Род основе Изготовление настраиваемыми Soft роботизированных захватных Пневматические устройства для деликатной ткани манипулированию

Резюме

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.

Аннотация

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.

Введение

Мягкие роботы вызвали большой исследовательский интерес в сообществе робототехники и они были использованы в различных функциональных задач , таких как волнообразного локомоции неструктурированных средах ¹ и ² зажимными. Они в основном состоят из мягких эластомерных материалов и под контролем различных методов приведения в действие посредством использования различных материалов , таких как Электроактивный полимер (EAP), форма сплава с эффектом памяти (SMA), или сжатой текучей среды ^3. Функция EAPs на основе дифференциального напряжения, которое вызывает электростатические силы для получения активных штаммов и тем самым создает срабатывание. Специфический эффект памяти форма СМА развернут для создания желаемого приведения в действие, основанный на генерации силы в процессе фазовых превращений, происходящих при изменении температуры. И, наконец, сжатый метод жидкость приведение в действие облегчает простую стратегию проектирования, чтобы вызвать разницу жесткость в мягких исполнительных механизмов, таким образом, что более совместимые регионы будут раздуватьна наддувом. Мягкие роботы предназначены для расширения использования традиционных жестких роботов, особенно в приложениях, где участвуют чувствительные объекты. В частности, в этой статье мы представляем наш уникальный подход к разработке мягких роботизированных манипуляторов для тонких хирургических манипуляций.

Хирургический захватный является важным аспектом участвует во многих хирургических процедур , таких как печеночная, гинекологических, урологических и нервных ремонт хирургических операций ^{4, 5.} Это , как правило , выполняется с помощью жестких, инструментов захватных стальной ткани , такой как щипцы и лапароскопических захваты с целью содействия наблюдение, иссечение, процедуры анастомоза и т.д. Тем не менее, крайняя осторожность требуется как обычные инструменты захвата сделаны из металла , что может привести к концентрации областей высокого напряжения в мягких тканях в точках контакта ^6. В зависимости от тяжести повреждений ткани, различные осложнения, такие как боль, патологическая ткань шрама еможет привести к ormation, и даже постоянную инвалидность,. Предшествующая исследование показало , что частота осложнений в периферической нервной хирургии составила 3% ^7. Таким образом, концепция мягкого захвата, что может обеспечить безопасную совместимый захват может быть перспективным кандидатом для деликатной хирургических манипуляций.

Здесь мы представляем сочетание 3D-печати и модифицированных методов мягкой литографии, которая приняла подход стержневой основе, для изготовления мягких настраиваемых роботизированные пневматических манипуляторов. Традиционная технология изготовления мягких роботов на основе сжатого приведения жидкости требует формы с пневматическими каналами , напечатанными на нем и процесса герметизации для герметизации каналов ^8. Тем не менее, это не представляется возможным для миниатюрных мягких роботов, которые необходимы небольшие пневматические каналы, где закупорка каналов может легко произойти в процессе герметизации. Традиционный метод требует герметизации пневматических каналов, чтобы быть сделано путем склеивания с покрытием, герметизирующий слой к нему. Следовательно, лаЕр эластомерного материала, который изначально служит связующий слой может пролиться в крошечные каналы и закупоривают эти каналы. Кроме того, не представляется возможным расположить пневматические каналы в середине структуры и подключить к компоненту камеры с использованием обычных способов. Предложенный подход позволяет создавать миниатюризованных пневматических каналов, подключенных к заполненные воздухом в камере с помощью стержней и не требует герметизации крошечных каналов. Кроме того, камера соединена с пневматическими каналами служить в качестве источника воздуха, который не требует внешних источников воздуха для сжатого приведения в действие жидкости. Это позволяет как роботизированные режимы управления путем облегчения камеры сжатия для приведения в действие захватывающую компонента, тем самым предоставляя пользователям возможность контролировать количество силы, которые они применяют через грейфером руководство и. Этот подход является легко настраиваемым и может быть использовано для изготовления различных типов мягких конструкций захватных таких как захватами с одинарным или мюltiple приводимый оружие.

протокол

Примечание: Все мягкие пневматические захваты были изготовлены методом литья на основе силикона эластомерных смесей в индивидуальные 3D печатных форм, которые следуют процесс изготовления, включающий три этапа: литье компонентов захватами руку с внедренными пневматическими каналами, молдинг компонент камеру, соединенную с пневматическими каналами и герметизации камеры компонент, заполненный воздухом.

