Bioengineering

디자인과 소프트 모듈 형 로봇의 탄성 장치의 제작 최소 침습 수술

Published: November 14, 2015 doi: 10.3791/53118

Iris De Falco¹, Giada Gerboni¹, Matteo Cianchetti¹, Arianna Menciassi¹

¹The BioRobotics Institute, Scuola Superiore Sant'Anna

Abstract

최근, 소프트 로보틱스 기술 인해 구조적 환경에서의 상호 작용에 본질적으로 안전한 의료 분야에 대한 관심이 증가 자극했다. 동시에, 새로운 절차 및 기법은 외과 수술의 침윤을 감소시키기 위해 개발되었다. 최소 침습 수술 (MIS)를 성공적으로 복부 개입 이용되고있다, 그러나 표준 MIS 절차는 주로 임상의 손재주를 제한 강성 또는 반 강성 도구에 기초한다. 이 논문은 MIS에 대한 소프트와 높은 손재주가 조작을 제공합니다. 조작은 문어 암의 생물학적 기능에 의해 영감을했다, 그리고 모듈 식 접근 방식으로 설계되어 있습니다. 각 모듈은 더 모듈이 통합 될 때, 따라서 높은 민첩성과 다양성을 달성, 같은 기능적 특성을 제공한다. 용지 CASTIN 의해 제조되는 단일 유닛의 개발에 필요한 디자인, 제조 공정 및 재료를 자세히특정 금형 내부에 들어 실리콘. 결과는 신장과 유닛의 전 방향 절곡을 가능하게 세가요 공압 액추에이터를 포함하는 탄성 실린더로 구성된다. 외부 편조 피복은 모듈의 동작을 개선한다. 각각의 모듈의 중심에 입상 재밍 기반 메카니즘은 태스크 중 구조의 강성이 변한다. 테스트 모듈이 120 °까지 구부러 초기 길이의 66 %까지 신장 할 수 있다는 것을 입증한다. 모듈 (47)은 N의 최대 힘을 생성하고, 그 강도는 36 %까지 증가 할 수있다.

Introduction

의료 분야의 최근 경향은 외과 수술의 침입의 감소를 추진하고있다. 최소 침습 수술 (MIS)를 성공적으로 복부 작업 지난 몇 년 동안 개선되었다. MIS 절차는 복벽에 배치 네다섯 액세스 포인트 (트로 카를)를 통해 유입 도구의 사용에 기초한다. 트로 카를의 수를 줄이기 위해,기구는 싱글 포트 복강경 (SPL) 또는 자연 오리피스 트랜스 루미 내시경 수술 (참고) ^(1)에 의해 삽입 될 수있다. 이러한 절차는 외부의 눈에 보이는 흉터를 방지하지만, 수술을 실행에 임상의 어려움을 증가시킨다. 이러한 제한으로 인해 액세스의 감소 포인트와 피하거나 ^기관이 주변에 통과 할 수없는 악기의 경질 및 반 경질 특성으로 주로 ^3. 민첩하고 운동을하여 향상시킬 수 관절 및 하이퍼 중복 더 넓고 더 복잡한 작업 공간을 커버 할 수있는 로봇, 일우리는 신체의 특정 목표를보다 쉽게 ^{4, 5, 6에 도달} 할 필요 ⁷ 후퇴 시스템으로 작동 가능하게된다. 유연한 조작 따라서 기존의 도구로보다 안전 접촉, 조직 적합성을 향상시킬 수 있습니다.

그러나 이러한 매니퓰레이터 수시로 목표 도달 안정성이 부족하고 일반적으로 그들이 주변 조직 ^(8)과의 접촉을 제어 할 수있다 ^(9). 연구들은 문어 아암 ⁽¹⁰⁾ 및 코끼리 트렁크 ^(11)와 같은 생물학적 구조에 최근의 디자인 영감 자유 (자유도)의 학위의 중복 번호 및 제어 강성 ^(12)와, 유연한 변형 및 준수 조종. 장치의 이러한 종류의 ^{13, 14, 15.} 일반적으로, 부드럽고 유연한 소재로 제작 된 매니퓰레이터가 높은 힘의 생성을 보장하지 않습니다 수동 스프링, 스마트 재료, 공압 요소, 또는 힘줄을 사용합니다.

