Conception et réalisation d’un manipulateur robotisé sur mesure pour l’échographie extracorporelle

Résumé

Cet article présente la conception et la mise en œuvre d’un manipulateur robotisé sur mesure pour l’examen échographique extracorporelle. Le système comporte cinq degrés de liberté avec articulations légères faites par impression 3D et un embrayage mécanique pour la gestion de la sécurité.

Résumé

Avec un potentiel de haute précision, dextérité et répétabilité, un système robotique autonome sur chenilles peut être employé pour aider à l’acquisition de l’échographie en temps réel. Cependant, un nombre limité de robots conçus pour Extracorporels échographie ont été avec succès traduit en usage clinique. Dans cette étude, nous voulons construire un manipulateur robotisé sur mesure pour l’examen échographique extracorporelle, qui est léger et a un faible encombrement. Le robot est formé par cinq liens spécialement formés et des mécanismes communs pour la manipulation de la sonde, afin de couvrir l’éventail nécessaire de mouvement avec redondants de degrés de liberté pour assurer la sécurité du patient. La sécurité mécanique est soulignée par un mécanisme d’embrayage, de limiter la force appliquée aux patients. À la suite de la conception, le poids total du manipulateur est inférieur à 2 kg, et la longueur du manipulateur est d’environ 25 cm. Le design a été mis en place et la simulation, études de fantômes et bénévoles ont été effectuées, afin de valider l’amplitude de mouvement, la capacité de faire des réglages fins, fiabilité mécanique et la sécurité de fonctionnement de l’embrayage. Ce livre présente en détail la conception et la mise en œuvre du manipulateur ultrasons robotisée sur mesure, avec les méthodes de conception et d’assemblage illustrés. Les résultats des tests pour démontrer les caractéristiques de conception et l’expérience clinique d’utilisation du système sont présentés. Il est conclu que le manipulateur robotisé proposé actuel répond aux exigences tant qu’un système sur mesure pour l’examen échographique extracorporelle et possède un grand potentiel à traduire en pratique clinique.

Introduction

Un système à ultrasons robotisée extracorporelle (US) se réfère à la configuration dans laquelle un système robotique sert à tenir et à manipuler une sonde US pour les examens externes, y compris son utilisation en imagerie abdominale cardiaque, vasculaire, obstétrique et générale¹ . L’utilisation d’un tel système robotisé est motivée par les défis de tenir manuellement et de manipuler une sonde américaine, par exemple, la difficulté de trouver des vues d’US standard requis par les protocoles d’imagerie cliniques et le risque de microtraumatismes blessures^{2, 3,4}, et également par les besoins de nous des programmes de dépistage, par exemple, l’exigence de connu en échographie pour être sur place^5,6. Avec des accents sur les différentes fonctionnalités et anatomies cible, plusieurs systèmes robotiques d’US, révisée dans les œuvres antérieures^1,7,8, ont été introduites depuis les années 1990, afin d’améliorer les différents aspects des États-Unis examen (par exemple, sur de longues distances de téléopération^9,10,11,12, ainsi que robot-opérateur interaction et contrôle automatique)^{13, 14}. outre les systèmes américains de robotique utilisés à des fins diagnostiques, robotique intense axée systèmes à ultrasons (HIFU) pour fins de traitement ont été largement étudiés tels que résumés par Priester et al. ¹, avec quelques récentes œuvres^15,16 , les dernières avancées de la déclaration.

Bien que plusieurs systèmes robotiques d’US ont été développés avec des technologies relativement fiables pour le contrôle et l’utilisation clinique, seuls quelques-uns d'entre eux ont été traduits avec succès en pratique clinique, tel qu’un système de télé-échographie disponibles dans le commerce ¹⁷. une raison possible est le faible niveau d’acceptation pour grande taille prospectifs industrial robots travaillant dans un environnement clinique, du point de vue des patients et des échographistes. En outre, pour la gestion de la sécurité, la majorité des robots américains existants s’appuient sur des capteurs de force pour surveiller et contrôler la pression appliquée à la sonde américaine, tandis que les mécanismes de sécurité mécanique plus fondamentaux pour limiter la force passive ne sont habituellement pas disponibles . Cela peut aussi causer des inquiétudes lors de la traduction en pratique clinique, comme la sécurité de fonctionnement du robot dépendrait purement logiciel logique et de systèmes électriques.