1. Получение эластомеры

1. Поместите контейнер для смесителя на весах и тарирование его. Налейте части А и В силиконовой основе эластомера в контейнере с весовом соотношении 1: 1.
2. Закройте контейнер и измеряют общий вес.
3. Поместите контейнер и материал в центробежном смесителе. Отрегулируйте баланс веса на смесителе к массе, измеренной на шаге 1.2.
4. Установите перемешивание и деаэрация режимов до 2000 оборотов в минуту и ​​2200 оборотов в минуту, соответственно в течение 30 сек. Смешайте эластомерных компонентов тщательно, чтобы достичь равномерного отверждения.

ле "> 2. Mold Проектирование и производство

Примечание: Геометрия пресс-формы будет варьироваться в зависимости от конкретных требований в отношении различных применений. Следующие шаги иллюстрируют общие ключевые этапы программного обеспечения САПР, которые необходимы для создания компонента камеры и захватного формы.

1. Проектирование пресс-форм и герметизации с помощью формы разработки программного обеспечения автоматизированного (САПР). На рисунке 1 геометрии и конкретных размеров пресс - форм , используемых в этой рукописи.
   1. Дизайн внешней границы коробки
      1. Щелкните правой кнопкой мыши на верхней плоскости и нажмите на кнопку "Normal", чтобы кнопку, чтобы нормализовать к верхней плоскости.
      2. Нажмите на кнопку "Эскиз" в верхнем левом углу, чтобы открыть окно "Эскиз". Затем нажмите на кнопку "Эскиз" в верхнем левом углу панели инструментов, чтобы нарисовать прямоугольную основу камеры компонента.
      3. Нажмите на функцию «Смарт измерение», которая находится рядом с кнопкой "Эскиз", чтобы определить кктравлени размеры. Убедитесь в том, что эскиз полностью определена (т.е. все рисование линий становятся черными) и выйти из эскиза , когда сделано.
      4. Нажмите на окно "Свойства". Затем нажмите на "/ Экструдированный Boss Base", чтобы выдавить выбранные контуры в Y-направлении.
      5. Нажмите на верхнюю поверхность модели, чтобы предварительно выбрать плоскость эскиза. Эскиз прямоугольник и определить размеры, как описано в 2.1.1.2 и 2.1.1.3.
      6. Нажмите на окно "Свойства". Затем нажмите на функцию "Экструдированный Cut" выдавливать вырезать полость для литья эластомеры (рисунок 2А). Убедитесь в том, что толщина стенки составляет 2,5 мм.
   2. Конструкция внутренней камеры
      1. Щелкните правой кнопкой мыши на поверхности на Y-направлении площади отверстия. Затем нажмите на кнопку "Normal, чтобы" нормализовать к этой поверхности.
      2. Затем нажмите на окно "Эскиз", чтобы нарисовать прямоугольник для камеры компонента, как описано в пунктах 2.1.1.2 и2.1.1.3.
      3. Нажмите на окно "Свойства". Затем нажмите на "/ Экструдированный Boss Base", чтобы выдавить компонент камеры в Y-направлении (рис 2В).
         Примечание: Глубина разреза на этапе 2.1.1.6 составляет 2,5 мм больше, чем эта экструдированной основы.
   3. Дизайн компонента с захватами
      1. Нажмите на поверхности модели в отрицательном направлении Х, чтобы предварительно выбрать плоскость эскиза для захватывающего компонента. Создайте прямоугольник в окне "Эскиз", как описано в шагах 2.1.1.2 и 2.1.1.3.
      2. Нажмите на окно "Свойства". Затем нажмите на "/ Экструдированный Boss Base", чтобы выдавить выбранный контур в отрицательном направлении Х.
      3. Нажмите на верхней поверхности компонента с захватами для предварительного отбора на плоскость эскиза. Создайте форму захвата в "Эскиз" окно (рисунок 2С) и выхода из эскиза , когда размеры полностью определены , как описано в шагах 2.1.1.2d 2.1.1.3.
      4. Нажмите на окно "Свойства". Затем нажмите на кнопку "Экструдированный Cut", чтобы вырезать полость для литья эластомеров в компоненте с захватами. Убедитесь в том, что толщина стенки составляет 2,5 мм.
   4. Конструкция соединения между камерой и грейфером
      1. Создайте прямоугольник в окне "Эскиз" на верхней поверхности камеры части, как описано в 2.1.1.2 и 2.1.1.3.
      2. Нажмите на окно "Свойства". Затем нажмите на кнопку "Экструдированный Cut" , чтобы создать соединение между камерой и захватами компонентами (рис 2D).
   5. Конструкция пневматических каналов
      1. Создание кругов диаметром 1,5 мм на поверхности камеры части в положительном направлении оси х, как описано в шагах 2.1.1.2 и 2.1.1.3.
      2. Нажмите на окно "Свойства". Затем нажмите на кнопку "Экструдированный Cut" , чтобы создать каналы для катанки вставки (рис 2E). Обеспечение HolES не прорезал компонента с захватами.
2. В отдельном файле САПР, нарисовать уплотнительную форму с полостью, длины и ширины, которые равны 1 мм больше, чем наружные размеры камеры компонента захватного устройства. Примечание: Толщина стенки 2,5 мм.
   1. Нажмите на окно "Эскиз", чтобы создать прямоугольник на верхней плоскости, как описано шаги 2.1.1.2 и 2.1.1.3.
   2. Нажмите на окно "Свойства". Затем нажмите на "/ Экструдированный Boss Base", чтобы выдавить выбранные контуры в Y-направлении.
   3. Нажмите на верхней грани модели, чтобы предварительно выбрать плоскость эскиза. Эскиз прямоугольник и определить размеры, как описано в пунктах 2.1.1.2 и 2.1.1.3).
   4. Нажмите на окно "Свойства". Затем нажмите на функцию "Экструдированный Cut" выдавливать вырезать полость для литья эластомеров. Убедитесь в том, что толщина стенки составляет 2,5 мм.
3. Сохраните каждый кусок плесени как .stl файл для 3D печати.
4. Загрузите файл .stl в 3D - принтер с разрешением 30 мкм и печати частей пресс - формы ^9.
5. Удалите материал носителя на кусочки плесени и мыть кусочки плесени с водой.

