本文介绍了用于体外超声检查的定制化机器人操作臂的设计与实现。该系统具有五个自由度，其轻量化关节采用3D打印技术制造，并配备机械离合器以实现安全控制。
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本文内容
摘要
摘要
由于具备高精度、灵活性和可重复性的潜力，自跟踪机器人系统可用于辅助实时超声图像的获取。然而，目前专为体外超声检查设计的机器人中，成功转化为临床应用的仍十分有限。本研究旨在构建一种定制化的体外超声检查机器人操作臂，其具有轻量化和小体积的特点。该机器人由五个特殊形状的连杆和定制的关节机构组成，用于探头操控，可在提供冗余自由度以确保患者安全的同时，覆盖必要的运动范围。机械安全性方面采用了离合机制，以限制施加于患者身上的力。得益于该设计，操作臂总重量小于2 kg，长度约为25 cm。该设计已完成实现，并通过仿真、模体及志愿者实验，验证了其运动范围、精细调节能力、机械可靠性以及离合器的安全运行性能。本文详细阐述了该定制化机器人超声操作臂的设计与实现过程，并配以设计与装配方法的图示说明。文中展示了用于验证设计特性及系统临床使用体验的测试结果。结论表明，当前提出的机器人操作臂满足作为体外超声检查专用系统的要求，具有良好的临床应用转化前景。
引言
体外机器人超声（US）系统是指采用机器人系统夹持和操控超声探头进行体表检查的配置，可用于心脏、血管、产科及普通腹部成像。1使用此类机器人系统的动机源于手动持握和操控超声探头所面临的挑战，例如，难以获取临床成像协议所要求的标准超声切面，以及存在重复性劳损的风险2,3,4以及美国筛查项目的需求，例如 需要经验丰富的超声技师在现场5,6. 针对不同的功能和目标解剖结构，已有多种机器人超声系统，如先前研究综述所述1,7,8自20世纪90年代以来，为改进超声检查的各个方面，已引入了多项技术例如, 远程操作9,10,11,12，以及机器人与操作者之间的交互和自动控制13,14除了用于诊断目的的机器人超声系统外，用于治疗目的的机器人高强度聚焦超声（HIFU）系统也已得到广泛研究，如Priester所总结的那样。 等1，其中一些近期研究15,16 报告最新进展。
尽管已开发出多种机器人超声系统，并在控制和临床操作方面具备了相对可靠的技术，但其中仅有少数成功转化为临床应用，例如一种 commercially available 远程超声系统17。一个可能的原因是，从患者和超声技师的角度来看，体积较大、外观类似工业设备的机器人在临床环境中接受度较低。此外，在安全管理方面，大多数现有的超声机器人依赖力传感器来监测和控制施加在超声探头上的压力，而通常缺乏更基础的机械安全机制以被动地限制作用力。这在向临床应用转化时也可能引发担忧，因为机器人操作的安全性将完全依赖于电子系统和软件逻辑。
随着3D打印技术的最新进展，具有定制关节机构的特殊形状塑料连接件可能为开发定制化医疗机器人提供新的机遇。经过精心设计的轻量化组件，若具备紧凑的外观，可提高临床接受度。特别是对于超声检查而言，旨在转化为临床应用的定制化医疗机器人应具备紧凑的结构，同时拥有足够的自由度（DOFs）和运动范围，以覆盖扫描感兴趣区域，例如包括腹部顶部及两侧的整个腹壁表面。此外，当需要优化超声图像视野时，机器人还应具备在局部区域内对超声探头进行精细调节的能力。这通常包括探头在一定范围内的倾斜运动，如Essomba 等18 和 Bassit19 所建议的那样。为进一步解决安全性问题，该系统应具备独立于电气系统和软件逻辑的被动机械安全特性。
本文介绍了五自由度灵巧机器人机械臂的详细设计与组装方法，该机械臂作为体外机器人超声系统的关键组件。该机械臂由多个轻量化可3D打印的连杆、定制的关节机构以及内置的安全离合器组成。自由度的特定布局为探头调整提供了充分的灵活性，能够在不接触患者的情况下，在狭小空间内实现简便且安全的操作。所提出的多自由度机械臂旨在作为与患者接触的主要部件，可简单地连接至任何常规的三自由度全局定位机构，从而构成一个具有完全主动自由度的完整超声机器人，用于执行超声扫描。
