Design og fremstilling af en elastomer Enheden for Soft Modular Robotter i minimalt invasiv kirurgi

Abstract

I de senere år har bløde robotteknik teknologier vakt stigende interesse på det medicinske område på grund af deres iboende sikker interaktion i ustrukturerede miljøer. Samtidig har nye procedurer og teknikker blevet udviklet for at reducere invasiv kirurgiske operationer. Minimalt invasiv kirurgi (MIS) er blevet anvendt med held til abdominale indgreb, er imidlertid standard MIS procedurer hovedsagelig baseret på stive eller halvstive værktøjer, der begrænser fingerfærdighed klinikerens. Denne artikel præsenterer en blød og høj behændig manipulator til MIS. Manipulatoren var inspireret af de biologiske kapaciteter af blæksprutte arm, og er designet med en modulær tilgang. Hvert modul præsenterer de samme funktionelle egenskaber, således opnå høj smidighed og alsidighed, når flere moduler er integreret. Papiret beskriver design, fremstilling proces, og de materialer, der er nødvendige for udviklingen af ​​en enkelt enhed, som er fremstillet ved Casting silikone inde specifikke forme. Resultatet består i en elastomer cylinder herunder tre fleksible pneumatiske aktuatorer, der muliggør forlængelse og retningsuafhængig bøjning af enheden. En ekstern flettet skede forbedrer bevægelse af modulet. I centrum af hvert modul en granulær jamming-mekanisme varierer stivheden af ​​strukturen under opgaverne. Tests viser, at modulet er i stand til at bøje op til 120 ° og aflange op til 66% af den oprindelige længde. Modulet genererer en maksimal kraft på 47 N, og dens stivhed kan øges op til 36%.

Introduction

Seneste tendenser i det medicinske område presser på for en reduktion i invasiv kirurgiske operationer. Minimalt invasiv kirurgi (MIS) er blevet forbedret i de seneste år for abdominal operationer. MIS procedurer er baseret på brug af værktøj introduceret gennem fire eller fem adgangspunkter (Trokarer) placeret på bugvæggen. For at reducere antallet af trokarer, kan instrumenterne indsættes af Single Port Laparoskopi (SPL) eller Natural Orifice translumenal Endoskopisk kirurgi (NOTER) ^1. Disse procedurer forhindrer eksterne synlige ar, men gøre det sværere for klinikerne i udførelsen af ​​operationen. Denne begrænsning skyldes primært de reducerede punkter for adgang, og til den stive og halvstive karakter af de instrumenter, som ikke er i stand til at undgå eller passere rundt organer ^2, kan ^3. Smidighed og motilitet forbedres ved hjælp artikuleret og hyper-redundant robotter, der kan dække et bredere og mere kompleks arbejdsplads, thos således et specifikt mål i kroppen, der skal nås lettere ^{4, 5, 6 og} til at arbejde som tilbagetrækningsmekanismer systemer når det er nødvendigt ^7. En fleksibel manipulator kan forbedre væv overholdelse, hvilket gør kontakt sikrere end de traditionelle værktøjer.

Men disse manipulatorer ofte mangler stabilitet, når målet er nået og generelt kan de ikke styre kontakt med det omgivende væv ^{8, 9.} Undersøgelser af biologiske strukturer, såsom blæksprutte arm ^{10 og} Elefantsnabelbjerget ^11, har for nylig inspireret udformningen af fleksible, deformerbare og kompatible manipulatorer med en redundant antal frihedsgrader (DoFs) og kontrollerbar stivhed ^12. Disse former for enheder anvender passive fjedre, smarte materialer, pneumatiske elementer, eller sener ^{13, 14, 15.} Generelt, manipulatorer fremstillet med bløde og fleksible materialer garanterer ikke generering af store kræfter.

THan stive FLOP (Stivhed kontrollerbar Fleksibel og learnable manipulator til kirurgiske operationer) manipulator er for nylig blevet præsenteret som en ny kirurgisk enhed til noter og SPL inspireret af blæksprutte kapacitet. For at overvinde begrænsningerne ved tidligere bløde manipulatorer, det har en blød krop samt høj smidighed, stor kraft og kontrollerbar stivhed ^16.

