Дизайн и изготовление из группы эластомерных для мягкой модульных роботов в минимально инвазивной хирургии

Резюме

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.

Аннотация

В последние годы мягкие робототехника технологии вызвали рост интереса к области медицины из-за их безопасного взаимодействия внутренне в неструктурированных средах. В то же время, новые процедуры и методы были разработаны, чтобы уменьшить инвазивность хирургических операций. Минимально инвазивная хирургия (MIS) успешно применяется для брюшного вмешательств, однако стандартные процедуры МДП, главным образом, на основе жестких или полужестких инструментов, которые ограничивают ловкость врача. Эта статья представляет собой мягкий и высокий ловкий манипулятор для MIS. Манипулятор был вдохновлен биологических возможностей осьминога руки, и разработан с модульным подходом. Каждый модуль представляет те же функциональные характеристики, благодаря чему достигается высокий ловкость и гибкость, когда несколько модулей интегрированы. В документе подробно описывается конструкция, процесс изготовления и материалов, необходимых для развития одного блока, который изготавливают Castinг силикона внутри конкретных форм. Результат состоит в эластомерной цилиндра в том числе трех гибких пневматических приводов, которые позволяют удлинение и всенаправленный изгиб устройства. Внешний кожух плетеные улучшает движение модуля. В центре каждого модуля гранулированный механизм помех на основе изменяется жесткость конструкции во время задач. Тесты показали, что модуль может согнуть до 120 ° и удлиняться до 66% от исходной длины. Модуль генерирует максимальную силу 47 Н, и его жесткость можно увеличить до 36%.

Введение

Последние тенденции в области медицины настаивают на сокращении в инвазивности хирургических операций. Минимально инвазивная хирургия (MIS) успешно улучшилась в последние несколько лет для полостных операций. Процедуры MIS основаны на использовании инструментов, вводимых через четыре или пять точек доступа (троакары), размещенные на брюшной стенке. Для того, чтобы уменьшить количество троакаров, инструменты могут быть вставлены один порт Лапароскопия (SPL) или естественное отверстие Translumenal эндоскопической хирургии (NOTES) ^1. Эти процедуры предотвращения внешних видимых шрамов, но увеличивают трудность для клиницистов при выполнении операции. Это ограничение в основном из-за снижения точки доступа и жесткой и полужесткой природы инструментов, которые не в состоянии избежать или обойти органов ^{2, 3.} Ловкость и подвижность могут быть улучшены с помощью шарнирно и гипер-избыточными роботы, которые могут охватывать более широкий и более сложный рабочее пространство, тыснам позволяет конкретная задача в организме должно быть достигнуто более легко ^{4, 5, 6} и работать в качестве систем отвода, когда это необходимо ^7. Гибкий манипулятор может улучшить соблюдение ткани, что делает контакт безопаснее, чем с помощью традиционных инструментов.

Тем не менее, эти манипуляторы часто не хватает устойчивости, когда цель достигнута, и, как правило, они не могут контролировать контакт с окружающими тканями ^{8, 9.} Исследования на биологические структуры, такие как осьминога ^{кронштейна} 10 и слон ствола ^11, недавно вдохновил дизайн гибкие, деформируемые и совместимые манипуляторы с резервированием число степеней свободы (степеней свободы) и управляемой жесткостью ^12. Эти виды устройств используют пассивные источники, смарт-материалы, пневматические элементы, или сухожилий ^{13, 14, 15.} Как правило, манипуляторы, изготовленные с мягкими и гибкими материалами не гарантирует получения больших сил.

Тон STIFF-флоп (жесткость управляема Гибкая и программируемое манипулятор для хирургических операций) манипулятор был недавно представлен в качестве нового хирургического устройства для банкнот и SPL, вдохновленных возможностей осьминога. Для того, чтобы преодолеть ограничения предыдущих мягких манипуляторов, он имеет мягкое тело, а также высокой ловкости, силы и высокой регулируемой жесткостью ^16.

