העיצוב והיישום של תחמן רובוטית העידו סאונד אקסטרה גשמית

Summary

מאמר זה מציג את העיצוב והיישום של תחמן רובוטית העידו לבדיקה אולטרסאונד במיוחד גשמית. המערכת כוללת חמש דרגות חופש עם מפרקים קלת משקל שבוצעו על-ידי הדפסת תלת-ממד ומצמד מכני לניהול בטיחות.

Abstract

עם פוטנציאל ברמת דיוק גבוהה, מיומנות של הדיר, מערכת רובוטית מסומנים עצמית יכול להיות מועסק על מנת לסייע ברכישת אולטרסאונד בזמן אמת. עם זאת, מספר מוגבל של רובוט שתוכנן במיוחד גשמית סאונד בהצלחה תורגמו שימוש קליני. במחקר זה, אנו שואפים לבנות תחמן רובוטית העידו לבדיקה אולטרסאונד במיוחד גשמית, אשר הוא קל משקל ובעל שטח רצפה קטן. הרובוט נוצר על ידי חמישה קישורים מיוחד בצורת ומנגנונים משותפת בהזמנה אישית עבור בדיקה מניפולציה, כדי לכסות את טווח התנועה עם דרגות חופש עודפים כדי להבטיח בטיחות המטופל הכרחי. בטיחות מכני מודגשת עם מנגנון מצמד, להגביל את הכוח חלה על חולים. בשל העיצוב, המשקל הכולל של manipulator הוא פחות מ-2 ק ג, אורך manipulator הוא כ- 25 ס מ. העיצוב יושמה, וסימולציה, פנטום, מתנדב מחקרים בוצעו, כדי לאמת את טווח התנועה, היכולת לבצע כוונון עדין, אמינות מכנית, ולפעולה בטוח של המצמד. נייר זה פרטי העיצוב והיישום של manipulator העידו אולטרסאונד רובוטית, עם השיטות ועיצוב ההרכבה מאויר. תוצאות הבדיקה להדגים את תכונות עיצוב והניסיון הקליני של שימוש במערכת מוצגים. הוא הוא סיכם כי manipulator רובוטית המוצע הנוכחי עומד בדרישות כמערכת העידו לבדיקה אולטרסאונד במיוחד גשמית, יש פוטנציאל אדיר להיות מתורגם שימוש קליני.

Introduction

מערכת סאונד אקסטרה גשמית רובוטית (ארה ב) מתייחס לתצורת שבו מערכת רובוטית הוא מנוצל כדי להחזיק ולטפל בדיקה בארה ב בחינות חיצוניות, כולל את השימוש בדימות בטן, לב, כלי דם, להיריון, גנרל¹ . השימוש של מערכת רובוטית כזו הוא מוטיבציה מאת האתגרים של ידנית מחזיק מניפולציה בדיקה בארה ב, למשל, אתגר מציאת נוף ארה ב הרגיל הנדרש על-ידי פרוטוקולים דימות רפואי לבין הסיכון של פציעת מאמץ חוזרני^{2, 3,4}, ומנוסה גם לפי הצרכים של לנו הקרנת תוכניות, למשל, הדרישה sonographers להיות באתר^5,6. עם ההדגשות על פונקציות שונות, המטרה anatomies, ארה ב מספר מערכות רובוטיות, כפי שנבדקו ב קודמות עבודות^1,7,8, הוכנסו מאז שנות ה-90, לשפר היבטים שונים של ארה ב הבדיקה (למשל, teleoperation למרחקים ארוכים^9,10,11,12, כמו גם רובוט-אופרטור אינטראקציה ו בקרה אוטומטית)^{13, 14}. בנוסף ארה ב סוכנית לצורכי איבחון, ממוקדת בעוצמה גבוהה רובוטית מערכות אולטרסאונד (HIFU) עבור מטרות הטיפול נחקרו באופן נרחב כפי שסוכם על-ידי. Priester et al. ¹, עם כמה אחרונים עבודות^15,16 ודיווח על ההתקדמות האחרונה.

למרות מספר מערכות רובוטיות ארה ב פותחו בטכנולוגיות יחסית אמין עבור שליטה ותפעול קליני, רק מעטים מהם בהצלחה תורגמו שימוש קליני, כגון מערכת זמינים מסחרית tele-אולטראסאונד ¹⁷. סיבה אפשרית אחת היא הרמה נמוכה של קבלה עבור רובוטים תעשייתי גדול לעבוד בסביבה קלינית, מנקודת המבט של המטופלים והן sonographers. בנוסף, לניהול בטיחות, הרוב המכריע של הרובוטים בארה ב קיימים להסתמך על כוח חיישנים לפקח ולשלוט הלחץ יישומי המכשיר בארה ב, בעוד מנגנוני בטיחות מכני בסיסי יותר להגביל את הכוח פסיבי זמינים בדרך כלל לא . זה עלול לגרום גם חששות כאשר לתרגם שימוש קליני הבטיחות של רובוט המבצע יהיה תלוי אך ורק לוגיקה תוכנה ומערכות חשמל.