3. Мягкая Single / Double-приводимый Arm Пневматические захваты

1. Молдинг компоненты захватами-Arm со встроенными пневматическими каналами
   1. Вставьте два 3D-напечатанный камерные блоки на левой и правой стороне компонента камеры (рис 3 , а ) , с тем , чтобы генерировать герметичную камеру с пневматическими каналами , подключенных к нему.
   2. Вставьте два 1,5 мм диаметра титана катанки через камеру, держа на расстоянии 2 мм от концов захватных для создания пневматических каналов (Рисунок 3А). Примечание: Используйте одну катанку для одного приводимого-рычага захвата.
   3. Налейте эластомерна смесь в пресс-форму, чтобы полностью заполнить компонент захватного.
   4. Убедитесь, что нет видимых пузырьков воздуха присутствует.
   5. Placе пресс-формы в печи для отверждения при 60 ° С в течение 10 мин. После того, как эластомер вылечить, удалить плесень из духовки.
2. Molding компонент камеру, соединенную с пневматическими каналами
   1. Потяните катанки и две камерные блоки из пресс-формы.
   2. Поместите 3D-печатное захватного-блока на верхней части компонента с захватами для того , чтобы создать камеру (фигура 3В). Вставьте провод стержней, чтобы заблокировать отверстия в стенке формы.
   3. Налейте эластомерна смесь в пресс-форму, чтобы заполнить остальную часть камеры компонента и гарантировать, что нет никаких видимых пузырьков воздуха, заключенные в пресс-форме.
   4. Отверждение часть при температуре 60 ° С в течение 10 мин. Снимите форму из духовки, как только эластомер отверждают.
   5. Снимите захватный-блок и полностью выемки отвержденного захват со структурой камеры.
3. Уплотнение камеры компонент, заполненный воздухом
   1. Налейте эластомерной смеси в пресс-форму и уплотнительнойвылечить его при температуре 60 ° С в течение 10 мин.
   2. Кисть слой эластомерного материала на отвержденных 2,5 мм свариваемый слой. Поместите отвержденного захват со структурой камеры на верхней части покрытого герметизирующего слоя и скрепления двух частей вместе (рис 3C).
   3. Впоследствии, вылечить всю структуру полностью при температуре 60 ° С в течение 15 мин.
   4. Полностью выемки вылечил мягкий роботизированного устройства захватного.

