Narin Doku Manipülasyon için Özelleştirilebilir Yumuşak Robotik Pnömatik Tutucu Cihazlar Rod tabanlı Fabrikasyon

Özet

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.

Özet

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.

Giriş

Yumuşak robotlar robotik toplum içinde büyük bir araştırma ilgi uyandırmıştır ve böyle yapılandırılmamış ortamlarda ¹ ve ² tutmasında dalgalı hareketin gibi farklı fonksiyonel görevler kullanılmaktadır. Esas olarak yumuşak elastomerik malzemelerden oluşur ve bu, bellekli alaşımdan (SMA) şekil elektro polimer (DAP), ya da basınçlı akışkan ³ farklı malzemelerin kullanımı ile farklı uyarı teknikleri ile kontrol edilir. elektrostatik kuvvetler aktif suşlar üretmek ve böylelikle harekete geçirilmesini üretir için uyaran bir diferansiyel gerilimine dayanan EAP'ler fonksiyonu. SMAS kendine özgü şekil hafıza etkisi sıcaklık değişikliği üzerine faz dönüşümleri sırasında kuvvet nesil dayalı istenen tahriki üretmek için konuşlanmıştır. Son olarak, sıkıştırılmış sıvı harekete tekniği yumuşak aktüatörler içinde sertlik farkı ikna etmek için basit bir tasarım stratejisi kolaylaştırır, daha uyumlu bölgeler gibi şişirmek olacakbasınçlandırma üzerine. Yumuşak robotlar özellikle hassas nesneler söz konusu uygulamalarda, geleneksel sabit robotların uygulamalarını genişletmek için tasarlanmıştır. Özellikle, bu yazıda, biz hassas cerrahi manipülasyon için yumuşak robotik tutucular geliştirme konusunda benzersiz bir yaklaşım sunuyoruz.

Cerrahi tutma gibi karaciğer, jinekolojik, ürolojik, ve sinir onarım ameliyatları ^{4, 5} gibi birçok cerrahi girişimler rol oynayan önemli bir yönüdür. Genellikle bu tür kolaylaştırmak amacıyla forseps ve laparoskopik graspers gibi sert, çelik doku kavrama araçları tarafından yapılır geleneksel kavrama araçları temas ⁶ noktalarında yumuşak dokuda yüksek stres konsantrasyon alanları neden olabilir metalden yapılmış gibi gözlem, eksizyon, anastomoz prosedürleri, vb Ancak, son derece dikkatli gereklidir. Doku zararların şiddetine bağlı olarak, ağrı gibi çeşitli komplikasyonlar, patolojik yara dokusu formation ve hatta kalıcı sakatlık, neden olabilir. Bir önceki çalışmada periferik sinir cerrahisinde komplikasyon oranı% 3 ⁷ olduğunu bildirdi. Bu nedenle, güvenli uyumlu tutuş sağlayan yumuşak kavrama kavramı narin cerrahi manipülasyon için umut verici bir aday olabilir.

Burada, 3D baskı ve özelleştirilebilir esnek robot pnömatik tutucular imal etmek için, bir çubuk bazlı yaklaşım benimsemiştir modifiye yumuşak litografi teknikleri, bir arada sunuyoruz. Sıkıştırılmış sıvı harekete dayalı yumuşak robotların geleneksel üretim tekniği kanalları ⁸ mühür o ve bir sızdırmazlık süreci üzerine basılmış pnömatik kanallı bir kalıp gerektirir. Ancak, kanal tıkanıklığı kolayca mühürleme işlemi gerçekleşebilir küçük pnömatik kanalları ihtiyaç minyatür yumuşak robotlar için mümkün değildir. Geleneksel tekniği için kaplanmış bir tabaka bağlanması ile yapılabilir pnömatik kanal sızdırmazlık gerektirir. Bu nedenle, Labir bağlama katmanı minik kanallar içine dökmek ve bu kanalları tıkayabilir başlangıçta hizmet veren elastomer malzemenin Yer. Yapının ortasına pnömatik kanal konum ve geleneksel teknikler kullanılarak bir bölme bileşeni bağlamak da mümkün değildir. Önerilen yöntem, bir hava ile dolu odacığı kullanılarak çubuklara bağlanmış minyatür pnömatik kanal oluşturulmasını sağlar ve küçük kanalların sızdırmazlık gerektirmez. Buna ek olarak, pnömatik kanallarına bağlı olan odacık sıkıştırılmış sıvı çalıştırılması için dış hava kaynağı gerektirmeyen bir hava kaynağı olarak hizmet etmektedir. Bu kılavuzunu ve böylece kullanıcılara kıskaç ile başvuran bu kuvvet miktarını kontrol seçeneği sağlayan, sürükleyici bileşeni harekete geçirmek için bölme sıkıştırma kolaylaştırarak robotik kontrol modları sağlar. Bu yaklaşım, son derece özelleştirilebilir ve bu tip bir tekli ya da Mu sahip kıskaçlar gibi yumuşak kıskaç tasarımlarında çeşitli imal etmek için de kullanılabilirhareketlendirilebilen kollarını ltiple.

