Konzeption und Umsetzung eines maßgeschneiderten Robotic Manipulator für extra körperliche Ultraschall

Eine extra körperliche Roboter (US)-Ultraschallsystem bezieht sich auf die Konfiguration, bei der ein Robot-System genutzt wird, um zu halten und manipulieren von einer US-Sonde für externe Prüfungen, einschließlich seiner Verwendung in der Herz-, Gefäß-, geburtshilflichen und allgemeine abdominale Bildgebung¹ . Die Verwendung von einem Robotersystem ist motiviert durch die Herausforderungen der manuell holding und Manipulation einer US-Sonde, zum Beispiel die Herausforderung des Findens US Standardansichten geforderte klinische Bildgebung Protokolle und das Risiko für sich wiederholende Belastung Verletzung^{2, 3,4}, und auch von den Bedürfnissen der uns screening-Programme, zum Beispiel die Forderung nach erfahren Ultraschalldiagnostiker zu vor-Ort-^5,6. Mit Betonung auf unterschiedliche Funktionalitäten und Ziel Anatomien wurden mehrere US-Robotersysteme, wie in früheren Werken^1,7,8, überprüft seit den 1990er Jahren, um verschiedene Aspekte der US zu verbessern eingeführt Prüfung (z.B., Fernverkehr Teleoperation^9,10,11,12, als auch Roboter-Betreiber Interaktion und automatische Steuerung)^{13, 14}. neben der US-Robotersysteme zu diagnostischen Zwecken eingesetzt, konzentriert Roboter Hochleistungs-(HIFU) Ultraschallsysteme für therapeutische Zwecke weit untersucht worden sind, wie durch Priester Et Al. zusammengefasst ¹, mit einige aktuelle Werke^15,16 der neuesten Entwicklung berichten.

Obwohl mehrere US-Robotersysteme mit relativ zuverlässige Technologien zur Steuerung und klinischen Betrieb entwickelt wurden, sind nur wenige von ihnen erfolgreich in klinischen Gebrauch, wie ein handelsüblicher Tele-Ultraschallsystem übersetzt worden ¹⁷. eine mögliche Ursache ist die geringe Akzeptanz für große industrielle aussehende Roboter in einem klinischen Umfeld, aus der Sicht der Patienten und Ultraschalldiagnostiker. Darüber hinaus verlassen sich für Sicherheitsmanagement, die Mehrheit der bestehenden US-Roboter auf Kraft-Sensoren zur Überwachung und Kontrolle den angewandte Druck auf die US-Sonde während grundlegendere mechanische Sicherheitsmechanismen, die Kraft passiv beschränken in der Regel nicht verfügbar sind . Dies kann auch Bedenken führen, wenn die Übersetzung in klinischen Gebrauch wie die Betriebssicherheit Roboter rein abhängig von elektrischen Systemen und Software-Logik wäre.

Die neuen Zuführungen von 3D könnte Drucktechniken, speziell geformten Kunststoff Links mit maßgeschneiderten gemeinsame Mechanismen eine neue Chance für die Entwicklung maßgeschneiderter Medizinroboter bieten. Sorgfältig gestaltete Leichtbauteile mit eine kompakte Erscheinung könnte klinische Akzeptanz verbessern. Ein maßgeschneiderter medizinische Roboter übersetzt klinischen Einsatz abzielen sollten speziell für US-Prüfung kompakt, mit genügend Freiheitsgrade (Freiheitsgrade) und Beweglichkeit des Interessenbereichs eines Scans decken; zum Beispiel die Abdominal-Oberfläche, einschließlich oben und seitlich des Bauches. Darüber hinaus sollte der Roboter auch Feineinstellungen der US-Sonde in ein lokales durchzuführen, wenn Sie versuchen, eine US-Ansicht optimieren integrieren. Dies umfasst in der Regel Kipp Bewegungen der Sonde innerhalb eines bestimmten Bereichs, wie von internationaler Et Al. vorgeschlagen ¹⁸ und Bassit¹⁹. Um weiter die Sicherheitsbedenken auszuräumen, wird erwartet, dass das System passive mechanische Sicherheits-Features haben sollte, die unabhängig von elektrischen Systemen und Software-Logik sind.

