一种用于体外超声的自定义机器人机械手的设计与实现

摘要

本文介绍了一种用于体外超声检查的定制机器人机械手的设计与实现。该系统具有五自由度, 采用3d 打印制造的轻质接头和用于安全管理的机械离合器。

摘要

由于具有高精度、灵活性和可重复性的潜力, 可以采用自跟踪机器人系统来辅助实时超声的采集。然而, 为体外超声设计的机器人数量有限, 已成功转化为临床应用。在这项研究中, 我们的目标是建立一个定制的机器人机械手, 用于体外超声检查, 它是轻量级的, 占地面积小。该机器人由五个特殊形状的链接和定制的探头操作关节机制组成, 以冗余的自由度覆盖必要的运动范围, 以确保患者的安全。强调机械安全与离合器机制, 以限制适用于患者的力量。通过设计, 机械手的总重量小于2公斤, 机械手的长度约为 2 5 厘米。该设计已经实现, 并进行了模拟, 幻影和志愿者的研究, 以验证运动范围, 使微调的能力, 机械可靠性, 和离合器的安全运行。本文详细介绍了定制机器人超声机械手的设计与实现, 并说明了设计和组装方法。介绍了该系统的设计特点和临床应用经验。结果表明, 目前提出的机器人机械手符合体外超声检查定制系统的要求, 具有很大的临床应用潜力。

引言

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。

方案

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。

结果

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...

讨论

与许多其他工业机器人已被转化为医疗应用不同, 协议中描述的拟议机器人机械手是根据运动范围的临床要求专门为美国考试而设计的,力的应用和安全管理。轻量级机器人机械手本身有一个广泛的运动范围足以满足大多数物质外的美国扫描, 而不需要全球定位机制的大运动。作为最接近患者的机械结构, 建议的环节也是特别形状的, 要远离患者。大多数 dof 嵌入到一个紧凑的机械手, 机器人美国扫描使用此设备可以做一个直观的方式类似于人类操作, 而无需占用一个大的空间。由于所有这些功能, 我们预计按照该协议产生的系统可以获得临床医生和患者的认可, 目前正在进行的志愿者研究正在验证这一点。在提出的机器人机械手中, 可以根据特定的要求使用不同的传统全球定位架构, 例如龙门或天花板安装设计。本文以全球定位装置为例, 对所提出的机器人机械手进行了测试。

目前的协议建议, 所有的链接都可以使用 abs 或 pla 塑料或尼龙打印, 根据当地3d 打印服务的可用性, 而使用尼龙打印是首选, 由于尼龙的材料强度。重要的是, 如协议所述, 附加组件, 特别是齿轮, 应使用尼龙或其他坚固的材料打印, 以确保系统的可靠性。随着新的...

材料

本文使用的材料清单

姓名	公司	目录编号	评论
3D打印链接 L0	3D打印服务	1	1所示，以提供的STL文件
3D打印链接 L1	3D打印服务	1	如图1所示，以STL文件提供的
3D打印链接 L2	3D打印服务	1	如图1所示， 提供 STL 文件
3D 打印链接 L3	3D 打印服务	1	1 所示，提供 STL 文件
3D 打印链接 L4	3D 打印服务	1
			1 所示， 用STL文件提供的
20齿正齿轮	3D打印服务	12	0.5模数，面宽5毫米，带安装键槽，如图2所示，用STL文件提供的
18齿锥齿轮	3D打印服务	2	0.5模数，5毫米面宽，带安装键槽，如图2所示，用STL文件提供的
120齿正齿轮（A型）	3D打印服务	1	0.5 模数，6 mm 面宽，带安装键槽、轴承座和孔，如图 2 所示，使用 STL 文件提供
120 齿正齿轮（B 型）	3D 打印服务	2	0.5 模数，6 mm 面宽，带定位孔、轴承座和孔，如图 2 所示，使用 STL 文件提供的
120 齿正齿轮（C 型）	3D 打印服务	1	0.5 模数，6 mm 面宽，带安装键、轴承座和孔，如图 2 所示，提供 STL 文件
20 齿长正齿轮	3D 打印服务	1	个 0.5 模数，21.5 mm 面宽，带安装键槽，如图 2 所示，提供 STL 文件
144 齿锥齿轮	3D 打印服务	1	个 0.5 模数， 7 mm 面宽，带安装键槽，如图 2 所示，提供 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更改
轴承（外径 12 mm 和 6 mm 内径）	Bearing Station Ltd.，英国	2	轴承尺寸和供应商可更改
轴承（外径 32 mm 和 25 mm 内径）	Bearing Station Ltd.， UK	1	轴承尺寸和供应商可以变化
轴承（外径 8 mm 和 I.D.外径 5 mm）	Bearing Station Ltd.，英国	2	轴承尺寸和供应商可以变化
塑料/金属轴（外径 6 mm，长 70 mm）	TR Fastenings Ltd.，英国	1	例如可以是 M6 螺栓和螺母
塑料/金属轴（外径 5 mm， 70 mm 长）	TR Fastenings Ltd.，英国	1	例如，可以是 M5 螺栓和螺母
弹簧对	WDS Ltd.，英国	4	球弹簧对的数量可以变化以调整离合器的触发力
离合器盖	3D 打印服务	外	径 2 104 毫米，面宽 5 毫米，孔径 6 毫米，如图 2 所示， 用提供的 STL 文件
3D 打印轴环	3D 打印服务	外径 1	35 毫米，内径 30 毫米，面宽 8 毫米，如图 2 所示，用 STL 文件提供的
3D 打印末端执行器套环	3D 打印服务	1	如图 2 所示，用提供的 STL 文件
小型齿轮步进电机	奥隆科技股份有限公司， 中国	14	零件号：GM15BYS;内齿轮比 232：1 或 150：1，均可接受