Protokol

Not: Pnömatik kanallarına bağlı olan odacık bileşenini kalıplamak, gömülü pnömatik kanalları kavrayıcı kol bileşenleri kalıplama: tüm yumuşak pnömatik tutucu üç adım içeren bir imalat işlemi ve ardından özel bir 3D basılmış kalıplar içine silikon bazlı elastomerik karışımlar, döküm ile imal edilmiştir ve hava ile dolu bölme bileşeni mühürleme.

Elastomerler 1. Hazırlık

1. Bir tartı ölçekte karıştırıcı bir kap koyunuz ve dara. Bölüm A dökün ve bir 1 kap içinde silikon bazlı elastomerin B: 1 ağırlık oranında.
2. konteyner kapağı ve toplam ağırlığını ölçün.
3. Bir santrifüj mikser içine konteyner ve malzeme yerleştirin. Adım 1.2 ölçülen ağırlık mikserde ağırlık dengesini ayarlayın.
4. 30 saniye için, sırasıyla 2000 rpm ve 2.200 rpm karıştırma ve hava alma modu ayarlayın. üniforma kürlenme elde etmek için iyice elastomer parçaları karıştırın.

le "> 2. Kalıp Tasarımı ve Üretimi

Not: kalıp geometrisi farklı uygulamalar için özel gereksinimlerine bağlı olarak değişecektir. Aşağıdaki adımlar kalıp odası ve tutucu bileşeni oluşturmak için gerekli olan CAD yazılımı genel anahtar adımları göstermektedir.

