Conception et fabrication d'une unité élastomère pour Soft robots modulaires en chirurgie mini-invasive

Résumé

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.

Résumé

Au cours des dernières années, la robotique douces technologies ont suscité un intérêt croissant dans le domaine médical en raison de leur interaction à sécurité intrinsèque dans des environnements non structurés. Dans le même temps, de nouveaux procédés et techniques ont été développées pour réduire le pouvoir envahissant des opérations chirurgicales. Chirurgie minimalement invasive (MIS) a été utilisée avec succès pour les interventions abdominales, des procédures MIS cependant standards sont principalement basées sur les outils rigides ou semi-rigides qui limitent la dextérité du clinicien. Ce document présente un manipulateur agile doux et élevé pour MIS. Le manipulateur a été inspiré par les capacités biologiques du bras de poulpe, et est conçu avec une approche modulaire. Chaque module présente les mêmes caractéristiques fonctionnelles, réalisant ainsi la dextérité et la polyvalence élevée lorsque plusieurs modules sont intégrés. Le document détaille la conception, processus de fabrication et les matériaux nécessaires à l'élaboration d'une seule unité, qui est fabriqué par Casting silicone à l'intérieur de moules spécifiques. Le résultat consiste en un cylindre en élastomère comprenant trois actionneurs pneumatiques souples qui permettent l'allongement et la flexion omnidirectionnelle de l'appareil. Une gaine tressée externe permet d'améliorer le mouvement du module. Au centre de chaque module sur la base d'un mécanisme de blocage-granulaire varier la rigidité de la structure pendant les tâches. Essais démontrent que le module est capable de se courber jusqu'à 120 ° et à allonger jusqu'à 66% de la longueur initiale. Le module génère une force maximale de 47 N, et sa rigidité peut augmenter jusqu'à 36%.

Introduction

Les tendances récentes dans le domaine médical font pression pour une réduction de l'invasivité des opérations chirurgicales. Chirurgie minimalement invasive (MIS) a été amélioré avec succès au cours des dernières années pour les opérations abdominales. MIS procédures sont basées sur l'utilisation d'outils introduits par quatre ou cinq points d'accès (trocarts) placés sur la paroi abdominale. Afin de réduire le nombre de trocarts, les instruments peuvent être insérés par Single Port laparoscopie (SPL) ou la chirurgie endoscopique transluminale par orifice naturel (NOTES) ^1. Ces procédures prévenir les cicatrices visibles externes, mais augmentent la difficulté pour les cliniciens dans l'exécution de l'opération. Cette limitation est principalement due à des points réduits d'accès et à la nature rigide et semi-rigide des instruments qui ne sont pas en mesure d'éviter ou de passer autour des organes ^{2, 3.} Dextérité et la motilité peuvent être améliorées en utilisant articulé et hyper-redondante robots qui peuvent couvrir un espace de travail plus large et plus complexe, THce qui nous permet d'une cible spécifique dans le corps d'atteindre plus facilement ^{4, 5, 6} et de travailler en tant que systèmes nécessaires quand ⁷ de rétraction. Un manipulateur flexible peut améliorer le respect des tissus, ce qui rend le contact plus sûr que par les outils traditionnels.

Cependant, ces manipulateurs manquent souvent de stabilité lorsque la cible est atteinte et en général, ils ne peuvent pas contrôler le contact avec les tissus environnants ^{8, 9.} Les études sur les structures biologiques, tels que le bras de la pieuvre ^{10 et la} trompe d'éléphant ^11, ont récemment inspiré la conception de manipulateurs flexibles, déformables et conformes à un certain nombre redondant de degrés de liberté (DoFs) et la rigidité contrôlable ^12. Ces types de dispositifs utilisent des ressorts passives, les matériaux intelligents, éléments pneumatiques, ou des tendons ^{13, 14, 15.} En général, les manipulateurs fabriqués avec des matériaux souples et flexibles ne garantissent pas la génération de forces élevées.

Til STIFF-FLOP (raideur de Manipulateur flexible et contrôlable Programmable pour des opérations chirurgicales) manipulateur a récemment été présenté comme un nouveau dispositif chirurgical pour les notes et SPL inspirés par les capacités de la pieuvre. Afin de surmonter les limitations des manipulateurs souples précédents, il a un corps mou ainsi que de haute dextérité, force élevée et la rigidité contrôlable ^16.