4. Введение Soft Роботизированная Пневматический Gripper устройство в Handling инструмент

1. Разработка инструментов обработки, как описано в Дополнительной файл 1, используя программное обеспечение САПР и сохранить его в файле .stl. См 4 и 5 для размеров инструментов.
2. Загрузите файл .stl в 3D - принтера и печати частей пресс - формы ^9.
   Примечание: Все печатные шаги для ручного инструмента обработки, управления прямоугольной крышкой и подвижным поршнем (рисунок 4) может быть завершена в течение 3 ч 48 мин. Пиарinting время для изготовления роботизированный инструмент управления и прямоугольный колпачок обработки (рисунок 5) 1 час 56 мин. См Дополнительный файл 2 для 3D-инструкции по эксплуатации принтера.
3. Лупиться любой материал носителя на инструментах после завершения печати. Затем промойте инструменты водой.
4. Вставьте захват в ручной инструмент обработки управления (рисунок 4A) и покрывают площадь отверстия с подвижной прямоугольной крышкой (рис 4В).
5. Вставьте подвижный поршень (рис 4C) для облегчения камеры сжатия.
6. Вставьте захват и линейный привод в роботизированный инструмент обработки управления (рисунок 5А). Примечание: линейный привод заменяет подвижный поршень в режиме ручного управления для камеры сжатия.
7. Накройте площадь отверстия с подвижной прямоугольной крышкой (рис 5B).

5. Оценка и сжатие испытания на сжатие

1. оцениватьфункциональность мягкого захвата, выполняя сцепные тесты с перемычкой.
   1. Установите перемычку на столе.
   2. Отрегулируйте захват таким образом, что проволока находится в промежутках между двумя захватами оружия.
   3. Перемещение подвижный поршень для сжатия в камеру для того, чтобы привести в действие захватные руки, чтобы удерживать провод.
      Примечание: только инструмент ручного управления обработки используется в захватываемого демонстрации.
   4. Удержание и переместите провод к коробке, расположенной на 20 см от исходного расположения провода.
2. Поместите калиброванный силы чувствительный резистор между двумя челюстей захвата. Убедитесь, что захват губок на чувствительной области. Примечание: Диаметр чувствительной области составляет 14,7 мм.
3. Сжать камеры для приведения в действие захватывающего руки для захвата от силы измерительного резистора.
4. Измерьте максимальные силы сцепления при сжатии , что мягкие одного приводимого-рук и двойного приводимый-рукоятки пневматические захваты могут генерировать , как описано в ¹⁰,
   Примечание: Значения считывания будут отображаться на ноутбуке. Максимальные силы сцепления при сжатии измеряют в точке максимального давления, что пневматические каналы могут выдержать.
5. Вырежьте отдельные эластомерные челюсти сцепные из мягкой двойной приводимый рукавов пневматического захвата.
6. Вставьте щипцов концы в пневматических каналах эластомерных челюстей захвата.
7. Поместите калиброванный силы чувствительный резистор между двумя челюстями пинцетом.
8. Мера сжимающие усилия ¹⁰ , сгенерированные эластомерных покрытием щипцов и щипцов во время имитации операции нерва , проведенного нейрохирурга.
   Примечание: Нейрохирург применяет силу, подобно тому, что он обычно применяется во время фактической операции по отряду чувствительного резистора.
9. Среднее значение на основании данных, полученных от пяти испытаний в каждом тесте.

Результаты

Мягкие роботизированные пневматические устройства захватами были способны улавливать объекты с размерами до 1,2 мм в диаметре (рисунок 6). Максимальное сцепление сжимающая сила, генерируемая одинарном приводимой-руку, и дважды приводимой вооружиться мягкие ?...

Обсуждение

Мы успешно продемонстрировали, что мягкие роботизированные устройства пневматические захватные позволили совместимый Захватывающее объектов, оказавших значительно меньшие силы сжимающие на захваченной объекта, чем эластомерных покрытием щипцы советы и щипцов, оказываемое. Пинцет ...

Материалы

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)