섬세한 조직 조작을위한 사용자 정의 소프트 로봇 공압 그리퍼 장치의로드 기반의 제조

요약

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.

초록

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.

서문

소프트 로봇은 로봇 사회 내에서 큰 연구 관심을 촉발하고 그들은 같은 구조화되지 않은 환경 ^{(1)과 (2)를} 파지의 파동 운동으로 다른 기능 작업에 사용되어왔다. 이들은 주로 연질 탄성 재료로 구성하며, 기억 합금 (SMA)를 형성하는 전기 활성 고분자 (EAP) 또는 압축 된 유체 ^(3)와 같은 다른 재료의 사용을 통해 서로 다른 작동 기술에 의해 제어된다. 정전기력 활성 균주를 제조하여 작동을 생성하도록 유도하는 차동 전압에 기초 EAPS 기능. SMAS의 특이한 형상 기억 효과는 온도 변화에 따라 상 변환 중에 구동력 발생에 기초하여 원하는 액츄 에이션을 생성하기 위해 배치된다. 마지막으로, 압축 된 유체 작동 기술은 소프트 액츄에이터의 강성의 차이를 유도 할 수있는 간단한 설계 전략을 용이하게, 더 호환 영역은 팽창 것가압시. 소프트 로봇은 특히 민감한 개체가 포함 된 응용 프로그램에, 전통적인 하드 로봇의 응용 범위를 확장 할 수 있도록 설계되었습니다. 특히, 본 논문에서, 우리는 섬세한 수술 조작을위한 소프트 로봇 그리퍼 개발에 우리의 독특한 접근 방식을 제시한다.

외과 파지는 간, 부인과, 비뇨기과, 신경 복구 수술 ^-4,5- 많은 수술 절차에 관련된 중요한 측면이다. 그것은 전형적으로 촉진 할 목적으로 집게 복강경 매개 부재로서 강성 강철 조직 파지 툴에 의해 수행되는 종래 그립 핑 도구 ^(6)의 접촉 지점에서 연조직 고 응력 집중 영역이 발생할 수 금속제로 관찰, 절제, 문합 절차 등 그러나, 세심한주의가 요구된다. 조직 손상의 정도에 따라, 통증 등의 다양한 합병증, 병적 반흔 조직 f를ormation, 심지어 영구적 인 장애는 발생할 수 있습니다. 이전 연구는 말초 신경 수술의 합병증은 3 % ^(7)라고 보도했다. 따라서, 안전 준수 그립을 제공 할 수있는 소프트 그립의 개념은 섬세한 수술 조작을위한 유망한 후보가 될 수 있습니다.

여기서는 3D 인쇄 및 사용자 정의 소프트 공압 로봇 그리퍼를 제조하기 위해,로드 기반 접근 방식을 채택 변성 소프트 리소그래피 기술의 조합을 제안한다. 압축 된 유체 작동에 따라 소프트 로봇의 전통적인 제조 기술은 채널 ^8을 밀봉하는 그것과 밀봉 공정에 인쇄 된 공기 채널을 시청할 수있는 금형을 필요로한다. 그러나, 채널의 폐색 쉽게 밀봉 공정에서 일어날 수있는 작은 채널을 필요 공압 소형화 소프트 로봇 가능하지 않다. 전통적인 기술은으로 코팅 된 밀봉 층을 접합하여 수행 할 수있는 공압 채널의 밀봉을 필요로한다. 따라서, 라접합 층은 작은 채널로 유출하고 그 채널을 폐색 수 있으므로 초기에 역할을 엘라스토머 재료의 YER. 이 구조의 중간에 공기 채널을 배치하고, 종래 기술을 이용하여 챔버 구성 요소에 연결하는 것도 가능하지 않다. 제안 된 방법은 공기로 채워진 챔버 사용하여로드에 연결된 소형 공기 채널의 생성을 허용하고 작은 채널의 밀봉을 필요로하지 않습니다. 또한 공기 채널에 접속 된 챔버는 압축 유체 작동 외부 공기 공급원을 필요로하지 않는 공기 공급원 역할을한다. 이는 수동함으로써 사용자에게 그들이 그리퍼를 통해인가되는 힘의 양을 조절하는 옵션을 제공하고, 파지 요소를 작동 챔버의 압축을 용이하게하여 로봇의 제어 모드를 모두 허용한다. 이 접근법은 매우 최적화하고 그러한 단일 또는 MU와 그리퍼 소프트 그리퍼 디자인의 다양한 형태를 제조하기 위해 사용될 수있다작동 가능 팔을 ltiple.

프로토콜

주 : 공기 채널에 연결된 챔버 부품을 성형 임베디드 공기 채널 그리퍼 암 부품 성형 모든 부드러운 공압식 그리퍼은 세 단계를 포함하는 제조 공정을 따라 정의 된 3D 인쇄 주형에 실리콘계 탄성 중합체의 혼합물을 캐스팅하여 제조 한 및 공기로 채워진 챔버 성분 밀봉.

