Fabrication à base de Rod personnalisables souples Robotic pneumatiques Dispositifs Gripper pour la manipulation des tissus Délicat

Résumé

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.

Résumé

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.

Introduction

Robots mous ont suscité un grand intérêt de la recherche au sein de la communauté robotique et ils ont été utilisés dans différentes tâches fonctionnelles telles que la locomotion ondulatoire dans des environnements non structurés ¹ et ² de préhension. Elles sont principalement constituées de matériaux élastomères souples et contrôlés par des techniques différentes d'actionnement par l'utilisation de différents matériaux tels que polymère électroactif (EAP), forme un alliage à mémoire (SMA) ou d'un fluide comprimé ^3. Fonction PAE base d'une tension différentielle qui induit des forces électrostatiques pour produire des souches actives et génère ainsi l'actionnement. Le singulier effet de mémoire de forme de l'AMF est déployé pour générer l'actionnement souhaité sur la base de la génération de la force lors des transformations de phase sur le changement de température. Enfin, la technique fluide d'actionnement comprimé facilite une stratégie de conception simple pour induire la différence de rigidité dans les actionneurs souples, de telle sorte que les régions les plus conformes gonflerontlors de la pressurisation. robots souples sont conçus pour élargir les applications de robots durs traditionnels, en particulier dans les applications où les objets délicats sont impliqués. En particulier, dans cet article, nous présentons notre approche unique dans le développement de préhenseurs robotiques souples pour une manipulation chirurgicale délicate.

Préhension chirurgical est un aspect important impliqué dans de nombreuses procédures chirurgicales telles que hépatiques, gynécologiques, urologiques, et le nerf chirurgie de réparation ^{4, 5.} Elle est généralement réalisée par rigides, des outils de préhension de tissu d'acier telles que les pinces et les pinces laparoscopiques dans le but de faciliter observation, l' excision, les procédures d'anastomose, etc. Cependant, une extrême prudence est nécessaire que les outils de préhension classiques sont faits de métal qui peut causer des zones à forte concentration de stress dans les tissus mous au niveau des points de contact ^6. Selon la gravité des dommages tissulaires, diverses complications, comme la douleur, cicatrice pathologique du tissu formation, et même une incapacité permanente, peuvent en résulter. Une étude préalable a rapporté que le taux de complications dans la chirurgie du nerf périphérique était de 3% ^7. Par conséquent, le concept de préhension souple qui peut fournir une prise compatible sécuritaire peut être un candidat prometteur pour la manipulation chirurgicale délicate.

Ici, nous présentons une combinaison de 3D-impression et des techniques de lithographie douce modifiés, qui ont adopté une approche fondée sur tige, pour fabriquer des pinces pneumatiques robotiques souples personnalisables. Technique traditionnelle de fabrication de robots souples à base de fluide comprimé lors de l' actionnement nécessite un moule avec des canaux pneumatiques et sur ​​laquelle est imprimé un procédé d'étanchéité pour sceller les canaux ^8. Cependant, il est impossible pour des robots souples miniaturisées qui ont besoin de petits canaux pneumatiques où l'occlusion des canaux peuvent facilement se produire dans le procédé d'étanchéité. La technique traditionnelle requiert l'étanchéité des canaux pneumatiques se faire par collage d'une couche de scellement enduite à elle. Par conséquent, la layer d'un matériau élastomère qui sert initialement en tant que couche de liaison peut se répandre dans les petits canaux et obturer ces canaux. Il est également impossible de positionner les canaux pneumatiques au milieu de la structure et de se connecter à un composant de chambre en utilisant des techniques classiques. L'approche proposée permet la création de canaux pneumatiques miniaturisés relié à une chambre en utilisant des barres remplies d'air et ne nécessite pas d'étanchéité des canaux minuscules. En outre, la chambre reliée aux canaux pneumatiques servir de source d'air qui ne nécessite pas une source d'air externe pour l'actionnement du fluide comprimé. Il permet à la fois manuel et les modes de commande robotique en facilitant la compression de la chambre pour actionner l'organe de préhension, permettant ainsi aux utilisateurs la possibilité de contrôler la quantité de force qu'ils appliquent à travers la pince. Cette approche est hautement personnalisable et peut être utilisé pour fabriquer divers types de modèles de pinces souples tels que des pinces avec simple ou multiple bras actionnables.

Protocole

Note: tous les préhenseurs pneumatiques souples ont été fabriquées par moulage des mélanges élastomères à base de silicone dans des moules en 3D imprimés personnalisés, qui ont suivi un procédé de fabrication comprenant les trois étapes suivantes: le moulage d'éléments de préhension à bras avec des canaux pneumatiques intégrées, en moulant le composant de chambre reliée aux canaux pneumatiques et sceller le composant de chambre remplie d'air.

