רוד מבוססי ייצור של מכשירים גריפר פניאומטיים רובוטית להתאמה אישית רך עבור מניפולציה רקמה עדינה

Summary

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.

Abstract

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

רובוטי Soft עוררו התעניינות מחקרית רבה בקרב קהילת רובוטיקה והם שמשו משימות פונקציונליות שונות כגון תנועה גלית בסביבות מובנהיות ¹ מרתק ^2. הם מורכבים בעיקר של חומרים רכים אלסטומרי ובשליטת טכניקות actuation שונים באמצעות שימוש בחומרים שונים כגון פולימר electroactive (EAP), סגסוגות זיכרון (SMA), או דחוס נוזל ^3. EAPs פונקציה מבוסס על מתח הפרש שגורם כוחות אלקטרוסטטיים לייצר זנים פעילים ובכך מייצרים actuation. השפעת זיכרון צורה המוזרה של SMAs נפרסה על מנת ליצור את actuation הרצוי מבוסס על הדור בתוקף במהלך טרנספורמציות בשלב על השינוי בטמפרטורה. לבסוף, טכניקה להפעלה ללא נוזל דחוס מקלת אסטרטגית עיצוב פשוט להשרות הבדל נוקש ומפעילים הרכים, כך האזורים התואמים יותר יהיו לנפחעל לחץ קבוע. רובוטים רכים נועדו להרחיב את היישומים של רובוטים קשיחים מסורתיים, במיוחד ביישומים בם חפצים עדינים מעורבים. במיוחד, במאמר זה, אנו מציגים הגישה הייחודית שלנו בפיתוח grippers רובוטית רך עבור מניפולציה כירורגית עדינה.

מרתק כירורגים הוא היבט חשוב מעורב הליכי כירורגיים רבים כגון כבד, גינקולוגיה, אורולוגית, וניתוחים לתיקון עצב ^{4, 5.} הדבר מתבצע בדרך כלל על ידי כלים מרתקים רקמה נוקשה, פלדה כגון מלקחי graspers לפרוסקופי לצורך ההקלה תצפית, כריתה, נהלי השקה, וכו 'עם זאת, בזהירות רבה נדרשת כפי הכלים המרתקים הקונבנציונליים עשויים מתכת שעלולה לגרום באזורי ריכוז מתח הגבוה בתוך הרקמה הרכה בנקודות המגע ^6. בהתאם לחומרת הנזקים רקמות, סיבוכים שונים, כגון כאב, ו רקמת צלקת פתולוגיתormation, ואף נכות צמיתה, עלולים לפרוץ. מחקר קודם דווח כי שיעור הסיבוכים בניתוחים עצבים היקפיים היה 3% ^7. לכן, הרעיון של מרתק רך שיכול לספק אחיזה תואמת בטוחה יכול להיות מועמד מבטיח עבור מניפולציה כירורגית עדינה.

כאן, אנו מציגים שילוב של 3D-דפוס וטכניקות ליתוגרפיה רכה שונות, אשר אמצו גישה מבוססת-מוט, לפברק grippers פנאומטי רובוטית רך להתאמה אישית. טכניקת ייצור מסורתית של רובוטים ללא אלכוהול על בסיס להפעלה ללא נוזל דחוס דורשת עובש עם ערוצי פנאומטי מודפסים עליו תהליך איטום לאטום את הערוצים ^8. עם זאת, זה לא ריאלי עבור רובוטים רכים מיניאטורי אשר צריכים ערוצי פנאומטי קטנים שבו חסימה של ערוצים יכולה לקרות בקלות בתהליך האיטום. הטכניקה המסורתית דורשת אטימת ערוצי פנאומטי להיעשות על ידי מליטת שכבת איטום צופה אליו. לפיכך, להyer של חומר אלסטומרי אשר בתחילה משמש כשכבת מליטה עשוי לשפוך לתוך תעלות זעירות לחסום אותם ערוצים. כמו כן לא ניתן למקם את ערוצי פנאומטי באמצע המבנה ולהתחבר מרכיב חדר באמצעות טכניקות קונבנציונליות. הגישה המוצעת מאפשרת יצירת ערוצי פנאומטי מיניאטורי המחובר מוטה באמצעות לילה מלא באוויר ואינו דורשת איטום של התעלות הזעירות. בנוסף, התא המחובר ערוצי פנאומטי לשמש מקור אוויר שאינו דורש מקורות אוויר חיצוניים להפעלה ללא נוזל דחוס. היא מאפשרת היא את מדריך מצבי שליטה רובוטית באמצעות הקלת הדחיסה הקאמרית להניע המרכיב המרתק, ובכך לספק למשתמשים את האפשרות של שליטה על כמות הכח שהם מגישים בקשה דרך תפסן. גישה זו להתאמה אישית וניתן להשתמש בו כדי לפברק סוגים שונים של עיצובי תפסן רכים כגון grippers עם יחיד או muרובים של נשק actuatable.

