Projeto e fabricação de uma Unidade de elastômero para robôs modulares moles em Cirurgia Minimamente Invasiva

Resumo

This paper describes the design and fabrication of a soft unit for surgical manipulators. The base module includes three flexible fluidic actuators to achieve omnidirectional bending and elongation, and a granular jamming-based mechanism to enable stiffness control. A complete mechanical characterization is also reported.

Resumo

Nos últimos anos, as tecnologias de robótica macios têm despertado crescente interesse na área médica devido a sua interação intrinsecamente segura em ambientes não estruturados. Ao mesmo tempo, novos procedimentos e técnicas têm sido desenvolvidas para reduzir a capacidade invasiva de operações cirúrgicas. Cirurgia minimamente invasiva (MIS) foi empregada com sucesso para intervenções abdominais, no entanto procedimentos padrão MIS baseiam-se principalmente em instrumentos rígidos ou semi-rígidos que limitam a habilidade do clínico. Este artigo apresenta um manipulador hábil suave e alta para MIS. O manipulador foi inspirado pelas capacidades biológicas do braço polvo, e é projetado com uma abordagem modular. Cada módulo apresenta as mesmas características funcionais, conseguindo alta habilidade e versatilidade quando mais módulos são integrados. Detalhes O papel do desenho, processo de fabrico e os materiais necessários para o desenvolvimento de uma única unidade, que é fabricada por casting silicone dentro de moldes específicos. O resultado consiste em um cilindro elastomérico incluindo três actuadores pneumáticos flexíveis que permitem o alongamento e flexão omnidireccional da unidade. Uma bainha entrelaçada externo melhora o movimento do módulo. No centro de cada módulo um mecanismo de bloqueio à base de granulado varia a rigidez da estrutura durante as tarefas. Os testes demonstram que o módulo é capaz de dobrar-se para 120 ° C e a alongar-se para 66% do comprimento inicial. O módulo gera uma força máxima de 47 N, e a sua rigidez pode aumentar até 36%.

Introdução

As tendências recentes no campo da medicina estão pressionando por uma redução da capacidade de invasão de operações cirúrgicas. Cirurgia minimamente invasiva (MIS) foi melhorado com sucesso nos últimos anos para operações abdominais. Procedimentos MIS baseiam-se na utilização de ferramentas introduzidas através de quatro ou de cinco pontos de acesso (Trocars) colocados na parede abdominal. A fim de reduzir o número de trocartes, os instrumentos podem ser inseridos por laparoscopia porta única (SPL) ou cirurgia endoscópica Translumenal orifício natural (NOTAS) ^1. Estes procedimentos evitar cicatrizes visíveis externos, mas aumentar a dificuldade para os clínicos na execução da cirurgia. Esta limitação deve-se principalmente aos pontos reduzidos de acesso e à natureza rígida e semi-rígidas dos instrumentos, que não são capazes de evitar ou passar em torno de órgãos ^{2, 3.} Destreza e motilidade pode ser melhorada usando articulada e hiper-redundantes robôs que podem cobrir uma área de trabalho mais amplo e complexo, thpermitindo-nos um alvo específico no corpo para ser alcançada mais facilmente ^{4, 5, 6} e para funcionar como sistemas de retracção quando necessárias ^7. Um manipulador flexível pode melhorar a adesão do tecido, tornando assim o contato mais seguro do que pelas ferramentas tradicionais.

No entanto, estes manipuladores muitas vezes a falta de estabilidade quando o alvo é atingido e, geralmente, eles não podem controlar o contacto com os tecidos circundantes ^{8, 9.} Estudos sobre estruturas biológicas, como o braço polvo ^{10 e} a tromba de elefante ^11, inspiraram recentemente o projeto de manipuladores flexíveis, deformáveis ​​e compatíveis com um número redundante de graus de liberdade (dofs) e rigidez controlável ^12. Estes tipos de dispositivos utilizam molas passivas, materiais inteligentes, elementos pneumáticos ou tendões, ^{13, 14, 15.} Geralmente, manipuladores fabricadas com materiais macios e flexíveis não garante a geração de forças elevadas.

Tele STIFF-FLOP (rigidez manipulador flexível e pode ser aprendida controlável para operações cirúrgicas) manipulador foi recentemente apresentado como um dispositivo cirúrgico romance para notas e SPL inspirados pelas capacidades do polvo. A fim de superar as limitações dos manipuladores moles anteriores, que tem um corpo mole, bem como elevada destreza, de alta força e rigidez controlável ^16.

