설계 및 구현 맞춤형된 로봇 조작 여분 물질적인 초음파에 대 한

요약

이 문서는 설계 및 여분 물질적인 초음파 검사에 대 한 맞춤형된 로봇 조작자의 구현 소개합니다. 시스템 3D 인쇄 및 안전 관리에 대 한 기계적인 클러치에 의해 가벼운 관절 5 자유도 있다.

초록

높은 정밀도, 손 재주, 및 반복성에 대 한 가능성, 자기 추적된 로봇 시스템 실시간 초음파의 수집을 지원 하기 위해 사용할 수 있습니다. 그러나, 여분 물질적인 초음파를 위한 로봇의 제한 된 숫자는 임상 사용에 성공적으로 번역 되었습니다. 이 연구에서 우리는 경량 이며 소형 풋프린트는 여분 물질적인 초음파 검사에 대 한 맞춤형된 로봇 조작자를 구축 하고자 합니다. 로봇 5 특수 모양의 링크 및 프로브 조작, 환자의 안전을 보장 하기 위해 중복의 자유도와 모션의 필요한 범위를 커버 하는 주문 품 공동 메커니즘에 의해 형성 된다. 기계 안전은 환자에 게 적용 되는 힘을 제한 하는 클러치 메커니즘으로 강조 됩니다. 디자인, 결과로 조작자의 총 무게 미만 2 k g 이며 조작자의 길이 약 25cm. 디자인 구현 및 시뮬레이션, 팬텀, 그리고 자원 봉사 연구, 모션, 미세 조정, 기계적 안정성 및 클러치의 안전 작동을 할 수 있는 능력의 범위를 확인 하기 위해 수행 되었습니다. 이 문서는 일러스트 디자인 및 어셈블리 방법 설계 및 구현 맞춤형된 로봇 초음파 조작자의을 자세히 설명 합니다. 디자인 기능 및 임상 경험의 시스템을 사용 하 여 테스트 결과 표시 됩니다. 그것은 현재 제안 된 로봇 조작 여분 물질적인 초음파 검사에 대 한 맞춤된 시스템으로 요구 사항을 충족 하 고 임상 사용으로 번역 될 큰 잠재력을가지고 체결 됩니다.

서문

여분 물질적인 로봇 초음파 (미국) 시스템 이란 로봇 시스템 보유 하 고 조작 하는 심장, 혈관, 산부인과, 및 일반적인 복 부 영상^{1에에서 그것의 사용을 포함 하 여 외부 시험에 대 한 미국 조사 활용을 구성 하} . 로봇 시스템의 사용은 동기 수동으로 누른 미국 조사, 임상 영상 프로토콜 및 반복 스트레인 부상^{2의 위험에 필요한 표준 미국 보기를 찾는 도전 예를 들어, 조작의 전에 의해 3,4}, 또한 우리 프로그램 심사 요구, 예를 들어, 요구 경험 될 현장^5,6sonographers. 다른 기능 및 대상 anatomies에 중점, 함께 여러 로봇 미국 시스템 이전 작품^1,7,의⁸, 검토 도입 되었습니다 미국의 다양 한 측면을 개선 하기 위해 1990 년대부터 시험 (예를 들어, 장거리 teleoperation^9,10,,1112로 로봇 연산자 상호 작용 및 자동 제어)^{13, 14}. 로봇 미국 시스템 진단 목적을 위해 사용 뿐만 아니라 로봇 고 강도 집중 초음파 (장내) 시스템 위한 성직자 외 에 의해 요약 된 것 처럼 치료 목적으로 광범위 하 게 조사 되었습니다 ¹, 일부 최근 작품^15,16 최신 진행 상황을 보고.

그들 중 몇 가지 상용 텔 레-초음파 시스템 등 임상 사용에 성공적으로 번역 되어 있지만 여러 로봇 미국 시스템 제어 및 임상 작업에 대 한 상대적으로 안정적인 기술로 개발 되었습니다, ¹⁷. 한 가지 가능한 이유는 대형 산업 찾고 로봇 환자와 sonographers의 관점에서 임상 환경에서 작업에 대 한 수용의 낮은 수준. 또한, 안전 관리, 기존 미국 로봇의 대부분 의존 힘 센서 모니터링 하 고 힘을 수 동적으로 제한 하려면 기본적인 기계적인 안전 메커니즘은 일반적으로 사용할 수 없습니다 하는 동안 미국 조사에 적용 되는 압력 제어 . 로봇 작업의 안전 순전히 전기 시스템 및 소프트웨어 논리에 의존 하 게 될 것 이라고 임상 사용으로 번역할 때 문제가 발생할 수 있습니다.

