Fabricação baseada em vara de customizáveis ​​macias robóticos pneumáticas Gripper Aparelhos para a manipulação de tecidos delicados

Resumo

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.

Resumo

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.

Introdução

Robôs moles têm suscitado grande interesse de pesquisa dentro da comunidade robótica e eles têm sido usados ​​em diferentes tarefas funcionais, tais como locomoção ondulatória em ambientes não estruturados ¹ e agarrando ^2. Eles são principalmente compostas de materiais elastoméricos macios e controlada por diferentes técnicas de accionamento, através da utilização de diferentes materiais, tais como polímero electroactivo (PAA), a forma de liga com memória (SMA), ou fluido comprimido ^3. função PAA com base numa tensão diferencial que induz forças electrostáticas para produzir estirpes activas e, assim, gera accionamento. O efeito de memória de forma peculiar da LMF é implantado para gerar a actuação desejada com base na geração de força durante a transformações de fases após a mudança na temperatura. Por último, a técnica de atuação fluido comprimido facilita uma estratégia de design simples para induzir a diferença rigidez nos atuadores moles, de tal forma que as regiões mais complacentes irá inflarmediante pressurização. robôs macias são concebidos para ampliar as aplicações de robôs rígidos tradicionais, especialmente em aplicações em que os objectos delicados estão envolvidos. Particularmente, neste artigo, apresentamos nossa abordagem única no desenvolvimento de garras robóticas flexíveis para manipulação cirúrgica delicada.

De aperto cirúrgica é um aspecto importante envolvido em muitos procedimentos cirúrgicos, tais como hepático, ginecológica, urológica, e nervo cirurgias de reparação de ^{4, 5.} Ele é tipicamente realizada por rígidas, as ferramentas de aperto de tecido de aço, tais como os fórceps e pinças laparoscópicas para o propósito de facilitar observação, a excisão, procedimentos de anastomose, etc. no entanto, extrema cautela é necessária como as ferramentas de aperto convencionais são feitos de metal que podem causar áreas de concentração alta tensão nos tecidos moles, nos pontos de contato ^6. Dependendo da gravidade dos danos de tecidos, várias complicações, tais como a dor, cicatriz de tecido patológica formação, e até mesmo incapacidade permanente, pode resultar. Um estudo anterior relatou que a taxa de complicações na cirurgia do nervo periférico foi de 3% ^7. Portanto, o conceito de aperto suave que pode ter uma aderência segura compatível pode ser um candidato promissor para a manipulação cirúrgica delicada.

Aqui, apresentamos uma combinação de técnicas de litografia suave modificados, que adoptaram uma abordagem baseada na vara, para fabricar garras pneumáticas robóticos suaves personalizável 3D-impressão e. Técnica de fabricação tradicional de robôs moles com base na atuação fluido comprimido requer um molde com canais pneumáticos impressos nele e em um processo de vedação para selar os canais ^8. No entanto, não é viável para os robôs miniaturizados macios que necessitam de pequenos canais de pneumáticos em que a oclusão dos canais pode facilmente acontecer no processo de selagem. A técnica tradicional requer a vedação dos canais pneumicos para ser feito ligando uma camada de selagem revestidos a ele. Assim, o Layer de material elastomérico, que inicialmente serve como uma camada de ligação seja derramado sobre os pequenos canais e os canais ocluir. Também não é possível posicionar os canais pneumicos no meio da estrutura e ligar a um componente de câmara usando técnicas convencionais. A abordagem proposta permite a criação de canais pneumicos miniaturizados ligado a uma câmara de hastes utilizando cheias de ar, e não necessita de vedação dos canais minúsculos. Além disso, a câmara ligada aos canais pneumicos servir como uma fonte de ar, que não requer fontes de ar externo para a actuação de fluido comprimido. Ele permite que tanto o manual e modos de controlo robótico através da facilitação da câmara de compressão para accionar o componente de aperto, proporcionando assim aos utilizadores a possibilidade de controlar a quantidade de força que estão a aplicar através da pinça. Esta abordagem é altamente personalizada e pode ser utilizada para fabricar vários tipos de desenhos de garra macios, tais como pinças com único ou multiple braços accion�eis.