티그는 STIFF 플롭 (외과 수술에 대한 강성 제어 유연하고 학습 가능 조작) 조작은 최근 낙지의 기능에서 영감 노트와 SPL위한 새로운 수술 장치로 제시되었다. 이전의 소프트 매니퓰레이터의 한계를 극복하기 위해, 높은 손재주, 높은 강성 력 및 제어 ^(16)뿐만 아니라 연체있다.

조작의 아키텍처는 모듈 식 접근 방식을 기반으로 : 여러 대, 동일한 구조 및 기능과 함께 통합되어 있습니다. 단일 유닛이도 1에 도시되어있다. 이는 다상 제조하여 얻어지는 엘라스토머 실린더에 기초한다. 몰드 부품 및 주조 공정은 조립 공정 (작동 유체 용) 세 빈 챔버와 하나의 중공 중심 통로 ⁽¹⁷⁾ (수용 입상 재밍 기반기구 ^(18))을 포함 할 수 있습니다. 챔버가되도록 120 °로 배치된다IR 결합 인플레이션은 전 방향 운동과 신장을 생산하고 있습니다. 또한 외부 편조 피복 따라서 (굽힘 및 신장) 모듈 모션 챔버 작동의 효과를 최적화 할 때 가압 유체 챔버의 외측 반경 방향 팽창을 제한하기 위해 외부 적으로 배치된다.

중앙 채널은 입상 재료로 채워진 외부 막으로 구성된 원통형 장치를 수납한다. 진공 압력이인가 될 때, 모듈 전체의 특성에 영향을 경직을 초래 그 탄성 특성을 변경한다.

모션 및 강성 공연 공기 압축기와 챔버와 보강 채널에 진공을 활성화하기위한 하나의 진공 펌프를 구동하기위한 세 개의 압력 밸브를 포함하는 외부 설정에 의해 제어된다. 직관적 인 사용자 인터페이스 모듈의 내부 작동 및 진공 압력을 제어 할 수있다.

본 논문은 FABRICATIO의 자세한 사항이 조작 및 보고서 기본적인 운동 기능에 가장 중요한 결과의 하나의 모듈의 N 과정. 디바이스의 모듈 특성을 고려하여, 제조 및 단지 하나의 단일 모듈의 성능 평가는 결과가 확장 될 2 개 이상의 모듈을 통합하는 다중 모듈 매니퓰레이터의 기본적인 동작을 예측할 수있다.

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Protocol

참고 :이 프로토콜은 채널, 작동 파이프 라인 및 외부 덮개를 보강, 유체 챔버를 포함하는 단일 모듈의 제조 단계에 대해 설명합니다. 다음 절차는 흄 후드와 안전을 위해 실험실 코트와 장갑을 착용에서 실행해야합니다. 앞서 언급 한 바와 같이, 탄성 유닛의 제조 공정은 CAD 소프트웨어와 함께 설계된 금형의 연속 사용에 기초한다. 이들은도 2에 도시되고 표 1에 열거 된 13 가지로 구성된다.

실리콘 1. 준비

부품의 12g와 같은 플라스틱 유리 또는 페트리 접시에 B 부분의 12g의 무게를 교반, 그들을 함께 섞는다.
참고 : 소재 비율은 두 부분으로 구성되어,이 경우, 사용되는 특정 실리콘에 따라 달라질 수 부 (기부)와 파트 B (촉매). 그들은 비율 (1A)에 사용되는 : 1B를 무게.
믹스를 함유하는 유리를 배치1 바 진공 압력에서 탈기 시스템의 에드 실리콘 재료. 모든 거품 실리콘 물질로부터 제거 될 때까지 진공 하에서 유리 유지. 사용되는 실리콘의 경우 탈기 과정은 약 10 분 소요됩니다. 물질이 기포의 존재로부터 완전히 자유롭게되면 기계로 대기압을 복원하고 실리콘을 사용한다.

