Progettazione e realizzazione di un manipolatore robotico su misura per ultrasuoni extracorporea

Riepilogo

Questo documento introduce la progettazione e la realizzazione di un manipolatore robotico su misura per l'esame di ultrasuono extracorporea. Il sistema ha cinque gradi di libertà con leggere giunti realizzati da stampa 3D e una frizione meccanica per la gestione della sicurezza.

Abstract

Con il potenziale di alta precisione, destrezza e ripetibilità, un sistema robotico self-cingolato possa essere impiegato per aiutare l'acquisizione di ultrasuono in tempo reale. Tuttavia, un numero limitato di robot progettati per ultrasuoni extracorporea è stati tradotti con successo in uso clinico. In questo studio, ci proponiamo di costruire un manipolatore robotico su misura per l'esame di ultrasuono extra-corporea, che è leggero e ha un ingombro ridotto. Il robot è formato da cinque collegamenti appositamente sagomati e su misura meccanismi comuni per la manipolazione della sonda, per coprire la gamma necessaria di movimento con gradi di liberta ' ridondante per garantire la sicurezza del paziente. La sicurezza meccanica è data risalto a con un meccanismo a frizione, per limitare la forza applicata ai pazienti. Come risultato, il design, il peso totale del manipolatore è meno di 2 kg e la lunghezza del manipolatore è di circa 25 cm. Il design è stato implementato e simulazione, sono stati effettuati studi di fantasma e di volontariato, per convalidare la gamma di movimento, la possibilità di effettuare regolazioni di precisione, affidabilità meccanica e la sicurezza di funzionamento della frizione. Questa carta i dettagli di progettazione e realizzazione del manipolatore su misura ad ultrasuoni robotizzata, con i metodi di progettazione e assemblaggio illustrati. Risultati della prova per dimostrare le caratteristiche di design e l'esperienza clinica di utilizzo del sistema sono presentati. È concluso che l'attuale manipolatore robotico proposto soddisfa i requisiti come un sistema su misura per l'esame di ultrasuono extracorporea e ha un grande potenziale per essere tradotta in uso clinico.

Introduzione

Un sistema a ultrasuoni robotizzato extracorporea (US) si riferisce alla configurazione in cui un sistema robotico è utilizzato per contenere e manipolare una sonda statunitense per esami esterni, tra cui il suo utilizzo nella formazione immagine addominale cardiaca, vascolare, ostetrica e generale¹ . L'uso di un tale sistema robotico è motivato dalle sfide del manualmente tenendo e manipolare una sonda degli Stati Uniti, per esempio, la sfida di trovare viste US standard richieste dai protocolli di imaging clinici e il rischio di sforzi ripetuti infortuni^{2, 3,4}, e anche dalle esigenze di noi programmi di screening, per esempio, il requisito per sperimentato ecografisti per essere in loco^5,6. Con accentuazioni diverse funzionalità e anatomie destinazione, diversi sistemi robotici US, come Recensito in precedenti opere^1,7,8, sono state introdotte dal 1990, per migliorare diversi aspetti degli Stati Uniti esame (ad es., interurbano Teleoperazione^9,10,11,12, così come l'interazione robot-operatore e controllo automatico)^{13, 14}. oltre i sistemi robotici US utilizzati per scopi diagnostici, robotica ad alta intensità concentrata sistemi ad ultrasuoni (HIFU) per fini di trattamento ampiamente sono stati studiati come sintetizzato da Priester et al. ¹, con alcune recenti opere^15,16 , segnalazione degli ultimi progressi.

Anche se diversi sistemi robotici di US sono stati sviluppati con tecnologie relativamente affidabili per controllo e la gestione clinica, solo pochi di loro sono state tradotte correttamente in uso clinico, ad esempio un sistema di tele-ecografia commercialmente disponibili ¹⁷. una possibile ragione è il basso livello di accettazione per grandi dimensioni alla ricerca industriale robot lavora in un ambiente clinico, dal punto di vista di entrambi i pazienti ed ecografisti. Inoltre, per la gestione della sicurezza, la maggior parte dei robot US esistenti si basa su sensori di forza per monitorare e controllare la pressione applicata alla sonda US, mentre più fondamentali meccanismi meccanici di sicurezza per limitare la forza passiva non sono solitamente disponibili . Ciò potrebbe causare problemi anche quando si traduce in uso clinico in quanto la sicurezza del funzionamento del robot sarebbe puramente dipenda su impianti elettrici e software logica.