1. Préparation des élastomères

1. Placez un récipient pour mélangeur sur une balance et tarer. Verser les parties A et B de l'élastomère à base de silicone dans le récipient avec un rapport 1: 1 en poids.
2. Couvrez le récipient et mesurer le poids total.
3. Placer le récipient et le matériau dans un mélangeur centrifuge. Réglez la balance de poids sur le mélangeur au poids mesuré à l'étape 1.2.
4. Définissez les mélange et de-aération modes à 2000 rpm et 2200 rpm, respectivement pendant 30 sec. Mélanger les composants élastomères à fond pour obtenir un durcissement uniforme.

le "> 2. Mold Design et production

Remarque: La géométrie du moule varie en fonction des exigences spécifiques pour différentes applications. Les étapes suivantes illustrent des étapes clés générales dans le logiciel de CAO qui sont nécessaires pour créer le composant de chambre et de préhension du moule.

1. Concevoir les moules et les moisissures d'étanchéité à l'aide de la conception (CAO) assistée par ordinateur. Voir la Figure 1 pour les dimensions de la géométrie et spécifiques des moules utilisés dans ce manuscrit.
   1. La conception de la boîte de délimitation extérieure
      1. Faites un clic droit sur le plan supérieur et cliquez sur "Normal pour" pour normaliser au plan supérieur.
      2. Cliquez sur "Sketch" dans le coin en haut à gauche pour ouvrir une fenêtre "Sketch". Ensuite, cliquez sur le bouton "Sketch" dans le coin supérieur gauche de la barre d'outils pour dessiner une base rectangulaire du composant de chambre.
      3. Cliquez sur la fonction «Smart Dimension", qui est situé à côté du bouton "Sketch", pour définir skdimensions de gravure. Assurez -vous que l'esquisse est totalement défini (ie, toutes les lignes de dessin deviennent noir) et quitter l'esquisse lorsque vous avez terminé.
      4. Cliquez sur la fenêtre «Caractéristiques». Ensuite, cliquez sur "Patron Extruded / Base" fonction d'extruder contours sélectionnés dans la direction Y.
      5. Cliquez sur la surface supérieure du modèle de présélectionner le plan d'esquisse. Dessinez un rectangle et définir les dimensions comme décrit dans 2.1.1.2 et 2.1.1.3.
      6. Cliquez sur la fenêtre «Caractéristiques». Ensuite, cliquez sur fonctionnalité "Cut Extruded" pour extruder couper une cavité pour le moulage des élastomères (figure 2A). Assurez-vous que l'épaisseur de paroi est de 2,5 mm.
   2. Conception de la chambre intérieure
      1. Faites un clic droit sur la surface sur la direction Y de la zone d'ouverture. Ensuite, cliquez sur "Normal à" normaliser à cette surface.
      2. Ensuite, cliquez sur la fenêtre "Sketch" pour dessiner un rectangle pour le composant de chambre, comme décrit dans les étapes 2.1.1.2 et2.1.1.3.
      3. Cliquez sur la fenêtre «Caractéristiques». Ensuite, cliquez sur "Patron Extruded / Base" fonctionnalité pour extruder le composant de chambre dans la direction Y (figure 2B).
         Note: La profondeur de la coupe à l'étape 2.1.1.6 est de 2,5 mm de plus que cette base extrudé.
   3. Construction de l'élément de préhension
      1. Cliquez sur la surface du modèle en négatif X-direction de présélectionner le plan d'esquisse pour le composant de préhension. Créer un rectangle dans la fenêtre "Sketch" comme décrit dans les étapes 2.1.1.2 et 2.1.1.3.
      2. Cliquez sur la fenêtre «Caractéristiques». Ensuite, cliquez sur "Patron Extruded / Base" fonctionnalité pour extruder le contour sélectionné dans la direction X négative.
      3. Cliquez sur la surface supérieure de l'élément de préhension pour présélectionner le plan d'esquisse. Créer une forme de pince dans le "Sketch" fenêtre (figure 2C) et quittez l'esquisse lorsque les dimensions sont entièrement définies comme décrit dans les étapes 2.1.1.2 uned 2.1.1.3.
      4. Cliquez sur la fenêtre «Caractéristiques». Ensuite, cliquez sur "Cut Extruded" pour couper une cavité pour le moulage des élastomères dans le composant de préhension. Assurez-vous que l'épaisseur de paroi est de 2,5 mm.
   4. Conception de la connexion entre la chambre et la pince
      1. Créer un rectangle dans la fenêtre "Sketch" sur la surface supérieure de la pièce de chambre, comme décrit dans 2.1.1.2 et 2.1.1.3.
      2. Cliquez sur la fenêtre «Caractéristiques». Ensuite, cliquez sur "Cut Extruded" pour créer une connexion entre la chambre et pinces composants (figure 2D).
   5. Conception des canaux pneumatiques
      1. Créez 1,5 mm cercles de diamètre sur la surface de la pièce de chambre dans la X-direction positive comme décrit dans les étapes 2.1.1.2 et 2.1.1.3.
      2. Cliquez sur la fenêtre «Caractéristiques». Ensuite, cliquez sur "Cut Extruded" pour créer des canaux pour les tiges de fil d' insertion (figure 2E). Assurer la holes ne sont pas coupés à travers le composant de préhension.
2. Dans un fichier CAO séparé, dessiner un moule étanche avec une cavité de longueur et de largeur qui sont 1 mm plus grandes que les dimensions extérieures du composant de chambre de la pince. Note: L'épaisseur de paroi est de 2,5 mm.
   1. Cliquez sur la fenêtre "Sketch" pour créer un rectangle sur le plan supérieur comme étapes décrites 2.1.1.2 et 2.1.1.3.
   2. Cliquez sur la fenêtre «Caractéristiques». Ensuite, cliquez sur "Patron Extruded / Base" fonction d'extruder contours sélectionnés dans la direction Y.
   3. Cliquez sur la face supérieure du modèle de présélectionner le plan d'esquisse. Dessinez un rectangle et définir les dimensions comme décrit dans les étapes 2.1.1.2 et 2.1.1.3).
   4. Cliquez sur la fenêtre «Caractéristiques». Ensuite, cliquez sur fonctionnalité "Cut Extruded" pour extruder couper une cavité pour le moulage des élastomères. Assurez-vous que l'épaisseur de paroi est de 2,5 mm.
3. Enregistrer chaque pièce de moule sous forme de fichier .STL pour l'impression 3D.
4. Chargez le fichier .STL dans l'imprimante 3D avec une résolution de 30 um et imprimer les pièces de moule ^9.
5. Retirez tout matériau de support sur les pièces de moule et laver les pièces du moule avec de l'eau.

