Разработка и осуществление заказ манипулятора робота для экстра телесной УЗИ

Резюме

Этот документ вводит при разработке и осуществлении заказ манипулятора робота для экстра телесной УЗИ. Система имеет пять степеней свободы с легкий суставов, сделанные 3D печати и механического сцепления для управления безопасностью.

Аннотация

С потенциалом для высокой точности, ловкость и повторяемость, самостоятельно записанные робототехническая система может использоваться для оказания помощи на приобретение реального времени УЗИ. Однако ограниченное количество роботов для экстра телесной УЗИ были успешно переведены на клинического использования. В этом исследовании мы стремимся создать заказ робот манипулятор для экстра телесной УЗИ, который легкий и имеет небольшие размеры. Робот формируется пять специально формы ссылки и по индивидуальному заказу совместных механизмов для манипуляции зонд, чтобы покрыть необходимые диапазон движения с избыточным степеней свободы для обеспечения безопасности пациента. Механической безопасности подчеркивается с механизмом сцепления, ограничить усилие к пациентам. Результате дизайн общая масса манипулятора составляет менее 2 кг и манипулятора составляет около 25 см. Конструкция была выполнена и моделирование, Фантом и добровольцев исследования были проведены, чтобы проверить диапазон движения, способность сделать точную регулировку, механической надежности и безопасной эксплуатации сцепления. Этот документ подробно при разработке и осуществлении заказ роботизированной УЗИ манипулятора, с методами проектирования и монтажа, иллюстрированный. Представлены результаты тестирования для демонстрации возможности дизайна и клинический опыт использования системы. Сделан вывод, что текущий предлагаемых робот манипулятор отвечает требованиям как индивидуальные системы для экстра телесной УЗИ и имеет большой потенциал, чтобы быть переведены на клиническое применение.

Введение

Экстра телесной робот ультразвуковой (США) системы относится к конфигурации, в котором робототехническая система используется и манипулировать США зонд для внешних экзаменов, включая ее использование в брюшной изображений сердца, сосудов, акушерских и общие¹ . Использование такой Робототехнические системы является мотивированным, задачи вручную Холдинг и манипулирования зондом США, к примеру, задача найти стандартные США представления необходимых клинических изображений протоколы и риск повторяющийся штамм травмы^{2, 3,4}, а также потребности нас скрининговых программ, например, требование для опытных sonographers быть на месте^5,6. С акценты на различных функций и целевых анатомией несколько роботизированных систем США, как указывалось в предыдущих работ^1,,^7,8, были введены с 1990 года, чтобы улучшить различные аспекты США экспертиза (например, междугородные teleoperation^9,10,11,12, а также робот оператора взаимодействия и автоматического управления)^{13, 14}. Помимо робототехнических систем США используется для диагностических целей, Роботизированная высокой интенсивности сосредоточены УЗИ (HIFU) систем для целей лечения широко исследованы, как их резюмировал Пристер et al. ¹, с некоторых недавних работ^15,16 докладов последних достижений.

Хотя с относительно надежных технологий для управления и клинической работы были разработаны несколько роботизированных систем в США, лишь немногие из них были успешно переведены на клинического применения, таких как коммерчески доступных теле ультразвуковая система ¹⁷. одной из возможных причин является низкий уровень признания для большого размера перспективных промышленных роботов, работающих в клинических условиях, с точки зрения как пациентов, так и sonographers. Кроме того для управления безопасностью, большинство существующих роботов США полагаются на силу датчики для мониторинга и контроля приложенное давление на штырь, США, в то время как более фундаментальных механизмов механической безопасности ограничить силу пассивно, как правило, не доступны . Это может также вызвать проблемы при переводе в клинической практике как безопасность эксплуатации робот будет зависеть чисто электрических систем и логику программного обеспечения.

С помощью последних достижений 3D печати методы, специально формы пластиковые ссылки с заказной совместных механизмов может предоставить новую возможность для разработки на заказ медицинские роботы. Тщательно разработанные легкие компоненты с более компактный вид может улучшить клинические признание. Специально для УЗИ заказ медицинского робота, направленных на переводится на клинического использования должен быть компактным, с достаточно степеней свободы (степени свободы) и диапазон движения для покрытия области интереса сканирования; например брюшной поверхности, включая как сверху и по бокам живота. Кроме того робот также должны включать возможность выполнять точную регулировку США зонда в локальной области, пытаясь оптимизировать представление США. Это обычно включает в себя наклона движения зонда в определенных пределах, как это было предложено Эссомба et al. ¹⁸ и¹⁹Bassit. Для дальнейшего решения проблемы безопасности, предполагается, что система должна иметь пассивной механической безопасности функции, которые являются независимыми от электрических систем и программного обеспечения логики.

В этой статье мы представляем подробное проектирование и сборка метод 5-DOF ловкие робот манипулятор, который используется в качестве ключевых компонентов экстра телесной Робототехнические системы США. Манипулятор состоит из нескольких легкий 3D-печати ссылки, по индивидуальному заказу совместных механизмов и встроенной безопасности сцепления. Конкретные договоренности о степени свободы обеспечивает полную гибкость для корректировки зонд, позволяя легко и безопасно операции в небольшой области без столкновений с пациентом. Манипулятор предлагаемого multi-DOF стремится работать как основной компонент, который поддерживает контакты с пациентами и он может быть просто присоединен к любой обычных 3-ФО глобального позиционирования механизм для формирования полного США робот с полностью активные ограничения степеней свободы для выполнения сканирования США.

