Tasarım ve Yumuşak Modüler Robotlar için bir Elastomerik Birimi Fabrikasyon Minimal İnvaziv Cerrahi

Özet

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.

Özet

Son yıllarda, yumuşak robotik teknolojileri nedeniyle yapılandırılmamış ortamlarda kendi kendinden güvenli etkileşime tıp alanında artan ilgi uyandırmıştır. Aynı zamanda, yeni yöntem ve teknikler cerrahi operasyonlar invazivliğini azaltmak için geliştirilmiştir. Minimal İnvazif Cerrahi (MIS) başarıyla karın müdahaleler için istihdam edilmiştir, ancak standart MIS prosedürler esas klinisyenin becerisi sınırlayan sert veya yarı sert araçları dayanmaktadır. Bu kağıt MIS için yumuşak ve yüksek hünerli manipülatör sunar. Manipülatör ahtapot kolunun biyolojik yetenekleri esinlenerek ve modüler bir yaklaşımla tasarlanmıştır. Her bir modül daha modül entegre edildiğinde böylece yüksek maharet ve çok yönlülüğü elde, aynı işlevsel özelliklere sunuyor. Kağıt castin tarafından imal edilmektedir tek bir birim, gelişimi için gerekli tasarım, imalat süreci ve malzemeleri ayrıntılarıBelirli bir kalıp içine g silikon. Sonuç uzaması ve ünitenin yönlü eğilmesine olanak üç esnek pnömatik aktüatörler içeren bir elastomerik silindir içinde oluşur. Bir dış kılıf örgülü modülünün hareketini artırır. Her bir modülün merkezinde bir zerrecik halinde sıkışma tabanlı bir mekanizma, görevleri sırasında, yapının sertliğini değişir. Testler modülü 120 ° 'ye kadar eğmek ve başlangıç ​​uzunluğunun% 66 kadar uzatmak mümkün olduğunu göstermektedir. Modül 47 N maksimum güç üretir ve onun sertliği% 36 kadar artırabilir.

Giriş

Tıp alanında son trendler, cerrahi operasyonlar invazivlik bir azalma için bastırıyorlar. Minimal İnvazif Cerrahi (MIS) başarıyla karın operasyonlar için son birkaç yıl içinde geliştirilmiştir. MIS prosedürler karın duvarının üzerine yerleştirilen dört ya da beş erişim noktası (trokar) içinden araçların kullanımına dayanmaktadır. Trokar sayısını azaltmak amacıyla, araçlar Tek Bağlantı Laparoskopi (SPL) ya da Doğal Orifis endoskopik cerrahi (NOTES) ¹ ile eklenebilir. Bu prosedürler, dış görünür izleri önlemek ancak cerrahi yürütülmesinde klinisyenler için zorluk artar. Bu sınırlamanın nedeni erişim azaltılmış puan ve önlemek veya organların ^{yaklaşık 2} geçmek mümkün değildir aletleri, sert ve yarı sert doğa esas ^3. Beceri ve hareketlilik kullanılarak geliştirilebilir eklemli ve hiper-gereksiz daha geniş ve daha karmaşık bir çalışma alanı kapsayabilir robotlar, incivücuttaki belirli bir hedef daha kolay ^{4, 5, 6,} ulaşılacak ve ⁷ gerektiğinde geri çekme sistemleri olarak çalışmaya olanak. Esnek manipülatör böylece geleneksel araçlarla daha güvenli temas, doku uyumu artırabilir.

Ancak, bu manipülatörler genellikle hedefe ulaşıldığında istikrar eksikliği ve genellikle çevredeki dokulara ^8, temas kontrol edemez ^9. Çalışmalar bu tür ahtapot kolu ¹⁰ ve fil gövde ¹¹ olarak biyolojik yapılar üzerinde, son zamanlarda tasarımını ilham Bir Özgürlük (DOFs) ait Derecelerin gereksiz sayısı ve kontrol sertlik ¹² ile esnek deforme olabilen ve uyumlu manipülatörler. Bu tip cihazların ^{13, 14, 15.} Genel olarak, yumuşak ve esnek bir malzeme ile imal edilen, yüksek kuvvetler manipülatörler üretilmesini garanti etmezler pasif yaylar, akıllı materyaller, pnömatik elemanları veya tendonların kullanmaktadır.

TO STIFF-FLOP (cerrahi işlemler için Rijitlik kontrol esnek ve Öğrenebilir manipülatör) manipülatör geçtiğimiz günlerde ahtapot yetenekleri esinlenerek NOTES ve SPL için yeni bir cerrahi aygıt olarak sunulmuştur. Önceki yumuşak manipülatörlerin sınırlamaları aşmak için, yüksek beceri, yüksek kuvvet ve kontrol sertlik ¹⁶ yanı sıra yumuşak bir gövdeye sahip.