Архитектура манипулятора на основе модульного подхода: несколько единиц, с той же структурой и функциональными, интегрированы друг с другом. Единственный блок показано на рисунке 1. Она основана на эластомерного цилиндра, полученной многофазной изготовления. Шаги по сборке компонентов плесени и процессов литья позволяют три пустых камер (для струйного приведения) и один полый центральный канал ¹⁷ (для корпуса гранулированный помех на основе механизма ^18), которые будут внедрены. Камеры расположены под углом 120 °, так чтоИК сочетании инфляция в всенаправленный движение и относительное удлинение. Кроме того внешний плетеный оболочка размещена снаружи, чтобы ограничить внешнее радиальное расширение текучей камер, когда давление, таким образом, оптимизировать эффект приводной камеры в движении модуля (изгиб и удлинение).

Центральный канал находится цилиндрический устройство, состоящую из внешней мембраны, заполненной гранулированным материалом. Когда давление вакуума применяется, она меняет свои эластичные свойства в результате чего жесткости, которая влияет свойства всей модуля.

Движение и жесткость характеристики управляются посредством внешнего установки в том числе воздушным компрессором и трех клапанов для приведения в действие камеры и один вакуумный насос для активации вакуума в канале жесткости. Интуитивно понятный пользовательский интерфейс позволяет управлять исполнительными и вакуумных давлений внутри модуля.

Эта статья детализирует fabricatioп процесс одном модуле этого манипулятора и отчетов наиболее значимых результатов по основным возможностям движения. Учитывая модульную устройства, оценка изготовления и выполнения всего одной модуля также позволяет результаты быть продлен и прогнозировать основные поведение нескольких модуля манипулятора интеграции двух или более модулей.

протокол

Примечание: Этот протокол описывает этапы изготовления одного модуля, который включает в жидкостных камер, жесткости канала, приводные трубопроводы и внешней оболочкой. Следующая процедура должна быть выполнена под вытяжкой и носить халат и перчатки по соображениям безопасности. Как упоминалось ранее, процесс изготовления эластомерной блока основан на использовании последовательного форм, предназначенных с САПР. Они состоят из 13 частей, показанных на фиг.2 и перечисленных в Таблице 1.

1. Подготовка силиконовой

1. Взвешивают 12 г части А и 12 г части В в той же пластиковой стекла или чашки Петри и смешивают их вместе, перемешивают.
   Примечание: Материал пропорции могут варьироваться в зависимости от конкретного используемого силикона, в этом случае состоит из двух частей: Часть A (базовой) и часть B (катализатор). Они используются в пропорции 1А: 1В по весу.
2. Поместите стакан, содержащий смесьЭд силиконовые материалы в дегазатор машины на 1 бар разрежения. Хранить стекло под вакуумом, пока все пузырьки не будут удалены из силиконового материала. Для занятого силикона процесс дегазации занимает около 10 мин. Как только материалы с наличием пузырьков полностью свободны, восстановить атмосферное давление в машину и использовать силикон.

2. Изготовление модуля силиконовом

1. Сборка пресс-формы.
   1. Вставьте жесткости цилиндра и верхней палат в cap_A (рис 3а).
   2. Закройте оболочки вокруг второго слоя cap_A.
2. Во-первых силикон литье.
   1. Вылейте силикон внутри собранного формы до края оболочек (рис 3b).
   2. Поместите форму в печи при 60 ° С в течение примерно 30 мин.
3. Перегруппировка формы.
   1. Удалить внешние оболочки и cap_A (Рисунок 3в).
   2. Вставьте цилиндры из оснований камер и жесткости цилиндра внутри cap_B (рис 3D).
   3. Закройте раковины снова вокруг модуля, сдвигая их 10 мм вверх, чтобы иметь зазор 10 мм между верхней поверхностью модуля и краев оболочек (фиг 3e).
4. Во-вторых силиконовые литья.
   1. Налейте силикон внутри реаранжированным формы до края оболочек на верхней стороне (т.е. также до жесткости цилиндра) (рис 3f).
   2. Поместите форму в печь при 60 ° С в течение примерно 30 мин.
   3. Удалить внешние оболочки, cap_B и камеры (за исключением жесткости цилиндра) (рис 3G).

