbildung 3.

1. Legen Sie die vier kleinen, Getriebemotoren Schrittmotoren (mit 20 Zähnen geradverzahnte Kegelräder angebracht) in die Hohlräume der Montage L₀ und mit Schrauben montieren.
2. Legen Sie die beiden 37 mm OD Lager in die Lagergehäuse L₀ und sichern Sie 120 Zähne Hauptzahnrad (Typ A) auf den Sechskant-Schlüssel des L₁zu.
3. Setzen Sie die Welle auf L₁ in der Welle Bohrung L₀ mit vier kleinen treibenden Stirnräder und das große getrieben Stirnradgetriebe engagiert, und montieren Sie den Wellenbund zu sichern und die Welle zu behalten.

3. Zusammenbau des Gelenk 2

Hinweis: Die Montage des gemeinsamen 2 (J₂) basiert auf Abbildung 4.

1. Legen Sie die vier kleinen, Getriebemotoren Schrittmotoren (mit 20 Zähnen geradverzahnte Kegelräder angebracht) in die Hohlräume der Montage der L₁ und mit Schrauben montieren.
2. Legen Sie die zwei 120-Zähne-Stirnräder (Typ B) auf die zwei 37 mm OD Lager und Position, die sie in die Ausrüstung Hohlräume der L₁, mit dem 120-Zähne Hauptzahnrad (Typ B) mit 20-Zähne-Stirnräder engagiert an den Motoren montiert. Schrauben Sie und wieder Schrauben Sie den Motor bei Bedarf zu ermöglichen die einfache Positionierung der zwei 120-Zähne-Typ-B-Stirnradgetriebe.
3. Richten Sie L₁ und L_{2 aus} und stecken Sie das Lager und die Kugel-Feder-Paare in der Kupplung Löcher in L₂. Legen Sie mit zwei Runden Kupplung Abdeckungen ausrichten und der Kupplung-Mechanismus für die Vorspannung die Feder einschieben eine M6-Schraube in die Bohrungen von L₁ und L₂.
4. Drehen Sie die Assembly auf die andere Seite und wiederholen Sie die Schritte in 3.3 für diese Seite. Sichern Sie die Montage durch das Anbringen einer Mutter, die M6 Schraube.

4. Montage der gemeinsamen 3

Hinweis: Die Montage der gemeinsamen 3 (J₃) basiert auf Abbildung 5.

1. Legen Sie die zwei kleinen, Getriebemotoren Schrittmotoren (mit 20 Zähnen geradverzahnte Kegelräder angebracht) in die Hohlräume der Montage der L₂ und mit Schrauben montieren.
2. Die 37 mm OD Lager in das Lagergehäuse des 120-Zähne Hauptzahnrad (Typ C) legen Sie und Lager in das Lagergehäuse L₃32 mm AUßENDURCHMESSER.
3. Befestigen Sie das große Stirnrad in das Sechseck Schlüsselloch L₃ (zusätzliche Schrauben können verwendet werden, wenn nötig) und setzen Sie die Welle auf L₂ in die Bohrungen auf dem großen Stirnrad und L₃, mit den kleinen und den großen Stirnräder engagiert.

5. Montage des fahren Mechanismus der gemeinsamen 4

Hinweis: Die Montage der gemeinsamen 4 (J₄) basiert auf Abbildung 6.

1. Legen Sie die zwei kleinen, Getriebemotoren Schrittmotoren in die Hohlräume der Montage der L₃ und mit Schrauben montieren. Legen Sie die 8 mm OD Lager in die Lagergehäuse L₄.
2. Montieren Sie das 20-Zähne lange Hauptzahnrad auf die zwei kleinen Schrittmotoren.

6. Montage des angetriebenen Mechanismus der gemeinsamen 4 und gemeinsame 5

Hinweis: Die Montage der gemeinsamen 4 (J₄) basiert auf Abbildung 6 und gemeinsame 5 (J₅) basiert auf Abbildung 7.

1. Positionieren Sie das angetriebene 144 Zähne Kegelrad auf die Extrusion von L₄.
2. Legen Sie die zwei kleinen, Getriebemotoren Schrittmotoren (mit 18 Zähnen bevel Gears angebracht) in die Hohlräume der Montage der L₄ und mit Schrauben montieren. Schließlich stecken Sie die M5-Welle in die Welle Bohrung L₃ und L₄ , nachdem die beiden Links ausgerichtet sind. Stellen Sie sicher die eingebaute im Antriebsrad Strukturen auf L₄ Spiele mit 20 Zähne lange Stirnrad.
3. Legen Sie den Effektor in die Keilnut des großen Kegelrad und vertikal positionieren Sie der Effektor mit dem Effektor Kragen es aufgeschraubt.

Ergebnisse

Im Anschluss an das Protokoll ist das resultierende System eine robotic Manipulator mit fünf speziell geformten Links (L₀ L₄) und fünf drehbar Gelenke (J₁ bis J-₅) zum verschieben, halten und lokal Kippen einer US-Sonde (Abbildung 8). Top Rotation Joint (J₁), mit Getriebe betätigt durch vier Motoren drehen kann folgende Strukturen 360°, um die US-Sonde darauf auf verschiedenen Seiten des Scanbereichs,...

Diskussion

Im Gegensatz zu vielen anderen Industrieroboter, die in medizinischen Anwendungen übersetzt wurden, war der vorgeschlagene robotische Manipulator beschrieben im Protokoll speziell für US-Untersuchungen nach klinischen Anforderungen für den Bereich der Bewegung, Anwendung von Kraft und Sicherheitsmanagement. Der leichte robotische Manipulator selbst hat eine Vielzahl von Bewegungen, die ausreichend für die meisten extra körperliche US scannen, ohne die Notwendigkeit für große Bewegungen der globalen Positionierung ...

Materialien

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