Protocol

הערה: כל grippers פנאומטי הרך היו מפוברק על ידי יציקת תערובות אלסטומרי מבוסס סיליקון לתוך תבניות 3D מודפס אישית, שבאו לאחר תהליך ייצור מורכב משלושה שלבים: קריצת רכיבי תפסן-זרוע עם ערוצי פנאומטי מוטבעים, קריצת רכיב תא מחובר ערוצי פנאומטי , ואיטום מרכיב בתא מלא אוויר.

1. הכנת אלסטומרים

1. מניחים במיכל עבור מערבל בסולם במשקל הטרה זה. יוצקים חלקים א 'וב' של אלסטומר מבוססי סיליקון בתוך המיכל עם 1: יחס משקל 1.
2. מכסים את המיכל ולמדוד את המשקל הכולל.
3. מניחים את מיכל חומר לערבל צנטריפוגלי. התאם את איזון המשקל על המערבל למשקל נמדד צעד 1.2.
4. הגדר את מצבי ערבוב-אוורור דה 2,000 סל"ד ו -2,200 סל"ד בהתאמה למשך 30 שניות. מערבבים את המרכיבים אלסטומר ביסודיות כדי להשיג ריפוי אחיד.

le "> 2. עיצוב וייצור תבניות

הערה: הגיאומטריה של העובש תשתנה בהתאם לדרישות הספציפיות עבור יישומים שונים. השלבים הבאים ממחישים שלבים עיקריים כלליים בתוכנות CAD הנדרשים כדי ליצור את הרכיב הקאמרי תפסן של העובש.