In diesem Papier stellen wir die detaillierte Planung und Montage-Methode eines 5-DOF geschickt robotic Manipulator, die als zentraler Bestandteil eine extra körperliche Robot US-System verwendet wird. Der Manipulator besteht aus mehreren leichte 3D druckbare Links, maßgeschneiderte gemeinsame Mechanismen und eine integrierte Sicherheits-Rutschkupplung. Die spezifische Anordnung der die Freiheitsgrade bietet volle Flexibilität für Anpassungen der Sonde, ermöglicht einfachen und sicheren Betrieb auf kleinem Raum ohne Kollision mit dem Patienten. Der vorgeschlagene Multi-DOF-Manipulator will als die wichtigste Komponente, die in Kontakt mit Patienten und es ist einfach konventionellen 3-DOF globale Positionierung Mechanismus bilden einen komplette US-Roboter mit vollaktives Freiheitsgrade um einen US-Scan durchführen befestigt werden kann.

1. Vorbereitung der einzelnen Links Effektor und Zusatzkomponenten

1. Alle Links (L₀, L₁, L₂, L₃und L₄) und der Effektor zu drucken, wie in Abbildung 1dargestellt mit Acrylnitril-Butadien-Styrol (ABS) Kunststoff, sauren Polymilchsäure (PLA)-Kunststoff oder Nylon, mit einem 3D-Druck Service. Verwendung der. STL-Dateien zur Verfügung gestellt in den Ergänzenden Materialien beim Drucken.
   Hinweis: Änderungen in Form und Größe der einzelnen Teile können basierend auf der bereitgestellten Dateien vorgenommen werden. Das Innenprofil des Endeffektors-kann an verschiedene US-Sonden angepasst werden.
2. Drucken Sie die erforderlichen zusätzlichen Komponenten wie in Abbildung 2 gezeigt, aus Nylon, mit einem 3D-Druck-Service. Beziehen sich auf die Tabelle der Materialien für die erforderliche Anzahl der einzelnen Komponenten. Verwendung der. STL-Dateien zur Verfügung gestellt in den Ergänzenden Materialien beim Drucken.
3. Polieren Sie die gedruckten Kunststoffteile mit Polierwerkzeuge bei Bedarf. Entfernen Sie jede unterstützenden Materialien aus dem 3D-Druck, Links ggf..
   Hinweis: Einige Strukturen in das mitgelieferte Effektor-Design sind für einen Kraftsensor, der nicht Teil des Protokolls berichtet hier ist und nicht für die Montage verwendet werden. Das Kraft-Sensor-Design-Konzept wurde in früheren Arbeiten²⁰beschrieben; so fällt es nicht in diesem Papier.

2. Montage des gemeinsamen 1

Hinweis: Die Montage der gemeinsamen 1 (J₁) basiert auf Abbildung 3.

1. Legen Sie die vier kleinen, Getriebemotoren Schrittmotoren (mit 20 Zähnen geradverzahnte Kegelräder angebracht) in die Hohlräume der Montage L₀ und mit Schrauben montieren.
2. Legen Sie die beiden 37 mm OD Lager in die Lagergehäuse L₀ und sichern Sie 120 Zähne Hauptzahnrad (Typ A) auf den Sechskant-Schlüssel des L₁zu.
3. Setzen Sie die Welle auf L₁ in der Welle Bohrung L₀ mit vier kleinen treibenden Stirnräder und das große getrieben Stirnradgetriebe engagiert, und montieren Sie den Wellenbund zu sichern und die Welle zu behalten.