Manipülatör mimarisi modüler yaklaşıma dayanmaktadır: birden fazla üniteye, aynı yapı ve işlevleri ile birlikte entegre edilmiştir. Tek bir birim, Şekil 1 'de gösterilmiştir. Bu çok fazlı bir imalat ile elde edilen bir elastomerik silindir üzerine dayanır. Kalıp ve döküm bileşenleri süreçlerinin montaj aşamaları (akışkan çalıştırılması için) üç boş odaları ve bir oyuk merkezi kanal ¹⁷ (konut için granül sıkışma tabanlı mekanizma ¹⁸⁾ gömülü mümkün kılmaktadır. Odalar, böylece 120 ° 'de yer almaktadırir kombine enflasyon yönlü hareket ve uzama üretir. Buna ek olarak, harici bir örgülü kılıf böylece (eğilme ve uzama) modülü harekete odası harekete etkisi optimize, basınçlı zaman akışkan odaların dışa radyal genişlemesini sınırlamak için dışarıdan yerleştirilir.

Orta kanal granüler malzeme ile doldurulmuş bir dış zar oluşan silindirik bir cihaz ev sahipliği yapmaktadır. Bir vakum basıncı uygulandığında, tüm modülü özelliklerini etkileyen bir sertleşme neden elastik özelliklerini değiştirir.

Hareket ve sertlik performansları bir hava kompresörü ve odaları ve sertleştirme kanalında vakum etkinleştirmek için bir vakum pompası harekete geçirmek için üç basınç valfleri dahil harici kurulum tarafından kontrol edilir. Sezgisel bir kullanıcı arayüzü modülü içindeki tahrik ve vakum basınçları kontrol sağlar.

Bu yazıda fabricatio detaylarıBu manipülatör ve raporlar temel hareket yetenekleri en önemli sonuçları tek modül n süreci. Cihazın modüler doğası göz önüne alındığında, imalat ve sadece tek bir modülün performans değerlendirmesi de sonuçları uzatılabilir ve iki veya daha fazla modül entegre bir çok modül manipülatör temel davranışlarını tahmin sağlar.

Protokol

Not: Bu protokol kanalı, tahrik boru hatları ve dış kılıf sertleşme, akışkan odaları içeren tek bir modül, fabrikasyonu aşamalarını anlatır. Aşağıdaki prosedür davlumbaz ve güvenlik nedenleriyle laboratuvar önlüğü ve eldiven giyme altında yürütülecek vardır. Daha önce belirtildiği gibi, elastomerik biriminin üretim süreci CAD yazılımı ile tasarlanmış kalıpların ardışık kullanım dayanmaktadır. Bunlar, Şekil 2'de gösterildiği ve Tablo 1 'de listelenen 13 parçadan oluşur.

Silikon 1. Hazırlık

1. A kısmının 12 g ve aynı plastik, cam veya Petri kabındaki B kısmının 12 g tartılır ve karıştırılarak, karıştırınız.
   Not: Malzeme oranlar iki bölümden oluşur, bu durumda, kullanılan özel silikon bağlı olarak değişebilir: Parça A (baz) ve kısım B (katalizörü). Bu oranı 1A kullanılır: 1B ağırlığı.
2. Karışımı içeren cam yerleştirin1 bar vakum basıncında bir gaz giderici makinesinde ed silikon malzemeler. Tüm kabarcıklar silikon malzemeden kaldırılır kadar vakum altında cam tutun. Kullanılan silikon için gaz alma işlemi yaklaşık 10 dakika sürer. Malzemeler kabarcıklarının varlığı tamamen arınmış olduğunda, makinenin içine atmosferik basınç ve geri yükleme silikon kullanabilirsiniz.

Siliconic Modülü 2. Fabrikasyon

1. Kalıp Meclisi.
   1. Sertleşme silindir ve cap_A (Şekil 3a) içine odaları üst yerleştirin.
   2. Cap_A ikinci kat etrafında kabukları kapatın.
2. İlk silikon döküm.
   1. Kapağın (Şekil 3b) kenarına monte edilmiş bir kalıbı up içinde silikon dökün.
   2. Yaklaşık 30 dakika boyunca 60 ° C'de bir fırın içinde kalıp yerleştirin.
3. Kalıp yeniden düzenlenmesi.
   1. Dış kabukları çıkarın ve cap_A (Şekil 3c).
   2. Odaları bazlar ve cap_B (Şekil 3d) içine sertleştirici silindirden silindir yerleştirin.
   3. Yukarı doğru modülünün üst yüzeyi ile kapağın (Şekil 3e) kenarları arasında 10 mm'lik bir boşluk olması için 10 mm kayar, modül üzerine yeniden kabukları kapatın.
4. İkinci silikon döküm.
   1. Üst tarafı (yani, aynı zamanda sertleştirme silindir kadar) (Şekil 3f) kapsüllerinin kenarına yeniden düzenlenmiş kalıp up içinde silikon dökün.
   2. Yaklaşık 30 dakika boyunca 60 ° C'da bir fırın içine kalıp koyun.
   3. Dış kabukları, cap_B ve (sertleştirme silindir hariç) odaları (Şekil 3g) sökün.