Protocolo

Nota: Todas as pinças pneumáticas macios foram fabricados por vazamento misturas elastoméricas à base de silicone em moldes impresso-3D personalizados, que se seguiu um processo de fabricação que compreende três etapas: moldagem de componentes pinça de braço com canais pneumáticos incorporadas, moldando componente câmara ligadas aos canais pneumáticos , e selando o componente câmara cheia de ar.

1. Preparação de Elastómeros

1. Coloque um recipiente para o misturador em uma escala de pesagem e rasgou-lo. Pour partes A e B do elastómero à base de silicone no recipiente com uma proporção de 1: 1 em peso.
2. Cobrir o recipiente e medir o peso total.
3. Colocar o recipiente e o material num misturador centrífugo. Ajustar o equilíbrio de peso sobre o misturador para o peso medido no passo 1.2.
4. Definir a mistura e aeração de-modos a 2.000 rpm e 2.200 rpm, respectivamente, para 30 seg. Misturar os componentes elastoméricos cuidadosamente para conseguir a cura uniforme.

le "> 2. Mold Design e Produção

Nota: A geometria do molde irá variar dependendo das exigências específicas para diferentes aplicações. Os seguintes passos ilustram passos-chave gerais no software CAD que são necessários para criar o componente de câmara e garra do molde.

1. Projetar os moldes e mofo vedação usando software assistida por computador (CAD). Veja a Figura 1 para as dimensões da geometria e específicas dos moldes utilizados neste manuscrito.
   1. Estrutura da caixa limite do exterior
      1. Clique com o botão direito do mouse no plano superior e clique em "Normal para" botão para normalizar ao plano superior.
      2. Clique em "Sketch" no canto superior esquerdo para abrir uma janela "Sketch". Em seguida, clique no botão "Sketch" no canto superior esquerdo da barra de ferramentas para desenhar uma base retangular do componente de câmara.
      3. Clique no recurso "Smart Dimension", que está localizado ao lado do botão "Esboço", para definir skdimensões etch. Certifique-se de que o esboço está totalmente definido (ou seja, todas as linhas de desenho tornam-se preto) e sair do esboço quando terminar.
      4. Clique na janela "Recursos". Em seguida, clique na opção "ressalto extrudado / Base" para expulsar contornos selecionados no Y-direção.
      5. Clique na superfície superior do modelo para pré-selecionar o plano de rascunho. Esboçar um retângulo e definir as dimensões conforme descrito em 2.1.1.2 e 2.1.1.3.
      6. Clique na janela "Recursos". Em seguida, clique na opção "Corte extrudado" para expulsar cortar uma cavidade para a fundição de elastômeros (Figura 2A). Certifique-se que a espessura da parede é de 2,5 mm.
   2. Projeto da câmara interna
      1. Clique com o botão direito do mouse sobre a superfície na direção Y da área de abertura. Em seguida, clique em "Normal para" normalizar a essa superfície.
      2. Em seguida, clique na janela "Esboço" para desenhar um retângulo para o componente câmara conforme descrito nas etapas 2.1.1.2 e2.1.1.3.
      3. Clique na janela "Recursos". Em seguida, clique na opção "ressalto extrudado / Base" para expulsar o componente de câmara na direção Y (Figura 2B).
         Nota: A profundidade do corte no passo 2.1.1.6 é 2,5 mm maior do que esta base de extrusão.
   3. Projeto do componente pinça
      1. Clique na superfície do modelo no X-direção negativa para pré-seleccionar o plano de rascunho para o componente pinça. Crie um retângulo na janela "Esboço", como descrito nas etapas 2.1.1.2 e 2.1.1.3.
      2. Clique na janela "Recursos". Em seguida, clique na opção "ressalto extrudado / Base" para expulsar o contorno selecionado no X-direção negativa.
      3. Clique na superfície superior do componente pinça para pré-seleccionar o plano de rascunho. Criar uma forma de pinça na "esboço" janela (Figura 2C) e sair do esboço, quando as dimensões está totalmente definidos como descrito nos passos 2.1.1.2 umd 2.1.1.3.
      4. Clique na janela "Recursos". Em seguida, clique em "corte extrudado" para cortar uma cavidade para a fundição de elastômeros no componente de pinça. Certifique-se que a espessura da parede é de 2,5 mm.
   4. Execução de ligação entre a câmara e pinça
      1. Criar um rectângulo na janela "esboço" na superfície superior da peça de câmara tal como descrito em 2.1.1.2 e 2.1.1.3.
      2. Clique na janela "Recursos". Em seguida, clique em "corte extrudado" para criar uma conexão entre os componentes da câmara e pinças (Figura 2D).
   5. Desenho dos canais pneumicos
      1. Criar círculos 1,5 mm de diâmetro sobre a superfície da peça de câmara na direcção X positivo tal como descrito nos passos 2.1.1.2 e 2.1.1.3.
      2. Clique na janela "Recursos". Em seguida, clique em "corte extrudado" para criar canais de fio-máquina de inserção (Figura 2E). Garantir a holes não são cortados através do componente pinça.
2. Em um arquivo CAD separada, desenhe um molde de selagem com uma cavidade de comprimento e largura que estão 1 mm maiores do que as dimensões exteriores do componente câmara da pinça. Nota: A espessura da parede é de 2,5 mm.
   1. Clique na janela "esboço" para criar um retângulo no plano superior como passos descritos 2.1.1.2 e 2.1.1.3.
   2. Clique na janela "Recursos". Em seguida, clique na opção "ressalto extrudado / Base" para expulsar contornos selecionados no Y-direção.
   3. Clique na face superior do modelo para pré-selecionar o plano de rascunho. Esboçar um retângulo e definir as dimensões conforme descrito nas etapas 2.1.1.2 e 2.1.1.3).
   4. Clique na janela "Recursos". Em seguida, clique na opção "Corte extrudado" para expulsar cortar uma cavidade para a fundição de elastômeros. Certifique-se que a espessura da parede é de 2,5 mm.
3. Salve cada peça de molde como um arquivo STL para a impressão 3D.
4. Carregar o arquivo STL na impressora 3D com resolução de 30 mm e imprimir as peças do molde ^9.
5. Remova qualquer material de apoio sobre as peças do molde e lavar as peças do molde com água.