3. Zusammenbau des Gelenk 2

Hinweis: Die Montage des gemeinsamen 2 (J₂) basiert auf Abbildung 4.

1. Legen Sie die vier kleinen, Getriebemotoren Schrittmotoren (mit 20 Zähnen geradverzahnte Kegelräder angebracht) in die Hohlräume der Montage der L₁ und mit Schrauben montieren.
2. Legen Sie die zwei 120-Zähne-Stirnräder (Typ B) auf die zwei 37 mm OD Lager und Position, die sie in die Ausrüstung Hohlräume der L₁, mit dem 120-Zähne Hauptzahnrad (Typ B) mit 20-Zähne-Stirnräder engagiert an den Motoren montiert. Schrauben Sie und wieder Schrauben Sie den Motor bei Bedarf zu ermöglichen die einfache Positionierung der zwei 120-Zähne-Typ-B-Stirnradgetriebe.
3. Richten Sie L₁ und L_{2 aus} und stecken Sie das Lager und die Kugel-Feder-Paare in der Kupplung Löcher in L₂. Legen Sie mit zwei Runden Kupplung Abdeckungen ausrichten und der Kupplung-Mechanismus für die Vorspannung die Feder einschieben eine M6-Schraube in die Bohrungen von L₁ und L₂.
4. Drehen Sie die Assembly auf die andere Seite und wiederholen Sie die Schritte in 3.3 für diese Seite. Sichern Sie die Montage durch das Anbringen einer Mutter, die M6 Schraube.

4. Montage der gemeinsamen 3

Hinweis: Die Montage der gemeinsamen 3 (J₃) basiert auf Abbildung 5.

1. Legen Sie die zwei kleinen, Getriebemotoren Schrittmotoren (mit 20 Zähnen geradverzahnte Kegelräder angebracht) in die Hohlräume der Montage der L₂ und mit Schrauben montieren.
2. Die 37 mm OD Lager in das Lagergehäuse des 120-Zähne Hauptzahnrad (Typ C) legen Sie und Lager in das Lagergehäuse L₃32 mm AUßENDURCHMESSER.
3. Befestigen Sie das große Stirnrad in das Sechseck Schlüsselloch L₃ (zusätzliche Schrauben können verwendet werden, wenn nötig) und setzen Sie die Welle auf L₂ in die Bohrungen auf dem großen Stirnrad und L₃, mit den kleinen und den großen Stirnräder engagiert.

5. Montage des fahren Mechanismus der gemeinsamen 4

Hinweis: Die Montage der gemeinsamen 4 (J₄) basiert auf Abbildung 6.

1. Legen Sie die zwei kleinen, Getriebemotoren Schrittmotoren in die Hohlräume der Montage der L₃ und mit Schrauben montieren. Legen Sie die 8 mm OD Lager in die Lagergehäuse L₄.
2. Montieren Sie das 20-Zähne lange Hauptzahnrad auf die zwei kleinen Schrittmotoren.

6. Montage des angetriebenen Mechanismus der gemeinsamen 4 und gemeinsame 5

Hinweis: Die Montage der gemeinsamen 4 (J₄) basiert auf Abbildung 6 und gemeinsame 5 (J₅) basiert auf Abbildung 7.

1. Positionieren Sie das angetriebene 144 Zähne Kegelrad auf die Extrusion von L₄.
2. Legen Sie die zwei kleinen, Getriebemotoren Schrittmotoren (mit 18 Zähnen bevel Gears angebracht) in die Hohlräume der Montage der L₄ und mit Schrauben montieren. Schließlich stecken Sie die M5-Welle in die Welle Bohrung L₃ und L₄ , nachdem die beiden Links ausgerichtet sind. Stellen Sie sicher die eingebaute im Antriebsrad Strukturen auf L₄ Spiele mit 20 Zähne lange Stirnrad.
3. Legen Sie den Effektor in die Keilnut des großen Kegelrad und vertikal positionieren Sie der Effektor mit dem Effektor Kragen es aufgeschraubt.