ההתפתחויות האחרונות של תלת-ממד הדפסה טכניקות, במיוחד בצורת קישורים פלסטיק עם מנגנון משותף בהזמנה אישית יכול לספק הזדמנות חדשה עבור פיתוח רובוטים רפואיים העידו. תוכנן בקפידה רכיבים קל משקל עם מראה קומפקטי יכולה לשפר קבלה קליניים. במיוחד עבור בדיקה בארה ב, רובוט רפואי העידו מכוון להיות מתורגם שימוש קליני צריך להיות קומפקטי, עם מספיק דרגות חופש (DOFs) ואת טווח התנועה כדי לכסות את האזור של האינטרס של סריקה; לדוגמה, בטן השטח, כולל החלק העליון והחלק צדי בבטן. בנוסף, הרובוט צריך גם לשלב את היכולת לבצע כוונון עדין של המכשיר ארה באזור המקומי, כאשר מנסים לייעל את נוף בארה ב. בדרך כלל כולל הטיית תנועות של המכשיר בתוך טווח מסוים, כפי שהוצע על ידי. Essomba et al. ¹⁸ ו- Bassit¹⁹. כדי לטפל עוד יותר את חששות בטיחות, צפוי כי המערכת צריך תכונות בטיחות פסיבית מכני אשר אינם תלויים מערכות חשמל ולוגיקה תוכנה.

במאמר זה, נציג השיטה מפורט ועיצוב ההרכבה של 5-DOF מיומנות רובוטית תחמן, אשר משמש מרכיב המפתח של מערכת בארה ב במיוחד גשמית רובוטית. Manipulator מורכב של מספר קישורים ניתנים להדפסה תלת-ממד קלת משקל, מנגנון משותף בהזמנה אישית מצמד הבטיחות המובנות. סידור מסוים DOFs מספק גמישות מלאה עבור התאמות בדיקה, המאפשר תפעול קלה ובטוחה באזור קטן ללא התנגשות עם המטופל. Manipulator מולטי-DOF המוצעת שואפת לעבוד כפי הרכיב הראשי יצר קשר. עם מטופלים וזה ניתן פשוט לחבר מנגנון כללי 3 קונבנציונאלי-DOF מיקום כדי ליצור רובוט ארה ב להשלים עם DOFs פעיל מלא כדי לבצע סריקה בארה ב.

Protocol

1. הכנה של כל קישור, סוף-אפקטור ורכיבים נוספים

1. הדפס כל הקישורים (L₀, L₁, L₂, L₃ו- L₄) ואת הקצה-אפקטור כפי שמוצג באיור 1, עם בוטאדיאן טבעי styrene (ABS) פלסטיק, פלסטיק (PLA) חומצה polylactic או ניילון, באמצעות 3D-הדפסה שירות. השתמש. STL קבצים הניתנים חומרים משלים בעת הדפסה.
   הערה: שינויי הצורה ואת קנה המידה של כל חלק שניתן יהיה מבוסס על קבצים שסופקו. לפרופיל הפנימי של הסוף-אפקטור ניתן לשנות כדי להתאים הגששים בארה ב שונה.
2. הדפס את כל הרכיבים נוספים הנדרשים כפי שמוצג באיור 2 ניילון, באמצעות שירות הדפסת תלת-ממד. עיין בטבלה של חומרים עבור המספר הנדרש של כל מרכיב. השתמש. STL קבצים הניתנים חומרים משלים בעת הדפסה.
3. ללטש את כל חלקי הפלסטיק מודפסים עם כלי ליטוש במידת הצורך. הסר את כל חומרי תמיכה משמאל הדפסת תלת-ממד, במידת הצורך.
   הערה: כמה מבנים בעיצוב הקצה שסופק-אפקטור עבור חיישן כוח, אשר אינו חלק פרוטוקול דיווח כאן הינם לא ישמש עבור ההרכבה. המושג עיצוב חיישן כוח דווחה עבודה קודמות²⁰; לפיכך, לא מכוסה בעיתון הזה.

2. הרכבה של 1 משותפת

הערה: ההרכבה של פרקים 1 (J₁) מבוסס על איור 3.

1. במקום ארבעה מנועים stepper קטן, עם גיר (20-שיניים שלוחת הילוכים מצורף) לחללים הרכבה של L₀ והר אותם עם ברגים.
2. מניחים על המיסבים OD 37 מ מ שתי בממסרה L₀ ולאבטח את הציוד השלוחה 120-שיניים (סוג A) על גבי מפתח משושה L₁.
3. הכנס הפיר L₁ לתוך החור פיר-L₀ עם ארבעה קטנים את הנהיגה שלוחת הילוכים, הגדול מונע ציוד השלוחה מאורסת, ולהרכיב את הקולר פיר כדי לאבטח ולשמור את הפיר.