탄성체 1. 준비

1. 무게 규모에 믹서 용기를 배치하고 용기를. 부품 붓고 1이되는 컨테이너 실리콘계 엘라스토머 B : 1 중량비.
2. 용기를 덮고 총 중량을 측정한다.
3. 원심 믹서에 용기와 재료를 놓습니다. 단계 120에서 측정 한 중량 믹서에서 중량 밸런스를 조정한다.
4. 30 초 동안 각각 2,000 rpm에서 2,200 rpm으로 혼합 및 탈기 모드를 설정합니다. 균일 한 경화를 달성하기 위하여 충분히 탄성 중합체 성분을 혼합한다.

제작 "> 2. 금형 설계 및 생산

참고 : 금형의 형상이 다른 응용 프로그램에 대한 특정 요구 사항에 따라 달라집니다. 다음 단계는 금형의 챔버 그리퍼 요소를 만드는 데 필요한 CAD 소프트웨어의 일반적인 주요 단계들을 도시한다.

1. 컴퓨터 지원 설계 (CAD) 소프트웨어를 사용하여 금형과 시일 주형 디자인. 이 원고에 사용되는 금형의 형상과 특정 치수는 그림 1을 참조하십시오.
   1. 외부 경계 상자의 디자인
      1. 상단면을 마우스 오른쪽 버튼으로 클릭하고 상단면에 정상화 버튼 "을 일반"을 클릭합니다.
      2. 는 "스케치"창을 열려면 왼쪽 상단의 "스케치"을 클릭합니다. 그런 다음, 챔버 구성 요소의 직사각형 기반을 그리는 도구 모음의 왼쪽 상단 모서리에있는 "스케치"버튼을 클릭합니다.
      3. SK를 정의하려면 "스케치"버튼 옆에있는 "지능형 치수"기능을 클릭에칭 치수. 스케치가 완전히 정의 (즉, 모든 드로잉 선이 검은 색이 ​​될)를 완료하고 스케치를 종료되어 있는지 확인합니다.
      4. 은 "기능"창을 클릭합니다. 그런 다음, Y 방향의 선택 윤곽을 돌출 "돌출 보스 /베이스 '기능을 클릭합니다.
      5. 스케치 평면을 미리 선택 모델의 표면을 클릭합니다. 직사각형을 스케치하고 2.1.1.2 및 2.1.1.3에 설명 된대로 치수를 정의합니다.
      6. 은 "기능"창을 클릭합니다. 그런 다음, 엘라스토머에게 (그림 2A)를 주조 캐비티를 잘라 돌출 "돌출 컷"기능을 클릭합니다. 벽 두께가 2.5 mm 있는지 확인합니다.
   2. 내부 챔버의 설계
      1. 개구 면적의 Y 방향의 표면에 마우스 오른쪽 버튼으로 클릭합니다. 그런 다음, 그 표면에 정상화 "정상"을 클릭합니다.
      2. 단계 2.1.1.2과에 설명 된대로 다음, 챔버 구성 요소에 대한 사각형을 그립니다 "스케치"창을 클릭2.1.1.3.
      3. 은 "기능"창을 클릭합니다. 그런 다음, Y 방향 (그림 2B)의 챔버 구성 요소를 돌출 "돌출 보스 /베이스 '기능을 클릭합니다.
         주의 : 단계 2.1.1.6의 절삭 깊이가이 압출베이스 2.5 mm보다 크다.
   3. 그리퍼 성분 설계
      1. 그리퍼 구성 요소에 대한 스케치 평면을 미리 선택하는 음의 X 방향에서 모델의 표면을 클릭합니다. 단계 2.1.1.2 및 2.1.1.3에 설명 된대로 "스케치"창에서 사각형을 만듭니다.
      2. 은 "기능"창을 클릭합니다. 그런 다음, 음의 X 방향의 선택 윤곽을 돌출 "돌출 보스 /베이스 '기능을 클릭합니다.
      3. 스케치 평면을 미리 선택하는 그리퍼 구성 요소의 상부면을 클릭합니다. 치수가 완전히 정의 할 때 단계에 설명이를 2.1.1.2로 스케치를 "스케치"창 (그림 2C)에서 그리퍼의 형상을 만들고 종료D 2.1.1.3.
      4. 은 "기능"창을 클릭합니다. 그런 다음, 그리퍼 구성 요소에 탄성체를 주조 캐비티를 잘라 "돌출 컷"을 클릭합니다. 벽 두께가 2.5 mm 있는지 확인합니다.
   4. 챔버와 그리퍼 사이의 접속 디자인
      1. 2.1.1.2 및 2.1.1.3에 기재된 챔버 부재의 상부면에있는 "스케치"창에서 직사각형을 생성한다.
      2. 은 "기능"창을 클릭합니다. 그런 다음, 챔버 및 그리퍼 구성 요소 (그림 2D) 사이의 연결을 만들기 위해 "밀어 낸 컷"을 클릭합니다.
   5. 공기 채널의 설계
      1. 단계 2.1.1.2 및 2.1.1.3에 기재된 양의 X 방향으로의 실 부재의 표면에 1.5 mm 직경의 원을 만든다.
      2. 은 "기능"창을 클릭합니다. 그런 다음, 선재 삽입 (그림 2E)에 대한 채널을 만들기 위해 "밀어 낸 컷"을 클릭합니다. HOL 확인ES는 그리퍼 구성 요소를 통해 절단되지 않습니다.
2. 별도의 CAD 파일에 그리퍼 챔버 성분의 외부 치수보다 큰 1mm는 길이와 폭을 공동으로 밀봉 주형을 그린다. 주 : 두께가 2.5 mm이다.
   1. 한 단계 2.1.1.2 및 2.1.1.3로 상단면에 사각형을 만들려면 "스케치"창을 클릭합니다.
   2. 은 "기능"창을 클릭합니다. 그런 다음, Y 방향의 선택 윤곽을 돌출 "돌출 보스 /베이스 '기능을 클릭합니다.
   3. 스케치 평면을 미리 선택 모델의 상단면을 클릭합니다. 직사각형을 스케치 및 단계 2.1.1.2 및 2.1.1.3)에 설명 된대로 치수를 정의합니다.
   4. 은 "기능"창을 클릭합니다. 그런 다음, 탄성 중합체를 주조 캐비티를 잘라 돌출 "돌출 컷"기능을 클릭합니다. 벽 두께가 2.5 mm 있는지 확인합니다.
3. 3D 프린팅을위한 .STL 파일로 각 금형 조각을 저장합니다.
4. 30 μm의 해상도와 3D 프린터로 .STL 파일을로드 및 금형 편 ^(9)을 인쇄 할 수 있습니다.
5. 몰드 부분에있는 지지체 물질을 제거하고 물을 금형 조각을 세척한다.

