Дизайн и изготовление из группы эластомерных для мягкой модульных роботов в минимально инвазивной хирургии

Abstract

В последние годы мягкие робототехника технологии вызвали рост интереса к области медицины из-за их безопасного взаимодействия внутренне в неструктурированных средах. В то же время, новые процедуры и методы были разработаны, чтобы уменьшить инвазивность хирургических операций. Минимально инвазивная хирургия (MIS) успешно применяется для брюшного вмешательств, однако стандартные процедуры МДП, главным образом, на основе жестких или полужестких инструментов, которые ограничивают ловкость врача. Эта статья представляет собой мягкий и высокий ловкий манипулятор для MIS. Манипулятор был вдохновлен биологических возможностей осьминога руки, и разработан с модульным подходом. Каждый модуль представляет те же функциональные характеристики, благодаря чему достигается высокий ловкость и гибкость, когда несколько модулей интегрированы. В документе подробно описывается конструкция, процесс изготовления и материалов, необходимых для развития одного блока, который изготавливают Castinг силикона внутри конкретных форм. Результат состоит в эластомерной цилиндра в том числе трех гибких пневматических приводов, которые позволяют удлинение и всенаправленный изгиб устройства. Внешний кожух плетеные улучшает движение модуля. В центре каждого модуля гранулированный механизм помех на основе изменяется жесткость конструкции во время задач. Тесты показали, что модуль может согнуть до 120 ° и удлиняться до 66% от исходной длины. Модуль генерирует максимальную силу 47 Н, и его жесткость можно увеличить до 36%.

Introduction

Последние тенденции в области медицины настаивают на сокращении в инвазивности хирургических операций. Минимально инвазивная хирургия (MIS) успешно улучшилась в последние несколько лет для полостных операций. Процедуры MIS основаны на использовании инструментов, вводимых через четыре или пять точек доступа (троакары), размещенные на брюшной стенке. Для того, чтобы уменьшить количество троакаров, инструменты могут быть вставлены один порт Лапароскопия (SPL) или естественное отверстие Translumenal эндоскопической хирургии (NOTES) ^1. Эти процедуры предотвращения внешних видимых шрамов, но увеличивают трудность для клиницистов при выполнении операции. Это ограничение в основном из-за снижения точки доступа и жесткой и полужесткой природы инструментов, которые не в состоянии избежать или обойти органов ^{2, 3.} Ловкость и подвижность могут быть улучшены с помощью шарнирно и гипер-избыточными роботы, которые могут охватывать более широкий и более сложный рабочее пространство, тыснам позволяет конкретная задача в организме должно быть достигнуто более легко ^{4, 5, 6} и работать в качестве систем отвода, когда это необходимо ^7. Гибкий манипулятор может улучшить соблюдение ткани, что делает контакт безопаснее, чем с помощью традиционных инструментов.

Тем не менее, эти манипуляторы часто не хватает устойчивости, когда цель достигнута, и, как правило, они не могут контролировать контакт с окружающими тканями ^{8, 9.} Исследования на биологические структуры, такие как осьминога ^{кронштейна} 10 и слон ствола ^11, недавно вдохновил дизайн гибкие, деформируемые и совместимые манипуляторы с резервированием число степеней свободы (степеней свободы) и управляемой жесткостью ^12. Эти виды устройств используют пассивные источники, смарт-материалы, пневматические элементы, или сухожилий ^{13, 14, 15.} Как правило, манипуляторы, изготовленные с мягкими и гибкими материалами не гарантирует получения больших сил.

Тон STIFF-флоп (жесткость управляема Гибкая и программируемое манипулятор для хирургических операций) манипулятор был недавно представлен в качестве нового хирургического устройства для банкнот и SPL, вдохновленных возможностей осьминога. Для того, чтобы преодолеть ограничения предыдущих мягких манипуляторов, он имеет мягкое тело, а также высокой ловкости, силы и высокой регулируемой жесткостью ^16.