A arquitectura do manipulador baseia-se numa abordagem modular: múltiplas unidades, com a mesma estrutura e funcionalidades, são integrados em conjunto. A única unidade é mostrado na Figura 1. Baseia-se um cilindro elastomérico obtido por uma fabricação multifásico. As etapas de montagem dos componentes de moldes e processos de fundição permitir três câmaras vazias (para atuação de fluidos) e um canal central oca ¹⁷ (para a habitação um mecanismo baseado em empastelamento granular ¹⁸⁾ a serem incorporados. As câmaras são colocadas em 120 °, de modo que oinflação combinado ir produz movimento omnidirecional e alongamento. Além disso, um invólucro externo trançado é colocado externamente para limitar a expansão radial para fora das câmaras de fluidos quando pressurizado, optimizando assim o efeito da câmara de accionamento no movimento módulo (alongamento e flexão).

O canal central aloja um dispositivo cilíndrico composto por uma membrana externa cheia com material granular. Quando uma pressão de vácuo é aplicada, que altera as suas propriedades elásticas que causa um endurecimento que afecta as propriedades de todo o módulo.

Desempenhos de movimento e de rigidez são controladas por uma configuração externa incluindo um compressor de ar e três válvulas de pressão para accionar as câmaras e uma bomba de vácuo para activar o vácuo no canal de endurecimento. Uma interface intuitiva permite o controle de acionamento e do vácuo pressões dentro do módulo.

Este artigo detalha o fabricatioprocesso n do módulo único deste manipulador e relatórios os resultados mais significativos sobre capacidades básicas de movimento. Considerando a natureza modular do dispositivo, a avaliação do desempenho de fabricação e de apenas um único módulo permite também os resultados para ser estendido e para prever o comportamento básico de um manipulador multi-módulo de integração de dois ou mais módulos.

Protocolo

Nota: Este protocolo descreve as fases de fabricação de um único módulo, que inclui as câmaras de fluidos, canal de endurecimento, condutas de actuação e a bainha externa. O procedimento a seguir deve ser executado sob um exaustor e vestindo casaco e luvas de laboratório por razões de segurança. Como mencionado anteriormente, o processo de fabrico da unidade elastomérica baseia-se na utilização sequencial de moldes concebidos com software de CAD. Eles são compostos das 13 peças mostradas na Figura 2 e listados na Tabela 1.

1. Preparação do silicone

1. Pesar 12 g de componente A e 12 g de parte B do mesmo copo de plástico ou uma placa de Petri e misturá-los juntos, mexendo.
   Nota: as proporções de materiais podem variar dependendo de o silicone específico utilizado, neste caso, consiste em duas partes: Parte A (a base) e parte B (o catalisador). Eles são utilizados em proporções 1A: 1B em peso.
2. Coloque o vidro contendo a misturamateriais de silicone ed em uma máquina desgaseificador a vácuo pressão de 1 bar. Mantenha o vidro sob vácuo até que todas as bolhas são removidas do material de silicone. Para o silicone utilizado no processo de desgaseificação leva cerca de 10 minutos. Uma vez que os materiais são completamente livre da presença de bolhas, restaurar a pressão atmosférica dentro da máquina e utilizar o silicone.

2. Fabrico do Módulo silicónicos

1. Montagem do molde.
   1. Inserir o cilindro de endurecimento e a parte superior das câmaras em cap_A (Figura 3a).
   2. Fechar as conchas em torno da segunda camada de cap_A.
2. Primeiro fundição de silicone.
   1. Verter a de silicone no interior do molde se montado na borda das conchas (Figura 3B).
   2. Coloque o molde numa estufa a 60 ° C durante cerca de 30 min.
3. O rearranjo do molde.
   1. Retirar as conchas externas e cap_A (Figura 3c).
   2. Insira os cilindros das bases das câmaras e do cilindro de reforço dentro cap_B (Figura 3D).
   3. Feche os escudos de novo em torno do módulo, deslizando-as para cima de 10 mm, a fim de ter uma folga de 10 mm entre a superfície de topo do módulo e as bordas das conchas (Figura 3E).
4. Segundo fundição de silicone.
   1. Verter a de silicone no interior do molde até rearranjada para a borda das conchas sobre o lado superior (isto é, também para cima para o cilindro de endurecimento) (Figura 3F).
   2. Coloque o molde num forno a 60 ° C durante cerca de 30 min.
   3. Remover os invólucros externos, cap_B e as câmaras (à excepção do cilindro de endurecimento) (Figura 3G).

3. A inserção dos tubos

1. Cortar 3 tubos com o mesmo comprimento desejado (300 mm, por exemplo).
2. Colocar cola Siliconic em torno de uma extremidade de cada tubo de 10 mm, sem obtrução de tubos.
3. Insira os tubos dentro dos 2 mm canais na unidade Siliconic (Figura 3h) dedicados.
4. Permitir um tempo de cura de 12 min à temperatura ambiente ou colocar o módulo no interior de um forno a uma temperatura mais elevada (50 ° - 60 °) para acelerar o processo de secagem.