Avec les progrès récents de la 3D printing techniques, spécialement en forme de liens en plastique avec des mécanismes conjoints pourrait fournir une nouvelle opportunité pour développer des robots médicaux sur mesure. Conçu avec soin les composants légers avec un aspect compact pourraient améliorer l’acceptation clinique. Spécialement pour examen aux États-Unis, un robot médical sur mesure visant à être traduit en utilisation clinique doit être compact, avec suffisamment de degrés de liberté (DOFs) et amplitude de mouvement pour couvrir la région d’intérêt d’un scan ; par exemple, la surface abdominale, incluant aussi bien le dessus et les côtés du ventre. En outre, le robot doit également intégrer la possibilité d’effectuer des réglages fins de la sonde américaine dans une zone locale, en essayant d’optimiser un avis des États-Unis. Cela inclut normalement les mouvements pendulaires de la sonde dans une plage spécifique, tel que suggéré par Essomba et al. ¹⁸ et¹⁹de la Serena. Pour plus amples aux préoccupations de sécurité, il est prévu que le système doit avoir des caractéristiques mécaniques de sécurité passive qui sont indépendantes des systèmes électriques et de la logique du logiciel.

Dans cet article, nous présentons la méthode détaillée de conception et l’assemblage d’un manipulateur de robot agile 5-DOF, qui est utilisé comme l’élément clé d’un système d’US robotic Extracorporels. Le manipulateur se compose de plusieurs liens 3D-printable légers, des mécanismes conjoints sur mesure et un limiteur de couple intégré. La disposition spécifique des DOFs offre une flexibilité totale pour les ajustements de la sonde, ce qui permet des opérations faciles et en toute sécuritées dans une petite zone sans entrer en collision avec le patient. Le manipulateur de multi-DOF proposée vise à travailler comme le composant principal qui est en contact avec les patients et il peut être simplement attaché à n’importe quel mécanisme de positionnement mondial classiques 3-DOF pour former un robot américain complet avec DOFs pleinement actives pour effectuer une analyse de l’US.

Protocole

1. la préparation de chaque lien, effecteur et composants supplémentaires

1. Imprimer tous les liens (L₀, L₁, L₂, L-₃et L₄) et l’effecteur, comme illustré à la Figure 1, avec plastique d’acrylonitrile butadiène styrène (ABS), le polylactique acide (PLA) plastique ou en nylon, à l’aide d’une impression 3D service. Utilisation du. Fichiers STL fournies dans les Documents complémentaires lors de l’impression.
   NOTE : Changements dans la forme et l’échelle de chaque partie peuvent être pris en fonction sur les fichiers fournis. Profilé à l’intérieur de l’effecteur peut être modifié pour s’adapter à différentes sondes US.
2. Imprimer tous les composants requis supplémentaires, comme illustré à la Figure 2 en nylon, à l’aide d’un service d’impression 3D. Se référer à la Table des matières pour le nombre requis de chaque composant. Utilisation du. Fichiers STL fournies dans les Documents complémentaires lors de l’impression.
3. Polir toutes les pièces en plastique imprimés avec outils de polissage si nécessaire. Enlevez tout à gauche de l’impression 3D, documents à l’appui si nécessaire.
   Remarque : Certaines structures dans la conception de l’effecteur fournies sont pour un capteur de force, qui ne fait pas partie du protocole rapporté ici et ne serviront pas à l’Assemblée. Le concept de design de capteur de force a été signalé dans les précédents travaux²⁰; ainsi, il n’est pas couvert dans le présent document.

2. assemblage du conjoint 1

NOTE : L’Assemblée de mixte 1 (J₁) repose sur la Figure 3.

1. Placez les quatre petites, engrenages moteurs (avec 20 dents droites attachés) dans les cavités de montage de L₀ et fixez-les avec des vis.
2. Placez les deux roulements de OD 37 mm dans les paliers de L₀ et fixer la Couronne 120-dents (Type A) sur la clé à six pans creux de L₁.
3. Insérez l’axe sur L₁ dans le trou de l’axe sur L₀ avec les quatre droites conduites petits et les grands, piloté par denture engagé et assembler le collier d’arbre pour sécuriser et de conserver l’arbre.