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方案
1. 各连杆、末端执行器及其他组件的准备
- 使用3D打印服务，以丙烯腈-丁二烯-苯乙烯（ABS）塑料、聚乳酸（PLA）塑料或尼龙材料，打印所有连杆（L0、L1、L2、L3 和 L4）以及末端执行器，如图1所示。打印时请使用补充材料中提供的.STL文件。
注意：可根据所提供的文件对各部件的形状和尺寸进行调整。末端执行器的内轮廓可修改以适配不同的超声探头。 - 使用3D打印服务，以尼龙材料打印图2所示的所有其他所需组件。各组件所需数量请参见材料表。打印时请使用补充材料中提供的.STL文件。
- 如有需要，使用抛光工具对所有打印出的塑料部件进行抛光处理，并清除3D打印过程中残留的支撑材料。
注意：所提供的末端执行器设计中的某些结构用于安装力传感器，但力传感器不属于本方案的一部分，在装配中不会使用。力传感器的设计理念已在先前的研究中报道20，因此本文不予详述。
2. 关节1的组装
注意：关节1（J1）的组装基于图3。
- 将四个带20齿正齿轮的小型齿轮步进电机装入L0的安装腔中，并用螺丝固定。
- 将两个外径为37 mm的轴承装入L0的轴承座中，并将120齿正齿轮（A型）固定在L1的六角轴上。
- 将L1的轴插入L0的轴孔中，确保四个小驱动正齿轮与大从动正齿轮正确啮合，然后安装轴套以固定并限位该轴。
3. 关节2的组装
注意：关节 2（J2）的组装基于图 4。
- 将四个小型齿轮步进电机（附带20齿直齿轮）放入L1的安装腔中，并用螺丝固定。
- 将两个120齿直齿轮（B型）安装到两个外径为37 mm的轴承上，并将其置于L1的齿轮腔内，使120齿直齿轮（B型）与电机上的20齿直齿轮啮合。 如有必要，可先旋下电机螺丝，待两个120齿B型直齿轮就位后再重新拧紧。
- 对齐L1与L2，并将轴承及钢珠-弹簧组件插入L2的离合器孔中。将两个圆形离合器盖对准并压紧弹簧，以实现离合器机构的预紧，随后将一根M6螺栓插入L1和L2的通孔中。
- 将组件翻转至另一侧，并重复步骤3.3的操作。通过在M6螺栓上安装螺母来固定整个组件。
4. 关节3的组装
注意：关节 3（J3）的组装基于图 5。
- 将两个小型齿轮步进电机（附带20齿直齿轮）放入L2的安装腔中，并用螺丝固定。
- 将外径37 mm的轴承装入120齿直齿轮（C型）的轴承座内，将外径32 mm的轴承装入L3的轴承座内。
- 将大直齿轮固定到L3的六角钥匙孔中（必要时可使用额外螺丝），并将L2上的轴插入大直齿轮和L3的孔中，使小直齿轮与大直齿轮啮合。
5. 第四关节驱动机构的组装
注意：关节 4（J4）的组装基于图 6。
- 将两个小型齿轮步进电机放入 L3 的安装腔中，并用螺丝固定。将外径为 8 mm 的轴承装入 L4 的轴承座中。
- 将20齿长直齿轮安装到两个小型步进电机上。
6. 第4关节和第5关节驱动机构的组装
注意：关节 4（J4）的组装基于图 6，关节 5（J5）的组装基于图 7。
- 将被动的144齿锥齿轮安装到L4的凸轴上。
- 将两个带齿轮的小型步进电机（附带18齿锥齿轮）放入L4的安装腔中，并用螺钉固定。 最后，在两个连杆对齐后，将M5轴插入L3和L4的轴孔中。确保L4上内置的被动齿轮结构与20齿长直齿轮正确啮合。
- 将末端执行器插入大锥齿轮的键槽中，并通过拧紧末端执行器卡环将其垂直定位。
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结果