протокол

1. Подготовка каждой ссылке, конец эффекторных и дополнительные компоненты

1. Печатать все ссылки (L₀, L₁, L₂,₃L и L₄) и конец эффекторов, как показано на рисунке 1, с Акрилонитрил бутадиен стирола (ABS) пластик, полимолочной кислоты (НОАК) пластик или нейлона, с использованием 3D-печати службы. Использование. STL файлов, входящих в Дополнительных материалов при печати.
   Примечание: Изменения в форме и масштабах каждой части могут быть сделаны на основе на предоставленных файлов. Внутренний профиль конце эффекторных могут быть изменены с учетом различных датчиков США.
2. Печатать все необходимые дополнительные компоненты, как показано на рисунке 2 в нейлон, используя службу 3D-печати. Обратитесь к Таблице материалов для необходимое количество каждого компонента. Использование. STL файлов, входящих в Дополнительных материалов при печати.
3. Польский всех печатных пластиковых деталей с полировки инструментов при необходимости. При необходимости удалите любые вспомогательные материалы слева от 3D печати.
   Примечание: Некоторые структуры в условии конца эффекторных дизайн для Датчик силы, которая не является частью протокола, сообщили здесь и не будет использоваться для сборки. Концепция дизайна датчик силы уже сообщалось в предыдущих работ²⁰; Таким образом она не рассматривается в этом документе.

2. Ассамблея Объединенного 1

Примечание: Ассамблея Объединенного 1 (J₁) основан на рисунке 3.

1. Место четыре небольших, редукторный шаговых двигателей (с 20-зубы зубчатые колеса прилагается) в полости монтажа L₀ и смонтировать их с помощью винтов.
2. Поместите два 37 мм OD подшипников в подшипников L₀ и закрепите 120-зубы шестерни шпоры (тип A) на ключ шестигранник L₁.
3. Вала на L₁ вставьте вал отверстие на L₀ с четырех небольших вождения зубчатые колеса и большой, инициативе spur gear занимается и собрать вала воротник, чтобы защитить и сохранить вала.

3. Ассамблея совместных 2

Примечание: Ассамблея совместных 2 (₂J) основан на рисунке 4.

1. Место четыре небольших, редукторный шаговых двигателей (с 20-зубы зубчатые колеса прилагается) в полости монтажа L₁ и смонтировать их с помощью винтов.
2. Прикрепите два 120-зубы зубчатые колеса (тип B) две 37-мм OD подшипников и положение их в полости передач L₁, с 120-зубы шестерни шпоры (тип B) с 20-зубы зубчатые колеса смонтированы на двигатели. Отвинтите и повторно винт двигателя при необходимости позволяет легко позиционирования редуктор типа B два 120-зубы.
3. Совместите L₁ и₂ Л и вставьте в отверстия сцепления L₂подшипника и весенний бал пар. Два раунда сцепления выравнивание и толкая весной в механизм сцепления для предварительной загрузки вставьте болт M6 в отверстия L₁ и₂Л.
4. Вращать Ассамблеи к другой стороне и повторите шаги в 3.3 для этой стороны. Закрепите Ассамблея, придавая гайка M6 Болт.

4. Ассамблея Объединенного 3

Примечание: Ассамблея совместного 3 (₃J) основан на рисунке 5.

1. Место два небольших, редукторный шаговых двигателей (с 20-зубы зубчатые колеса прилагается) в полости монтажа L₂ и смонтировать их с помощью винтов.
2. Место на 37 мм ОД подшипника в корпусе подшипника шестерни шпоры 120-зубы (тип C) и поместите на 32 мм ОД подшипника в корпусе подшипника L₃.
3. Обеспечить большой шестерни шпоры в замочную скважину шестигранник L₃ (дополнительных винтов может использоваться при необходимости) и вставьте в отверстия на большой редуктор и L₃, с малых и больших зубчатые колеса участвуют вала на L₂ .

5. Ассамблея вождения механизма совместных 4

Примечание: Ассамблея совместного 4 (₄J) основан на рисунке 6.

1. Поместите два небольших, редукторный шаговых двигателей в полости монтажа L₃ и смонтировать их с помощью винтов. Место 8 мм OD подшипников в подшипников Л₄.
2. Установите редуктор длиной 20-зубы на двух небольших шаговых двигателей.

6. Ассамблея ведомый механизм совместного 4 и 5 совместных

Примечание: Ассамблея совместного 4 (₄J) основан на рисунке 6 и 5 совместных (₅J) основывается на рисунке 7.

1. Расположите ведомый 144 зубы конических снастей на экструзии Л₄.
2. Место два небольших, редукторный шаговых двигателей (с 18-зубы Конические шестерни прилагается) в полости монтажа L₄ и смонтировать их с помощью винтов. Наконец вставьте M5 вала в отверстие вала₃ L и L₄ после того, как две ссылки выравниваются. Обеспечивать построен в структурах приводные шестерни на матчи₄ L с длиной редуктор 20 зубов.
3. Вставьте конец эффекторных в байонетном больших конических снастей и вертикально положение конца эффекторных с конца эффекторных воротник болтами на него.

Результаты

После протокола результирующая система является робот манипулятор с пяти специально формы ссылки (L₀ L₄) и пять отвернутым суставов (₁ J J₅) для перемещения, холдинг и локально наклона США зонд (рис. 8). Совместное Топ вращения (J-₁...

Обсуждение

В отличие от многих других промышленных роботов, которые были переведены на медицинских приложений предлагаемых робот манипулятор, описано в протоколе был специально разработан для США экзамены согласно клиническим требованиям для диапазона движения, применение силы и управления бе...

Материалы

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