一种用于体外超声的自定义机器人机械手的设计与实现

体外机器人超声 (us) 系统是指利用机器人系统持有和操作美国探测器进行外部检查的配置, 包括用于心脏、血管、产科和一般腹部成像¹.使用这种机器人系统的动机是手动持有和操纵美国探测器的挑战, 例如, 寻找临床成像方案所要求的美国标准观点的挑战, 以及重复劳损2的风险^{, 3,4, 以及}美国筛选计划的需要, 例如, 要求有经验的超声师是现场^5,6。自20世纪90年代以来, 随着早期工作 1^、7、8的回顾, 推出了几个美国机器人系统, 重点关注不同的功能和目标解剖, 以改善美国的不同方面考试 (例如, 远程远程操作^9,10,11,^{12, 以及}机器人操作员的互动和自动控制)^{13, 14}. 除了用于诊断目的的美国机器人系统外, priester 等人总结的用于治疗的机器人高强度聚焦超声系统也得到了广泛的调查.¹、与近期一些作品^{1 5日、1 6日}报告最新进展情况。

尽管美国的几个机器人系统已经开发出相对可靠的控制和临床操作技术, 但只有少数系统被成功地转化为临床用途, 例如商业上可用的远程超声系统¹⁷. 一个可能的原因是, 从患者和超声人的角度来看, 在临床环境中工作的大型工业机器人的接受程度很低。此外, 在安全管理方面, 大多数现有的美国机器人依靠力传感器来监测和控制对美国探测器施加的压力, 而更基本的被动限制力的机械安全机制通常是不存在的.这也可能引起人们的关切, 因为机器人操作的安全性将完全取决于电气系统和软件逻辑。

随着3d 打印技术的最新发展, 具有定制接头机构的特殊形状塑料连接可以为开发定制的医疗机器人提供新的机会。精心设计的轻质部件, 外观紧凑, 可提高临床接受度。专门为美国的检查, 一个定制的医疗机器人旨在转化为临床使用应该是紧凑的, 有足够的自由度 (dof) 和运动范围, 以涵盖扫描感兴趣的区域;例如, 腹部表面, 包括腹部的顶部和两侧。此外, 在试图优化美国观点时, 机器人还应该纳入在当地对美国探测器进行微调的能力。这通常包括探头在一定范围内的倾斜运动, 正如 essomba等人所建议的那样。¹⁸和 bassit¹⁹。为进一步解决安全问题, 预计该系统应具有独立于电气系统和软件逻辑的被动机械安全功能。

本文介绍了一种5自由度灵巧机械手的详细设计和装配方法, 该机械手是一种体外机器人美国系统的关键部件。该机械手由几个轻量级的3d 打印链接, 定制的关节机构, 和一个内置的安全离合器。dof 的具体安排为探头调整提供了充分的灵活性, 允许在小范围内轻松、安全地操作, 而不会与患者发生碰撞。拟议的多自由度机械手的目的是作为与患者接触的主要组件, 它可以简单地连接到任何常规的3自由度全球定位机制, 形成一个完整的美国机器人与完全活跃的 dof 执行美国扫描。

1. 每个链路、端向执行器和附加组件的准备

1. 使用3d 打印, 使用_丙烯腈丁苯 (abs) 塑料_、聚_乳酸(pla) 塑料或_尼龙,打印所有链接 (l 0、l 1、l 2、l 3 和 l 4) 和末端执行器, 如图 1所示服务。使用。打印时补充材料中提供的 stl 文件。
   注: 可以根据提供的文件更改每个部件的形状和比例。端部效应器的内部轮廓可以改变, 以适应不同的美国探头。
2. 使用3d 打印服务打印所有必需的附加组件, 如尼龙中的图 2所示。有关每个组件所需的数量, 请参阅材料表。使用。打印时补充材料中提供的 stl 文件。
3. 必要时使用抛光工具对所有印刷塑料部件进行抛光。如有必要, 删除3d 打印中留下的任何辅助材料。
   注: 所提供的末端执行器设计中的某些结构用于力传感器, 该传感器不是此处报告的协议的一部分, 不会用于装配。力传感器的设计概念已在以往的工作²⁰中报道;因此, 本文不涉及此问题。

2. 联合会议1

注: 接头 1 (j1) 的组装基于图 3。

1. 将四个小的齿轮步进电机 (连接了20齿直齿齿轮) 放入 l 0 的安装腔,并用螺丝安装它们。
2. 将两个 37 mm od 轴承放入 l_{0 的}轴承座, 并将120齿直齿齿轮 (a 型) 固定在 l₁的六边形键上。
3. 将 l-1 上的轴插入 l₀上的轴孔, 并安装四个小驱动直齿齿轮和安装的大型驱动直齿齿轮, 并组装轴领以固定和保留轴。