Arkitekturen i manipulatoren er baseret på en modulær tilgang: flere enheder, med den samme struktur og funktionaliteter, er integreret sammen. Den enkelte enhed er vist i figur 1. Den er baseret på en elastomer cylinder opnået ved en flerfaset fabrikation. De montage trin af formen komponenter og støbeprocesser aktivere tre tomme kamre (for fluidisk aktivering) og en hule central kanal ¹⁷ (til boliger et granuleret jamming-baserede mekanisme ^18), der skal indlejrede. Kamrene er anbragt ved 120 °, således atir kombineret inflation producerer rundstrålende bevægelse og forlængelse. Desuden en ekstern flettet hylster er placeret udvendigt for at begrænse udadrettet radial udvidelse af strømningstekniske kamre, når tryk, således optimere effekten af ​​kammeret aktivering i modulet bevægelse (bøjning og forlængelse).

Den centrale kanal huser en cylindrisk indretning består af en ydre membran er fyldt med granuleret materiale. Når et vakuum påføres tryk, ændrer sine elastiske egenskaber forårsager en afstivning, der påvirker hele modulets egenskaber.

Levende og stivhed forestillinger styres af en ekstern setup herunder en luftkompressor og tre trykventiler til aktivering kamrene og en vakuumpumpe til aktivering af vakuum i det afstivende kanal. En intuitiv brugerflade tillader styring af aktivering og vakuum pres inde i modulet.

Dette papir beskriver den fabrication processen med enkelt modul af denne manipulator og rapporter de væsentligste resultater på grundlæggende motion kapaciteter. I betragtning af den modulære natur af enheden, vurderingen af ​​fabrikation og udførelse af blot én enkelt modul giver også de resultater, der skal udvides, og at forudsige grundlæggende adfærd en multi-modul manipulator integrere to eller flere moduler.

Protocol

Bemærk: Denne protokol beskriver fabrikation faser af et enkelt modul, som omfatter de strømningstekniske kamre, afstivende kanal, aktiveringssystemer rørledninger og ekstern kappe. Følgende procedure skal udføres under en emhætte og iført kittel og handsker af sikkerhedsmæssige årsager. Som tidligere nævnt, er fremstillingsprocessen af ​​det elastomere enhed baseret på sekventiel anvendelse af forme designet med CAD-software. De er sammensat af de 13 stykker vist i figur 2 og i tabel 1 anførte.

1. Fremstilling af silikone

1. 12 g del A og 12 g del B i samme plastik glas eller petriskål vejes, og bland dem sammen, omrøring.
   Bemærk: betydelige andele kan variere afhængigt af den specifikke anvendte silicone, i dette tilfælde består af to dele: en del A (base) og en del B (katalysatoren). De anvendes i forhold 1A: 1B i vægt.
2. Anbring glas indeholdende mixed silikone materialer i en afgasser maskine på 1 bar vakuumtryk. Holde glasset under vakuum, indtil alle boblerne fjernes fra silikonemateriale. For de beskæftigede silikone afgasningen processen tager omkring 10 minutter. Når materialerne er helt fri for tilstedeværelsen af ​​bobler, genoprette atmosfærisk tryk i maskinen og bruge silikone.

2. Fremstilling af silikonepolymer Module

1. Montering af formen.
   1. Sæt afstivende cylinder og toppen af kamrene i cap_A (figur 3a).
   2. Luk skallerne omkring det andet lag af cap_A.
2. Første silikone støbning.
   1. Hæld silikone inde i samlet formen op til kanten af skallerne (figur 3B).
   2. Anbring formen i en ovn ved 60 ° C i ca. 30 min.
3. Omlejring af formen.
   1. Fjern de ydre skaller og cap_A (figur 3c).
   2. Sæt cylindrene fra baserne for afdelingerne og afstivende cylinder inde cap_B (figur 3d).
   3. Luk skallerne igen omkring modulet, skubbe dem på 10 mm opad for at få et hul på 10 mm mellem den øverste overflade af modulet og kanterne af skallerne (figur 3e).
4. Anden silikone støbning.
   1. Hæld silikone inde i omlejrede formen op til kanten af skallerne på oversiden (dvs. også op til det afstivende cylinder) (figur 3F).
   2. Sæt formen i en ovn ved 60 ° C i ca. 30 min.
   3. Fjern de eksterne skaller, cap_B og kamrene (undtagen afstivende cylinder) (Figur 3g).