Tüpler 3. Yerleştirme

1. Aynı istenilen uzunluğa (örneğin 300 mm) 3 tüpleri kesin.
2. Ob olmadan 10 mm, her borunun bir ucu etrafında siliconic tutkal koyuntüpler Structuring.
3. Siliconic birimi (Şekil 3h) kanalları adanmış 2 mm iç tüpler yerleştirin.
4. Oda sıcaklığında 12 dakikalık bir vulkanizasyon süresi izin verir ya da daha yüksek bir sıcaklıkta bir fırın içine modülü koymak - Kurutma işlemini hızlandırmak için (50 ° 60 °).

Kıvrımlı Örgülü Kılıf 4. Fabrikasyon

1. Genişletilebilir örgülü kılıf (modülün yaklaşık 15 kat yükseklik) 700 mm kesin.
2. Çapı 30 mm ve kabuğun içinde uzunluğu 250 mm metal silindir yerleştirin.
3. Aşağı doğru itin ve kıvrımın yaratmak amacıyla, silindir üzerinde kaydırarak kılıfı zorlar.
4. Bir kalıcı deformasyon elde edilene kadar mekanik 2-3 dakika boyunca 350 ° C'de bir ısıtma tabancası ile bir kelepçe ve ısı ile yerine kılıf düzeltin.
5. Kılıf soğumasını ve iç silindir kaldırmak edelim.

Dış Kılıf 5. Entegrasyon

1. Geçcap_C deliklerinden borular.
2. Cap_C içine silikon 3 g dökün.
3. Çalışma düzlemi daha yüksek bir desteğe cap_C sıkıştırın.
4. Daha önce cap_C halinde imal modülün alt tarafı yerleştirin.
5. Modül etrafında kıvrılmış kılıfı kaydırın.
6. Cap_C içinde kılıfın ilk kıvrımın itin ve yeni dökülmüş silikon (Şekil 3i) içine batırın.
7. Yaklaşık 20 dakika boyunca 60 ° C'da bir fırın içine kalıp koyun.
8. Cap_D (Şekil 3j) kullanılarak, üst tarafında kılıf düzeltmek için noktadan 5,1-5,6 aynı işlemi tekrarlayın.
9. Cap_C ve cap_D çıkarın.
10. Merkezi silindir (Şekil 3k) sökün.

Granül Karıştırma Membran 6. Fabrikasyon

1. Plastik bardak sıvı lateks 5 g dökün.
2. Yüzey kadar sıvı lateks içindeki membran (Şekil 2'de gösterildiği gibi, son parça) için silindir daldırıntamamen kaplıdır.
3. 20 dakika boyunca bir başlık altında kurumaya bırakın.
4. Tekrarlayın noktalar 6.2 ve 6.3.
5. Kalıptan membran çıkarın.

Granül Karıştırma Membran 7. Yerleştirme

1. Bir boru arzu edilen uzunlukta (çapı 2 mm) (örneğin, 300 mm) kesin.
2. Yaklaşık 100 mm naylon ² dokusunun bir kare parça kesin ve bir plastik film ya da parafın yapıştırıcı kullanarak bu doku ile tüpün bir ucunu kapatmak.
3. Kahve tozunun 4 g tartılır ve bir membran doldurun.
4. Dolu zarının içindeki tüp (filtreli sonu) yerleştirin ve bir plastik parafin film kullanarak tüp etrafında sabitleyin.
5. Tüp (membran sert olur) diğer tarafta bir vakum uygulayın.
6. Siliconic modülü (Şekil 3L) boş, merkezi kanal içinde membran yerleştirin.
7. Silikon modülüne sertleştirme zar uçlarını Tutkal.
8. Üst etrafında halkalar kapatınmodülü (Şekil 3m) yan.
9. Yüzey düzeltme amacıyla halkalar halinde silikonun 2 g dökün.
10. Kaputun altında ya da 60 ° 'de bir fırında silikon kurumasını bekleyin.
11. Halkalarını çıkartın.
12. Noktaları alt tarafı için 7.11 ile 7.8 (Şekil 3n) tekrarlayın.

Sonuçlar

Protokolde tanımlanan imalat, çeşitli fazlar Şekil 3 'de gösterilmiştir.

Tekniğin etkililiğini ve son prototip sonuçlarını değerlendirmek için, modül farklı çalışma koşullarında test edilmiştir. Harici kurulum harekete ve modülün sertlik hem kontrolünü sağlar. Üç vana aktive bir hava kompresör içerir. Bu odalar entegre siliconic tüplere bağlanmış ve basınçlanması sağlandı edilir. Bir vakum pompası modülü sertliği kontrolü için...

Tartışmalar

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...

Malzemeler

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