1. עיצוב תבניות ואיטום עובש באמצעות תוכנת תכנון בעזרת מחשב (CAD). ראה איור 1 עבור ממדי גיאומטריה וספציפי של התבניות בשימוש כתב היד הזה.
   1. עיצוב של תיבת הגבול החיצונית
      1. לחץ לחיצה ימנית על המטוס העליון ולחץ על "רגיל עד" על מנת לנרמל למישור העליון.
      2. לחץ על "סקיצה" בפינה הימנית העליונה כדי לפתוח חלון "סקיצה". לאחר מכן, לחץ על הכפתור "הסקיצה" על הפינה השמאלית העליונה של סרגל הכלים לצייר בסיס מלבני של רכיב קאמרי.
      3. הקישו על התכונה "המימד חכם", הנמצא ליד כפתור "סקיצה", להגדיר skממדים לחרוט. ודא כי הסקיצה מוגדרת באופן מלא (כלומר, כל ציור הקווים להיות שחורים) ויוצא הסקיצה בסיום.
      4. לחצו על החלון "מאפיינים". לאחר מכן, לחץ על "בוס Extruded / בסיס" תכונה כדי למתוח קווי מתאר שנבחרו-Y הכיוון.
      5. הקש על המשטח העליון של המודל והמיון קפדן מטוס הסקיצה. שרטט מלבן ולהגדיר את הממדים כמתוארים 2.1.1.2 ו 2.1.1.3.
      6. לחצו על החלון "מאפיינים". לאחר מכן, לחץ על התכונה "Extruded Cut" כדי למתוח לחתוך חלל ליציקת אלסטומרים (איור 2 א). ודא כי עובי הקיר הוא 2.5 מ"מ.
   2. עיצוב של החדר הפנימי
      1. לחץ לחיצה ימנית על פני השטח על Y-לכיוון אזור הפתיחה. לאחר מכן, לחץ על "רגיל עד" כדי לנרמל משטח.
      2. לאחר מכן, לחץ על החלון "סקיצה" לצייר מלבן עבור רכיב תא כמתואר בשלבים 2.1.1.2 ו2.1.1.3.
      3. לחצו על החלון "מאפיינים". לאחר מכן, לחץ על "בוס Extruded / בסיס" תכונה כדי למתוח את הרכיב הקאמרי-בכיוון Y (איור 2 ב).
         הערה: עומק קיצוץ צעד 2.1.1.6 הוא 2.5 מ"מ גדול יותר בסיס מעוקם זה.
   3. עיצוב של רכיב תפסן
      1. הקש על פני השטח של מודל X-כיוון שלילי ומיון קפדן מטוס סקיצת רכיב תפסן. צור מלבן בחלון "סקיצה" כמתואר בשלבים 2.1.1.2 ו 2.1.1.3.
      2. לחצו על החלון "מאפיינים". לאחר מכן, לחץ על "בוס Extruded / בסיס" תכונה כדי למתוח את קווי המתאר שנבחר ב X-בכיוון השלילי.
      3. הקש על המשטח העליון של רכיב תפסן כדי והמיון קפדן מטוס הסקיצה. יצירת צורה של תפסן בחלון "הסקיצה" (איור 2 ג) וצא הסקיצה כאשר הממדים מוגדרים באופן מלא כמתואר בשלבים 2.1.1.2ד 2.1.1.3.
      4. לחצו על החלון "מאפיינים". לאחר מכן, לחץ על "Cut Extruded" לחתוך חלל ליציקת אלסטומרים ברכיב תפסן. ודא כי עובי הקיר הוא 2.5 מ"מ.
   4. עיצוב של הקשר בין קאמרי תפסן
      1. צור מלבן בחלון "סקיצה" על המשטח העליון של קטע המוזיקה הקאמרית כמתואר 2.1.1.2 ו 2.1.1.3.
      2. לחצו על החלון "מאפיינים". לאחר מכן, לחץ על "Cut Extruded" כדי ליצור חיבור בין הרכיבים הקאמריים תפסן (איור 2 ד).
   5. עיצוב של ערוצי פנאומטי
      1. צור 1.5 מ"מ עיגולים בקוטר על פני השטח של קטע המוזיקה הקאמרית ב X-בכיוון החיובי כמתואר בשלבים 2.1.1.2 ו 2.1.1.3.
      2. לחצו על החלון "מאפיינים". לאחר מכן, לחץ על "Cut Extruded" ליצור ערוצי להכנסה מוטות תיל (איור 2E). ודא חולes אינם ביקע את רכיב תפסן.
2. בשנת קובץ CAD נפרד, לצייר עובש איטום עם חור של אורך ורוחב כי הם 1 מ"מ יותר גדול הממדים החיצוניים של רכיב לשכת תפסן. הערה: עובי הקיר הוא 2.5 מ"מ.
   1. לחצו על החלון "סקיצה" כדי ליצור מלבן במישור העליון כמו השלבים המתוארים 2.1.1.2 ו 2.1.1.3.
   2. לחצו על החלון "מאפיינים". לאחר מכן, לחץ על "בוס Extruded / בסיס" תכונה כדי למתוח קווי מתאר שנבחרו-Y הכיוון.
   3. הקש על הפאה העליונה של המודל והמיון קפדן מטוס הסקיצה. שרטט מלבן ולהגדיר את הממדים כמתוארים בשלבי 2.1.1.2 ו 2.1.1.3).
   4. לחצו על החלון "מאפיינים". לאחר מכן, לחץ על התכונה "Extruded Cut" כדי למתוח לחתוך חלל ליציקת אלסטומרים. ודא כי עובי הקיר הוא 2.5 מ"מ.
3. שמור כל חתיכת עובש בתור קובץ STL להדפסת 3D.
4. טען את קובץ STL לתוך מדפסת 3D עם רזולוציה של 30 מיקרומטר ולהדפיס את חתיכות עובש ^9.
5. הסר את כל חומרי תמיכה על חתיכות עובש לשטוף את חתיכות עובש עם מים.