실리콘계 모듈 2. 제작

몰드 조립체.
1. 보강 실린더와 cap_A (그림 3a)에 챔버의 상부를 삽입합니다.
2. cap_A의 두 번째 층의 주위에 포탄을 닫습니다.
먼저 실리콘 주조.
1. 쉘 (도 3b)의 가장자리에 조립 된 주형 내부까지 실리콘을 붓는다.
2. 약 30 분 동안 60 ° C의 오븐에서 금형을 배치.
몰드 재 배열.
1. 외부 껍질을 제거하고 cap_A (그림 3C).
2. 챔버의 기지와 cap_B (그림 3D) 내부 보강 실린더에서 실린더를 삽입합니다.
3. 상향 모듈의 상면과 셸 (도 3E)의 에지 사이의 10mm 간격을 갖기 위해 10mm 그들 슬라이딩 모듈 주위에서 다시 껍질을 닫는다.
둘째 실리콘 주조.
1. 상부 측 (즉,도 보강 실린더까지) (도 3F)의 껍질의 가장자리까지 재 배열 금형 내부의 실리콘을 붓는다.
2. 약 30 분 동안 60 ℃에서 오븐에 금형을 넣고.
3. 외부 쉘, cap_B과 (보강 실린더 제외) 챔버 (그림 3g)를 제거합니다.

튜브 3. 삽입

같은 원하는 길이 (예 300mm) 3 튜브를 잘라.
OB 않고, 10mm 각 튜브의 일단 주위에 실리콘계 접착제를 넣어튜브 structing.
실리콘계 장치 (그림 3H)에 채널을 전용 2mm 내부에 튜브를 삽입합니다.
실온에서 12 분의 경화 시간을 허용하거나 높은 온도에서 오븐 안에 넣어 모듈 - 건조 프로세스 속도 (50 ° ~ 60 °).

곱슬 곱슬하게지지 꼰 시스 4. 제작

확장 꼰 시스 (모듈의 약 15 배 높이)의 700mm를 잘라.
직경 30mm와 외피 속에 길이 250 mm의 금속 실린더를 삽입합니다.
푸시 다운 권축를 생성하기 위하여, 실린더 위에 슬라이딩시킴으로써 강제 외피.
영구 변형이 얻어 질 때까지 기계적으로 2 ~ 3 분 동안 350 ℃에서 가열 총 클램프 및 열와 장소에 칼집을 수정합니다.
외피가 식 내부 실린더를 제거 할 수 있습니다.

외부 칼집 5. 통합

전달cap_C의 구멍을 통해 튜브.
cap_C에 실리콘 3g을 따르십시오.
작업 기준면보다 높은 지원 cap_C을 클램프.
이전 cap_C으로 제작 된 모듈의 바닥면을 넣습니다.
모듈 주위에 압착 칼집을 밀어 넣습니다.
cap_C 내부 시스의 첫 번째 크림프을 누르고 갓 쏟아 냈다 실리콘 (그림 3I)로 찍어.
약 20 분 동안 60 ℃에서 오븐에 금형을 넣고.
cap_D (그림 3J)를 사용하여, 상단 측면의 외피를 해결하기 위해 점 5.1-5.6에서 동일한 절차를 반복합니다.
cap_C 및 cap_D를 제거합니다.
중앙 실린더 (그림 3K)를 제거합니다.

세분화 된 전파 방해 멤브레인 6. 제작

플라스틱 유리에 액체 라텍스 5g을 따르십시오.
표면까지 액체 라텍스 내부 막 (도 2에 도시 된 마지막 부분)에 대한 실린더 담가완전히 덮여있다.
20 분 동안 후드가 건조 보자.
반복 포인트 6.2과 6.3.
금형에서 막을 제거합니다.