3. הרכבה של 2 פרקים

הערה: ההרכבה של 2 פרקים (J₂) מבוסס על איור 4.

1. במקום ארבעה מנועים stepper קטן, עם גיר (20-שיניים שלוחת הילוכים מצורף) לחללים הרכבה של L₁ והר אותם עם ברגים.
2. לצרף את שני 120-שיניים שלוחת הילוכים (סוג B) שני 37 מ מ OD מסבים והמיקום אותם לחללים הציוד של L₁, עם הציוד השלוחה 120-שיניים (סוג B) עם השיניים השלוחה של 20-שיניים רכוב על המנועים. להתיר ולהתעסק מחדש את המנוע במידת הצורך לאפשר את מיקום קל של הציוד השלוחה של סוג-B שתי 120-השיניים.
3. יישר L₁ ו- L₂ והכנס את הכיוון ואת זוגות קפיצים הכדור לתוך החורים מצמד L₂. עם שני מצמד עגול הכיסויים יישור ודחפתי את האביב לתוך מנגנון מצמד עבור טעינה מראש, הכנס של הברק M6 משעממים של L₁ ו- L₂.
4. לסובב את מכלול לצד השני, חזור על שלבים ב- 3.3 בצד הזה. המאבטחים את מכלול על ידי הצמדת אגוז הברק M6.

4. הרכבה של 3 פרקים

הערה: ההרכבה של 3 פרקים (J₃) מבוסס על איור 5.

1. מקם את שני מנועים stepper קטן, עם גיר (20-שיניים שלוחת הילוכים מצורף) לחללים הרכבה של L₂ והר אותם עם ברגים.
2. מקום OD 37 mm הנושאת לתוך נושא הדיור של הציוד השלוחה 120-שיניים (סוג C) ולמקם OD 32 מ מ הנושאת לתוך לתושבת מיסב L₃.
3. לאבטח את הציוד השלוחה גדולים לתוך המנעול משושה של L₃ (ברגים נוספים ניתן להשתמש במידת הצורך) ולהוסיפה הפיר L₂ משעממים על הציוד השלוחה גדולים ו L₃, עם הקטן, גדול שלוחת הילוכים מאורסת.

5. הרכבה של מנגנון נהיגה של 4 פרקים

הערה: ההרכבה של 4 פרקים (J₄) מבוסס על איור 6.

1. מקם את שני מנועים stepper קטן, עם גיר לחללים הרכבה של L₃ והר אותם עם ברגים. מניחים על המיסבים OD 8 מ"מ בממסרה L₄.
2. הר הציוד השלוחה ארוכה 20-שיניים על גבי שני מנועים stepper קטן.

6. הרכבה של מנגנון מונע של פרקים 4 ו- 5 פרקים

הערה: ההרכבה של 4 פרקים (J₄) מבוסס על איור 6 , 5 משותפת (J₅) מבוסס על איור 7.

1. מקם את הציוד שיקוע מונע 144 השיניים על גבי ההבלטה של L₄.
2. מקם את שני מנועים stepper קטן, עם גיר (18-שיניים מסגרת משופעת ההילוכים המצורפת) לחללים הרכבה של L₄ והר אותם עם ברגים. לבסוף, הכנס את הפיר M5 לתוך החור פיר של L₃ ו- L₄ לאחר משני הקישורים מיושרים. ודא הבנוי במבנים מונע את הציוד על L₄ גפרורים עם הציוד השלוחה 20 שיניים ארוכות.
3. להכניס את הקצה-אפקטור keyway של הציוד שיקוע גדול ומקם אנכית על הקצה-אפקטור עם הצווארון סוף-אפקטור דפק על זה.

תוצאות

בעקבות הפרוטוקול, המערכת שנוצרה הוא תחמן רובוטית עם חמישה מיוחד בצורת קישורים (L₀ L₄) והמפרקים revolute חמש (J₁ J₅) עבור העברה, מחזיק באופן מקומי הטיית בדיקה בארה ב (איור 8). המפרק העליון סיבוב (J₁), עם הציוד מנגנונים actuated על ידי ארבעה מנוע...

Discussion

שלא כמו רבים אחרים רובוטים תעשייתיים אשר תורגמו יישומים רפואיים, manipulator רובוטית המוצע תיאר בפרוטוקול תוכננה במיוחד עבור ארה ב בדיקות בהתאם לדרישות קליניים עבור טווח תנועה, יישום של כוח וניהול בטיחות. Manipulator רובוטית קלת משקל עצמה יש מגוון רחב של תנועות מספיק עבור רוב גשמית במיוחד ארה ב סריק...

Materials

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