1. bilgisayar destekli tasarım (CAD) yazılımı kullanılarak kalıp ve sızdırmazlık kalıp tasarlayın. Bu yazıda kullanılan kalıpların geometrisi ve özel boyutlar için Bkz: Şekil 1.
   1. dış sınır kutu tasarımı
      1. Üst düzlem üzerinde sağ tıklayın ve üst düzleme normalleştirmek için düğmeye "Normal" seçeneğini tıklayın.
      2. Bir "Sketch" penceresini açmak için sol üst köşedeki "Kroki" üzerine tıklayın. Ardından, bölme bileşeninin bir dikdörtgen taban çizmek için araç çubuğunun sol üst köşesindeki "Sketch" butonuna tıklayın.
      3. sk tanımlamak için, "Sketch" düğmesinin yanında bulunan "Akıllı Boyut" özelliği, üzerine tıklayınetch boyutlar. Kroki tam olarak tanımlanmış (yani, tüm çizim çizgilerde siyah olmak) ve bittiğinde kroki çıkmak olduğundan emin olun.
      4. "Özellikler" penceresinde tıklayın. Ardından, Y-yönünde seçilen konturları a'ya "Ekstrüde Patron / Base" özelliği tıklayın.
      5. kroki uçağı önceden seçmek için modelin üst yüzeyi üzerine tıklayın. Bir dikdörtgen çizin ve 2.1.1.2 ve 2.1.1.3'de açıklandığı gibi boyutlarını tanımlar.
      6. "Özellikler" penceresinde tıklayın. Sonra, elastomerler (Şekil 2A) dökümü için bir boşluk kesti a'ya "Ekstrüde Cut" özelliği tıklayın. Duvar kalınlığı 2,5 mm olduğundan emin olun.
   2. iç odasının tasarımı
      1. Açılış alanının Y-yönünde yüzeyde sağ tıklayın. Sonra, o yüzeye normalleştirmek "için Normal" seçeneğini tıklayın.
      2. adımlarda 2.1.1.2 ve tarif edildiği gibi Sonraki, oda bileşeni için bir dikdörtgen çizmek için "Sketch" penceresinde tıklayın2.1.1.3.
      3. "Özellikler" penceresinde tıklayın. Ardından, Y-yönünde (Şekil 2B) odacık bileşeni a'ya "Ekstrüde Patron / Base" özelliği tıklayın.
         Not: Adım 2.1.1.6 yılında kesim derinliği bu ekstrüde tabanı göre 2,5 mm daha büyüktür.
   3. kıskaç bileşenin Tasarım
      1. tutucu bileşeni için kroki uçağı önceden seçmek için negatif X-doğrultusunda modelin yüzeyinde tıklayın. adımlar 2.1.1.2 ve 2.1.1.3 de açıklandığı gibi "Sketch" penceresinde bir dikdörtgen oluşturun.
      2. "Özellikler" penceresinde tıklayın. Sonra, negatif X-doğrultusunda seçilen konturu a'ya "Ekstrüde Patron / Base" özelliği tıklayın.
      3. kroki uçağı önceden seçmek için kıskaç bileşenin üst yüzeyi üzerine tıklayın. Boyutları tam olarak tanımlandığı zaman adımlarda açıklanan 2.1.1.2 olarak kroki "Sketch" penceresi (Şekil 2C) içinde kıskacın bir şekil oluşturmak ve çıkınd 2.1.1.3.
      4. "Özellikler" penceresinde tıklayın. Ardından, tutucu bileşeni elastomer döküm için bir boşluğu kesmek için "Ekstrüde Cut" üzerine tıklayın. Duvar kalınlığı 2,5 mm olduğundan emin olun.
   4. odası ve kıskaç arasındaki bağlantı tasarımı
      1. 2.1.1.2 ve 2.1.1.3'de tarif edildiği gibi odası parçasının üst yüzeyi üzerinde "Çizim" penceresinde bir dikdörtgen oluşturur.
      2. "Özellikler" penceresinde tıklayın. Sonra, oda ve kavrama bileşenleri (Şekil 2B) arasında bir bağlantı oluşturmak için "Ekstrüde Cut" üzerine tıklayın.
   5. pnömatik kanalların Tasarımı
      1. adımda 2.1.1.2 ve 2.1.1.3 tarif edildiği gibi pozitif X-doğrultusunda odası parçanın yüzeyinde 1.5 mm çapında daire oluşturur.
      2. "Özellikler" penceresinde tıklayın. Ardından, filmaşin yerleştirme (Şekil 2E) için kanallar oluşturmak için "Ekstrüde Cut" üzerine tıklayın. hol sağlamakes tutucu bileşeni kesti değildir.
2. Ayrı bir CAD dosyasında kıskacın odası bileşeninin dış boyutlarından daha büyük 1 mm uzunluk ve genişliği olan bir boşluğun bir sızdırmazlık kalıp çizin. Not: duvar kalınlığı 2.5 mm dir.
   1. açıklanan adımlar 2.1.1.2 ve 2.1.1.3 olarak üst düzlemde bir dikdörtgen oluşturmak için "Sketch" penceresinde tıklayın.
   2. "Özellikler" penceresinde tıklayın. Ardından, Y-yönünde seçilen konturları a'ya "Ekstrüde Patron / Base" özelliği tıklayın.
   3. kroki uçağı önceden seçmek için modelin üst yüzünde tıklayın. Bir dikdörtgen çizin ve adım 2.1.1.2 ve 2.1.1.3) 'de açıklandığı gibi boyutlarını tanımlar.
   4. "Özellikler" penceresinde tıklayın. Ardından, elastomer döküm için bir boşluğu kesip a'ya "Ekstrüde Cut" özelliği tıklayın. Duvar kalınlığı 2,5 mm olduğundan emin olun.
3. 3D baskı için bir .STL dosyası olarak her kalıp parçası kaydedin.
4. 30 mikron çözünürlükte 3D yazıcıya .STL dosyasını yükleyin ve kalıp parçaları ⁹ yazdırın.
5. kalıp parçaları üzerinde herhangi bir destek malzemesini çıkarın ve su ile kalıp parçaları yıkayın.