根据该方案，所构建的系统为一个具有五个特殊形状连杆（L0 至 L4）和五个旋转关节（J1 至 J5）的机器人操作臂，用于移动、固定并局部倾斜超声探头（图8）。顶部旋转关节（J1）通过四个电机驱动的齿轮机构，可带动后续结构实现360°旋转，使超声探头能够指向扫描区域的不同方向，例如腹部的上方、下方及侧面。主倾斜关节（J2）同样由四个电机驱动的齿轮机构控制，用于将探头向下倾斜，以使其与扫描区域表面对齐。由于该关节对力控制至关重要，因此集成了包含钢珠、弹簧和定位孔的机械离合器。最后三个正交旋转关节（J3、J4 和 J5），每个均由两个电机驱动的齿轮机构控制，用于调节探头的倾斜和轴向旋转，从而实现探头在局部区域内的精细调整。最后一个旋转关节 J5 还可将超声探头安装在特殊形状的末端执行器上。该机器人操作臂...
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讨论
与其他已应用于医学领域的工业机器人不同，本方案中所述的机器人操作臂是根据临床对运动范围、施力方式和安全管理的要求，专门针对超声检查而设计的。该轻量化机器人操作臂自身具有足够宽广的运动范围，可满足大多数体外超声扫描的需求，无需依赖大范围的全局定位机构移动。作为最接近患者的机械结构，所提出的设计中连杆部分也经过特殊造型处理，以避开患者身体。由于大多数自由度均集成于紧凑型操作臂内部，使用该设备进行机器人超声扫描时，操作方式直观，类似于人工操作，且无需占用较大空间。正因具备上述所有特点，我们预期按照本方案构建的系统能够获得临床医生和患者的接受，目前正在进行的志愿者研究正在对此进行验证。借助所提出的机器人操作臂，可根据具体需求选用不同的传统全局定位结构，例如龙门架或吊顶安装设计。本文使用了一种示例性的全局定位装置，以支持对所提出机器人操作臂的测试。
当前方案建议，所有连接件可根据当地3D打印服务的可用性，使用ABS、PLA塑料或尼龙进行打印，但通常更推荐使用尼龙打印，因为尼龙具有更高的材料强度。重要的是，如方案中所述，附加组件尤其是齿轮，应使用尼龙或其他高强度材料打印，以确保系统的可靠性。随...
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披露
作者无任何利益冲突需要披露。
致谢
本工作获得了惠康基金会国际卓越研究奖 [102431] 以及惠康基金会/工程与物理科学研究委员会医学工程中心 [WT203148/Z/16/Z] 的资助。作者感谢英国卫生部提供的财政支持 通过 英国国家健康研究所（NIHR）综合生物医学研究中心授予盖伊医院的奖项 & 圣托马斯 NHS 基金会信托与伦敦国王学院及国王学院医院 NHS 基金会信托合作。
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材料
| 姓名 | 公司 | 目录编号 | 评论 |
|---|---|---|---|
| 3D打印连杆 L0 | 3D打印服务 | 1 | 如图1所示，附带提供的STL文件 |
| 3D打印连杆 L1 | 3D打印服务 | 1 | 如图1所示，附带提供的STL文件 |
| 3D打印连杆 L2 | 3D打印服务 | 1 | 如图1所示，附带提供的STL文件 |
| 3D打印连杆 L3 | 3D打印服务 | 1 | 如图1所示，附带提供的STL文件 |
| 3D打印连杆 L4 | 3D打印服务 | 1 | 如图1所示，附带提供的STL文件 |
| 3D打印末端执行器 | 3D打印服务 | 1 | 如图1所示，附带提供的STL文件 |
| 20齿直齿轮 | 3D打印服务 | 12 | 模数0.5，齿宽5 mm，带安装键槽，如图2所示，附带提供的STL文件 |
| 18齿锥齿轮 | 3D打印服务 | 2 | 模数0.5，齿宽5 mm，带安装键槽，如图2所示，附带提供的STL文件 |
| 120齿直齿轮（A型） | 3D打印服务 | 1 | 模数0.5，齿宽6 mm，带安装键槽、轴承座和轴孔，如图2所示，附带提供的STL文件 |
| 120齿直齿轮（B型） | 3D打印服务 | 2 | 模数0.5，齿宽6 mm，带定位孔、轴承座和轴孔，如图2所示，附带提供的STL文件 |
| 120齿直齿轮（C型） | 3D打印服务 | 1 | 模数0.5，齿宽6 mm，带安装键、轴承座和轴孔，如图2所示，附带提供的STL文件 |