3. Вставка трубок

1. Сократить 3 трубки с тем же желаемой длины (300 мм), например.
2. Поместите силиконовом клеем вокруг одного конца каждой трубы 10 мм, без объstructing трубы.
3. Вставка трубки внутри 2 мм выделенных каналов в силиконовом блоке (рис 3H).
4. Разрешить время отверждения 12 мин при комнатной температуре или поместить модуль внутри печи при более высокой температуре (50 ° - 60 °), чтобы ускорить процесс сушки.

4. Изготовление извитых Плетеный оболочкой

1. Вырезать 700 мм расширяемой плетеный оболочкой (примерно в 15 раз высота модуля).
2. Вставка металлический цилиндр диаметром 30 мм и 250 мм в длину внутри оболочки.
3. Нажмите вниз и заставить оболочку, сдвинув над цилиндром, с тем чтобы создать завитков.
4. Механически зафиксировать оболочку в месте с помощью зажима и тепла с нагревательным пистолетом в 350 ° С в течение 2-3 мин, пока не будет получена остаточная деформация.
5. Пусть оболочка остыть и снимите внутренний цилиндр.

5. Интеграция Внешняя оболочка

1. ПройтиТрубы через отверстия cap_C.
2. Залить 3 г силикона в cap_C.
3. Зажмите cap_C в поддержку, что выше, чем в рабочей плоскости.
4. Вставьте нижнюю часть модуля ранее изготовленного в cap_C.
5. Слайд гофрированной оболочки вокруг модуля.
6. Нажмите первые складки оболочки внутри cap_C и опустите их в свежеуложенный силикона (рис 3i).
7. Поместите форму в печь при 60 ° С в течение около 20 мин.
8. Повторите ту же процедуру с точки 5.1-5.6, чтобы исправить оболочку на верхней стороне, используя cap_D (рис 3j).
9. Удалить cap_C и cap_D.
10. Снимите центральную цилиндр (рис 3k).

6. Изготовление гранулированного Jamming мембраны

1. Налейте 5 г жидкого латекса в пластиковый стакан.
2. Опустить цилиндр для мембраны (последний кусок, показанном на фиг.2) внутри жидкий латекс, пока поверхностьполностью покрыта.
3. Дайте высохнуть под капотом в течение 20 мин.
4. Повторите пункты 6.2 и 6.3.
5. Удалить мембрану из пресс-формы.

7. Размещение гранулированного Jamming мембраны

1. Сокращение трубки (2 мм в диаметре) на нужную длину (300 мм например).
2. Сокращение квадрате кусок приблизительно 100 мм ² нейлоновой ткани из и закрыть один конец трубки с этой ткани с использованием пластиковой пленки или парафина суперклей.
3. Взвесьте 4 г кофейного порошка и залейте мембрану.
4. Вставьте трубку (конец с фильтром) внутри заполненной оболочки и закрепить его вокруг трубы с помощью пластиковой парафиновой пленки.
5. Применение вакуума с другой стороны трубки (мембрана становится более жесткой).
6. Вставьте мембрану внутри пустой центральный канал силиконовом модуля (рис 3л).
7. Клей концы жесткости мембраны в модуле силиконовой.
8. Закройте кольца вокруг верхнейсторона модуля (рис 3 м).
9. Залить 2 г силикона в кольца, чтобы выровнять поверхность.
10. Пусть силиконовый сухой под капотом или в духовке при 60 °.
11. Снимите кольца.
12. Повторить от точек 7,8 7.11 для нижней стороны (рис 3n).

Результаты

Различные фазы изготовления, описанного в протоколе, показано на рисунке 3.

Для того чтобы оценить эффективность метода и результаты окончательного прототипа, модуль был испытан в различных рабочих условиях. Внешний установки позволяет контролировать как при?...

Обсуждение

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...

Материалы

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