3. Soft יחיד / זוגי-actuatable Grippers פניאומטיים Arm

1. דפוס רכיבי תפסן-זרוע עם ערוצי פנאומטי מוטבעים
   1. הכנס שתי אבנית קאמרית 3D מודפס על צד השמאל וימין של הרכיב הקאמרי (איור 3 א) על מנת ליצור בתא אטום עם ערוצי פנאומטי המחוברים אליו.
   2. הכניסו שתי מוטות תיל טיטניום 1.5 מ"מ בקוטר דרך תא, שמירת מרחק 2 מ"מ מקצות תפסן ליצור ערוצי פנאומטי (איור 3 א). הערה: השתמש מוט תיל אחד עבור תפסן חד actuatable-זרוע.
   3. יוצקים את התערובת לתוך התבנית אלסטומרי למלא את רכיב תפסן מלא.
   4. ודא שאין בועות אוויר גלויות נוכחיות.
   5. placדואר את התבנית לתוך תנור ריפוי ב 60 מעלות צלזיוס במשך 10 דקות. לאחר אלסטומר הוא נרפא, להסיר את התבנית מהתנור.
2. רכיב דפוס חדר מחובר ערוצי פנאומטי
   1. משוך את מוטות התיל השני קאמריים-בלוקים החוצה מהתבנית.
   2. מניחים 3D מודפס תפסן-בלוק על גבי רכיב תפסן כדי ליצור תא (איור 3 ב). הכנס את מוטות החוט לחסום את החורים בקיר של העובש.
   3. יוצק את התערובת לתוך התבנית אלסטומרי למלא את החלק הנותר של רכיב קאמרי להבטיח שאין בועות אוויר גלויות הלכוד בתוך העובש.
   4. לרפא את החלק בטמפרטורה של 60 מעלות צלזיוס במשך 10 דקות. הסר את התבנית מהתנור פעם אלסטומר הוא נרפא.
   5. הסר את בלוק תפסן demold תפסן נרפא לחלוטין עם מבנה תא.
3. איטום מרכיב בתא מלא אוויר
   1. יוצקים את התערובת לתוך התבנית אלסטומרי איטוםלרפא אותו ב -60 מעלות צלזיוס במשך 10 דקות.
   2. מברישים בשכבה של חומר אלסטומרי על 2.5 מ"מ נרפא איטום שכבה. מניח את תפסן נרפא עם מבנה תא על גבי שכבת האיטום המצופית ואג"ח שני החלקים (איור 3 ג).
   3. בהמשך לכך, לרפא את המבנה כולו מלא ב 60 מעלות צלזיוס במשך 15 דקות.
   4. Demold המכשיר תפסן רובוטית רך לגמרי נרפא.

4. קלטי התקן גריפר פניאומטיים רובוטית רך לתוך כלי טיפול

1. עיצוב כלי הטיפול כמתואר בקובץ משלימת 1 באמצעות תוכנות CAD ולשמור אותו קובץ STL. ראה איורים 4 ו -5 עבור הממדים של הכלים.
2. טען את קובץ STL במדפסת 3D ולהדפיס את חתיכות עובש ^9.
   הערה: כל שלבי ההדפסה עבור כלי טיפול שליטה ידניים, כובע מלבני, בוכנת מטלטלין (איור 4) יכולים להסתיים בתוך 3 שעות 48 דקות. יחסי ציבורזמן inting בודה שליטה רובוטית טיפול כלי וכובע מלבני (איור 5) הוא 1 hr 56 min. הצגת קובץ משלים 2 לקבלת הוראות פעולת מדפסת 3D.
3. לקלף כל חומר תמיכה על הכלים לאחר ההדפסה תושלם. לאחר מכן, לשטוף את הכלים במים.
4. הכנס את תפסן לכלי טיפול שליטה הידני (איור 4 א) ולכסות את אזור הפתיחה עם כובע מלבן מטלטלין (האיור 4B).
5. הכנס בוכנה מטלטלין (איור 4C) כדי להקל דחיסה קאמרית.
6. הכנס את תפסן מפעיל ליניארי לתוך כלי טיפול שליטת רובוטית (איור 5 א). הערה: המפעיל ליניארי מחליף את בוכנת מטלטלין במצב שליטה ידנית לדחיסה קאמרית.
7. מכסה את אזור הפתיחה עם כובע מלבן מטלטלין (איור 5).