Архитектура манипулятора на основе модульного подхода: несколько единиц, с той же структурой и функциональными, интегрированы друг с другом. Единственный блок показано на рисунке 1. Она основана на эластомерного цилиндра, полученной многофазной изготовления. Шаги по сборке компонентов плесени и процессов литья позволяют три пустых камер (для струйного приведения) и один полый центральный канал ¹⁷ (для корпуса гранулированный помех на основе механизма ^18), которые будут внедрены. Камеры расположены под углом 120 °, так чтоИК сочетании инфляция в всенаправленный движение и относительное удлинение. Кроме того внешний плетеный оболочка размещена снаружи, чтобы ограничить внешнее радиальное расширение текучей камер, когда давление, таким образом, оптимизировать эффект приводной камеры в движении модуля (изгиб и удлинение).

Центральный канал находится цилиндрический устройство, состоящую из внешней мембраны, заполненной гранулированным материалом. Когда давление вакуума применяется, она меняет свои эластичные свойства в результате чего жесткости, которая влияет свойства всей модуля.

Движение и жесткость характеристики управляются посредством внешнего установки в том числе воздушным компрессором и трех клапанов для приведения в действие камеры и один вакуумный насос для активации вакуума в канале жесткости. Интуитивно понятный пользовательский интерфейс позволяет управлять исполнительными и вакуумных давлений внутри модуля.

Эта статья детализирует fabricatioп процесс одном модуле этого манипулятора и отчетов наиболее значимых результатов по основным возможностям движения. Учитывая модульную устройства, оценка изготовления и выполнения всего одной модуля также позволяет результаты быть продлен и прогнозировать основные поведение нескольких модуля манипулятора интеграции двух или более модулей.

Protocol

Примечание: Этот протокол описывает этапы изготовления одного модуля, который включает в жидкостных камер, жесткости канала, приводные трубопроводы и внешней оболочкой. Следующая процедура должна быть выполнена под вытяжкой и носить халат и перчатки по соображениям безопасности. Как упоминалось ранее, процесс изготовления эластомерной блока основан на использовании последовательного форм, предназначенных с САПР. Они состоят из 13 частей, показанных на фиг.2 и перечисленных в Таблице 1.

1. Подготовка силиконовой

1. Взвешивают 12 г части А и 12 г части В в той же пластиковой стекла или чашки Петри и смешивают их вместе, перемешивают.
   Примечание: Материал пропорции могут варьироваться в зависимости от конкретного используемого силикона, в этом случае состоит из двух частей: Часть A (базовой) и часть B (катализатор). Они используются в пропорции 1А: 1В по весу.
2. Поместите стакан, содержащий смесьЭд силиконовые материалы в дегазатор машины на 1 бар разрежения. Хранить стекло под вакуумом, пока все пузырьки не будут удалены из силиконового материала. Для занятого силикона процесс дегазации занимает около 10 мин. Как только материалы с наличием пузырьков полностью свободны, восстановить атмосферное давление в машину и использовать силикон.

2. Изготовление модуля силиконовом

1. Сборка пресс-формы.
   1. Вставьте жесткости цилиндра и верхней палат в cap_A (рис 3а).
   2. Закройте оболочки вокруг второго слоя cap_A.
2. Во-первых силикон литье.
   1. Вылейте силикон внутри собранного формы до края оболочек (рис 3b).
   2. Поместите форму в печи при 60 ° С в течение примерно 30 мин.
3. Перегруппировка формы.
   1. Удалить внешние оболочки и cap_A (Рисунок 3в).
   2. Вставьте цилиндры из оснований камер и жесткости цилиндра внутри cap_B (рис 3D).
   3. Закройте раковины снова вокруг модуля, сдвигая их 10 мм вверх, чтобы иметь зазор 10 мм между верхней поверхностью модуля и краев оболочек (фиг 3e).
4. Во-вторых силиконовые литья.
   1. Налейте силикон внутри реаранжированным формы до края оболочек на верхней стороне (т.е. также до жесткости цилиндра) (рис 3f).
   2. Поместите форму в печь при 60 ° С в течение примерно 30 мин.
   3. Удалить внешние оболочки, cap_B и камеры (за исключением жесткости цилиндра) (рис 3G).