3D의 최근 발전 기술, 특수 주문 품 공동 메커니즘 플라스틱 링크 모양 인쇄 개발 맞춤된 의료 로봇을 위한 새로운 기회를 제공할 수 있습니다. 컴팩트한 외관으로 신중 하 게 설계 된 경량 부품 임상 수용 향상 시킬 수 있습니다. 특히 미국 검사, 임상 사용으로 번역 되 고 겨냥 하는 맞춤된 의료 로봇 해야 충분 한 자유도 (DOFs) 검사;의 관심 영역을 커버 하는 운동의 범위와 소형 예를 들어 복 부 표면, 위쪽과 배꼽의 양쪽 모두를 포함 하 여. 또한, 로봇 또한 미국 보기를 최적화 하려고 할 때 로컬 영역에서 미국 탐사선의 정밀한 조정을 수행 하는 기능을 통합 해야 합니다. 이 일반적으로 포함 하는 Essomba 그 외 여러분 에 의해 제안으로 일정 범위 내에서 조사의 틸팅 움직임 ¹⁸ 그리고 Bassit¹⁹. 추가 안전 문제를 해결 하려면 시스템 전기 시스템 및 소프트웨어 논리는 수동 기계 안전 기능을가지고 있어야 한다고 예상 된다.

이 문서에서 우리는 여분 물질적인 로봇 미국 시스템의 핵심 구성 요소로 사용 되는 5-DOF 교묘한 로봇 조작의 상세 설계 및 조립 방법 제시. 여러 경량 3D 인쇄 링크, 주문 품 공동 메커니즘 및 내장 안전 클러치 조작자에 의하여 이루어져 있다. DOFs의 특정 배열 프로브 조정, 환자와 충돌 하지 않고 작은 영역에 간편 하 고 안전한 작업을 허용에 대 한 완전 한 유연성을 제공 합니다. 제안 된 멀티-DOF 조작 완전히 활성화 DOFs 미국 검색을 수행 하는 완전 한 미국 로봇을 형성 하기 위하여 모든 기존의 3-DOF 글로벌 위치 지정 메커니즘 환자와 접촉 하는 주요 구성 요소를 간단 하 게 장착할 수 대로 작동을 목표로 하고있다.

프로토콜

1. 각 링크의 준비 끝-효과 기, 및 추가 구성 요소

1. 아크릴로 니트 릴 부 타 디 엔 스 티 렌 (ABS) 플라스틱, polylactic 산 (PLA) 플라스틱 또는 나일론, 3D 인쇄를 사용 하 여 그림 1에서 같이 모든 링크 (L₀L₁, L₂, L₃, L₄) 및 엔드-이펙터를 인쇄 서비스입니다. 사용 합니다. STL 파일을 인쇄할 때 보충 자료 제공.
   참고: 모양 및 각 부품의 규모 변화 만들 수 있습니다 기반으로 제공 된 파일에. 엔드 이펙터의 내부 프로필 다른 미국 프로브에 맞게 변경할 수 있습니다.
2. 3 차원 인쇄 서비스를 사용 하 여 나일론에 그림 2 와 같이 모든 필요한 추가 구성 요소를 인쇄 합니다. 필요한 수의 각 구성 요소에 대 한 테이블의 자료 를 참조 하십시오. 사용 합니다. STL 파일을 인쇄할 때 보충 자료 제공.
3. 필요한 경우 도구를 연마와 모든 인쇄 된 플라스틱 부품을 폴란드어. 필요한 경우, 3D 인쇄에서 남아 있는 지원 자료를 제거 합니다.
   참고: 제공 된 엔드-이펙터 디자인에서 몇 가지 구조 여기 보고 프로토콜의 일부가 힘 센서 이며 어셈블리에 대 한 사용 되지 않습니다. 힘 센서 디자인 개념은 이전 작업²⁰;에서 보고 되었다 따라서,이 문서에 적용 되지 않습니다.

2입니다. 공동 1의 조립

참고: 공동 1 (J₁)의 조립은 그림 3에 기반.

1. 4 개의 작은, 기어 스테퍼 모터를 배치 (20 치아와 스퍼 기어 연결) L₀ 의 장착 구멍에 나사로 탑재.
2. L₀ 의 베어링 하우징으로 두 37 m m OD 베어링을 놓고 L₁의 육각 키에 120-치 박차 장치 (A 타입)을 확보 합니다.
3. 박차 장치, 구동에 4 개의 작은 운전 평 기어와 큰, L₀ 축 구멍에 L₁ 에 샤프트를 삽입 하 고 확보 하 고 유지 샤프트 샤프트 칼라를 조립.