L'architecture du manipulateur est basé sur une approche modulaire: plusieurs unités, avec la même structure et les fonctionnalités, sont intégrés ensemble. L'unité est représentée seule sur la figure 1. Il est basé sur un cylindre en élastomère obtenu par une fabrication multiphase. Les étapes d'assemblage des composants du moule et les processus de coulée permettent trois chambres vides (pour la commande fluidique) et un canal central creux ¹⁷ (pour le logement d'un mécanisme fondé de brouillage granulaire ¹⁸⁾ pour être embarqués. Les chambres sont placées à 120 °, de sorte que lal'inflation combinée ir produit un mouvement omnidirectionnel et l'allongement. En outre, une gaine tressée extérieure est placée à l'extérieur pour limiter l'expansion radiale vers l'extérieur des chambres fluidiques lorsque pressurisé, optimisant ainsi l'effet de l'actionnement de la chambre dans le mouvement du module (flexion et allongement).

Le canal central cylindrique loge un dispositif composé d'une membrane externe rempli de matériau granulaire. Quand une pression de vide est appliqué, il modifie ses propriétés élastiques provoquant une rigidification qui affecte les propriétés de l'ensemble du module.

Représentations de mouvement et de rigidité sont commandés par une installation externe comportant un compresseur d'air et trois soupapes de pression d'actionnement des chambres et une pompe à vide pour l'activation de la dépression dans le canal de raidissement. Une interface utilisateur intuitive permet de contrôler actionnement et de vide pressions à l'intérieur du module.

Cet article détaille la fabrication processus du module unique de ce manipulateur et rapports les résultats les plus significatifs sur les capacités de mouvement de base. Compte tenu de la nature modulaire de l'appareil, l'appréciation de la fabrication et de la performance d'un seul module simple permet également que les résultats soient étendues et de prédire le comportement de base d'un manipulateur multi-modules intégrant deux ou plusieurs modules.

Protocole

Remarque: Ce protocole décrit les phases de fabrication d'un module unique, qui comprend des chambres fluidiques, le canal, des canalisations d'actionnement et la gaine externe de raidissement. La procédure suivante doit être exécutée sous une hotte et portant un manteau de laboratoire et gants pour des raisons de sécurité. Comme mentionné précédemment, le procédé de fabrication de l'unité élastomère est basée sur l'utilisation séquentielle des moules conçus avec un logiciel de CAO. Ils sont composés de 13 pièces représentées sur la figure 2 et dans le tableau 1.

1. Préparation de la silicone

1. Peser 12 g de la partie A et 12 g de la partie B dans le même verre ou en plastique boîte de Pétri et les mélanger ensemble, en remuant.
   Note: les proportions des matériaux peuvent varier en fonction de la silicone spécifique utilisé, dans ce cas, il se compose de deux parties: la partie A (la base) et la partie B (catalyseur). Ils sont utilisés en proportion 1A: 1B en poids.
2. Placez le verre contenant le mélangematériaux de silicone ed dans une machine de dégazeur à dépression 1 bar. Maintenir le verre sous vide jusqu'à ce que toutes les bulles sont enlevées de la matière silicone. Pour la silicone mise en oeuvre du procédé de dégazage prend environ 10 min. Une fois que les matériaux sont complètement libres de la présence de bulles, de rétablir la pression atmosphérique dans la machine et utiliser le silicone.

2. Fabrication du module silicié

1. Assemblée du moule.
   1. Insérez le cylindre de raidissement et le haut des chambres dans cap_A (Figure 3a).
   2. Fermez les coquilles autour de la deuxième couche de cap_A.
2. Première coulée de silicone.
   1. Verser le silicone dans le moule assemblé jusqu'au bord de la coquille (figure 3B).
   2. Placer le moule dans une étuve à 60 ° C pendant environ 30 min.
3. Réarrangement du moule.
   1. Enlevez les coquilles externes et cap_A (Figure 3c).
   2. Insérez les cylindres des bases des chambres et le cylindre de raidissement intérieur cap_B (Figure 3d).
   3. Fermer les coquilles de nouveau à travers le module, en les faisant glisser vers le haut de 10 mm afin d'avoir un espace de 10 mm entre la surface supérieure du module et les bords des coquilles (figure 3e).
4. Deuxième coulée de silicone.
   1. Verser le silicone dans le moule réarrangé jusqu'au bord de la coquille sur la face supérieure (à savoir aussi à la rigidification de cylindre) (figure 3f).
   2. Placez le moule dans un four à 60 ° C pendant environ 30 min.
   3. Enlevez les coquilles externes, cap_B et les chambres (à l'exception du cylindre de raidissement) (figure 3G).