4. Fabricação do Crimped Trançado bainha

1. Cortar 700 mm de uma bainha entrelaçada expansível (cerca de 15 vezes a altura do módulo).
2. Inserir um cilindro metálico de 30 mm de diâmetro e 250 mm de comprimento no interior da bainha.
3. Empurrar para baixo e forçar a bainha de deslizar ao longo do cilindro, a fim de criar ondulações.
4. Mecanicamente fixar a bainha no lugar com um grampo e ao calor com uma pistola de aquecimento a 350 ° C durante 2-3 minutos até uma deformação permanente é obtido.
5. Deixe a bainha esfriar e retire o cilindro interno.

5. Integração da bainha externa

1. Passe otubos através dos orifícios de cap_C.
2. Pour 3 g de silicone em cap_C.
3. Grampo cap_C a um apoio que é mais elevada do que o plano de trabalho.
4. Insira o lado inferior do módulo previamente fabricado em cap_C.
5. Deslize a bainha frisado em torno do módulo.
6. Empurre as primeiras ondulações da bainha dentro cap_C e mergulhá-los para o silicone recentemente derramado (Figura 3i).
7. Coloque o molde num forno a 60 ° C durante cerca de 20 min.
8. Repetir o mesmo procedimento a partir do ponto de 5,1-5,6 para fixar a bainha no lado superior, utilizando cap_D (Figura 3j).
9. Remover cap_C e cap_D.
10. Remover o cilindro central (figura 3K).

6. Fabricação de o Granular Jamming Membrane

1. Pour 5 g de látex líquido num copo de plástico.
2. Mergulha-se o cilindro para a membrana (última peça mostrada na Figura 2) no interior do látex líquido até que a superfícieé completamente coberto.
3. Deixe secar sob um capuz para 20 min.
4. Repita os pontos 6.2 e 6.3.
5. Remover a membrana a partir do molde.

7. Inserção do Granular Jamming Membrane

1. Corte um tubo (2 mm de diâmetro) para o comprimento desejado (300 mm no exemplo).
2. Corte um pedaço quadrado de cerca de 100 mm ² de tecido de nylon e fechar uma extremidade do tubo com este tecido, utilizando uma película de plástico ou de parafina supercola.
3. Pesar 4 g de pó de café e encher a membrana.
4. Inserir o tubo (a extremidade com o filtro) no interior da membrana cheia e corrigi-lo em torno do tubo por meio de uma película de plástico de parafina.
5. Aplicar um vácuo do outro lado do tubo (a membrana torna-se mais duro).
6. Inserir a membrana no interior do canal central vazia do módulo Siliconic (Figura 3l).
7. Cole as extremidades da membrana de endurecimento para o módulo de silicone.
8. Feche os anéis ao redor do topolado do módulo (figura 3m).
9. Pour 2 g de silicone para os anéis, a fim de nivelar a superfície.
10. Deixe que a seco de silicone sob a capa ou numa estufa a 60 °.
11. Remover os anéis.
12. Repita a partir de pontos de 7,8 a 7,11 para o lado inferior (Figura 3 N).

Resultados

As várias fases do fabrico, descrito no protocolo, são ilustradas na Figura 3.

A fim de avaliar a eficácia da técnica e os resultados do protótipo final, o módulo foi testado em diferentes condições de trabalho. Uma configuração externa permite o controle de ambos o accionamento e a rigidez do módulo. Ele inclui um compressor de ar que activa três válvulas. Eles estão ligados aos tubos silicónicos integradas nas câmaras e permitir a sua press...

Discussão

The technique described in this protocol enables the fabrication of a pneumatically actuated soft unit usable for modular compliant structures. Thanks to the design of the molds and their simple assembly, it is possible to fabricate one complete module in about 4 hours with 7 main steps. The process of fabrication involves specific materials, which are easily available, and work should be carried out under a fume hood. An external set up including air valves, air compressor and vacuum pump is necessary to activate the mo...

Materiais

Name	Company	Catalog Number	Comments
Ecoflex 00-50 Trial Kit	SmoothOn		Used for the fabrication of the soft unit, combining equal amounts of liquid parts A (the base) and B (the catalyst)
Latex	Antichità Belsito		Used for the fabrication of the granular jamming membrane
Peroxide-Cured Silicone Tubing	Cole Parmer	T-06411-59	Used for actuating the chambers and applying vacuum
PET expandable braided sleeving	RS	408-249	Used for the fabrication of the external braided sheath
Silicone Rubber	Momentive	127374	Used to fix the actuation tubes to the module
Parafilm	Cole Parmer	EW-06720-40	Used to fix the latex membrane to the vacuum tube
Fume hood Secuflow	Groupe Waldner		Working space
Precision scale	KERN EW		Used to weight silicone, latex and coffee powder
Oven/degasser	Heraeus		Used to degass the silicone and reduce its cure time
Vacuum pump	DVP Vacuum Technology		Used to apply vacuum to the latex membrane