3. 소프트 싱글 / 더블 작동 가능 팔 공압 그리퍼

1. 내장 된 공기 채널 그리퍼 암 부품을 성형
   1. 연결된 에어 채널이 밀폐 된 챔버를 생성하기 위해 좌측 및 챔버 성분 (도 3A)의 오른쪽에 두 개의 3D 인쇄 챔버 블록들을 삽입한다.
   2. 공기 채널 (그림 3A)을 만들 그리퍼 끝에서 2 mm 거리를 유지하면서 챔버를 통해 두 개의 1.5 mm 직경의 티타늄 선재를 삽입합니다. 참고 : 단일 작동 가능 암 그리퍼에 대해 하나의 선재를 사용합니다.
   3. 완전히 그리퍼 성분을 채우도록 몰드에 엘라스토머 혼합물을 붓는다.
   4. 눈에 보이는 기포가 존재가없는 확인하십시오.
   5. PLAC10 분 동안 60 ℃에서 경화 오븐 전자 금형. 엘라스토머가 경화되면, 오븐에서 금형을 제거합니다.
2. 공기 채널에 접속 성형 챔버 성분
   1. 금형에서 밖으로 선재와 두 개의 챔버 블록을 당깁니다.
   2. 챔버 (도 3b)을 생성하기 위해 그리퍼 성분의 상단에 3D 프린트 그리퍼 블록을 놓는다. 몰드의 벽에 구멍을 차단하는 선재를 삽입한다.
   3. 챔버 성분의 나머지 부분을 채우기 금형에 갇혀 보이는 기포가없는되도록하여 금형에 엘라스토머 혼합물을 붓는다.
   4. 10 분 동안 60 ° C의 온도로 부분 경화. 엘라스토머가 경화되면 오븐에서 금형을 제거합니다.
   5. 그리퍼 블록을 제거하고 챔버 구조로 완전히 경화 그리퍼를 해체가.
3. 공기로 채워진 챔버 부품 밀봉
   1. 밀봉 금형에 탄성 중합체 혼합물을 붓고10 분 동안 60 ° C에서이를 경화.
   2. 밀봉 층을 경화 2.5 mm의 탄성 재료 층을 브러시. 코팅 된 밀봉 층 위에 챔버 구조의 경화 그리퍼 놓고 함께 (도 3c)를 두 개 접합.
   3. 이어서, 15 분 동안 60 ℃에서 완전히 경화 전체 구조.
   4. 완전히 경화 연질 로봇 그리퍼 장치 탈형.