세분화 된 전파 방해 막 7. 삽입

튜브 원하는 길이 (직경 2mm)를 (예를 들어 300mm) 잘랐다.
약 100mm ² 나일론 조직의 제곱 조각을 잘라 플라스틱 파라핀 필름 또는 순간 접착제를 사용하여이 조직에 튜브의 한쪽 끝을 닫습니다.
커피 분말 4g의 무게를 측정하고, 멤브레인을 채 웁니다.
충전 막 내부 튜브 (필터 끝을) 삽입 및 플라스틱 파라핀 필름을 사용하여 튜브 주위를 고정합니다.
튜브 (막이 딱딱하게)의 반대편에 진공을 적용한다.
실리콘계 모듈 (그림 3리터)의 빈 중앙 채널 내부 멤브레인을 삽입합니다.
실리콘 모듈 보강 막의 단부를 붙인다.
상단 주위에 반지를 닫습니다모듈 (그림 3m)의 측면.
표면의 수평을하기 위해 링에 실리콘 2g을 따르십시오.
후드 아래 또는 60 °의 오븐에 실리콘 건조하자.
고리를 제거합니다.
포인트 바닥면에 대한 7.8-7.11 (그림 3N)에서 반복합니다.

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Representative Results

프로토콜에 기재된 제조의 다양한 단계는도 3에 도시되어있다.

기술의 효율성 및 최종 프로토 타입의 결과를 평가하기 위해, 모듈은 다양한 작업 조건에서 시험 하였다. 외부 설치는 작동 및 모듈의 강성을 모두 제어 할 수 있습니다. 그것은 세 가지 밸브를 활성화 공기 압축기를 포함한다. 그들은 챔버에 집적 실리콘계 튜브에 연결되고 그들의 가압을 허용한다. 진공 펌프 모듈 강성 제어 입상 재밍 막에 통합 관에 연결된다. 밸브 및 진공 펌프는 작동 압력과 진공 레벨의 값을 설정할 수 있도록하는 직관적 인 사용자 인터페이스와 연결되어 전자 기판에 접속된다.

굽힘 (그림 3)과 신장 (그림 5) 성능을 분석하려면모듈은베이스에 고정시키고, 특정 챔버의 공기 압력으로 작동 하였다. 모듈의 각 위치는 광학 및 자기 센서에 의해 인수되었다. 힘의 평가 (도 6) 및 강성 (도 7)에 대해,로드 셀은 서로 다른 방향으로 모듈의 능력을 측정 할 수 로봇 아암에 의해 이동.

굽힘 시험 (도 4)는 모듈의 활성 전방위 능력을 평가. 1 실 굽힘의 경우 하나의 챔버는 2 개의 챔버를위한 챔버가 동시에 동일한 압력으로 가압되고, 절곡하는 동안 내부 압력을 증가 작동되었다. 기준선과 모듈의 팁 라인 (도 4의 세트를 참조) 사이의 각도이다 굽힘 각도는, 압력 값에 대응하는, 모듈의 각 위치에 대하여 계산되었다. 모듈 1 챔버 BENDI의 경우 120 °까지 구부릴 수2 챔버는 굽힘 NG, 최대 80 °. 두 경우 모두에서 상당한 굽힘 챔버는 약 0.3 바에서 팽창 될 때 (모든보고 된 압력 값이 대기압과 관련된) 시작한다. 그림 4 하이라이트 플롯이이 값의 대응 곡선 증가의 기울기. 이것은 실리콘의 초기 측면 확장은 외부 시쓰에 의해 방해되는 점을 나타내고, 상기 모듈의 굽힘 용이해진다. 외피가 최대 신장 능력에 도달하기 때문에 0.55 bar 압력에서, 곡선은, 가압 챔버를 완전히 사용할 칼집을 뻗어 있고, 따라서 실리콘의 길이 방향 확장이 최대 굽힘에 해당하는 일정 값으로 제한된다 대략 일정 각도.

