עיצוב וייצור של יחידת אלסטומרי לרובוטים מודולרי רך בכירורגיה פולשנית

Summary

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.

Abstract

בשנים האחרונות, טכנולוגיות רובוטיקה הרכה עוררו עניין גובר בתחום הרפואי בשל האינטראקציה בטוחה במהותם בסביבות בלתי מובנים. במקביל, נהלים וטכניקות חדשים פותחו כדי להפחית את הפולשנות של ניתוחים. מינימאלי ניתוח פולשני (MIS) כבר מועסק בהצלחה להתערבויות בטן, נהלי MIS סטנדרטיים זאת מתבססים בעיקר על כלים קשיחים או קשיחים למחצה המגבילים את המיומנות של המטפל. מאמר זה מציג מניפולטור מיומן רך והגבוה לMIS. מניפולטור בהשראת היכולות הביולוגיות של זרוע התמנון, והוא נועד עם גישה מודולרית. כל מודול מציג את אותם מאפיינים פונקציונליים, ובכך להשיג גבוהה מיומנות וצדדית כאשר יותר מודולים משולבים. הנייר מפרט את העיצוב, תהליך ייצור וחומרים הדרושים לפיתוח יחידה אחת, המיוצרת על ידי castinסיליקון גרם בתוך תבניות ספציפיות. התוצאה מורכבת בגליל אלסטומרי כוללים שלוש גליליים גמיש המאפשרים התארכות וכיפוף רב-כיווני של היחידה. נדן קלוע חיצוני משפר את התנועה של מודול. במרכז של כל מודול מנגנון המבוסס על שיבוש גרגירים משתנה הקשיחות של המבנה במהלך המשימות. בדיקות מראות כי מודול הוא מסוגל לכופף עד 120 מעלות ולהאריך עד 66% מהאורך הראשוני. מודול יוצר כוח מרבי של 47 N, והנוקשות שלה יכולות להגדיל עד 36%.

Introduction

מגמות חדשות בתחום הרפואה דוחפות להפחתה בהפולשנות של ניתוחים. מינימאלי ניתוח פולשני (MIS) שופר בהצלחה בשנים האחרונות לפעילות בטן. נהלי MIS מבוססים על השימוש בכלים הציגו דרך ארבע או חמש נקודות גישה (trocars) מונחות על דופן הבטן. על מנת לצמצם את מספר trocars, יכולים להיות מוכנסים המכשירים על ידי יציאה אחת לפרוסקופיה (SPL) או ניתוח הטבעי פתח Translumenal אנדוסקופי (אורים) ^1. נהלים אלה למנוע צלקות נראות לעין חיצונית, אך להגדיל את הקושי לרופאים בביצוע הניתוח. הגבלה זו נובעת בעיקר מנקודות מופחתות של גישה והאופי הנוקשה וקשיח למחצה של המכשירים, שאינם מסוגל למנוע או לעבור סביב איברים ^{2, 3.} מיומנות ותנועתיות ניתן לשפר באמצעות ביטוי והיפר-מיותר רובוטים שיכולים לכסות סביבת עבודה רחבה יותר ומורכבת יותר, השלנו מאפשרים יעד ספציפי בגוף שהגיע בקלות רבה יותר ^{4, 5, 6} ולעבוד כמערכות נסיגה בעת צורך ^7. מניפולטור גמיש יכול לשפר את היענות רקמה, ובכך יוצר קשר בטוח יותר מאשר על ידי כלים מסורתיים.

עם זאת, מניפולטורים אלה לעתים קרובות חוסר יציבות כאשר מגיע ליעד, ובדרך כלל הם לא יכולים לשלוט במגע עם הרקמות הסובבות ^{8, 9.} מחקרים על מבנים ביולוגיים, כגון זרוע תמנון ¹⁰ והחדק ^11, לאחרונה בהשראת העיצוב של מניפולטורים גמישים, עיוותים ותואמות עם מספר מיותר של דרגות החופש (DoFs) וקשיחות לשליטה ^12. אלו סוגים של מכשירים לנצל מעיינות פסיביות, חומרים חכמים, אלמנטי פנאומטי, או גידים ^{13, 14, 15.} באופן כללי, מניפולטורים מפוברקים עם חומרים רכים וגמישים אינם מבטיחים את הדור של כוחות גבוהים.

Tהוא נוקשה הפלופ (מניפולטור קשיחות לשליטה גמיש וניתן ללמידה לניתוחים) מניפולטור הוצג לאחרונה כמכשיר כירורגי רומן לאורים וSPL בהשראת היכולות של התמנון. כדי להתגבר על המגבלות של מניפולטורים רכים קודמים, יש לו גוף רך כמו גם גבוהה מיומנות, גבוה כוח וקשיחות לשליטה ^16.