3. 联合会议2

注: 接头 2 (j2) 的组装基于图 4。

1. 将四个小的齿轮步进电机 (连接了20齿直齿齿轮) 放入 l-1 的安装腔中 , 然后用螺丝安装它们。
2. 将两个120齿直齿齿轮 (b 型) 连接到两个37毫米 od 轴承上, 并将其放置在 l1 的齿轮腔中, 120 齿直齿齿轮 (b 型) 与安装在电机_上的20齿直齿齿轮啮合。如有必要, 拧下电机并重新拧紧电机, 以便轻松定位两个120齿 b 型直齿齿轮。
3. 将 l1和 l₂对齐, 并将轴承和球弹簧对插入 l₂中的离合器孔。两个圆形离合器盖将弹簧对准并推入离合器机构进行预紧, 将 m6 螺栓插入 l1 和 l2 的孔中.
4. 将组件旋转到另一侧, 并在此一侧重复3.3 中的步骤。通过将螺母连接到 m6 螺栓来固定组件。

4. 联合会议3

注: 接头 3 (j3) 的组装基于图 5。

1. 将两个小的齿轮步进电机 (连接了20齿直齿齿轮) 放入 l-2 的安装腔,然后用螺丝安装它们。
2. 将 37 mm od 轴承放入120齿直齿齿轮 (c 型) 的轴承座, 并将 32 mm od 轴承放入_l3的轴承座。
3. 将大直齿齿轮固定到 l3 的六边形锁孔中 (如有必要, 可以使用额外的螺丝), 并将_l2上的轴插入大直齿齿轮和 l₃上的孔中, 接合小齿轮和大直齿齿轮。

5. 联合驱动机制的组装4

注: 接头 4 (j4) 的组装基于图 6。

1. 将两个小的、有齿轮的步进电机放入 l3 的安装腔中, 然后用螺丝安装。将 8 mm od 轴承放入 l₄的轴承座。
2. 将20齿的长直齿齿轮安装到两个小型步进电机上。

6. 联合4和关节驱动机制的组装5

注: 联合 4 (j4) 的组装基于图 6 , 接头 5 (j5) 基于图 7。

1. 将驱动的144齿锥齿轮放置在 l4 的挤出上。
2. 将两个小的齿轮步进电机 (连接了18齿锥齿轮) 放入 l4 的安装腔中, 然后用螺丝安装它们。最后, 将 m5 轴插入 l 3 和 l₄的轴孔, 然后对齐_两个链。确保_{在 l4}上内置的驱动齿轮结构与20齿长直齿齿轮匹配。
3. 将末端效应器插入大型锥齿轮的键脱通道中, 并将末端效应器垂直定位, 端部执行器项圈拧紧在其上。

按照该协议, 生成的系统是一个机器人机械手, 具有五个特殊形状的连接 (l0至 l4) 和五个旋转接头 (j1 至 j5), 用于移动、保持和局部倾斜美国探头 (图 8). 顶部旋转接头 (j1), 齿轮机构由四个电机驱动, 可以360°旋转以下结构, 使美国探头指向扫描区域的不同侧面, 如顶部、底部和腹部两侧。主倾斜接头 (j2), 齿轮机构由四个电机驱动, 用于倾斜探头, 使其与扫描区域的表面对齐。由于这种接头对力管理也至关重要, 因此采用了带球、弹簧和锁孔的机械离合器。最后三个正交旋转接头 (j3、j4 和j5),每个齿轮机构由两个电机驱动, 用于控制探头的倾斜和轴向旋转, 允许在局部区域对探头进行微调。最后一个旋转接头 j5 也允许将美国探头安装在一个特殊形状的末端效应器中。拟议的机器人机械手的总重量和长度不到2公斤和 2 5 厘米, 这是通常在患者身体上方的唯一结构。由此产生的设计是这样的, 在使用拟议的美国机器人机械手时, 只需剩余的全球定位机构的小动作, 就能到达大范围的探头位置。考虑到所建议的机械手本身, 探头可以轴向旋转到任何角度, 倾斜到任何方向的水平方向在0°和110°之间的表面, 并定位在直径为360毫米的圆圈内。旋转接头 j3和 j4在-180°至180°和-30°至45°的范围内提供一个倾斜角度, 用于美国探头的局部微调。根据 essomba 等人的建议, 运动范围和倾斜角度满足获得美国考试理想声学窗口所需的范围.18和 bassit19。根据图 8所示的坐标定义, 材料表(denavit-hartenberg 参数和接头规格) 总结了所建议的机器人机械手的技术细节。根据目前的制造方法、部件和材料, 该系统的估计成本为500英镑。

