Fabrication Rod a base di personalizzabili morbide robotizzati pneumatici Gripper dispositivi per la manipolazione dei tessuti delicati

Riepilogo

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.

Introduzione

Robot soft hanno suscitato grande interesse la ricerca all'interno della comunità robotica e sono stati utilizzati in diversi compiti funzionali come locomozione ondulatoria in ambienti non strutturati ¹ e ² di presa. Essi sono principalmente costituiti da materiali elastomerici morbidi e controllati da diverse tecniche di azionamento attraverso l'utilizzo di diversi materiali come polimeri elettroattivi (EAP), lega a memoria di forma (SMA), o fluido compresso ^3. funzione EAP basata su una tensione differenziale che induce forze elettrostatiche per produrre ceppi attivi e genera in tal modo di azionamento. L'effetto memoria di forma peculiare della SMA viene distribuito per generare il comando desiderato in base alla costituzione della forza durante trasformazioni di fase al momento della variazione di temperatura. Infine, compresso tecnica azionamento fluido facilita una strategia di progettazione semplice per indurre differenza rigidità attuatori morbide, in modo che le regioni più compatibili si gonfiasu di pressurizzazione. robot molli sono progettati per ampliare le applicazioni del robot rigidi tradizionali, in particolare in applicazioni in cui sono coinvolti oggetti delicati. In particolare, in questo articolo, vi presentiamo il nostro approccio unico allo sviluppo morbide pinze robotici per la manipolazione chirurgica delicata.

Presa chirurgico è un aspetto importante coinvolto in molte procedure chirurgiche come epatica, ginecologica, urologica, e del nervo riparazione ambulatori ^{4, 5.} Essa è tipicamente eseguita da rigidi, strumenti di presa del tessuto in acciaio come le pinze e graspers laparoscopica allo scopo di facilitare osservazione, escissione, procedure di anastomosi, ecc Tuttavia, estrema cautela, poiché gli utensili di presa convenzionali sono fatti di metallo che può causare aree di concentrazione di stress elevato nel tessuto molle nei punti di contatto ^6. A seconda della gravità dei danni tissutali, varie complicazioni, come il dolore, cicatrici patologiche del tessuto formazione, e anche invalidità permanente, possono derivare. Uno studio preliminare ha riferito che il tasso di complicanze nella chirurgia dei nervi periferici è stata del 3% ^7. Pertanto, il concetto di presa morbida che può fornire presa conforme sicura può essere un candidato promettente per delicata manipolazione chirurgica.

Qui, vi presentiamo una combinazione di 3D-stampa e modificate le tecniche di litografia soffice, che ha adottato un approccio tondino-based, per fabbricare personalizzabili morbide pinze pneumatiche robotici. Tecnica di fabbricazione tradizionale di robot morbide, basate su azionamento fluido compresso richiede uno stampo con canali pneumatico stampati su di esso e un processo di sigillatura per sigillare i canali ^8. Tuttavia, non è fattibile per robot morbidi miniaturizzati che necessitano piccoli canali pneumatici dove occlusione dei canali può facilmente accadere nel processo di sigillatura. La tecnica tradizionale richiede la sigillatura dei canali pneumatiche essere fatto legando uno strato sigillante rivestito ad esso. Quindi, la layer di materiale elastomerico che serve inizialmente come uno strato di incollaggio potrebbe fuoriuscire nei piccoli canali e occludono quei canali. Inoltre non è possibile posizionare i canali pneumatici al centro della struttura e collegarsi ad un componente camera con tecniche convenzionali. L'approccio proposto permette la creazione di canali pneumatici miniaturizzati collegato a una camera di aste usando pieni d'aria e non richiede sigillatura dei piccoli canali. Inoltre, la camera collegata ai canali pneumatici servire come fonte d'aria che non richiede fonti d'aria esterna per l'azionamento fluido compresso. Esso permette sia la modalità di controllo robotici facilitando la compressione della camera per azionare il componente di presa, fornendo così agli utenti la possibilità di controllare la quantità di forza che sono candidati attraverso la pinza manuale e. Questo approccio è altamente personalizzabile e può essere utilizzato per fabbricare vari tipi di disegni pinze morbidi come pinze con singola o multiple braccia azionabili.

Protocollo

Nota: Tutte le pinze pneumatiche morbide sono state realizzate per fusione miscele elastomeriche a base di silicone in stampi 3D-stampati personalizzati, che ha seguito un processo di fabbricazione che comprende tre fasi: stampaggio di componenti pinza braccio con canali pneumatici incorporati, stampaggio componente camera collegata ai canali di pneumatici , e sigillare il componente camera riempita con aria.