3. Doux Simple / Double-actionnables Grippers Bras pneumatiques

1. Molding composants pince-bras avec des canaux pneumatiques embarqués
   1. Insérez deux chambre-blocs 3D-imprimé sur le côté gauche et droit du composant de chambre (figure 3A) afin de générer une chambre étanche avec des canaux pneumatiques connectés.
   2. Insérer deux tiges de 1,5 mm de diamètre fil de titane à travers la chambre, en gardant une distance de 2 mm à partir des extrémités de la pince pour créer les canaux pneumatiques (figure 3A). Remarque: Utilisez une tige de fil pour la pince unique actionnable-bras.
   3. Verser le mélange dans le moule en élastomère pour remplir complètement l'élément de préhension.
   4. Assurez-vous qu'il n'y a pas de bulles d'air visibles présents.
   5. Place le moule dans un four pour durcir à 60 ° C pendant 10 min. Une fois élastomère est durci, retirer le moule du four.
2. le composant de la chambre de moulage relié aux canaux pneumatiques
   1. Tirez les barres de fer et les deux chambre-blocs du moule.
   2. Placer un dispositif de saisie du bloc 3D-imprimé sur le dessus de l'élément de préhension afin de créer la chambre (figure 3B). Insérer les tiges de fil pour bloquer les trous dans la paroi du moule.
   3. Verser le mélange dans le moule en élastomère pour remplir la partie restante du composant de chambre et assurer qu'il n'y a pas de bulles d'air visibles piégés dans le moule.
   4. Durcir la pièce à une température de 60 ° C pendant 10 min. Retirer le moule du four une fois élastomère est durci.
   5. Retirer la pince-bloc et démouler la pince complètement durci avec la structure de la chambre.
3. Sceller le composant de chambre remplie d'air
   1. Verser le mélange dans le moule en élastomère d'étanchéité etdurcir à 60 ° C pendant 10 min.
   2. Appliquer une couche de matériau élastomère sur la couche durcie de 2,5 mm d'étanchéité. Placer le dispositif de préhension avec la structure durcie de la chambre au - dessus de la couche de scellement enduite et lier ensemble les deux pièces (figure 3C).
   3. Par la suite, durcir complètement la structure entière à 60 ° C pendant 15 min.
   4. Démouler le dispositif complètement durci de préhension robotique douce.