| 20齿长直齿轮 | 3D打印服务 | 1 | 模数0.5，齿宽21.5 mm，带多个安装键槽，如图2所示，附带提供的STL文件 |
| 144齿锥齿轮 | 3D打印服务 | 1 | 模数0.5，齿宽7 mm，带安装键槽，如图2所示，附带提供的STL文件 |
| 轴承（外径37 mm，内径30 mm） | Bearing Station Ltd., 英国 | 5 | 轴承尺寸和供应商可调整 |
| 轴承（外径12 mm，内径6 mm） | Bearing Station Ltd., 英国 | 2 | 轴承尺寸和供应商可调整 |
| 轴承（外径32 mm，内径25 mm） | Bearing Station Ltd., 英国 | 1 | 轴承尺寸和供应商可调整 |
| 轴承（外径8 mm，内径5 mm） | Bearing Station Ltd., 英国 | 2 | 轴承尺寸和供应商可调整 |
| 塑料/金属轴（外径6 mm，长70 mm） | TR Fastenings Ltd., 英国 | 1 | 例如：可使用M6螺栓和螺母 |
| 塑料/金属轴（外径5 mm，长70 mm） | TR Fastenings Ltd., 英国 | 1 | 例如：可使用M5螺栓和螺母 |
| 球-弹簧组件 | WDS Ltd., 英国 | 4 | 球-弹簧组件数量可调整，以调节离合器的触发力 |
| 离合器盖 | 3D打印服务 | 2 | 外径104 mm，齿宽5 mm，轴孔6 mm，如图2所示，附带提供的STL文件 |
| 3D打印轴套 | 3D打印服务 | 1 | 外径35 mm，内径30 mm，齿宽8 mm，如图2所示，附带提供的STL文件 |
| 3D打印末端执行器套环 | 3D打印服务 | 1 | 如图2所示，附带提供的STL文件 |
| 小型齿轮步进电机 | AOLONG TECHNOLOGY Ltd., 中国 | 14 | 型号：GM15BYS；内部齿轮比232:1或150:1均可接受 |
参考文献
- Priester, A. M., Natarajan, S., Culjat, M. O. Robotic ultrasound systems in medicine. IEEE Transactions on Ultrasonics, Ferroelectrics, and Frequency Control. 60 (3), 507-523 (2013).
- Magnavita, N., Bevilacqua, L., Mirk, P., Fileni, A., Castellino, N. Work-related musculoskeletal complaints in sonologists. Journal of Occupational and Environmental Medicine. 41 (11), 981-988 (1999).
- Jakes, C. Sonographers and Occupational Overuse Syndrome: Cause, Effect, and Solutions. Journal of Diagnostic Medical Sonography. 17 (6), 312-320 (2001).
- Society of Diagnostic Medical Sonography. Industry Standards for the Prevention of Work-Related Musculoskeletal Disorders in Sonography: Consensus Conference on Work-Related Musculoskeletal Disorders in Sonography. Journal of Diagnostic Medical Sonography. 27 (1), 14-18 (2011).