Con gli avanzamenti recenti di 3D tecniche, appositamente sagomati plastica collegamenti con meccanismi comuni su ordine di stampa potrebbe fornire una nuova opportunità per sviluppare robot medicali su misura. Accuratamente progettati componenti leggeri con un aspetto compatto potrebbero migliorare l'accettazione clinica. In particolare per l'esame degli Stati Uniti, un robot medico su misura volto a essere tradotta in uso clinico deve essere compatto, con sufficienti gradi di libertà (DOF) e la gamma di movimento per coprire l'area di interesse di una scansione; ad esempio, la superficie addominale, compreso la parte superiore e lati del ventre. Inoltre, il robot dovrebbe includere anche la possibilità di eseguire una regolazione fine della sonda statunitense in una zona che, quando si cerca di ottimizzare una vista degli Stati Uniti. Questo in genere include movimenti di oscillazione della sonda entro un certo intervallo, come suggerito da Essomba et al. ¹⁸ e¹⁹di grazie. Per risolvere ulteriormente i problemi di sicurezza, si prevede che il sistema dovrebbe avere caratteristiche di sicurezza meccanica passiva che sono indipendenti di sistemi elettrici e logica software.

In questa carta, presentiamo il metodo dettagliato di progettazione e assemblaggio di un manipolatore robotico abile 5-DOF, che è usato come il componente chiave di un sistema robotico extracorporea, US. Il manipolatore è costituito da diversi link 3D-stampabile leggera, meccanismi comuni su misura e una frizione di sicurezza incorporato. La disposizione specifica dei gradi di libertà fornisce piena flessibilità per regolazioni di sonda, permettendo operazioni di facile e sicure in una piccola area senza entrare in collisione con il paziente. Il manipolatore di multi-DOF proposto mira a lavorare come la componente principale che è a contatto con i pazienti e si può essere semplicemente collegata a qualsiasi meccanismo di posizionamento globale convenzionale 3-DOF per formare un completo robot US con gradi di libertà completamente attivi per eseguire una scansione di US.

Protocollo

1. preparazione di ogni collegamento, attuatore e componenti aggiuntivi

1. Stampare tutti i collegamenti (L₀, L₁, L₂, L₃e L-₄) e l'attuatore come mostrato in Figura 1, con acrilonitrile-butadiene-stirene (ABS) di plastica, plastica di (PLA) acido polilattico o nylon, utilizzando un 3D-stampa servizio. Uso il. File STL forniti nei Materiali supplementari durante la stampa.
   Nota: Cambiamenti nella forma e scala di ogni parte possono essere fatto basati sul file forniti. Il profilo interno dell'attuatore può essere cambiato per misura diverse sonde di US.
2. Stampare tutti i componenti aggiuntivi necessari, come illustrato nella Figura 2 in nylon, utilizzando un servizio di stampa 3D. Fare riferimento alla Tabella materiali per il numero richiesto di ogni componente. Uso il. File STL forniti nei Materiali supplementari durante la stampa.
3. Lucidare tutte le parti in plastica stampate con lucidatura strumenti se necessario. Rimuovere eventuali materiali di supporto lasciato da stampa 3D, se necessario.
   Nota: Alcune strutture nel disegno attuatore forniti sono per un sensore di forza, che non è una parte del protocollo segnalato qui e non si utilizzerà per l'assembly. Il concetto di design del sensore di forza è stato segnalato nel precedente lavoro²⁰; così, non è coperto in questa carta.

2. montaggio del giunto 1

Nota: Il montaggio di giunto 1 (J₁) si basa sulla Figura 3.

1. Posizionare i quattro motori passo a passo piccolo, innestato (con 20-denti ingranaggi di dente cilindrico collegati) nelle cavità montaggio di L₀ e montarle con viti.
2. Inserire i due cuscinetti OD 37 mm gli alloggiamenti dei cuscinetti di L₀ e fissare la ruota dentata 120-denti (tipo A) sulla chiave esagonale di L₁.
3. Inserire l'albero su L₁ nel foro dell'albero L₀ con i quattro piccoli ingranaggi di dente cilindrico guida e il grande, ingranaggio di dente cilindrico impegnato, condotto e assemblare il collare del pozzo per garantire e mantenere l'albero.

3. montaggio del giunto 2

Nota: L'Assemblea del comune 2 (J₂) si basa sulla Figura 4.

