Tasarım ve ekstra cismani ultrason için ısmarlama bir robot manipülatör

Özet

Bu kağıt tasarım ve ekstra cismani ultrasonografi için ısmarlama bir robot manipülatör uygulanması tanıtır. Sistem ile 3D baskı ve emniyet yönetimi için mekanik bir debriyaj tarafından yapılan hafif eklem özgürlük beş derece vardır.

Özet

Yüksek hassasiyetli, el becerisi ve tekrarlanabilirlik potansiyeli ile kendi kendine izlenen bir robotik sistem gerçek zamanlı ultrason edinimi yardımcı olmak için istihdam edilebilir. Ancak, sınırlı sayıda ekstra cismani ultrason için tasarlanan robot başarıyla klinik kullanıma çevrilmiş. Bu çalışmada, hafif ve küçük bir ayak izi vardır ekstra cismani ultrason muayenesi için ısmarlama bir robot manipülatör oluşturmak hedefliyoruz. Robot beş özel olarak şekillendirilmiş bağlantıları ve hareket gereksiz serbestlik ile hasta güvenliğini sağlamak için gerekli aralığı kapsayacak şekilde sonda manipülasyon için ısmarlama ortak mekanizmaları tarafından oluşturulur. Mekanik emniyet hastalara uygulanan kuvvet sınırlamak için bir debriyaj mekanizmalı vurgulanmaktadır. Tasarım, bir sonucu olarak manipülatör toplam ağırlığı 2 kg daha az ve manipülatör uzunluğu yaklaşık 25 cm. Tasarımı hayata geçirdi ve simülasyon, hayalet ve gönüllü çalışmalar gerçekleştirdik, hareket, ince ayar, mekanik ve debriyaj güvenli çalışma yapma yeteneğini aralığını doğrulamak için. Bu kağıt tasarım ve ısmarlama robot ultrason manipülatör uygulanması resimli tasarım ve montaj yöntemleri ile detayları. Test sonuçları sistem kullanarak klinik deneyimi ve tasarım özellikleri göstermek için sunulmuştur. Geçerli önerilen robot manipülatör ekstra cismani ultrasonografi için ısmarlama bir sistem olarak bu gereksinimleri karşılıyorsa ve klinik kullanıma çevrilmesi gereken büyük bir potansiyele sahip sonucuna varılmıştır.

Giriş

Bir ekstra cismani robot ultrason (ABD) sistemi içinde bir robotik sistem tutun ve bir ABD sonda kalp, damar, obstetrik ve genel karın görüntüleme^{1 dahil olmak üzere dış muayene için işlemek için kullanılan yapılandırma gösterir} . Robotik sistem kullanımı motive tarafından el ile tutarak ve bir ABD sonda, örneğin, klinik görüntüleme protokoller ve tekrarlayan gerilme yaralanması^{2, riski için gerekli standart ABD Gösterim bulma meydan düzenleme sorunları 3,4}, ve aynı zamanda bizi programları eleme ihtiyaçlarını tarafından Örneğin, sonographers yerinde^5,6olmak gereksinimini deneyimli. Farklı işlevleri ve hedef anatomileri vurgular ile birkaç robot ABD sistemleri, önceki works^1,7,8' de, gözden olarak ABD'nin farklı yönlerini geliştirmek için 1990 yılından bu yana ortaya konan muayene (Örneğin, uzun mesafe teleoperation^9,10,11,12, hem de robot operatör etkileşimi ve otomatik kontrol)^{13, 14}. tanılama amacıyla kullanılan robotik ABD sistemlerinin yanı sıra, robotik yoğun odaklı ultrason (HIFU) sistemleri için tedavi amaçlı yaygın olarak Priester vd tarafından özetlenen araştırdık ¹, en son ilerleme raporlaması bazı son işleri^15,16 .

Denetim ve klinik çalışması için nispeten güvenilir teknolojileriyle birkaç robot ABD sistemleri geliştirilmiştir rağmen sadece birkaç tanesi başarıyla piyasada bulunan tele-ultrason sistemi gibi klinik kullanıma çevrilmiş ¹⁷. olası bir nedeni olduğunu kabul hasta ve sonographers açıdan bir klinik ortamda çalışma büyük boyutlu endüstriyel görünümlü robotlar için düşük düzeyde. Ayrıca, emniyet yönetimi için izlemek ve kuvvet pasif sınırlamak için daha temel mekanik emniyet mekanizmaları genellikle kullanılabilir değil ABD sonda uygulanan basınç kontrol için kuvvet sensörleri mevcut ABD robotlar çoğunluğu güveniyor . Bu aynı zamanda robot operasyon Emanet elektrik sistemleri ve yazılım mantık tamamen bağımlı olacak gibi klinik kullanıma çevirirken endişeleri neden olabilir.