- LaGrone, L. N., Sadasivam, V., Kushner, A. L., Groen, R. S. A review of training opportunities for ultrasonography in low and middle income countries. Tropical Medicine & International Health. 17 (7), 808-819 (2012).
- Shah, S., et al. Perceived barriers in the use of ultrasound in developing countries. Critical Ultrasound Journal. 7 (1), 28(2015).
- Swerdlow, D. R., Cleary, K., Wilson, E., Azizi-Koutenaei, B., Monfaredi, R. Robotic Arm–Assisted Sonography: Review of Technical Developments and Potential Clinical Applications. American Journal of Roentgenology. 208 (4), 733-738 (2017).
- Nouaille, L., Laribi, M., Nelson, C., Zeghloul, S., Poisson, G. Review of Kinematics for Minimally Invasive Surgery and Tele-Echography Robots. Journal of Medical Devices. 11 (4), 040802(2017).
- Georgescu, M., Sacccomandi, A., Baudron, B., Arbeille, P. L. Remote sonography in routine clinical practice between two isolated medical centers and the university hospital using a robotic arm: a 1-year study. Telemedicine and e-Health. 22 (4), 276-281 (2016).
- Arbeille, P., et al. Use of a robotic arm to perform remote abdominal telesonography. American Journal of Roentgenology. 188 (4), W317-W322 (2007).
- Arbeille, P., et al. Fetal tele‐echography using a robotic arm and a satellite link. Ultrasound in Obstetrics & Gynecology. 26 (3), 221-226 (2005).
- Vieyres, P., et al. A tele-operated robotic system for mobile tele-echography: The OTELO project. M-Health: Emerging Mobile Health Systems. Istepanian, R. H., Laxminarayan, S., Pattichis, C. S. , Boston, MA. 461-473 (2006).
- Abolmaesumi, P., Salcudean, S. E., Zhu, W. H., Sirouspour, M. R., DiMaio, S. P. Image-guided control of a robot for medical ultrasound. IEEE Transactions on Robotics and Automation. 18 (1), 11-23 (2002).
- Abolmaesumi, P., Salcudean, S., Zhu, W. Visual servoing for robot-assisted diagnostic ultrasound. Engineering in Medicine and Biology Society, Proceedings of the 22nd Annual International Conference of the IEEE. , Chicago, IL. (2000).
- Menikou, G., Yiallouras, C., Yiannakou, M., Damianou, C. MRI‐guided focused ultrasound robotic system for the treatment of bone cancer. The International Journal of Medical Robotics and Computer Assisted Surgery. 13 (1), e1753(2017).
- Yiallouras, C., et al. Three-axis MR-conditional robot for high-intensity focused ultrasound for treating prostate diseases transrectally. Journal of Therapeutic Ultrasound. 3 (1), 2(2015).
- AdEchoTech. MELODY, a remote, robotic ultrasound solution. , Available from: http://www.adechotech.com/products/ (2018).
- Essomba, T., et al. A specific performances comparative study of two spherical robots for tele-echography application. Proceedings of the Institution of Mechanical Engineers, Part C: Journal of Mechanical Engineering Science. 228 (18), 3419-3429 (2014).
- Bassit, L. A. Structure mécanique à modules sphériques optimisées pour un robot médical de télé-échographie mobile. , Université d’Orléans. France. PhD thesis (2005).
- Noh, Y., et al. Multi-Axis force/torque sensor based on Simply-Supported beam and optoelectronics. Sensors. 16 (11), 1936(1936).
- Noh, Y., et al. An ergonomic handheld ultrasound probe providing contact forces and pose information. Engineering in Medicine and Biology Society, Proceedings of the 37th Annual International Conference of the IEEE. , Milan, Italy. (2015).
- Maplesoft. Translational Detent – MapleSim Help. , Available from: https://www.maplesoft.com/support/help/MapleSim/view.aspx?path=DrivelineComponentLibrary/translationalDetent (2018).
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