3. Вставка трубок

1. Сократить 3 трубки с тем же желаемой длины (300 мм), например.
2. Поместите силиконовом клеем вокруг одного конца каждой трубы 10 мм, без объstructing трубы.
3. Вставка трубки внутри 2 мм выделенных каналов в силиконовом блоке (рис 3H).
4. Разрешить время отверждения 12 мин при комнатной температуре или поместить модуль внутри печи при более высокой температуре (50 ° - 60 °), чтобы ускорить процесс сушки.

4. Изготовление извитых Плетеный оболочкой

1. Вырезать 700 мм расширяемой плетеный оболочкой (примерно в 15 раз высота модуля).
2. Вставка металлический цилиндр диаметром 30 мм и 250 мм в длину внутри оболочки.
3. Нажмите вниз и заставить оболочку, сдвинув над цилиндром, с тем чтобы создать завитков.
4. Механически зафиксировать оболочку в месте с помощью зажима и тепла с нагревательным пистолетом в 350 ° С в течение 2-3 мин, пока не будет получена остаточная деформация.
5. Пусть оболочка остыть и снимите внутренний цилиндр.

5. Интеграция Внешняя оболочка

1. ПройтиТрубы через отверстия cap_C.
2. Залить 3 г силикона в cap_C.
3. Зажмите cap_C в поддержку, что выше, чем в рабочей плоскости.
4. Вставьте нижнюю часть модуля ранее изготовленного в cap_C.
5. Слайд гофрированной оболочки вокруг модуля.
6. Нажмите первые складки оболочки внутри cap_C и опустите их в свежеуложенный силикона (рис 3i).
7. Поместите форму в печь при 60 ° С в течение около 20 мин.
8. Повторите ту же процедуру с точки 5.1-5.6, чтобы исправить оболочку на верхней стороне, используя cap_D (рис 3j).
9. Удалить cap_C и cap_D.
10. Снимите центральную цилиндр (рис 3k).

6. Изготовление гранулированного Jamming мембраны

1. Налейте 5 г жидкого латекса в пластиковый стакан.
2. Опустить цилиндр для мембраны (последний кусок, показанном на фиг.2) внутри жидкий латекс, пока поверхностьполностью покрыта.
3. Дайте высохнуть под капотом в течение 20 мин.
4. Повторите пункты 6.2 и 6.3.
5. Удалить мембрану из пресс-формы.

7. Размещение гранулированного Jamming мембраны

1. Сокращение трубки (2 мм в диаметре) на нужную длину (300 мм например).
2. Сокращение квадрате кусок приблизительно 100 мм ² нейлоновой ткани из и закрыть один конец трубки с этой ткани с использованием пластиковой пленки или парафина суперклей.
3. Взвесьте 4 г кофейного порошка и залейте мембрану.
4. Вставьте трубку (конец с фильтром) внутри заполненной оболочки и закрепить его вокруг трубы с помощью пластиковой парафиновой пленки.
5. Применение вакуума с другой стороны трубки (мембрана становится более жесткой).
6. Вставьте мембрану внутри пустой центральный канал силиконовом модуля (рис 3л).
7. Клей концы жесткости мембраны в модуле силиконовой.
8. Закройте кольца вокруг верхнейсторона модуля (рис 3 м).
9. Залить 2 г силикона в кольца, чтобы выровнять поверхность.
10. Пусть силиконовый сухой под капотом или в духовке при 60 °.
11. Снимите кольца.
12. Повторить от точек 7,8 7.11 для нижней стороны (рис 3n).

Representative Results

Различные фазы изготовления, описанного в протоколе, показано на рисунке 3.

Для того чтобы оценить эффективность метода и результаты окончательного прототипа, модуль был испытан в различных рабочих условиях. Внешний установки позволяет контролировать как приведения и жесткости модуля. Она включает в себя воздушный компрессор, который активирует три клапана. Они подключены к силиконовом трубок, встроенных в камерах и позволяют их герметизацию. Вакуумный насос соединен с трубкой, встроенного в гранулированной помех мембраны для управления модулем жесткости. Клапаны и вакуумный насос подключен к электронной плате, которая связана с интуитивным пользовательским интерфейсом, позволяющим установить значения давления срабатывания и уровня вакуума.