1. Preparazione di Elastomeri

1. Posizionare un contenitore per mixer su una bilancia e tara. Versare parti A e B di elastomero a base siliconica nel contenitore con un rapporto 1: 1 in peso.
2. Coprire il contenitore e misurare il peso totale.
3. Posizionare il contenitore e il materiale in un mixer centrifuga. Regolare il bilanciamento del peso sul mixer al peso misurato in fase 1.2.
4. Impostare le modalità di miscelazione e di de-aerazione a 2.000 rpm e 2.200 rpm, rispettivamente per 30 sec. Miscelare i componenti in elastomero con cura per ottenere indurimento uniforme.

Le "> 2. Mold Design e Produzione

Nota: La geometria dello stampo varierà a seconda delle esigenze specifiche per le diverse applicazioni. Le seguenti operazioni illustrano passi chiave generali in software CAD che sono necessari per creare il componente camera ed pinza dello stampo.

1. Progettare gli stampi e muffe di tenuta utilizzando il software computer-aided design (CAD). Vedere Figura 1 per la geometria e specifiche dimensioni degli stampi utilizzati in questo manoscritto.
   1. Progettazione della scatola confine esterno
      1. Fai clic destro sul piano superiore e cliccare su "Normale per" pulsante per normalizzare al piano superiore.
      2. Clicca su "Schizzo" nell'angolo in alto a sinistra per aprire una finestra "Sketch". Quindi, fare clic sul pulsante "Sketch" nell'angolo in alto a sinistra della barra degli strumenti per tracciare una base rettangolare di componenti da camera.
      3. Fare clic sulla funzione "Smart Dimension", che si trova accanto al pulsante "Sketch", per definire skDimensioni etch. Assicurarsi che il disegno è completamente definito (ad esempio, tutte le linee di disegno diventano nero) e chiudere lo schizzo quando fatto.
      4. Fare clic sulla finestra "Funzioni". Quindi, fare clic su "Base Estrusione /" caratteristica di estrudere contorni selezionati in direzione Y.
      5. Fare clic sulla superficie superiore del modello di preselezionare il piano dello schizzo. Disegnare un rettangolo e definire le dimensioni come descritto in 2.1.1.2 e 2.1.1.3.
      6. Fare clic sulla finestra "Funzioni". Quindi, fare clic sulla funzione "taglio estruso" per estrudere tagliare una cavità per la fusione di elastomeri (Figura 2A). Assicurarsi che lo spessore della parete è di 2,5 mm.
   2. Progettazione della camera interna
      1. Pulsante destro del mouse sulla superficie in direzione Y della zona di apertura. Quindi, fare clic su "Normale per" per normalizzare a quella superficie.
      2. Quindi, fare clic sulla finestra "Sketch" per disegnare un rettangolo per il componente da camera come descritto ai punti 2.1.1.2 e2.1.1.3.
      3. Fare clic sulla finestra "Funzioni". Quindi, fare clic su "Base Estrusione /" funzione per estrudere il componente da camera in direzione Y (Figura 2B).
         Nota: La profondità del taglio in fase 2.1.1.6 2,5 mm più grande questa base estruso.
   3. Progettazione del componente pinza
      1. Istruzioni sulla superficie del modello in negativo direzione X preselezionare piano dello schizzo per il componente pinza. Creare un rettangolo nella finestra "Sketch", come descritto nei punti 2.1.1.2 e 2.1.1.3.
      2. Fare clic sulla finestra "Funzioni". Quindi, fare clic su "Base Estrusione /" funzione per estrudere il profilo selezionato nella direzione X negativa.
      3. Fare clic sulla superficie superiore del componente pinza per preselezionare il piano dello schizzo. Creare una forma di pinza nella "Sketch" finestra (Figura 2C) e chiudere lo schizzo quando le dimensioni è completamente definito come descritto ai punti 2.1.1.2 und 2.1.1.3.
      4. Fare clic sulla finestra "Funzioni". Quindi, fare clic su "Taglio estruso" per tagliare una cavità per la fusione elastomeri nel componente pinza. Assicurarsi che lo spessore della parete è di 2,5 mm.
   4. Esecuzione del collegamento tra la camera e pinza
      1. Creare un rettangolo nella finestra "Sketch" sulla superficie superiore del pezzo da camera, come descritto in 2.1.1.2 e 2.1.1.3.
      2. Fare clic sulla finestra "Funzioni". Quindi, fare clic su "Taglio estruso" per creare una connessione tra i componenti della camera e pinze (Figura 2D).
   5. Progettazione dei canali di pneumatici
      1. Creare 1,5 mm cerchi di diametro sulla superficie del pezzo da camera in direzione X positiva come descritto ai punti 2.1.1.2 e 2.1.1.3.
      2. Fare clic sulla finestra "Funzioni". Quindi, fare clic su "Taglio estruso" per creare canali per l'inserimento vergella (Figura 2E). Assicurarsi che il Holes non sono tagliate attraverso il componente pinza.
2. In un file CAD separata, disegnare uno stampo di tenuta con una cavità di lunghezza e larghezza di 1 mm di dimensioni superiori alle dimensioni esterne del componente camera della pinza. Nota: Lo spessore della parete è di 2,5 mm.
   1. Fare clic sulla finestra "Sketch" per creare un rettangolo sul piano superiore come passaggi descritti 2.1.1.2 e 2.1.1.3.
   2. Fare clic sulla finestra "Funzioni". Quindi, fare clic su "Base Estrusione /" caratteristica di estrudere contorni selezionati in direzione Y.
   3. Fare clic sulla faccia superiore del modello di preselezionare il piano dello schizzo. Disegnare un rettangolo e definire le dimensioni come descritto nei punti 2.1.1.2 e 2.1.1.3).
   4. Fare clic sulla finestra "Funzioni". Quindi, fare clic sulla funzione "taglio estruso" per estrudere tagliare una cavità per la fusione elastomeri. Assicurarsi che lo spessore della parete è di 2,5 mm.
3. Salvare ogni pezzo stampo come file STL per la stampa 3D.
4. Caricare il file STL nella stampante 3D con una risoluzione di 30 micron e stampare i pezzi dello stampo ^9.
5. Rimuovere qualsiasi materiale di supporto sui pezzi dello stampo e lavare i pezzi dello stampo con acqua.