3. Indsættelse af rørene

1. Skær 3 rør til det samme ønskede længde (300 mm for eksempel).
2. Sæt silikonepolymer lim omkring den ene ende af hvert rør i 10 mm, uden obstruere rørene.
3. Sæt rørene inde i 2 mm dedikerede kanaler i silikonepolymer enhed (figur 3h).
4. Tillad en hærdning på 12 minutter ved stuetemperatur eller sætte modulet inde i en ovn ved en højere temperatur (50 ° - 60 °) til at fremskynde tørringen.

4. Fabrikation af Crimped Flettet Skede

1. Skær 700 mm af en ekspanderbar flettet kappe (ca. 15 gange højden af ​​modulet).
2. Indsæt en metallisk cylinder på 30 mm i diameter og 250 mm i længden inde i skeden.
3. Tryk ned og tvinge hylsteret ved at skubbe mod cylinderen, for at skabe krusninger.
4. Mekanisk løse kappen på plads med en klemme og varme med varmekanon ved 350 ° C i 2-3 min, indtil en permanent deformation opnås.
5. Lad hylsteret køle ned og fjern det indre cylinder.

5. Integration af eksterne Skede

1. Passererør gennem hullerne i cap_C.
2. Hæld 3 g silicone i cap_C.
3. Klemme cap_C til en bærer, der er højere end arbejdsplanet.
4. Sæt den nederste side af modulet tidligere fremstillet i cap_C.
5. Skub krympede kappe omkring modulet.
6. Skub de første krusninger hylsteret inde cap_C og dyppe dem i frisk hældt silikone (figur 3i).
7. Sæt formen i en ovn ved 60 ° C i ca. 20 min.
8. Gentag den samme procedure fra punkt 5,1-5,6 at fastsætte kappen ved oversiden ved hjælp af cap_D (figur 3j).
9. Fjern cap_C og cap_D.
10. Fjern den centrale cylinder (Figur 3k).

6. Fabrikation af Granular Jamming Membrane

1. Hæld 5 g flydende latex i en plexiglas.
2. Nedsænkes cylinder til membranen (sidste stykke vist i figur 2) inde i flydende latex indtil overfladener helt dækket.
3. Lad det tørre i et stinkskab i 20 min.
4. Gentag punkt 6.2 og 6.3.
5. Fjern membranen fra formen.

7. Indsættelse af den Granular Jamming Membrane

1. Skær et rør (2 mm i diameter) til den ønskede længde (300 mm for eksempel).
2. Skær en kvadreret stykke på ca. 100 mm ² af nylon væv og lukke den ene ende af røret med dette væv ved hjælp af en plast paraffin film eller superlim.
3. 4 g kaffepulver afvejes og fylde membranen.
4. Sæt røret (enden med filter) inde i fyldt membran og løse det omkring røret ved hjælp af en plastik paraffin film.
5. Påfør et vakuum på den anden side af røret (membranen bliver stivere).
6. Sæt membranen inde i tomme centrale kanal af siliconic modul (fig 3l).
7. Lim enderne af det afstivende membranen til silikone modulet.
8. Luk ringene omkring toppenside af modulet (fig 3m).
9. Hæld 2 g silicone i ringene med henblik på at udjævne overfladen.
10. Lad silikone tør under hætten eller i en ovn ved 60 °.
11. Fjern ringene.
12. Gentag fra punkt 7.8 til 7.11 for undersiden (figur 3n).

Representative Results

De forskellige faser af fremstillingen, der er beskrevet i protokollen, er illustreret i figur 3.

For at vurdere effektiviteten af ​​teknikken og resultaterne af den endelige prototype blev testet modulet i forskellige arbejdsbetingelser. En ekstern opsætning tillader styring af både aktivering og stivhed af modulet. Det omfatter en luftkompressor, der aktiverer tre ventiler. De er forbundet med de silikonepolymer rør integreret i kamrene og muliggøre tryksætning. En vakuumpumpe er forbundet med røret integreret i den granulære jamming membran til modulet stivhed kontrol. Ventiler og vakuumpumpe er tilsluttet en elektronisk bord, der er forbundet med en intuitiv brugergrænseflade gør det muligt at indstille værdierne for aktivering tryk og vakuumniveauet.