3입니다. 공동 2의 어셈블리

참고: 공동 2 (J₂)의 조립은 그림 4에 기반.

1. 4 개의 작은, 기어 스테퍼 모터를 배치 (20 치아와 스퍼 기어 연결) L₁ 의 장착 구멍에 나사로 탑재.
2. 두 37 m m OD 베어링 및 위치 L₁, 120-치 평 기어 (B 타입)의 20-치 평 기어와 약혼 기어 구멍으로는 모터에 장착 된 두 개의 120-치 평 기어 (B 타입)를 연결 합니다. 나사 하 고 2 개의 120이 B 타입 박차 장치의 쉬운 위치 수 있도록 필요한 경우 다시 모터를 나사.
3. L₁ 과 L₂ 를 맞춥니다 고 L₂에 클러치 구멍에 베어링과 볼 봄 쌍을 삽입 합니다. 정렬 하 고 미리 불러오기에 대 한 클러치 메커니즘으로 봄을 밀어 두 라운드 클러치 커버, L₁ 과 L₂의 구멍에 M6 볼트를 삽입 합니다.
4. 다른 쪽으로 어셈블리를 회전 하 고이 측면에 대 한 3.3 단계를 반복 합니다. M6 볼트에 너트를 부착 하 여 어셈블리를 보안.

4입니다. 공동 3의 조립

참고: 공동 3 (제₃)의 조립은 그림 5에 기반.

1. 두 개의 작은, 기어 스테퍼 모터를 배치 (20 치아와 스퍼 기어 연결) L₂ 의 장착 구멍에 나사로 탑재.
2. 120-치 박차 장치 (C)의 베어링 하우징으로 베어링 37 m m OD 놓고 32 m m OD L₃의 베어링 하우징으로 베어링을 배치 합니다.
3. L₃ 의 육각 구멍에 큰 박차 장치 확보 (추가 나사 사용할 수 있습니다 필요한 경우) 큰 박차 장치에 L₃, 작은와 큰 평 기어 약혼 보어에 L₂ 에 샤프트를 삽입 하 고.

5. 공동 4의 운전 메커니즘의 조립

참고: 공동 4 (J₄)의 조립은 그림 6에 기반.

1. L₃ 의 장착 구멍에 두 개의 작은, 기어 스테퍼 모터를 놓고 나사 탑재 합니다. L₄의 베어링 하우징으로 8 m m OD 베어링을 놓습니다.
2. 두 개의 작은 스테퍼 모터에 20-치 긴 박차 장치를 탑재 합니다.

6. 공동 4와 공동 5의 구동된 메커니즘의 조립

참고: 공동 4 (J₄)의 조립은 그림 6 기반 이며 공동 5 (J₅)는 그림 7에.

1. L₄의 압출에 구동된 144 치아 베벨 기어를 위치.
2. 두 개의 작은, 기어 스테퍼 모터를 배치 (18-치아와 베벨 기어 연결) L₄ 의 장착 구멍에 나사로 탑재. 마지막으로, 삽입 M5 샤프트 L₃ , L₄ 의 축 구멍 두 개의 링크는 정렬 후. 20 치아 긴 박차 기어와 일치 하는 L₄ 에서 구동된 기어 구조에 내장 된 확인 합니다.
3. 대형 베벨 기어 키웨이에 엔드 이펙터를 삽입 하 고 수직으로 그것에 망 엔드 이펙터 칼라와 엔드-이펙터 위치.

결과

프로토콜, 다음 결과 시스템이입니다 5 특수 모양의 링크 (L₀ L₄)와 5 개의 revolute 관절 (J₁ J₅) 로봇 조작 이동 누른 로컬 기울이기 미국 프로브 (그림 8). 최고 회전 조인트 (J₁), 4 개의 모터에 의해 작동 하는 기어 메커니즘 회전할 수는 다음 구조를 위쪽, 아래쪽, 및 복 부의 측면 같은 스캐닝 영역의 다른 측면으로...

토론

많은 다른 산업용 로봇 의료 응용 프로그램에 번역 된, 달리 제안 된 로봇 조작 프로토콜에서 설명 되었다 위해 설계 된, 모션의 범위에 대 한 임상 요구에 따라 미국 시험 힘, 및 안전 관리의 응용 프로그램입니다. 경량 로봇 조작 자체는 대부분 외 물질 미국 스캔, 글로벌 위치 지정 메커니즘의 큰 움직임에 대 한 필요 없이 충분 한 움직임의 넓은 범위를 하고있다. 환자에 게 가장 가까운 기계 구?...

자료

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