ערכות 5. מבחן גריפ דחיסה

1. להעריךאת הפונקציונליות של תפסן הרך על ידי ביצוע בדיקות מרתקות עם חוט מגשר.
   1. מניחים חוט מגשר על השולחן.
   2. התאם תפסן כך את החוט נמצא בין משתי זרועות תפסן.
   3. הזז את הבוכנה מטלטלין לדחוס לתא כדי להניע את הזרועות תפסן כדי להחזיק את החוט.
      הערה: רק כלי טיפול השליטה הידניים משמשים בהפגנה המרתקת.
   4. חזק ולהעביר את חוט קופסא הממוקמת 20 סנטימטרים הרחק מהמיקום המקורי של החוט.
2. מניח נגד חישת כוח מכויל בין שתי הלסתות של תפסן. ודא את אחיזת לסתות תפסן על אזור החישה. הערה: הקוטר של אזור החישה היא 14.7 מ"מ.
3. דחיסת התא כדי להניע את זרועות תפסן כדי להשתלט על נגד חישת כוח.
4. מדוד את כוחות דחיסת אחיזה מקסימלית כי grippers פנאומטי הרך חד actuatable-יד פעמים actuatable הזרוע יכול ליצור כמתואר ¹⁰.
   הערה: ערכי ההודעה יוצגו על מחשב נייד. כוחות דחיסת אחיזה מקסימלית נמדדים בנקודת לחץ מקסימאלי שערוצי פנאומטי יכול לעמוד.
5. חותך את הלסתות מרתקות אלסטומרי בודד מתוך תפסן פנאומטי רך פעמים actuatable-זרוע.
6. הכנס את טיפי המלקחיים לתוך ערוצי פנאומטי של הלסתות המרתקות אלסטומרי.
7. מניח נגד חישת כוח מכויל בין שתי הלסתות של המלקחיים.
8. מדוד את כוחות דחיסת ¹⁰ שנוצרו על ידי מלקחיים מצופי אלסטומר מלקחיים במהלך ניתוח עצב מדומה שערך נוירוכירורג.
   הערה: הנוירוכירורג מפעיל כוח כי הוא דומה למה שהוא חל בדרך כלל במהלך ניתוח בפועל על נגד חישת כוח.
9. ממוצע הנתונים המתקבלים חמישה מחקרים בכל מבחן.

תוצאות

המכשירים תפסן פנאומטי רובוטית הרכים היו מסוגלים להרים חפצים עם ממדים של עד 1.2 מ"מ קוטר (איור 6). כוח דחיסת האחיזה מקסימלית שנוצר על ידי actuatable הזרוע חד, ובבדיקת actuatable זרוע התקני תפסן רכים היו 0.27 ± 0.07 N ו- 0.79 ± 0.14 N בהתאמה, לעומת 1.71 ± 0.16 N ו- 2.61 ± 0.22...

Discussion

אנחנו הוכחנו בהצלחה כי מכשירי תפסן פנאומטי רובוטית הרכים המותרים מרתק תואמת של אובייקטים, אשר הפעילו הרבה כוחות דחיסה נמוכים על האובייקט אחז מאשר טיפי מלקחיים מצופי אלסטומר מלקחיים מופעלים. מלקחיים הם כלי חיוני עבור מניפולציה עצבה במהלך תיקון עצב היקפי ניתוחי ^{11, ...}

Materials

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)