처리 도구로 소프트 로봇 공압 그리퍼 장치 4. 삽입

1. CAD 소프트웨어를 사용하여 기업 파일 1에서 설명 된 바와 같이 처리 도구 설계 및 .STL 파일에 저장한다. 도구의 치수는 그림 4와 5를 참조하십시오.
2. 3 차원 프린터의 .STL 파일을로드 및 금형 편 ^(9)을 인쇄 할 수 있습니다.
   참고 : 수동 제어 처리 도구, 사각형 모자, 가동 피스톤 (그림 4)에 대한 모든 인쇄 단계는 3 시간 48 분 이내에 완료 할 수 있습니다. 홍보(그림 5) 도구 및 직사각형 캡을 처리하는 로봇 제어 제조 inting 시간은 1 시간 56 분입니다. 3D 프린터 작동 지침에 대한 보충 파일 2를 참조하십시오.
3. 인쇄가 완료된 후 툴 임의 지지체 물질을 벗겨. 그 다음, 물과 도구를 세척한다.
4. 수동 제어 처리 도구 (그림 4A)에 그리퍼를 삽입하고 가동 직사각형 캡 (그림 4B)와 개구 면적을 커버합니다.
5. 챔버 압축을 용이하게하기 위해 가동 피스톤 (도 4C)를 삽입한다.
6. 로봇 제어 처리 도구 (그림 5A)에 그리퍼 및 선형 액추에이터를 삽입합니다. 주 : 선형 액츄에이터 챔버 압축 수동 제어 모드의 가동 피스톤을 대체한다.
7. 가동 직사각형 캡 (도 5b)와 개구 면적을 커버.

5. 평가 및 그립 압축 시험

1. 평가점퍼 와이어 파지 시험을 수행하여 소프트 그리퍼의 기능.
   1. 테이블에 점퍼 선을 배치합니다.
   2. 와이어가 두 개의 그리퍼 팔의 사이가되도록 그리퍼를 조정합니다.
   3. 와이어를 잡아 그리퍼 팔을 작동하기 위해 챔버를 압축 가동 피스톤을 이동합니다.
      참고 : 수동 제어 처리 도구는 파지 데모에 사용됩니다.
   4. 잡고 멀리 와이어의 원래 위치에서 20cm에있는 상자에 와이어를 이동합니다.
2. 그리퍼의 두 턱 사이의 교정 힘 감지 저항을 놓습니다. 감지 영역에 그리퍼 턱 그립을 확인합니다. 주 : 감지 영역의 직경은 14.7 mm이다.
3. 힘 감지 저항에 그립 그리퍼 무기를 작동 챔버 압축.
4. ^(10)에 설명 된대로 부드러운 단일 작동 가능 - 팔과 두 번 작동 가능한 암 공압 그리퍼가 생성 할 수있는 최대 그립 압축 힘을 측정.
   참고 : 판독 값이 노트북에 표시됩니다. 최대 그립 압축 힘은 공기 채널이 견딜 수있는 최대 압력 지점에서 측정한다.
5. 부드러운 두 번 작동 가능한 암 공압 그리퍼에서 각각의 탄성 그립 턱을 잘라.
6. 탄성 그립 턱의 공기 채널에 집게 팁을 삽입합니다.
7. 포셉의 두 턱 사이의 교정 힘 감지 저항을 놓습니다.
8. 신경 외과에서 실시한 모의 신경 수술 중 엘라스토머 코팅 집게와 집게에 의해 생성 된 압축력 ^(10)를 측정한다.
   주 : 신경 외과 그가 정상적으로 힘 감지 저항의 실제 수술시에 적용되는 것과 유사한 힘을인가한다.
9. 각 시험에서 다섯 실험으로부터 얻은 데이터를 평균.

결과

소프트 로봇 공압 그리퍼 장치는 직경 최대 1.2 mm의 크기 (그림 6)와 객체를 픽업 할 수 있었다. 1.71 ± 0.16 N 및 2.61 ± 0.22 N 압축력에 비교하여 최대 그립 압축력은 단일 작동 가능한 아암에 의해 생성되며 작동 가능 아암을 이중 - 소프트 그리퍼 장치는 0.79 ± 0.14 N은 각각 0.27 ± 0.07 N과했다 엘라스토머 코팅 집게로 및 코팅 집게 (그림 7)에 의한 모의 ?...

토론

우리는 성공적으로 엘라스토머 코팅 집게 팁과 집게보다 파지 개체에 훨씬 낮은 압축 힘을 발휘 개체의 준수 그립 허용 소프트 로봇 공압 그리퍼 장치가 작용하는 것을 증명하고있다. 겸자 말초 신경 보수 동안 신경 조작에 필수적인 도구 ^11,12 수술을한다. 그러나, 그 금속 구조체 과도한 파지력 및 주변 조직에 대한 우발적 손상에 의한 신경 손상을 방지하기 위해 의사의 사용에 세심한주...

자료

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)