모든 세 개의 챔버가 동시에 동일한 압력으로 작동되는 경우도 5에 도시 된 바와 같이, 모듈로 뻗어.부터 출발50mm의 길이, 모듈은 약 66 %의 신장에 대응하는 83.3 mm에 도달. 또, 외부 덮개는 신장 기능의 급격한 증가가 약 0.3 바에서 그 효과를 표시하기 시작합니다. 신장 동안 칼집 최대 신장을 도달하지 않기 때문에 어떤 고원은 높은 압력에서 존재하지 않는다.

모듈은 하나의 챔버는 세 개의 챔버 (도 6)를 부풀려 47.1 N, 최대 작동 될 때, 24.1 N으로부터 힘을 생성 할 수있다.

보강 채널 1 바 진공 압력 (절대)의 활성화는 Y, X의 굴곡 90 °에서 나머지 조건에서 36 %, 19.6 %, 12.4 %와 17.2 %의 (그림 7) 모듈의 강성의 증가를 보여줍니다 각각 Z 방향.

제시된 프로토콜은 다양한 변형과 쉽게 단일 연질 부와, 생성, 동일한 절차가하기 위해 제작 될 수 있도록 모듈멀티 모듈 조작을 만듭니다. 매니퓰레이터에 대한 가능한 해결책은 공압 작동이 파이프 라인에 의해 모듈에 공급되는 두개 이상의 모듈을 통합하는 것이다. 가동 관 직접 제 모듈을 작동 및 모듈 통합 ^{20, 21} 예비 작업에서 입증 된 바와 같이, 다른 파이프, 다음 모듈의 챔버를 가압이 모듈의 챔버를 통과 할 수있다.이 경우, 몰드의 조각이다 삽입 관을 통과시키기위한 두 개의 실린더, 상단과 하단의 하나 하나를,이 챔버를 제외하고 동일.

그림 1
도 모듈의 매니퓰레이터 및 CAD 1. 개념. 매니퓰레이터는 다중 모듈 접근 방식에 기초한다. 하나의 부 유체 액츄에이터는 세 번 중심 통로 하우징 입상 재밍 매립 소프트 실린더 세 PI로 구성된다PES는 모듈 동작을 향상시키기 위해 압력 및 외부 편조 피복을 제공한다.

그림 2
제조 공정도 2 주형 부재. 13 개 전체 실리콘 붓고되는 금형을 조립하는 커스텀 라텍스 막을 제조하는데 사용된다.

그림 3
도 3 제조 단계의 CAD. 챔버의 삽입 및 cap_A로 보강 실린더 (a) 제 실리콘 주조 (b), 셸 및 cap_C (c) cap_B 도입 (d), 포탄의 재배치의 제거 (E) 제 실리콘 주조 (F), 껍질 제거 cap_B 및 챔버 (g), 삽입튜브 (H), 하단 측의 고 정부 (I)의 상부 측 (J)에 그 고정 용 cap_D의 삽입 및 시스, cap_D 제거 및 보강 실린더 (K), 삽입 cap_C의 삽입 및 시스 세분화 된 재밍 막 (L)의 모듈 (M), 최종 모듈 (N)의 주위에 반 반지의 폐쇄.

그림 4. 굽힘 시험. 모듈을 하나의 챔버가 작동 (파란 선)와 두 개의 챔버가 작동된다 (핑크 라인)의 행동. 굽힘 각도는 세트에서 모듈에 표시됩니다. 모듈을 작동에 사용 압력 범위는 0.05의 단계를 0.65 바에 0 바에서 이동합니다. 모듈의 각 위치에 대하여, 굽힘 각도를 산출 하였다. 이 수치는 ^{[19]에서 인용되었다.}

그림 5. 연신율 시험. 신장 동안 모듈의 동작. 세 챔버가 동시에 동일한 압력으로 작동된다. 압력 범위는 0 바에서 0.65 막대로 이동합니다. 각 위치에 대하여 신장을 산출 하였다. 이 수치는 [19]에서 인용되었다.