Im Anschluss an das Protokoll ist das resultierende System eine robotic Manipulator mit fünf speziell geformten Links (L0 L4) und fünf drehbar Gelenke (J1 bis J-5) zum verschieben, halten und lokal Kippen einer US-Sonde (Abbildung 8). Top Rotation Joint (J1), mit Getriebe betätigt durch vier Motoren drehen kann folgende Strukturen 360°, um die US-Sonde darauf auf verschiedenen Seiten des Scanbereichs, wie oben, unten und seitlich des Bauches zu ermöglichen. Die wichtigsten Kipp Gelenk (J-2), dient mit Getriebe betätigt durch vier Motoren, neigen sich die Sonde um sie an die Oberfläche des Scanbereichs auszurichten. Da dieses Gelenk auch entscheidend für die Kraft-Management ist, wurde eine mechanische Kupplung mit Kugeln, Federn und Arretierung Löcher eingearbeitet. Die letzten drei orthogonalen drehbar Gelenke (J3J4und J-5), mit Getriebe betätigt durch jeweils zwei Motoren dienen zur Steuerung der kippbaren und axialen Rotation der Sonde, so dass Feineinstellungen der Sonde in ein lokales. Das letzte drehbar Gelenk, J5, ermöglicht auch die Montage einer US-Sonde in einem speziell geformten Endeffektor. Das Gesamtgewicht und die Länge der vorgeschlagenen robotic Manipulator, ist die einzige Struktur in der Regel auf den Körper des Patienten sind weniger als 2 kg und 25 cm. Das resultierende Design ist so, dass eine Vielzahl der Sonde Positionen mit nur kleinen Bewegungen der verbleibenden globale Positionierung Mechanismus bei der Verwendung des vorgeschlagenen Roboter US-Manipulators erreicht werden kann. Betrachtet man nur die vorgeschlagenen Manipulator eigenständig, kann die Sonde axial in einem beliebigen Winkel geneigt, um eine Fläche zwischen 0 ° und 110 ° zur horizontalen in eine beliebige Richtung abgewinkelt und positioniert in einem Kreis mit einem Durchmesser von 360 mm. Darüber hinaus folgen gedreht werden die drehbar Gelenke J3 und J-4 bieten einen Neigungswinkel, in zwei Richtungen, in die Bereiche der-180 °, 180 ° und -30° bis 45 °, die für lokale Feineinstellungen der US-Sonde verwendet wird. Das reicht von Bewegungen und kippbare Winkel treffen die erforderlichen reicht für den Erhalt einer ideale akustische Fensters für US-Untersuchungen wie internationaler Et al. 18 und Bassit19. Die technischen Details der vorgeschlagenen robotic Manipulator werden in Tabelle der Materialien (Denavit-Hartenberg-Parameter und gemeinsame Spezifikationen), basierend auf den Koordinaten Definitionen, die in Abbildung 8gezeigten zusammengefasst. Die geschätzten Kosten des Systems sind 500 GBP, basierend auf der aktuellen Fertigungsverfahren, Komponenten und Materialien.

Als Beispiel verwendet in dieser Forschung beschäftigten wir ein globales positioning System hat ein drehbar Gelenk (R1) mit einem Kettenmechanismus zum Drehen der komplette arm und Arm-basierte zwei-Bar set parallel Link Mechanismen (R2 und R3) mit Schneckengetriebe Laufwerke (Abbildung 9). Dieser 3-DOF-Mechanismus funktioniert mit dem vorgeschlagenen 5-DOF-Manipulator, eine komplette Robotersystem US zu bilden. Basierend auf den vorgeschlagenen robotic Manipulator und das Beispiel GPS Option für diese Forschung verwendet, zeigt Abbildung 10 ein Beispiel des Roboters in Positionen um ein Abdominal-Phantom zeigt, dass es in der Lage, um beide Seiten zu erreichen den Bauch und eine Reihe von Positionen an der Spitze. Das Design der redundanten Verbindungen im System, besonders die Konfigurationen von J-1 und J-2, ermöglicht Kippen der Sonde zu großen Winkeln mit die meisten mechanischen Strukturen noch Fernbleiben von den Körper des Patienten, wie in beobachtet werden können Abbildung 10. Infolgedessen wird mit den letzten drei Gelenken (J3J4und J-5) angegeben, in begrenzten Bereichen für kippbare Feineinstellungen zu drehen, Kollision zwischen den beweglichen Teilen des Roboters und den Körper des Patienten vermieden.