For at analysere bøjningen (figur 3) og forlængelse (figur 5) ydeevne,modul blev fastsat til basen og kamrene blev aktiveret med specifikke lufttryk. Hver stilling af modulet blev erhvervet af optiske og magnetiske sensorer. Til vurdering af den kraft (figur 6) og stivhed (figur 7), en vejecelle bevæges af en robotarm lov til at måle modulets funktioner i forskellige retninger.

Bøjningsprøvningerne (figur 4) at vurdere aktive retningsuafhængig evne til modulet. I tilfælde af 1-kammer bøjning, har kun et kammer blevet aktiveret øge trykket inde, mens 2-kammer bøjning, to kamre samtidigt har været sat under tryk med det samme tryk. Bøjningsvinklen, som er vinklen mellem baseline og spidsen linje i modulet (se mellemværker i figur 4), er blevet beregnet for hver position af modulet svarende til de trykværdier. Modulet er i stand til at bøje op til 120 ° i tilfælde af 1-kammer bending, og op til 80 ° C i 2-kammer bøjning. I begge tilfælde er et væsentligt bøjning starter, når kamrene er oppustet med omkring 0,3 bar (alle de rapporterede trykværdier er relateret til atmosfærisk tryk). Plottet i fig 4 fremhæver, at kurvens hældning stigninger i korrespondance denne værdi. Dette repræsenterer det sted, hvor den oprindelige laterale udvidelse af silikone hindres af eksterne kappe, og bøjningen af ​​modulet lettes. Fra 0,55 bar tryk, kurven er omtrent konstant, fordi hylsteret når sin maksimale forlængelse kapacitet, har de trykkamre strakt helt ud de tilgængelige kappe og dermed den langsgående udvidelse af silikone er begrænset til en konstant værdi, der svarer til den maksimale bøjning vinkel.

Når alle tre kamre samtidigt aktiveres med det samme tryk, modulet forlænger, som vist i figur 5. Begyndende fralængde 50 mm, når modulet 83,3 mm, hvilket svarer til en forlængelse på omkring 66%. Igen, det ydre kappe begynder at vise sin virkning på omkring 0,3 bar, hvor der er en pludselig stigning i forlængelse kapacitet. Nr plateau er til stede ved høje tryk, fordi der under forlængelse kappen ikke nå det maksimale forlængelse.

Modulet er i stand til at generere styrker fra 24,1 N, når et kammer aktiveres, op til 47,1 N, når tre kamre er oppustet (figur 6).

Aktiveringen af 1 bar vakuum (absolut) tryk i afstivende kanalen viser en stigning i stivhed af modulet (figur 7) på 36% ved hviletilstande, 19,6%, 12,4% og 17,2% ved 90 ° bøjning i y, x og z retninger hhv.

De præsenterede protokol skaber en enkelt blød enhed og med forskellige modifikationer let, den samme procedure giver modulerne skal fremstilles med henblik på atskabe et multi-modul manipulator. En mulig løsning for manipulatoren er at integrere to eller flere moduler, hvor en pneumatisk aktivering leveres i modulerne med rørledninger. Aktiveringen rør direkte aktivere det første modul og andre rør kan passere gennem kamrene i dette modul at presse kamrene i det næste modul, som påvist i indledende værker om modul integration ^{20, 21.} I dette tilfælde stykker af mug er samme bortset fra kamrene, der har to cylindre, den ene foroven og en forneden, til indsætning og passerer rør.

Figur 1. Begrebet manipulatoren og CAD af modulet. Manipulatoren er baseret på en multi-modul tilgang. Den enkelte enhed udgøres af en blød cylinder indlejring tre fluide aktuatorer, en central kanal hus det granulære jamming, tre pipes til at forsyne tryk og et eksternt flettet skede at forbedre modulet bevægelse.

Figur 2. Mold komponenter til produktionsprocessen. 13 stykker overalt anvendt til at samle forme, i hvilke siliconen hældes og at fremstille brugerdefinerede latex membran.

Figur 3. CAD af fabrikation faser. Indsættelse af kamrene og afstivende cylinderen ind i cap_A (a), første silikone støbning (b), fjernelse af skaller og cap_C (c), indførelse af cap_B (d), Flyt af skallerne (e), andet silikone støbning (f), fjernelse af skaller, cap_B og kamre (g), indsættelseaf rørene (h), indsættelse af cap_C og skede til sin fastgørelse på undersiden (i), indsættelse af cap_D og skede til sin fastgørelse på oversiden (j), fjernelse af cap_D og afstivende cylinder (k), insertion af det granulære jamming membran (l), lukning af semi-ringe omkring modul (m), sidste modul (n).