X 방향을 따라 등각 조건에서 힘 그림 6. 포스 시험. 평가. 로드셀은 모듈의 상부에 위치시키고, 힘 작동 챔버의 개수를 기준으로 세 가지의 경우를 계산 하였다. 이 수치는 ^{[19]에서 인용되었다.}

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도 7 강성 시험. 네 개의 상이한 구성의 강성도 변화의 평가와 동일한 챔버가 작동된다. 다른 변위 6 DOF 로봇을 이용하여 모듈의 선단부에 부과 하였다. 강성도는 모듈 (A)의 기본 상태에서 계산되어 90 °로, Y, X 및 Z 방향 (B, C, D)을 따라 절곡 하였다. 이 수치는 ^{[19]에서 수정되었습니다.}

금형 구성 요소	번호	기술
쉘	(2)	이들은 근래개 반 원통형, 12.5 mm의 내부 반경 14.5 mm의 외부 반경과 높이 40mm가 있습니다. 폐쇄되면, 그들은 실리콘계 부의 형상을 나타내는 실린더를 형성한다. 쉘은 폴리 옥시 메틸렌에서 제조된다.
변호사 사무실	3	이들 챔버는 챔버의 작동 음을 나타낸다. 그들은 4mm 반경과 높이가 30mm를, 둥근 가장자리와 반 원통형의 전체 모양을 가지고 있습니다. 작동 파이프 라인의 도입을 용이하게하기 위해, 각각의 챔버의베이스에 1.5 mm의 직경과 13mm의 길이를 갖는 원통있다. 챔버는 3D 프린터 기계로 제조된다.
과립 재밍 메커니즘 실린더 (경직	1	이것은 보강 채널의 네가티브이다. 그것은 56mm입니다높이 및 직경 8mm이다. 이것은 실리콘계 실린더의 중심으로부터의 제거를 용이하게하기 위해 알루미늄으로 제조된다.
cap_A	1	이것은 위의 부분을 수정하고 정렬하는 데 사용되는 지원 작품이다. 이것은 높이 7mm 제 29 mm의 직경과 10mm의 높이를 측정하는 디스크이고, 다른 3mm 25 (mm) 여기서, 외부 쉘 근접. 챔버의 상단 형상은 상부 챔버 삽입하기 위해서 3mm의 깊이와 120 °로 배치 된 제 층 내부 설계된다. 캡의 중심에 직경 8mm의 구멍 보강 채널의 실린더를 수용.
cap_B	1	이 지원 조각은 도입을위한 세 개의 구멍이 두 번째 층에 다른, cap_A과 유사챔버의베이스에 설계된 실린더.
cap_C 및 cap_D	각 1 개	이러한 지원은 외장 모듈에 고정 할 수 있습니다. 그들은 35mm의 내경과 보강 실린더를 삽입하는 직경 8 mm의 중심 구멍을 갖는다. 이 삽입되는 파이프를 사용하는 2mm 직경의 구멍 (3)을 가지고 있기 때문에 Cap_C cap_D는 다르다.
세미 반지	(2)	그들은 30mm의 내부 직경 및 10mm의 높이를 갖는다. 그들은 알루미늄으로 제조된다. 그들은 확실히 모듈을 닫 제작의 마지막 단계에서 사용된다.
멤브레인 용 실린더	1	그것은 일의 사용자 정의 멤브레인의 제조에 사용된다전자 세분화 방해 메커니즘. 또한, 높이 50mm, 직경 15mm이며, 멤브레인 모듈 내에 도입 될 수있는 편리한 형상을 얻을 사지 반올림했다. 기지에서, 하나의 얇은 원통형 부분은 막 제조시 지원 상 몰드를 해결합니다.

표 1. 금형 부품.

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Materials

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

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References

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