3D son gelişmeler ile baskı teknikleri, özel ısmarlama ortak mekanizmaları ile plastik bağlantılar şeklinde gelişen ısmarlama tıbbi robotlar için yeni bir fırsat sağlayabilir. Özenle tasarlanmış hafif bileşenleri bir kompakt görünüm ile klinik kabul artırabilirsiniz. Özellikle ABD muayene, klinik kullanıma tercüme ediliyor amaçlı bir ısmarlama tıbbi robot kompakt, yeterli serbestlik (DOFs) ve bölge taraması ilgi karşılamak için hareket aralığını olmalıdır; Örneğin, karın yüzey, göbek kenarlarına ve üst de dahil olmak üzere. Ayrıca, robot da yetenek ABD görünümü elde etmek için yerel bir bölgede ABD inceleyebilirsek ince ayar yapmak birleştirmek gerektiğini. Bu genellikle sonda olarak Essomba vd tarafından önerilen belirli bir Aralık içindeki devirme hareketleri içerir ¹⁸ ve Bassit¹⁹. Daha fazla güvenlik endişelerini gidermek için sistem elektrik sistemleri ve yazılım mantık bağımsız olan pasif mekanik emniyet özellikleri olmalıdır bekleniyor.

Bu yazıda, biz ekstra cismani bir robot ABD sistemi oluşturan anahtar bileşen kullanılan bir 5-DOF becerikli robot manipülatör, detaylı tasarım ve montaj yöntemi mevcut. Manipülatör çeşitli hafif 3D yazdırılabilir bağlantılar, özel yapım ortak mekanizmaları ve yerleşik güvenli debriyaj oluşur. DOFs belirli düzenleme sonda ayarlamaları, kolay ve güvenli işlemleri küçük bir alanda hasta ile çarpışma olmadan izin için tam esneklik sağlar. Hasta ile temas halinde olup ana bileşeni sadece ABD tarama gerçekleştirmek için tam etkin DOFs ile tam bir ABD robot oluşturmak için herhangi bir geleneksel 3-DOF küresel konumlandırma bir mekanizma için bağlı olarak çalışmak için önerilen multi-DOF manipülatör amaçlamaktadır.

Protokol

1. hazırlık her bağlantının sonu-efektör ve ek bileşenler

1. (L₀, L₁, L₂, L₃ve L₄) tüm bağlantıları ve bitiş efektör Akrilonitril bütadien stiren (ABS) plastik, polylactic asit (PLA) plastik veya naylon, 3D baskı kullanarak Şekil 1' de gösterildiği gibi Yazdır Servisi. Kullanım. Yazdırma sırasında Ek materyalleri sağlanan STL dosyaları.
   Not: Şekli ve ölçek her bölümü değişiklikleri sağlanan dosyalar üzerinde temel alınarak yapılabilir. Sonunda efektör iç profil farklı ABD probları uyacak şekilde değiştirilebilir.
2. Tüm gerekli ek bileşenleri bir 3D baskı servisi kullanarak naylon, Şekil 2 ' de gösterildiği gibi yazdırın. Malzemeler tablo için her bileşen gerekli sayıda bakın. Kullanım. Yazdırma sırasında Ek materyalleri sağlanan STL dosyaları.
3. Baskılı Plastik parçalar gerekirse araçları parlatma ile Lehçe. 3D Basım--dan sol herhangi bir destekleyici malzemeler kaldırın.
   Not: Bazı yapıları sağlanan son-efektör tasarım rapor burada protokolünün bir parçası değil bir kuvvet sensör için ve derleme için kullanılmaz. Kuvvet sensör tasarım konsepti içinde önceki iş²⁰bildirilmiştir; Bu nedenle, bu yazıda dışındadır.

2. müşterek 1 Meclisi

Not: resim 3ortak 1 (J₁) Meclisi dayalı.

1. Yer dört küçük, sonsuz vidalı Step motorlar (20-dişli teşvik bağlı vites) L₀ montaj boşluklar içine ve onları vida ile monte edin.
2. İki 37 mm OD yatakları L₀ yatak odalar yerleştirin ve üzerine altı köşe anahtar L₁120-diş mahmuz dişli (tür A) güvenli.
3. Çıkıntı yapan, dişli tahrik mili delik dört küçük sürüş teşvik ve büyük, L₀ L₁ üzerinde mil yerleştirin ve güvenli ve şaft mili yaka araya.