4. Insertion de Soft Robotic pneumatique Gripper périphériques dans la manipulation d'outils

1. Concevoir les outils de manutention tel que décrit dans le fichier supplémentaire 1 en utilisant un logiciel de CAO et de l'enregistrer dans le fichier .STL. Voir les figures 4 et 5 pour les dimensions des outils.
2. Chargez le fichier .STL dans l'imprimante 3D et imprimer les pièces de moule ^9.
   Remarque: Toutes les étapes d' impression pour l' outil manuel de manutention de commande, bouchon rectangulaire, et le piston mobile (figure 4) peuvent être remplis à moins de 3 h 48 min. Le prtemps Inting pour la fabrication de l'outil et le capuchon rectangulaire de manutention contrôle robotique (Figure 5) est de 1 h 56 min. Voir le fichier supplémentaire 2 pour 3D instructions d'utilisation de l'imprimante.
3. Décoller tout matériau de support sur les outils après l'impression est terminée. Ensuite, lavez les outils avec de l'eau.
4. Insérez la pince dans l'outil de manutention manuelle de commande (figure 4A) et couvrir la zone d'ouverture avec un bouchon rectangulaire mobile (figure 4B).
5. Insérez un piston mobile (figure 4C) pour faciliter la compression de la chambre.
6. Insérer le dispositif de préhension et de l' actionneur linéaire dans l'outil de manutention de commande de robot (figure 5A). Remarque: L'actionneur linéaire remplace le piston mobile en mode de contrôle manuel pour la compression de la chambre.
7. Couvrir la zone d'ouverture avec un bouchon rectangulaire mobile (figure 5B).

5. Evaluations et Grip Test de compression

1. Évaluerla fonctionnalité de la pince souple en effectuant des tests de préhension avec un fil de liaison.
   1. Placez un cavalier sur la table.
   2. Ajuster le dispositif de préhension de telle sorte que le fil se trouve entre les deux branches de la pince.
   3. Déplacer le piston mobile pour comprimer la chambre afin d'actionner les pinces pour tenir le fil.
      Remarque: Seul l'outil de manipulation de commande manuelle est utilisée dans la démonstration de préhension.
   4. Tenir et déplacer le fil à une boîte située à 20 cm de distance du lieu d'origine du fil.
2. Placer une résistance de détection de force calibrée entre les deux mâchoires de la pince. Veiller à la mâchoire de préhension emprise sur la zone de détection. Remarque: Le diamètre de la zone de détection est de 14,7 mm.
3. Comprimer la chambre pour actionner les bras de préhension pour saisir sur la résistance de détection de force.
4. Mesurer les forces maximales poignée de compression que les mono-actionnable-bras et double-actionnable-bras préhenseurs pneumatiques souples pourraient générer , comme décrit dans ¹⁰.
   Remarque: Les valeurs de lecture seront affichées sur un ordinateur portable. Les forces maximales poignée de compression sont mesurées au point de pression maximale que les canaux pneumatiques peuvent résister.
5. Découpez les différentes mâchoires de serrage en élastomère d'une double-actionnable-bras pince pneumatique doux.
6. Insérez les pinces des conseils dans les canaux pneumatiques des mâchoires de serrage en élastomère.
7. Placer une résistance de détection de force calibrée entre les deux mâchoires du forceps.
8. Mesurer les forces de compression ¹⁰ générées par une pince et une pince élastomère revêtu au cours d' une chirurgie du nerf simulée menée par un neurochirurgien.
   Remarque: Le neurochirurgien applique une force qui est semblable à ce qu'il applique normalement au cours de la chirurgie réelle sur la résistance de détection de force.
9. La moyenne des données obtenues à partir de cinq essais dans chaque test.

Résultats

Les dispositifs à pinces pneumatiques souples robotiques sont capables de ramasser des objets ayant des dimensions allant jusqu'à 1,2 mm de diamètre (figure 6). La poignée de la force de compression maximale générée par le bras pouvant être actionné à simple et double bras pouvant être actionné des dispositifs de préhension sont souples 0,27 ± 0,07 N et 0,79 N ± 0,14 respectivement, par rapport à 1,71 ± 0,16 ± 2,61 N et 0,22 N à des forces de compr...

Discussion

Nous avons réussi à démontrer que les dispositifs souples robotisés de préhension pneumatique permis de préhension conforme des objets, qui exercent des forces de compression beaucoup plus faibles sur le objet saisi que les pinces des conseils et des pinces enduits d'élastomère exercé. Forceps est un outil essentiel pour la manipulation des nerfs lors de réparation des nerfs périphériques chirurgies ^{11, 12.} Cependant, sa structure métallique nécessaire une extrême prudence dans l' usage...

matériels

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)