3. montage du conjoint 2

Remarque : L’Assemblée mixte 2 (J₂) repose sur la Figure 4.

1. Placez les quatre petites, engrenages moteurs (avec 20 dents droites attachés) dans les cavités de montage de L₁ et fixez-les avec des vis.
2. Fixer les deux 120-dents droites (Type B) sur les deux roulements de 37 mm OD et position dans les cavités de gear L₁, avec la denture frontale 120-dents (Type B) engagées avec les droites de 20 dents monté sur les moteurs. Dévisser et revisser le moteur si nécessaire pour permettre le positionnement facile de la denture frontale deux 120-dents de type B.
3. Alignez L₁ et L₂ et insérer le roulement et les paires de boule-printemps dans les trous de l’embrayage en L₂. Avec les couvercles d’embrayage rond deux alignant et en poussant au printemps dans le mécanisme d’embrayage pour le préchargement, insérez un boulon M6 dans les trous de L₁ et L₂.
4. Pivoter l’ensemble de l’autre côté et répétez les étapes en 3.3 pour ce côté. Fixer l’ensemble en attachant un écrou sur le boulon M6.

4. montage de la commune 3

NOTE : L’Assemblée de la commune 3 (J₃) est basée sur la Figure 5.

1. Placez les deux moteurs de petits, engrenages, moteurs pas à pas (avec 20 dents droites attachés) dans les cavités de montage de L₂ et fixez-les avec des vis.
2. Placer l’OD de 37 mm billes dans le carter de roulement de la denture frontale 120-dents (Type C) et le 32 mm OD billes dans le carter de roulement de L₃.
3. Sécuriser la grande couronne dans la serrure de l’hexagone de L₃ (vis supplémentaires peuvent être utilisés si nécessaire) et introduisez la tige sur L₂ dans les trous sur le grand pignon et L₃, avec les petits et les grands pignons droits engagés.

5. montage du mécanisme de conduite de 4 mixte

Remarque : L’Assemblée du 4 mixte (J₄) repose sur la Figure 6.

1. Placez les deux moteurs de petits, engrenages, moteurs pas à pas dans les cavités de montage de L₃ et fixez-les avec des vis. Placez les roulements d’OD de 8 mm dans les paliers de L₄.
2. Monter le pignon 20 dents longue sur les deux petits moteurs.

6. montage du mécanisme moteur mixte 4 et 5 communes

Remarque : L’Assemblée du 4 mixte (J₄) repose sur la Figure 6 et 5 communes (J₅) repose sur la Figure 7.

1. La position du conduit de 144 dents pignon sur l’extrusion de L₄.
2. Placez les deux moteurs de petits, engrenages, moteurs pas à pas (avec 18-dents en biseau engrenages attachés) dans les cavités de montage de L₄ et fixez-les avec des vis. Enfin, planter l’arbre de M5 dans le trou de l’arbre des L₃ L₄ , après que les deux liens sont alignés. Assurer la construction dans les structures de l’engrenage entraînée sur L₄ matches avec le pignon de 20 dents longues.
3. Insérez l’effecteur dans la rainure de clavette du grand pignon conique et positionner verticalement l’effecteur avec le collier d’effecteur vissé sur elle.

Résultats

Suite au protocole, le système qui en résulte est un manipulateur robotisé avec cinq liens formes spéciale (L₀ L₄) et cinq articulations revolute (J₁ J₅) pour déplacer, tenant et l’inclinaison localement une sonde US (Figure 8). Le joint de rotation supérieure (J₁), avec des mécanismes d’engrenages actionnés par quatre moteurs, peut tourner 360 °, pour permettre à la sonde américaine doiven...

Discussion

Contrairement à nombreux autres robots industriels qui ont été traduits dans des applications médicales, le manipulateur robotisé proposé décrit dans le protocole a été spécialement conçu pour les examens aux États-Unis selon les exigences cliniques pour l’amplitude de mouvement, application de la force et la gestion de la sécurité. Le manipulateur robotisé léger lui-même dispose d’un large éventail de mouvements suffisantes pour la plupart Extracorporels US numérisation, sans nécessiter de grands...

matériels

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