הארכיטקטורה של מניפולטור מבוססת על גישה מודולרית: יחידות מרובות, עם אותו המבנה והפונקציונאליות, הם משולבים יחד. היחידה אחת מוצגת באיור 1. היא מבוססת על צילינדר אלסטומרי מתקבל על ידי ייצור רב-. צעדי ההרכבה של רכיבי העובש ותהליכי הליהוק לאפשר שלושה תאים ריקים (להפעלה ללא fluidic) וערוץ אחד חלול מרכזי ¹⁷ (לדיור למנגנון המבוסס על שיבוש גרגירי ¹⁸⁾ להיות מוטבע. התאים ממוקמים על 120 מעלות, כך שאינפלציה בשילוב IR מייצרת תנועה והתארכות omnidirectional. בנוסף נדן קלוע חיצוני ממוקם חיצוני להגביל את התרחבות רדיאלי החיצונית של תאי fluidic כאשר לחץ, וכך לייעל את השפעת actuation הקאמרית בתנועת מודול (כיפוף והתארכות).

הערוץ המרכזי שוכן מכשיר גלילי מורכב מקרום חיצוני מלאים בחומר גרגירים. כאשר לחץ ואקום מוחל, הוא משנה את תכונות האלסטיות שלו גורם להתקשחות שמשפיעה על התכונות של כל מודול.

מופעי תנועה ונוקשות הנשלטים על ידי התקנה חיצונית כוללים מדחס אוויר ושלושה שסתומי לחץ לactuating התאים ומשאבת ואקום אחד להפעלת הוואקום בערוץ ההתקשות. ממשק משתמש אינטואיטיבי מאפשר שליטה של ​​לחצים להפעלה ללא וואקום בתוך מודול.

מאמר זה מפרט את fabricatioתהליך n של מודול הבודד של מניפולטור זה ודיווחים על התוצאות משמעותיות ביותר על יכולות תנועה בסיסיות. בהתחשב באופי המודולרי של המכשיר, ההערכה של הייצור וביצועים של רק מודול אחד בודד גם מאפשרת את התוצאות לתוארכנה ולחזות את ההתנהגות הבסיסית של מניפולטור רב-מודול שילוב של שניים או יותר מודולים.

Protocol

הערה: פרוטוקול זה מתאר את שלבי הייצור של מודול בודד, הכולל את תאי fluidic, התקשות ערוץ, צינורות actuation ונדן חיצוני. ההליך הבא חייבת להתבצע מתחת למכסת מנוע קטר ולובש חלוקים וכפפות מטעמי בטיחות. כאמור, תהליך הייצור של יחידת אלסטומרי מבוסס על השימוש רציף של תבניות מעוצבות עם תוכנות CAD. הם מורכבים מחתיכות 13 מוצגות באיור 2 ומפורטות בטבלה 1.

1. הכנת סיליקון

1. שוקל 12 גרם של חלק ו -12 גרם של חלק ב 'באותו כוס הפלסטיק או צלחת פטרי ומערבבים אותם ביחד, תוך בחישה.
   הערה: פרופורציות חומר יכולות להשתנות בהתאם לסיליקון הספציפי בשימוש, במקרה זה מורכב משני חלקים: חלק א '(הבסיס) וחלק ב' (הזרז). הם משמשים ב1A פרופורציה: 1B במשקל.
2. מניחים את הכוס המכילה התמהילחומרי סיליקון אד במכונה מסלק גזים בלחץ ואקום בר 1. שמור את הכוס תחת ואקום עד שכל הבועות יוסרו מחומר סיליקון. לסיליקון המועסק תהליך סילוק הגזים לוקח בערך 10 דקות. ברגע שהחומרים הם חופשיים לחלוטין מהנוכחות של בועות, לשחזר את לחץ אטמוספרי למכונה ולהשתמש בסיליקון.

2. ייצור של מודול Siliconic

1. עצרת של העובש.
   1. הכנס את גליל התקשות וחלק העליון של התאים לתוך cap_A (איור 3 א).
   2. סגור את הפגזים סביב השכבה השנייה של cap_A.
2. ליהוק סיליקון ראשון.
   1. יוצקים את סיליקון בתוך התבנית עד התאסף לקצה של הפגזים (3 ב איור).
   2. מניחים את התבנית בתנור על 60 מעלות צלזיוס במשך כ -30 דקות.
3. סידור מחדש של העובש.
   1. הסר את הפגזים החיצוניים וcap_A (איור 3ג).
   2. הכנס את הגלילים מהבסיסים של התאים וגליל התקשות בתוך cap_B (3D איור).
   3. סגור את הפגזים שוב סביב מודול, מחליק אותם 10 מ"מ כלפי מעלה כדי שיהיה לי פער של 10 מ"מ בין המשטח העליון של מודול ואת הקצוות של הפגזים (3E איור).
4. ליהוק סיליקון שני.
   1. יוצקים את סיליקון בתוך התבנית עד מחדש לקצה של הפגזים בצד העליון (איור 3F) (גם עד גליל ההתקשות כלומר).
   2. שים את התבנית לתנור על 60 מעלות צלזיוס במשך כ -30 דקות.
   3. הסר את הפגזים החיצוניים, cap_B והתאים (למעט גליל ההתקשות) (3G איור).