3. Macio Single / Double-accion�eis Grippers Arm pneumáticas

1. Moldagem componentes pinça de braço com canais pneumáticos embutidos
   1. Inserir dois blocos câmara de impresso-3D do lado esquerdo e do lado direito do componente de câmara (Figura 3A), de modo a gerar uma câmara selada com canais pneumáticos ligados ao mesmo.
   2. Inserir duas hastes mm de diâmetro 1,5 arame de titânio através da câmara, mantendo uma distância de 2 mm da pontas de pinça para criar os canais pneumicos (Figura 3A). Nota: Use um fio-máquina para a pinça-actuado de braço único.
   3. Verter a mistura elastomérica para dentro do molde para preencher completamente o componente de preensão.
   4. Verifique se não há bolhas de ar visíveis presente.
   5. Place o molde no forno para curar a 60 ° C durante 10 min. Uma vez elastómero é curado, remover o molde do forno.
2. componente câmara de moldagem ligado aos canais pneumicos
   1. Puxe os fios-máquina e os dois blocos de câmara fora do molde.
   2. Coloque uma pinça-bloco-impresso 3D no topo do componente de preensão, a fim de criar a câmara (Figura 3B). Inserir as barras de arame para bloquear os furos na parede do molde.
   3. Verter a mistura elastomérica para dentro do molde para preencher a parte restante do componente câmara e assegurar que não há bolhas de ar aprisionadas visíveis no molde.
   4. Curar a parte a uma temperatura de 60 ° C durante 10 min. Retirar o molde do forno, uma vez elastómero é curado.
   5. Retire a pinça-bloco e desmoldar a pinça totalmente curada com estrutura de câmara.
3. A selagem do componente de câmara cheia de ar
   1. Despeje a mistura elastomérica no molde vedação ecurá-la a 60 ° C durante 10 min.
   2. Escova de uma camada de material elastomérico sobre as curados com 2,5 mm de camada de vedação. Coloque a pinça curada com estrutura de câmara no topo da camada de vedação revestido e ligar as duas peças em conjunto (Figura 3C).
   3. Subsequentemente, toda a estrutura curar completamente a 60 ° C durante 15 min.
   4. Desmoldar o dispositivo de pinça robótico macia totalmente curado.