Mit der Elektronik und der herkömmlichen Stepper motor Steuerung entwickelt wurden Experimente durchgeführt, um die Ausgangskraft testen und validieren des erwarteten Bereichs der Bewegung. Die aktuelle Steuerung ist eine Box mit Mikrocontrollern, Stepper motor Treiber, Netzteil und Regulierungsbehörden und andere unterstützenden elektronische Komponenten enthalten. Die Gesamtgröße des Steuergeräts ist 40 cm lang, 23 cm breit und 12 cm tief. Basierend auf der wiederholten Tests des Systems, die maximale Kraft, die der robotische Manipulator derzeit ausüben kann, befindet sich 27 N bevor die mechanische Sicherheitskupplung ausgelöst wird, angeben des Ausgangs zwingen, Auswahl des vorgeschlagenen Systems 0 - 27 N. Mit der Konfiguration der mechanischen Kupplung wurde durch wiederholte Tests überprüft, dass in der Standardposition während des Kuppelns die Kugeln teilweise in die Arretierung Löcher L1sind. Daher, betätigen die Bewegungen der angetriebenen, große Stirnräder L2. Jedoch wenn übermäßige Kraft auf den Endeffektor ausgeübt wird, ist die Kupplung, mit den Kugeln bewegen sich aus der Arretierung Löcher L1ausgekuppelt.

Der Bewegungsumfang der jedes Gelenk in Table of Materials gemeldet wurde auch immer wieder getestet und validiert. Das zuverlässige Funktionieren des robotic Manipulators über einen langen Zeitraum hinweg wurde auf eine fetale Phantom ausgiebig getestet und kontinuierlich mit abdominalen Scans der internen gesunden Probanden (Abbildung 11) verifiziert. Die Studie wurde von der lokalen Ethikkommission genehmigt. Bisher wurden 20 Freiwilligen Scans für allgemeine abdominale Ultraschalluntersuchungen mit der Roboter-Manipulator mit der Basis-Software-Steuerung des Roboters, hauptsächlich zur Bewertung der Zuverlässigkeit und Machbarkeit der mechanischen Konstruktion erfolgreich durchgeführt. Es wurde aus den phantom und freiwilligen Studien festgestellt, dass das aktuelle Design des Roboter-Manipulators der erforderlichen Bewegungsbereich an die benötigte Kraft erreichen und genügend Feinjustierung bietet um Bilder ähnlich wie bei den handgeführten Betrieb der USA zu erhalten Sonde für abdominale Bildgebung. Für alle diese Scans wurden keine Sicherheitsbedenken oder unangenehme Gefühle von den Freiwilligen gemeldet. Die Auswahl an Motoren, mechanische Verhältnisse der Mechanismen und Leistungsstufen überprüft worden, dass sie gewährleisten die zuverlässige Bewegung der Sonde auf den Körper des Patienten, während zur gleichen Zeit was zu rutschen, wenn excessed Kräfte erzeugt werden. Weitere Einzelheiten zu diesem laufend freiwillige Studie und klinische Evidenz für den Einsatz des Roboters werden separat vorgestellt.