3. L'insertion des tubes

1. Couper 3 tubes à la même longueur souhaitée (300 mm par exemple).
2. Mettre colle silicié autour d'une extrémité de chaque tube de 10 mm, sans obtruction des tubes.
3. Insérer les tubes à l'intérieur des canaux de 2 mm dans l'unité siliconic (figure 3h) dédiés.
4. Laisser un temps de durcissement de 12 minutes à la température ambiante ou à mettre le module dans un four à une température élevée (50 ° - 60 °) afin d'accélérer le processus de séchage.

4. Fabrication de la gaine tressée Crimped

1. Couper 700 mm d'une gaine tressée expansible (environ 15 fois la hauteur du module).
2. Insérer un cylindre métallique de 30 mm de diamètre et 250 mm de longueur à l'intérieur de la gaine.
3. Pousser vers le bas et forcer la gaine par glissement sur le cylindre, afin de créer des ondulations.
4. Mécaniquement fixer la gaine en place avec une pince et de la chaleur avec un pistolet de chauffage à 350 ° C pendant 2-3 min jusqu'à une déformation permanente est obtenue.
5. Laissez refroidir la gaine et retirer le cylindre interne.

5. Intégration de la gaine externe

1. Passe letubes dans les trous de cap_C.
2. Verser 3 g de silicone dans cap_C.
3. Pince cap_C à un support qui est plus élevé que le plan de travail.
4. Insérez le côté inférieur du module précédemment fabriqué en cap_C.
5. Glissez la gaine sertie autour du module.
6. Poussez les premières ondulations de la gaine à l'intérieur cap_C et les tremper dans le silicone fraîchement coulé (figure 3i).
7. Placez le moule dans un four à 60 ° C pendant environ 20 min.
8. Répétez la même procédure à partir du point 5,1-5,6 pour fixer la gaine sur le côté supérieur, en utilisant cap_D (figure 3j).
9. Retirer cap_C et cap_D.
10. Retirer le cylindre central (figure 3k).

6. Fabrication de la membrane granulaire Jamming

1. Verser 5 g de latex liquide dans un verre en plastique.
2. Immerger le cylindre de la membrane (dernière pièce représentée sur la figure 2) dans le latex liquide jusqu'à ce que la surfaceest complètement recouverte.
3. Laissez sécher sous une hotte pendant 20 min.
4. Répéter les points 6.2 et 6.3.
5. Retirer la membrane du moule.

7. Insertion de la membrane granulaire Jamming

1. Couper un tube (2 mm de diamètre) à la longueur désirée (300 mm par exemple).
2. Couper un morceau carré de l'ordre de 100 mm ² de tissu de nylon et de fermer une extrémité du tube avec ce tissu en utilisant un film de paraffine ou de colle plastique.
3. Peser 4 g de poudre de café et de remplir la membrane.
4. Insérer le tube (l'extrémité avec le filtre) à l'intérieur de la membrane rempli et le fixer autour du tube à l'aide d'un film de paraffine plastique.
5. Appliquer un vide de l'autre côté du tube (la membrane devient plus rigide).
6. Insérez la membrane à l'intérieur du canal central vide du module siliconic (Figure 3l).
7. Coller les extrémités de la membrane de renforcement au module de silicone.
8. Fermez les anneaux autour du sommetcôté du module (figure 3m).
9. Verser 2 g de silicone dans les anneaux afin de niveler la surface.
10. Laissez le silicone sécher sous la hotte ou dans un four à 60 °.
11. Retirez les anneaux.
12. Répétez des points 7.8 à 7.11 pour le côté inférieur (Figure 3n).

Résultats

Les différentes phases de la fabrication, décrit dans le protocole, sont illustrés sur la figure 3.

Afin d'évaluer l'efficacité de la technique et les résultats du prototype final, le module a été testé dans différentes conditions de travail. Une configuration externe permet de contrôler à la fois l'actionnement et la rigidité du module. Il comprend un compresseur d'air qui active les trois valves. Ils sont reliés à des tubes s...

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...

matériels

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