Figur 4. Bending test. Behavior af modulet, når et kammer aktiveres (blå linje), og når to kamre aktiveres (lyserød linje). Bøjningsvinkel er angivet på modulet i mellemværker. Intervallet i tryk anvendes til aktivering af modulet går fra 0 bar til 0,65 bar med trin på 0,05. For hver position af modulet, blev bøjningsvinklen beregnet. Dette tal er blevet citeret fra ^[19].

Figur 5. Forlængelse test. Opførsel af modulet under forlængelse. Alle tre kamre er samtidigt aktiveres med det samme tryk. Presset interval går fra 0 bar til 0,65 bar. For hver position forlængelsen blev beregnet. Dette tal er blevet citeret fra [19].

Figur 6. force test. Evaluering af kraft i isometriske forhold langs x-retningen. En vejecelle blev placeret på toppen af ​​modulet og kraften blev beregnet i tre forskellige tilfælde i forhold til antallet af aktiverede kamre. Dette tal er blevet citeret fra ^[19].

OAD / 53118 / 53118fig7.jpg "/>
Figur 7. Stivhed test. Evaluering af stivhed variation i fire forskellige konfigurationer, når det samme kammer aktiveres. Forskellige forskydninger blev indført på spidsen af ​​modulet med en 6 DoF robot. Stivheden blev beregnet i bunden tilstand af modulet (a) og ved 90 ° bukning langs y, x og z retninger (b, c, d). Dette tal har været ændret siden ^[19].

Formkomponent	Antal	Beskrivelse
Skaller	2	Disse havea semi-cylindrisk form, er 40 mm i højden, med en indre radius på 12,5 mm og ekstern radius på 14,5 mm. Når den er lukket, danner de en cylinder, der repræsenterer formen af ​​siliconic enhed. Skallerne er fremstillet i polyoxymethylen.
Chambers	3	Disse kamre repræsenterer negative i styring kamre. De har en semi-cylindrisk fuld form med afrundede kanter, er 30 mm i højden med en 4 mm radius. For at lette indførelsen af ​​aktiveringsorganer rørledninger, ved foden af ​​hvert kammer er der en cylinder med en diameter på 1,5 mm og en længde på 13 mm. Kamrene er fremstillet med en 3D-printer maskine.
Afstivende Cylinder (for granulære forstyrrende mekanisme	1	Dette er den negative af afstivende kanal. Det er 56 mmi højden og 8 mm i diameter. Den er fremstillet i aluminium for at lette dens fjernelse fra centrum af den silikonepolymer cylinder.
cap_A	1	Dette er en støtte stykke bruges til at fastsætte og tilpasse stykkerne er anført ovenfor. Det er en disk måler 10 mm i højden, med en diameter på 29 mm for de første 7 mm højde og 25 mm for de øvrige 3 mm, hvis de ydre skaller tæt. De øverste figurer af kamrene er designet inde i andet lag, placeret ved 120 °, med en dybde på 3 mm for at indsætte de øverste kamre. I midten af ​​hætten, et hul på 8 mm i diameter huser cylinder afstivende kanal.
cap_B	1	Dette bærestykke svarer til cap_A, kun forskellig for det andet lag, som har tre huller for indførelsenaf cylindrene designet i bunden af ​​kamrene.
cap_C og cap_D	1 hver	Disse bærere gør det muligt hylsteret skal fastgøres til modulet. De har en indvendig diameter på 35 mm og et centralt hul på 8 mm i diameter for indføring af afstivende cylinder. Cap_C afviger fra cap_D fordi det har 3 huller af 2 mm i diameter for at gøre det muligt for rørene, der skal indsættes.
Semi-ringe	2	De har en indvendig diameter på 30 mm og en højde på 10 mm. De er lavet af aluminium. De anvendes i den sidste fase af fremstillingen for at lukke modulet endeligt.
Cylinder til Membrane	1	Det anvendes til fremstilling af en brugerdefineret membran til the jamming kornet mekanisme. Det er 50 mm i højden og 15 mm i diameter, og har afrundede ender for at opnå en bekvem form til membranen skal indføres i modulet. På basen, en tynd cylindrisk del løser formen på en støtte under produktionsprocessen membran.

Tabel 1. Mold komponenter.

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