Abbildung 1: Computer aided Design (CAD) zeichnen alle Links (L0, L1,L2, L3und L4) und der Effektor. Die Form der einzelnen Links ist als Referenz beim Drucken mit der mitgelieferten 3D gezeigt. STL-Dateien. Die Effektor ist illustriert mit einer US-Sonde in der Assembly enthalten. Bitte klicken Sie hier für eine größere Version dieser Figur.

Abbildung 2: CAD-Zeichnung an der erforderlichen Zusatzkomponenten. Die Form der einzelnen Komponenten ist als Referenz beim Drucken mit der mitgelieferten 3D gezeigt. STL-Dateien. Die Komponenten umfassen Sporn und Kegelräder in verschiedenen Größen, einen Wellenbund, ein Kupplungsdeckel und einem Effektor-Kragen. Bitte klicken Sie hier für eine größere Version dieser Figur.

Abbildung 3: Montageanleitung für J-1. Die benötigten Links, Motoren, Zahnräder und Lager sind gezeigt, einige Strukturen geändert, transparent, um die Assembly zu veranschaulichen. Bitte klicken Sie hier für eine größere Version dieser Figur.

Abbildung 4: Montageanleitung für J-2. Die benötigten Links, Motoren, Zahnräder, Kugel-Feder-Paare und Lager werden angezeigt, einige Strukturen geändert, transparent, um die Assembly zu veranschaulichen. Bitte klicken Sie hier für eine größere Version dieser Figur.

Abbildung 5: Montageanleitung für J3. Die benötigten Links, Motoren, Zahnräder und Lager sind mit zwei perspektivische Ansichten gezeigt, um die Assembly zu veranschaulichen. Bitte klicken Sie hier für eine größere Version dieser Figur.

Abbildung 6: Montageanleitung für J-4. Die benötigten Links, Motoren, Zahnräder und Lager werden angezeigt, mit dem montierten J4 Mechanismus angegeben. Bitte klicken Sie hier für eine größere Version dieser Figur.

Abbildung 7: Montageanleitung für J5. Die erforderliche Verknüpfung und Effektor, Motoren und Getriebe werden angezeigt, einige Strukturen geändert, transparent, um die Assembly zu veranschaulichen. Bitte klicken Sie hier für eine größere Version dieser Figur.

Abbildung 8: Zusammenfassung des vorgeschlagenen 5-DOF Roboter Manipulators mit der holding einer US-Sonde Endeffektor. Die Koordinate Definition jedes Gelenk und die Gesamtgröße des montierten Manipulators werden angezeigt. Bitte klicken Sie hier für eine größere Version dieser Figur.

Abbildung 9: CAD-Zeichnung des Beispiels globale Positioniereinrichtung. Diese Arm-basierten Gerät wird verwendet, um mit der vorgeschlagenen robotic Manipulator zu Testzwecken zu arbeiten. Die Bezeichnungen und die Hauptabmessungen sind in der Zeichnung dargestellt. Bitte klicken Sie hier für eine größere Version dieser Figur.

Abbildung 10: kinematische Simulation von vier unterschiedlichen Scan Posen um das Phantom. Dies zeigt eine ausreichende Bewegungsfreiheit für einen typischen Bauch US-Scan. Bitte klicken Sie hier für eine größere Version dieser Figur.

Abbildung 11: US-Roboter mit dem beschriebenen Protokoll implementiert. (ein) der robotic Manipulator mit dem Beispiel globale Positionierung Mechanismus. (b) klinischen Nutzen der vorgeschlagenen robotic Manipulator auf ein Patient Bauchbereich. Bitte klicken Sie hier für eine größere Version dieser Figur.

Tabelle der Materialien: technische Details des geplanten Roboter Manipulators, einschließlich der Denavit - Hartenberg Parametern und die gemeinsame Spezifikationen. Bitte klicken Sie hier für eine größere Version dieser Figur.

Ergänzende Dateien. 3D druckbare STL Dateien. Bitte klicken Sie hier, um diese Datei herunterladen. 

Die Autoren haben nichts preisgeben.