3. ortak 2 Meclisi

Not: Ortak 2 (J₂) Meclisi Şekil 4üzerinde temel alır.

1. Yer dört küçük, sonsuz vidalı Step motorlar (20-dişli teşvik bağlı vites) L₁ montaj boşluklar içine ve onları vida ile monte edin.
2. İki 37 mm OD yatakları ve onlara L₁, 120-diş spur gear (B tipi) ile 20-diş mahmuz gears ile nişanlı dişli boşluklar üzerinde motorlar monte konum iki 120-diş mahmuz vites (B tipi) ekleyin. Gevşetin ve motor iki 120-diş B tipi spur gear kolay konumlandırma izin vermek gerekirse yeniden sıkın.
3. L₁ ve L₂ hizalayın ve rulman ve top-bahar çiftleri L₂debriyaj deliklere yerleştirin. Hizalama ve bahar önyükleme için debriyaj mekanizma içine iterek iki yuvarlak debriyaj kapakları ile bir M6 civata L₁ ve L₂delikler yerleştirin.
4. Derlemenin diğer tarafa döndür ve 3.3 adımlarda bu taraf için tekrarlayın. Derleme bir somun M6 civata takılarak emniyete alın.

4. ortak 3 Meclisi

Not: Ortak 3 (J₃) Meclisi Şekil 5üzerinde temel alır.

1. Koyun iki küçük, sonsuz vidalı Step motorlar (20-dişli teşvik bağlı vites) L₂ montaj boşluklar içine ve onları vida ile monte edin.
2. 120-diş spur gear (C tipi) taşıyan gövde içine taşıyan 37 mm OD yerleştirin ve L₃yatak gövde içine taşıyan 32 mm OD yerleştirin.
3. Büyük spur gear L₃ altı köşe anahtar deliği güvenli (ek vida kullanılabilir gerekirse) ve büyük spur gear ve L₃, küçük ve büyük çıkıntı yapan gears ile delikler mili L₂ üzerine yerleştirin.

5. ortak 4 sürüş mekanizması Meclisi

Not: Şekil 6' da derleme ortak 4 (J₄) temel alır.

1. İki küçük, sonsuz vidalı Step motorlar L₃ montaj boşluklar yerleştirin ve onları vida ile monte. 8 mm OD yatakları L₄yatak odalar yerleştirin.
2. 20-diş uzun spur gear iki küçük Step motorlar üzerine monte.

6. ortak 4 ve ortak 5 Tahrik mekanizmasının Meclisi

Not: Ortak 4 (J₄) Meclisi Şekil 6 ' da temel ve ortak 5 (J₅) Şekil 7üzerinde temel alır.

1. Tahrik 144 diş Konik dişli L₄ekstrüzyon üzerine getirin.
2. Koyun iki küçük, sonsuz vidalı Step motorlar (18-diş ile bağlı konik) L₄ montaj boşluklar içine ve onları vida ile monte edin. Son olarak, iki Golf Sahası hizalanır sonra M5 şaftı L₃ ve L₄ şaft deliğe yerleştirin. L₄ maçlar 20 diş uzun teşvik dişli ile tahrik dişli yapılarda inşa emin olun.
3. Sonunda efektör büyük konik dişli anahtar yolu ekleme ve dikey olarak üzerine vidalı sonu-efektör yakalı son efektör yerleştirme.

Sonuçlar

, Ortaya çıkan sistem robot bir manipülatör beş özel olarak şekillendirilmiş bağlantıları (L₀ L₄) ve beş revolute eklem (J-₁ J₅) ile taşıma, holding ve yerel olarak bir ABD sonda (Şekil 8) devirme protokoldür. En iyi dönüş ortak (J₁), dört motors tarafından tahrik dişli mekanizmaları ile döndürebilirsiniz 360 ° tarama alanının üst, alt ve yan karın gibi farklı açılardan do...

Tartışmalar

Tıbbi uygulamalar tercüme edilmiş birçok diğer endüstriyel robotlar, iletişim kuralında tanımlanan önerilen robot manipülatör özellikle ABD sınavları hareket aralığını klinik gereksinimlerine göre tasarlanmıştır, kuvvet ve emniyet yönetimi uygulaması. Hafif robot manipülatör kendisi hareketlerin çoğu ekstra cismani ABD, küresel konumlandırma mekanizması büyük hareketleri için gerek kalmadan taramak için yeterli geniş bir alanı vardır. Hastaya en yakın mekanik yapı, önerilen bağl...

Malzemeler

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