3. Yumuşak Tek / Çift çalıştırılabilen Kol Pnömatik Gripperler

1. Gömülü pnömatik kanalları ile kavrayıcı kol bileşenleri kalıp
   1. Buna bağlı pnömatik kanalları kapalı bir bölmeyi oluşturmak için sol ve oda bileşen (Şekil 3A) sağ tarafında iki 3B baskılı odası-blok yerleştirin.
   2. Pnömatik kanalları (Şekil 3A) oluşturmak için kıskaç ipuçları 2 mm mesafe tutarak, haznesinden iki adet 1,5 mm çaplı titanyum tel çubuklar yerleştirin. Not: Tek çalıştırılabilen-kol kıskaç için bir filmaşin kullanın.
   3. tamamen tutucu bileşeni doldurmak için kalıp içine elastomer karışımı dökün.
   4. hiçbir görünür hava kabarcığı mevcut olduğundan emin olun.
   5. Plac10 dakika boyunca 60 ° C 'de kür için fırına e kalıp. elastomer tedavi edildikten sonra, fırından kalıp çıkarmak.
2. pnömatik kanallara bağlı döküm haznesi bileşeni
   1. kalıptan dışarı filmaşin ve iki odacıklı-blok çekin.
   2. Bölmeyi (Şekil 3B) oluşturmak için kancalı komponentin üzerine 3D-baskılı kavrayıcı-blok yerleştirin. kalıp duvar deliklerini tel çubuklar yerleştirin.
   3. kamara bileşeninin kalan kısmını doldurmak ve kalıp içinde sıkışıp hiçbir görünür hava kabarcığı olmadığından emin olmak için kalıp içine elastomer karışımı dökün.
   4. 10 dakika süre ile 60 ° C arasında bir sıcaklıkta bir kısmını Cure. elastomer kürünü kez fırından kalıp çıkarmak.
   5. kıskaç-blok çıkarın ve oda yapısı ile tamamen tedavi kıskacı çıkarılmasına.
3. hava ile dolu bölme bileşeni Sızdırmazlık
   1. sızdırmazlık kalıp içine elastomer karışımı dökün ve10 dakika boyunca 60 ° C 'de tedavi.
   2. tabaka sızdırmazlık tedavi 2.5 mm bir elastomerik madde tabakası fırça. Kaplanmış bir tabakanın üzerine odası yapısı ile tedavi tutucu yerleştirin ve birlikte (Şekil 3C), iki adet bağ.
   3. Daha sonra, 15 dakika boyunca 60 ° C'de tam olarak tüm yapıyı tedavi.
   4. tam kürünü yumuşak robot tutucu cihaz Çekiç yerine.

Taşıma Aracı içine Yumuşak Robotik Pnömatik Tutucu Cihaz 4. yerleştirilmesi

1. CAD yazılımı kullanarak Ltd. dosyasında 1 de tarif edildiği gibi işleme araçları Tasarım ve .STL dosyasına kaydedebilirsiniz. Araçları boyutları için Şekil 4 ve 5 Bkz.
2. 3D yazıcıya .STL dosyasını yükleyin ve kalıp parçaları ⁹ yazdırın.
   Not: manuel kontrol taşıma aracı, dikdörtgen kap ve hareketli piston (Şekil 4) Tüm baskı adımlar 3 saat 48 dakika içinde tamamlanabilir. PR(Şekil 5) aracı ve dikdörtgen kap ele robotik kontrol imal edilmesi için inting süresi 1 saat 56 dakikadır. 3D yazıcı talimatta için ek dosya 2 bakın.
3. Yazdırma tamamlandığında araçları üzerinde herhangi bir destek malzemesi soyulabilir. Daha sonra, su ile araçları yıkayın.
4. Manuel kontrol taşıma aracı (Şekil 4A) içine kıskacı takın ve hareketli bir dikdörtgen kap (Şekil 4B) ile açılış alanı kapsayacak.
5. Odası sıkıştırma kolaylaştırmak için hareket edebilen bir piston (Şekil 4C) yerleştirin.
6. Robotik kontrol taşıma aracı (Şekil 5A) içine kıskacı ve lineer aktüatör yerleştirin. Not: doğrusal aktüatör odası sıkıştırma manuel kontrol modunda hareketli pistonu değiştirir.
7. Hareketli dikdörtgen kap (Şekil 5B) ile açılış alanı kapsayacak.