3. morbida singola / doppia-azionabili Pinze braccio pneumatico

1. Stampaggio componenti pinza-braccio con canali pneumatici incorporati
   1. Inserire due a camera blocchi 3D-stampata sul lato destro del componente camera (Figura 3A) sinistro e al fine di generare una camera sigillata con canali pneumatico collegato ad esso.
   2. Inserire due aste mm di diametro 1,5 fili di titanio attraverso la camera, mantenendo una distanza 2 mm dal punte pinza per creare canali pneumatico (Figura 3A). Nota: Utilizzare una vergella per la pinza-azionabile a braccio singolo.
   3. Versare il composto elastomerico nello stampo per riempire completamente il componente pinza.
   4. Assicurarsi che non ci sono bolle d'aria visibili presente.
   5. Place lo stampo in forno per polimerizzazione a 60 ° C per 10 min. Una volta elastomero è guarito, rimuovere lo stampo dal forno.
2. componente camera di formatura connessa ai canali pneumatici
   1. Tirare le vergelle e due camera blocchi fuori dallo stampo.
   2. Inserire una pinza-block 3D-stampato sulla parte superiore del componente pinza per creare la camera (Figura 3B). Inserire le vergelle per bloccare i fori nella parete dello stampo.
   3. Versare il composto elastomerico nello stampo per riempire la parte rimanente del componente camera e garantire il bolle d'aria intrappolate visibili nello stampo.
   4. Curare la parte ad una temperatura di 60 ° C per 10 min. Togliere lo stampo dal forno una volta elastomero è guarito.
   5. Rimuovere la pinza-block e sformatura la pinza completamente guarito con la struttura della camera.
3. Sigillatura componente camera riempita di aria
   1. Versare il composto elastomerico nello stampo di tenuta ecurarla a 60 ° C per 10 min.
   2. Spazzola uno strato di materiale elastomerico sulle stagionati 2,5 mm strato di tenuta. Posizionare la pinza curata con struttura della camera di sopra dello strato di tenuta rivestito e legare insieme i due pezzi (Figura 3C).
   3. Successivamente, curare l'intera struttura completamente a 60 ° C per 15 min.
   4. Sformatura il dispositivo di presa robotica morbido completamente guarito.