作为本研究中使用的一个例子, 我们采用了一个全球定位系统, 该系统具有一个旋转全臂的链路机构和一套基于双杆臂的平行链接机构 (r2和 r3)。蜗轮驱动 (图 9)。这种3自由度机构将与拟议的5自由度机械手一起工作, 形成一个完整的机器人美国系统。基于所提出的机器人机械手和用于本研究的全球定位选项,图 10显示了机器人在腹部幻影周围位置的模拟示例, 表明它能够到达两侧腹部和一系列的位置在上面。系统中冗余接头的设计, 特别是j1和 j2的配置, 允许将探头倾斜到大角度, 大多数机械结构仍然远离患者的身体, 可以在图 10。因此, 由于最后三个关节 (j3、j4和 j5)指定在有限范围内旋转, 以进行精细的倾斜调整, 因此避免了机器人运动部位与患者身体之间的碰撞。

随着电子和传统步进电机控制系统的开发, 进行了输出力测试和预期运动范围的验证实验。电流控制单元是一个装有微控制器、步进电机驱动器、电源和调节器以及包括其他配套电子元件的盒子。控制箱的整体尺寸为40厘米长, 23 厘米宽, 12 厘米深。在对系统进行反复测试的基础上, 在触发机械安全离合器之前, 机器人机械手目前可以施加的最大力设置为 27n, 指定所提出的系统的输出力范围为0-27n。通过对机械离合器的配置, 通过反复试验验证, 在默认位置, 当离合器接合时, 球体部分处于l1的固定孔中。因此, 驱动的、大的直齿齿轮的运动驱动l2。但是, 当在末端执行器施加过大的力时, 离合器就会脱离, 球就会从 l1 的固定孔中移出。

材料表中报告的每个关节的运动范围也经过反复测试和验证。机器人机械手在很长一段时间内的可靠工作已在胎儿幻影上进行了广泛的测试, 并通过内部健康志愿者的腹部扫描进行了持续验证 (图 11)。这项研究得到了当地道德委员会的批准。到目前为止, 机器人机器人的基本软件控制已经成功地完成了20次用机器人进行普通腹部超声检查的志愿者扫描, 主要是为了评价机械设计的可靠性和可行性。从幻影和志愿者的研究中得出结论, 机器人机械手目前的设计可以达到所需的运动范围, 达到所需的力, 并提供足够的精细调整, 以获得类似于美国手持操作的图像腹部成像探头。对于所有这些扫描, 志愿者们都没有报告安全问题或不舒服的感觉。电机的选择、机械比和功率水平都经过了验证, 以确保探头在患者身上的可靠运动, 同时如果产生多余的力, 则会导致滑移。这项正在进行的志愿者研究的更多细节和使用机器人的临床证据将单独介绍。

图 1: 所有链路 (l0、l1、l2、l3和 l4) 和末端效应器的计算机辅助设计 (cad) 绘图.使用所提供的3d 打印时, 将显示每个链接的形状以供参考。stl 文件。末端执行器用包含在组件中的美国探头进行了说明。请点击这里查看此图的较大版本.

图 2: 所需附加组件的 cad 绘图.使用所提供的3d 打印时, 将显示每个组件的形状以供参考。stl 文件。组件包括不同尺寸的直齿和锥齿轮、轴领、离合器盖和末端效应器领。请点击这里查看此图的较大版本.

图 3: j1 的装配指令.显示了所需的链接、电机、齿轮和轴承, 并将某些结构更改为透明结构以说明组件。请点击这里查看此图的较大版本.

图 4: j2 的装配指令.显示了所需的链接、电机、齿轮、球弹簧对和轴承, 并将某些结构更改为透明结构以说明组件。请点击这里查看此图的较大版本.

图 5: j3 的装配指令.所需的链接、电机、齿轮和轴承显示了两个透视视图, 以说明装配。请点击这里查看此图的较大版本.

图 6: j4 的装配指令。显示所需的连接、电机、齿轮和轴承, 并显示组装的j4机构。请点击这里查看此图的较大版本.

图 7: j5 的装配指令.显示了所需的链路和末端执行器、电机和齿轮, 并将某些结构更改为透明结构以说明组件。请点击这里查看此图的较大版本.

图 8: 建议的5自由度机器人机械手的摘要, 其末端执行器持有美国探头.指出了各关节的坐标定义和装配机械手的整体尺寸。请点击这里查看此图的较大版本.

图 9: 全球定位设备示例的 cad 绘图.该基于臂的装置用于与所提出的机器人机械手进行测试。图形中显示了符号和主要尺寸。请点击这里查看此图的较大版本.

图 10: 幻影周围四种不同扫描姿势的运动学模拟.这表明了一个典型的美国腹部扫描的适当运动范围。请点击这里查看此图的较大版本.

图 11: 使用所述协议实现了美国机器人.(a) 具有全球定位机制实例的机器人机械手。(b) 在病人腹部使用拟议的机器人机械手。请点击这里查看此图的较大版本.

材料表: 拟议的机器人机械手的技术细节, 包括德纳维特-哈滕贝格参数和接头规格.请点击这里查看此图的较大版本.

补充文件. 3d 可打印 stl 文件. 请点击此处下载此文件.

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