Для анализа изгиб (рисунок 3) и удлинение (Рисунок 5) производительность,Модуль был установлен на основании и камеры были приводится конкретных давлении воздуха. Каждая позиция модуля была приобретена оптических и магнитных датчиков. Для оценки силы (рис 6) и жесткости (рис 7), датчик нагрузки перемещается с помощью манипулятора позволило измерить возможности модуля в разных направлениях.

Испытания на изгиб (рис 4) оценить активную всенаправленный возможность модуля. В случае 1-камерной изгиба, только один камера была приводится повышения давления внутри, в то время как для 2-камере изгиба, две камеры одновременно были под давлением с одинаковым давлением. Угол изгиба, который представляет собой угол между базовой линией и наконечником линии модуля (см вставки на фиг.4), была рассчитана для каждого положения модуля, соответствующие значениям давления. Модуль может согнуть до 120 ° в случае 1-камерных бендинг, и до 80 ° в течение 2-х камерный изгиба. В обоих случаях, значительное сгибание начинается, когда камеры накачаны примерно 0,3 бар (все значения, представленные давления связаны с атмосферным давлением). Участок на рисунке 4 подчеркивается, что наклон кривой возрастает в соответствие этому значению. Это представляет собой точку, в которой начальная боковое расширение силикона препятствует внешней оболочки, а также изгиб модуля облегчается. Из давление 0,55 бар, кривая примерно постоянна, потому что оболочка достигает своего максимального потенциала удлинение сжатый камеры распростерли полностью доступное оболочку и таким образом продольное расширение силикона ограничена постоянным значением, которое соответствует максимальной изгиба угол.

Когда все три камеры одновременно приводятся в действие с тем же давлением, модуль удлиняется, как показано на рисунке 5. Сдлина 50 мм, модуль достигает 83,3 мм, что соответствует удлинению на около 66%. Опять же, внешний оболочка начинает показывать свою силу около 0,3 бар, где есть внезапное увеличение возможностей удлинения. Нет плато не присутствует при высоких давлениях, потому что во время удлинения оболочка не доходит максимальное удлинение.

Модуль способен генерировать силы с 24,1 N, когда одна камера приводится в действие, до 47,1 N, когда три камеры завышены (рисунок 6).

Активация 1 бар разрежения (абсолютное) в жесткости канала показывает увеличение жесткости модуля (Рисунок 7) 36% в условиях отдыха, 19,6%, 12,4% и 17,2% при 90 ° изгиб в Y, X и Z направления, соответственно.

Представленный протокол создает единый блок и мягкие, с различными модификациями простых, та же самая процедура позволяет модули быть изготовлены с цельюсоздать из нескольких модулей манипулятор с. Возможным решением для манипулятора является объединение двух или более модулей, где пневматический привод поставляется в модулях по трубопроводам. Исполнительные трубки непосредственно приводить в действие первый модуль и другие трубопроводы могут проходить через камеры этого модуля для создания давления в камерах следующему модулю, как показано в предварительных работ по модуля интеграции ^{20, 21.} В этом случае кусочки плесени являются то же самое для камер, которые имеют два цилиндра, один в верхней и одна в нижней, для вставки и попутные трубы исключением.

Рисунок 1. Концепция манипулятора и CAD модуля. Манипулятор основан на подходе, мульти-модуль. Единственный блок состоит из мягкой цилиндра вложения три жидкостных приводов, один центральный корпус канала гранулированный заклинивания, три пиPES для подачи давления и внешнюю оболочку плетеный улучшить движение модуля.

Рисунок 2. Компоненты формы для процесса изготовления. 13 штук, общая используется для сборки форм, в которые заливается силикон и для изготовления на заказ латексной оболочки.

Рисунок 3. САПР фаз изготовления. Введение камер и жесткости цилиндра в cap_A (а), первый кастинг силикон (б), удаление оболочек и cap_C (с), введение cap_B (г), вправления оболочек (е), второй силиконовый литья (F), удаление оболочек, cap_B и камеры (г), вставкатрубок (H) вставки cap_C и оболочкой для ее фиксации на нижней стороне (I), вставка cap_D и оболочки для ее фиксации на верхней стороне (J), удаление cap_D и жесткости цилиндра (л), вставки гранулированного помех мембраны (л), закрытие полукольцами вокруг модуля (м), окончательное модуля (п).