5. Değerlendirme ve Kavrama Basınç Testi

1. DeğerlendirmekBir tel ile kavrama testleri yaparak yumuşak kıskacın işlevselliği.
   1. Masanın üzerinde bir köprü teli yerleştirin.
   2. tel iki kıskaç kolları arasında olacak şekilde kıskacı ayarlayın.
   3. tel tutmak için mandal kolları çalıştırılması amacıyla bölme sıkıştırmak için hareketli piston hareket ettirin.
      Not: Yalnızca manuel kontrol taşıma aracı kavrama gösteri kullanılır.
   4. Tutun ve telin özgün konumundan 20 cm bulunan bir kutuya teli hareket ettirin.
2. kıskacın iki çene arasına bir kalibre kuvvet algılama direnci yerleştirin. Algılama alanında tutucu çeneleri kavrama sağlar. Not: Algılama alanı çapı 14.7 mm.
3. kuvvet algılama direncinde kavrama tutucu kolları harekete geçirmek için odasına sıkıştırın.
4. ¹⁰ anlatıldığı gibi yumuşak tek çalıştırılabilen-kol ve çift çalıştırılabilen-kol pnömatik tutucular oluşturabilir maksimum kavrama sıkıştırma kuvvetlerini ölçmek.
   Not: okuma değerleri laptop görüntülenir. maksimum kavrama basınç kuvvetleri pnömatik kanallar dayanabileceği maksimum basınç noktasında ölçülür.
5. Yumuşak çift çalıştırılabilen-kol pnömatik kavrayıcı bireysel elastomerik tutma çeneleri kesip.
6. Elastomerik kavrama çenelerinin pnömatik kanal içine forseps ipuçları takın.
7. forseps iki çene arasına bir kalibre kuvvet algılama direnci yerleştirin.
8. Bir beyin cerrahı tarafından yapılan bir simüle sinir cerrahisi sırasında elastomer kaplamalı forseps ve forseps tarafından oluşturulan basınç kuvvetleri ¹⁰ ölçün.
   Not: beyin cerrahı o normalde kuvvet algılama direnci gerçek ameliyat sırasında geçerli ne benzer bir kuvvet uygular.
9. Her testte beş çalışmalarda elde edilen verilerin ortalamasını.

Sonuçlar

Yumuşak robotik pnömatik tutucu cihazlar çapa kadar 1.2 mm boyutlarında (Şekil 6) ile nesneleri toplayıp yeteneğine idi. 1.71 ± 0.16 N ve 2.61 ± 0.22 N basınç kuvvetlerinde kıyasla maksimum kavrama basınç kuvveti tek hareketlendirilebilen-kol tarafından oluşturulan ve hareketlendirilebilen-kol çift-yumuşak kavrama cihazları, 0.79 ± 0.14 N sırasıyla 0.27 ± 0.07 N ve vardı elastomer kaplamalı forseps ve kaplanmamış forseps (Şekil 7)

Tartışmalar

Biz başarıyla elastomer kaplamalı forseps ipuçları ve forseps daha kavranan nesne üzerinde çok daha düşük sıkıştırma kuvvetlerini sarf nesnelerin uyumlu kavrama izin yumuşak robotik pnömatik tutucu cihazlar, uygulanan olduğunu ortaya koymuştur. Forseps periferik sinir onarım sırasında sinirler manipülasyon için gerekli bir araç ^{11, 12} ameliyatları olduğunu. Ancak, metalik yapısı aşırı kavrama güçleri ve çevre dokulara arızi hasarlara yol açtığı sinir hasarı önlemek iç...

Malzemeler

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)