3. החדרת צינורות

1. חותך 3 צינורות לאותו אורך רצוי (300 מ"מ לדוגמא).
2. שים דבק siliconic סביב קצה אחד של צינור אחד במשך 10 מ"מ, ללא אובstructing הצינורות.
3. הכנס את הצינורות בתוך 2 מ"מ מוקדש ערוצים ביחידת siliconic (3H איור).
4. לאפשר זמן ריפוי של 12 דקות בטמפרטורת חדר או לשים את המודול בתוך תנור בטמפרטורה גבוהה (50 ° - 60 °) כדי לזרז את תהליך הייבוש.

4. ייצור של Crimped קלוע נדן

1. חותך 700 מ"מ של נדן הרחבה קלוע (כ 15 פעמים את הגובה של מודול).
2. הכנס גליל מתכתי של 30 מ"מ בקוטר 250 מ"מ ואורך בתוך הנדן.
3. לדחוף למטה ולאלץ את הנדן על ידי הזזה על הגליל, על מנת ליצור crimps.
4. מכאני לתקן את הנדן במקום עם מהדק וחום עם אקדח חימום ב 350 מעלות צלזיוס במשך 2-3 דקות עד שעיוות קבועה מתקבלת.
5. בואו הנדן להתקרר ולהסיר את הגליל הפנימי.

5. שילוב של נדן החיצוני

1. להעביר אתצינורות דרך החורים של cap_C.
2. יוצקים 3 גרם של סיליקון לcap_C.
3. הצמד cap_C לתמיכה גבוהה ממטוס העבודה.
4. הכנס את הצד התחתון של מודול המפוברק בעבר לcap_C.
5. חלק את הנדן המסולסל סביב מודול.
6. לדחוף את crimps הראשון של הנדן בתוך cap_C ולטבול אותם לסיליקון הטרי שפך (איור 3i).
7. שים את התבנית לתנור על 60 מעלות צלזיוס במשך כ -20 דקות.
8. חזור על אותו ההליך מנקודה 5.1-5.6 כדי לתקן את הנדן בצד העליון, באמצעות cap_D (י 3 איור).
9. הסר cap_C וcap_D.
10. הסר את הגליל המרכזי (איור 3k).

6. ייצור של גרגירי שיבוש ממברנה

1. יוצקים 5 גרם של לטקס נוזלי לתוך כוס פלסטיק.
2. לטבול את הגליל לממברנה (החתיכה האחרונה שמוצגת באיור 2) בתוך הלטקס הנוזלי עד פני השטחמכוסה לחלוטין.
3. תן לו להתייבש מתחת למכסת מנוע במשך 20 דקות.
4. נקודות חזרו 6.2 ו -6.3.
5. להסיר את הקרום מהתבנית.

7. קלטי גרגירי שיבוש ממברנה

1. חותך צינור (2 מ"מ קוטר) לאורך הרצוי (300 מ"מ לדוגמא).
2. חותכים חתיכה של כ -100 מ"מ ² של רקמת ניילון בריבוע ולסגור קצה אחד של הצינור עם רקמה זו באמצעות סרט פרפין פלסטיק או דבק מגע.
3. לשקול 4 גרם של אבקת קפה ולמלא את הקרום.
4. הכנס את הצינור (סוף עם המסנן) בתוך הקרום המלא ולתקן אותה סביב הצינור באמצעות סרט פרפין פלסטיק.
5. החל ואקום בצד השני של הצינור (הקרום הופך נוקשה) האחר.
6. הכנס את הקרום בתוך הערוץ המרכזי הריק של מודול siliconic (3L איור).
7. מדביקים את הקצוות של קרום ההתקשות למודול סיליקון.
8. סגור את הטבעות סביב החלק העליוןהצד השני של מודול (3M איור).
9. יוצקים 2 גרם של סיליקון לטבעות כדי ליישר את פני השטח.
10. בואו היבש סיליקון מתחת למכסת מנוע או בתנור על 60 מעלות.
11. הסר את הטבעות.
12. חזור מנקודות 7.8-7.11 לצד התחתון (איור 3 יד).

תוצאות

השלבים השונים של הייצור, שתואר בפרוטוקול, הם באיור 3.

על מנת להעריך את היעילות של הטכניקה והתוצאות של אב הטיפוס הסופי, מודול נבדק בתנאי עבודה שונים. התקנה חיצונית מאפשרת שליטה של ​​שני actuation והנוקשות של מודול. הוא כולל מד?...

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...

Materials

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