4. Inserção de macio Robotic pneumático Gripper dispositivo em ferramenta de manuseio

1. Projetar as ferramentas de manipulação, conforme descrito no arquivo Suplementar 1 utilizando software CAD e guardá-lo em um arquivo STL. Veja as figuras 4 e 5 para as dimensões das ferramentas.
2. Carregar o arquivo STL na impressora 3D e imprimir as peças do molde ^9.
   Nota: Todos os passos de impressão para ferramenta manual de manipulação de controle, cap rectangular e pistão móvel (Figura 4) pode ser concluído dentro de 3 h 48 min. o prtempo inting para fabricar o controlo robótico ferramenta e tampa rectangular de manuseamento (Figura 5) é de 1 h 56 min. Ver imagem Suplementar 2 para instruções de operação da impressora 3D.
3. Descolar qualquer material de apoio sobre as ferramentas depois que a impressão seja concluída. Em seguida, lavar as ferramentas com água.
4. Inserir o dispositivo de preensão para o controlo manual do instrumento de manuseamento (Figura 4A) e cobrir a área de abertura com um tampão móvel rectangular (Figura 4B).
5. Inserir um pistão móvel (Figura 4C) para facilitar a câmara de compressão.
6. Inserir a pinça e do atuador linear para a robótica ferramenta de manipulação de controlo (Figura 5A). Nota: O atuador linear substitui o pistão móvel no modo de controle manual para câmara de compressão.
7. Cobrir a área de abertura com um tampão móvel rectangular (Figura 5B).

5. As avaliações e aderência Teste compressão

1. Avaliea funcionalidade do dispositivo de preensão macio através da realização de testes de agarrar com um fio de ligação.
   1. Coloque um fio de ponte sobre a mesa.
   2. Ajustar o dispositivo de preensão de modo a que o fio está entre os dois braços de pinça.
   3. Mover o pistão móvel para comprimir a câmara, a fim de accionar as pinças para segurar o fio.
      Nota: Somente a ferramenta manipulação de controlo manual é usado na demonstração emocionante.
   4. Segurar e mover o fio para uma caixa localizada a 20 cm de distância do local original do fio.
2. Coloque uma resistência de detecção de força calibrada entre as duas maxilas da pinça. Assegurar a aderência maxilas de garra na área de detecção. Nota: O diâmetro da área de leitura é de 14,7 mm.
3. Comprime-se a câmara para accionar os bras de pin para agarrar sobre a resistência de detecção de força.
4. Medir as forças máxima aderência à compressão que os-actuado de braço único e duplo actuado-braço pinças pneumáticas suaves poderia gerar como descrito no ¹⁰.
   Nota: Os valores de leitura será apresentada em um laptop. As forças máximas aperto compressão são medidos no ponto de pressão máxima que os canais pneumáticos pode suportar.
5. Cortar as mandíbulas de aperto elastoméricos individuais a partir de uma pinça pneumática de duplo actuado-braço macio.
6. Inserir a pinça dicas para os canais pneumáticos das maxilas de aperto elastoméricos.
7. Coloque uma resistência de detecção de força calibrada entre as duas maxilas da pinça.
8. Medem-se as forças de compressão ¹⁰ gerados por fórceps e fórceps revestidos de elastómero durante uma cirurgia simulada nervo conduzida por um neurocirurgiăo.
   Nota: O neurocirurgiăo aplica uma força que é semelhante ao que normalmente se aplica durante a cirurgia real sobre a resistência de detecção de força.
9. Calcular a média dos dados obtidos a partir de cinco ensaios em cada teste.

Resultados

Os dispositivos de pinça pneumática robóticos macios eram capazes de pegar objetos com dimensões de até 1,2 mm de diâmetro (Figura 6). A força de aperto máxima à compressão geradas pela actuao de braço único, e de actuação por duplo-braço dispositivos de preensão moles foram de 0,27 ± 0,07 N e 0,79 ± 0,14 N, respectivamente, em comparação com 1,71 ± 0,16 N e 2,61 ± 0,22 N forças compressivas em cirurgia simulada pelos fórceps revestidos de elastó...

Discussão

Temos demonstrado com sucesso que os dispositivos de pinça pneumática robóticos suaves permitidos emocionante compatível de objetos, que exerceram forças de compressão muito mais baixos no objeto de agarrados do que os fórceps dicas e fórceps revestidos de elastómero exercida. Pinça é uma ferramenta essencial para a manipulação de nervos durante a reparação de nervos periféricos cirurgias ^{11, 12.} No entanto, a sua estrutura metálica necessária extrema cautela no uso dos cirurgiões, a fim de...

Materiais

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)