4. Inserimento di Soft robotica Pneumatic Gripper dispositivo in strumento di gestione

1. Progettare gli strumenti di gestione, come descritto nel file supplementare 1 utilizzando il software CAD e salvarla in un file STL. Vedere le figure 4 e 5 per le dimensioni degli utensili.
2. Caricare il file STL nella stampante 3D e stampare i pezzi dello stampo ^9.
   Nota: Tutte le fasi di stampa per strumento di movimentazione manuale di controllo, berretto di forma rettangolare, e il pistone mobile (Figura 4) possono essere completati entro 3 ore 48 min. Il prtempo inting per fabbricare lo strumento e il tappo rettangolare movimentazione controllo robotico (figura 5) è di 1 ora 56 min. Vedere file supplementare 2 per le istruzioni di funzionamento della stampante 3D.
3. Staccare qualsiasi materiale di supporto sugli strumenti dopo che la stampa è stata completata. Poi, lavare gli attrezzi con acqua.
4. Inserire la pinza nella utensile manuale movimentazione di controllo (Figura 4A) e coprire l'area di apertura con un tappo rettangolare mobile (Figura 4B).
5. Inserire un pistone mobile (Figura 4C) per facilitare la compressione della camera.
6. Inserire la pinza ed attuatore lineare nella robotica elemento di presa di controllo (Figura 5A). Nota: L'attuatore lineare sostituisce il pistone mobile in modalità di controllo manuale per la compressione della camera.
7. Coprire l'area di apertura con un tappo rettangolare mobile (Figura 5B).

5. Le valutazioni e la presa di prova a compressione

1. Valutarela funzionalità della pinza morbida effettuando test di presa con un ponticello.
   1. Posizionare un ponticello sul tavolo.
   2. Regolare la pinza in modo che il filo è tra le due pinze.
   3. Portare il pistone mobile per comprimere la camera per azionare le pinze per tenere il filo.
      Nota: Solo lo strumento movimentazione comando manuale è utilizzato nella dimostrazione di presa.
   4. Tenere e spostare il filo ad una scatola situato a distanza dalla posizione originale del filo 20 cm.
2. Inserire un resistore di sensing forza calibrata tra le due ganasce della pinza. Assicurarsi che la presa dita di presa sulla zona di rilevamento. Nota: Il diametro della zona monitorata è 14.7 mm.
3. Comprimere la camera per azionare le pinze di presa sul resistore di sensing forza.
4. Misurare le forze massima aderenza compressione che i-azionabile a braccio singolo e doppio-azionabile-morbido braccio pinze pneumatiche potrebbero generare, come descritto nella ¹⁰.
   Nota: i valori di lettura vengono visualizzati su un computer portatile. Le forze massime presa compressione sono misurate nel punto di massima pressione che i canali pneumatici in grado di sopportare.
5. Ritagliare le ganasce elastomerici da una pinza a doppio morbido azionabile-braccio pneumatico.
6. Inserire le punte pinze nei canali pneumatici delle ganasce di presa elastomerici.
7. Posizionare una resistenza di sensing forza calibrata tra le due ganasce della pinza.
8. Misurare le forze di compressione ¹⁰ generati da una pinza e pinze elastomero durante un intervento chirurgico nervo simulata condotta da un neurochirurgo.
   Nota: Il neurochirurgo applica una forza che è simile a quello che normalmente applicato durante l'intervento effettivo sul resistore di sensing forza.
9. Calcolare la media dei dati ottenuti da cinque prove in ciascuna prova.

Risultati

I dispositivi di presa pneumatiche robotici analcoliche erano in grado di raccogliere oggetti di dimensioni fino a 1,2 mm di diametro (Figura 6). L'impugnatura forza massima di compressione generata dal singolo azionabile braccio e doppio azionabile braccio dispositivi di presa analcoliche erano 0,27 ± 0,07 N e rispettivamente 0,79 ± 0,14 N, rispetto a 1,71 ± 0,16 N e 2,61 ± 0,22 N forze di compressione a chirurgia simulata dalle pinze elastomero e da una pinza n...

Discussione

Abbiamo dimostrato con successo che le morbide robotici dispositivi pinza pneumatica consentiti presa compatibile degli oggetti, che esercitano forze di compressione molto più bassi per l'oggetto afferrato rispetto alle pinze punte elastomero e pinze esercitate. Pinze è uno strumento essenziale per la manipolazione dei nervi durante la riparazione dei nervi periferici ambulatori ^{11, 12.} Tuttavia, la sua struttura metallica necessaria estrema cautela nell'uso dai chirurghi al fine di evitare danni ai...

Materiali

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)