Рисунок 4. Испытание на изгиб. Поведение модуля, когда одна камера приводится в действие (синяя линия), и когда две камеры приводятся в действие (розовой линии). Угол изгиба указывается на модуле в вставках. Диапазон давления используется для приведения в действие модуль идет от 0 бар до 0,65 бар с шагом 0,05. Для каждой позиции модуля, угол изгиба был рассчитан. Эта цифра была названа из ^[19].

Рисунок 5. Относительное удлинение тест. Поведение модуля во время удлинения. Все три камеры одновременно приводятся в действие с тем же давлением. Диапазон давления в пределах от 0 бар до 0,65 бар. Для каждой позиции было рассчитано относительное удлинение. Эта цифра была названа из [19].

Рисунок 6. Сила тест. Оценка силы в изометрических условиях вдоль направления х. Весоизмерительный была расположена на верхней части модуля и сила была рассчитана в трех различных случаях по отношению к количеству приводимых в камерах. Эта цифра была названа из ^[19].

OAD / 53118 / 53118fig7.jpg "/>
Рисунок 7. Жесткость испытаний. Оценка вариации жесткости в четырех различных конфигурациях, когда той же камере приводится. Различные смещения были введены на кончике модуля с использованием робота 6 степеней свободы. Жесткость была рассчитана в базовой состояния модуля (а) и под углом 90 ° изгиба вдоль Y, X и Z (стороны B, C, D). Эта цифра была изменена с ^[19].

Плесень Компонент	Номер	Описание
Ракушки	2	Они ВГАEA полу-цилиндрической формы, 40 мм в высоту, с внутренним радиусом 12,5 мм и внешним радиусом 14,5 мм в. В закрытом они образуют цилиндр, который представляет форму силиконовом блоке. Снаряды изготовлены в полиоксиметилена.
Камеры	3	Эти камеры представляют собой негатив Приведение камер. Они имеют полуцилиндрическую полный форму с закругленными краями, 30 мм в высоту с радиусом 4 мм. Для облегчения введения исполнительных трубопроводов, в основании каждой камере есть цилиндр с диаметром 1,5 мм и длиной 13 мм. Камеры изготовлены с 3D машине принтера.
Ужесточение цилиндр (для гранулированного механизма помех	1	Это отрицательное придающего жесткость канала. Это 56 ммв высоту и 8 мм в диаметре. Это изготовлен из алюминия, чтобы облегчить его удаление из центра силиконовом цилиндра.
cap_A	1	Это опорный элемент используется, чтобы исправить и выровнять части, перечисленные выше. Это диск размером 10 мм в высоту, с диаметром 29 мм в течение первых 7 мм высотой и 25 мм для другой 3 мм, где наружные оболочки близко. Верхние формы камер предназначены внутри второго слоя, расположенный на 120 °, с глубиной 3 мм, чтобы вставить верхние камеры. В центре крышки, отверстие 8 мм в диаметре находится в цилиндр жесткости канала.
cap_B	1	Это опорный элемент аналогичен cap_A, только отличается для второго слоя, который имеет три отверстия для введенияцилиндров, предназначенных на базе камер.
cap_C и cap_D	1 друг	Эти опоры позволяют оболочка для крепления к модулю. Они имеют внутренний диаметр 35 мм и центральным отверстием диаметром 8 мм для вставки жесткости цилиндр. Cap_C отличается от cap_D, поскольку он имеет 3 отверстия диаметром 2 мм для того, чтобы трубы для вставки.
Полуприцепы кольца	2	Они имеют внутренний диаметр 30 мм и высоту 10 мм. Они сделаны из алюминия. Они используются в последней фазе изготовления, чтобы закрыть модуль окончательно.
Цилиндр для мембраны	1	Он используется для изготовления на заказ мембраны для гое гранулированный помех механизм. Это составляет 50 мм в высоту и 15 мм в диаметре, и закругленные, чтобы получить удобную форму, чтобы мембрана быть введены в модуле. В основании, один тонкий цилиндрической части фиксирует форму на подложку во время изготовления мембран.

Таблица 1. Mold компоненты.

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