1. Posizionare i quattro motori passo a passo piccolo, innestato (con 20-denti ingranaggi di dente cilindrico collegati) nelle cavità montaggio di L₁ e montarle con viti.
2. Collegare i due ingranaggi di dente cilindrico di 120-denti (tipo B) di due cuscinetti OD 37 mm e posizione li nelle cavità dell'ingranaggio di L₁, con l'ingranaggio di dente cilindrico di 120-denti (tipo B) impegnate con gli ingranaggi di dente cilindrico 20-denti montati sui motori. Svitare e riavvitare il motore se necessario per consentire il facile posizionamento dell'ingranaggio di dente cilindrico tipo B due 120-denti.
3. Allineare L₁ L₂ e inserire il cuscinetto e le coppie di sfera-molla nei fori della frizione in L₂. Con i due coperchi frizione rotondo allineando e spingendo la molla verso il meccanismo di frizione per il precaricamento, inserire un bullone M6 nei fori di L₁ ed L₂.
4. Ruotare il gruppo verso l'altro lato e ripetere i passaggi in 3.3 per questo lato. Fissare il gruppo collegando un dado al bullone M6.

4. montaggio del comune 3

Nota: L'Assemblea del comune 3 (J₃) si basa sulla Figura 5.

1. Posizionare i due motori passo-passo piccolo, innestato (con 20-denti ingranaggi di dente cilindrico collegati) nelle cavità montaggio di L₂ e montarle con viti.
2. Posizionare il 37 mm di diametro cuscinetto nella sede del cuscinetto dell'ingranaggio di dente cilindrico 120-denti (tipo C) e inserire il 32 mm di diametro cuscinetto nel supporto cuscinetti di L₃.
3. Fissare il grande ingranaggio di dente cilindrico nel buco della serratura di esagono di L₃ (viti aggiuntive possono essere utilizzate se necessario) e inserire l'albero su L₂ nei fori sul grande ingranaggio di dente cilindrico e L₃, con il piccolo e grandi Sperone ingranaggi impegnati.

5. montaggio del meccanismo di guida del comune 4

Nota: Il montaggio di 4 comuni (J₄) si basa sulla Figura 6.

1. Posizionare i due motori passo-passo piccolo, innestato nelle cavità montaggio di L₃ e montarle con viti. Inserire i cuscinetti OD 8 mm gli alloggiamenti dei cuscinetti di L₄.
2. Montare l'ingranaggio di dente cilindrico lungo 20-denti sui due motori passo passo piccolo.

6. montaggio del meccanismo guidato di snodo 4 e 5 comuni

Nota: Il montaggio di 4 comuni (J₄) si basa sulla Figura 6 e giunto 5 (J₅) si basa sulla Figura 7.

1. Posizionare il 144 denti conici ingranaggio condotto sull'estrusione di L₄.
2. Posizionare i due motori passo-passo piccolo, innestato (con 18-denti conici ingranaggi collegati) nelle cavità di L₄ montaggio e montarle con viti. Infine, inserire l'albero di M5 sul foro dell'albero della L₃ e L₄ dopo i due link sono allineati. Garantire il costruito in strutture di ingranaggio condotto su L₄ partite con l'ingranaggio di dente cilindrico lungo 20 denti.
3. Inserire l'attuatore nella scanalatura grandi ingranaggi conici e posizionare verticalmente l'attuatore con il collare di attuatore avvitato su di esso.

Risultati

In seguito il protocollo, il sistema risultante è un manipolatore robotico con cinque collegamenti appositamente sagomati (L₀ a L₄) e cinque articolazioni revolute (J₁ a J₅) per lo spostamento, tenendo e inclinazione localmente una sonda statunitense (Figura 8). Il giunto di rotazione superiore (J₁), con meccanismi di ingranaggio azionati da quattro motori, possa ruotare le seguenti strutture a 360 °, p...

Discussione

A differenza di molti altri robot industriali che sono state tradotte in applicazioni mediche, il manipolatore robotico proposto descritto nel protocollo è stato specificamente progettato per gli esami US secondo esigenze cliniche per la gamma di movimento, applicazione di forza e di gestione della sicurezza. Il manipolatore robotico leggero stessa ha una vasta gamma di movimenti sufficiente per la maggior parte extra-corporea US scansione, senza la necessità di grandi movimenti del meccanismo di posizionamento globale...

Materiali

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