Artículo de método

a base de varilla de fabricación de dispositivos robóticos adaptables pinza neumática suaves para la manipulación del tejido delicado

DOI:

10.3791/54175

⸱

2 de agosto de 2016

 , 
1Department of Biomedical Engineering, Advanced Robotics Centre, Singapore Institute for Neurotechnology, National University of Singapore

En este artículo

Resumen

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,

Este protocolo describe un enfoque basado en varillas, que combina técnicas de impresión 3D y litografía blanda para fabricar los dispositivos de agarre blando. Este enfoque elimina la necesidad de una fuente de aire externa al incorporar un componente de cámara y reduce la posibilidad de oclusión durante el proceso de sellado, particularmente para canales neumáticos miniaturizados.

Resumen

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,

El agarre suave es esencial en la manipulación quirúrgica delicada para minimizar el riesgo de daño en el agarre tisular causado por altas concentraciones de estrés en el punto de contacto. Se puede lograr complementando las pinzas rígidas tradicionales con dispositivos de agarre neumáticos robóticos blandos. Este manuscrito describe un enfoque basado en varillas que combinó la impresión 3D y una técnica de litografía blanda modificada para fabricar la pinza neumática blanda. En resumen, el molde neumático sin rasgos distintivos con componente de cámara está impreso en 3D y las varillas se utilizaron para crear los canales neumáticos que se conectan a la cámara. Este protocolo elimina el riesgo de oclusión de canales durante el proceso de sellado y la necesidad de una fuente de aire externa o un circuito de control relacionado. La pinza blanda consta de una cámara llena de aire y uno o más brazos de agarre con un canal neumático en cada brazo conectado a la cámara. El canal neumático está colocado cerca de la pared exterior para crear una rigidez diferente en el brazo de agarre. Al comprimir la cámara, lo que genera presión en el canal neumático, el brazo de agarre se doblará hacia adentro para formar una postura de agarre cerrada porque el área de la pared exterior es más flexible. La pinza blanda se puede insertar en una herramienta de manipulación impresa en 3D con dos modos de control diferentes para la compresión de la cámara: modo de pinza manual con un pistón móvil y modo de pinza robótica con un actuador lineal. La pinza de doble brazo con dos brazos accionables era capaz de recoger objetos de hasta 2 mm y, sin embargo, generar fuerzas de compresión más bajas en comparación con las pinzas rígidas con y sin recubrimiento de elastómero. También se demostró la viabilidad de tener otros diseños, como la pinza de un solo brazo o de gancho, lo que puso de manifiesto la personalización del dispositivo de agarre suave y su potencial para ser utilizado en la manipulación quirúrgica delicada para reducir el riesgo de daño al agarre de los tejidos.

Introducción

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Robots suaves han despertado gran interés en la investigación dentro de la comunidad de la robótica y se han utilizado en diferentes tareas funcionales, tales como la locomoción ondulatoria en entornos no estructurados 1 y 2 de agarre. Ellos se componen principalmente de materiales elastoméricos suaves y controlados por diferentes técnicas de actuación a través de la utilización de diferentes materiales tales como polímero electroactivo (EAP), la forma de aleación de memoria (SMA), o fluido comprimido 3. función EAPs basado en un voltaje diferencial que induce fuerzas electrostáticas para producir cepas activas y de ese modo genera accionamiento. El efecto de memoria de forma peculiar de la SMA se despliega para generar el accionamiento deseado basado en la generación de la fuerza durante las transformaciones de fase en el cambio en la temperatura. Por último, la técnica de accionamiento fluido comprimido facilita una estrategia de diseño simple para inducir la diferencia de rigidez en los actuadores suaves, de forma que las regiones más compatibles se inflaránsobre presurización. robots suaves están diseñados para ampliar las aplicaciones de robots duros tradicionales, especialmente en aplicaciones en las que están implicados los objetos delicados. En particular, en este trabajo, presentamos nuestro enfoque único en el desarrollo de pinzas robóticas suaves para la manipulación quirúrgica delicada.

Sujeción de aplicaciones quirúrgicas es un aspecto importante implicado en muchos procedimientos quirúrgicos, tales como hepático, ginecológica, urológica, y el nervio cirugías de reparación de 4, 5. Se lleva a cabo típicamente por, herramientas rígidas de agarre de tejido de acero tales como los fórceps y pinzas laparoscópicas para el propósito de facilitar observación, la escisión, procedimientos de anastomosis, etc. Sin embargo, se requiere extremo cuidado ya que las herramientas de sujeción convencionales están hechas de metal que pueden causar zonas de alta concentración de tensión en el tejido blando en los puntos de contacto 6. Dependiendo de la gravedad de los daños tisulares, diversas complicaciones, como el dolor, la cicatriz patológica del tejido formación, e incluso incapacidad permanente, pueden resultar. Un estudio previo reportó que la tasa de complicaciones en la cirugía de nervios periféricos fue del 3% 7. Por lo tanto, el concepto de agarre suave que puede proporcionar un agarre seguro compatible puede ser un candidato prometedor para la manipulación quirúrgica delicada.

A continuación, presentamos una combinación de técnicas de litografía blanda modificados, que adoptaron un enfoque basado en la barra, para fabricar pinzas neumáticas robóticos suaves adaptables 3D-impresión y. Técnica de fabricación tradicional de robots blandos a base de accionamiento de fluido comprimido requiere un molde con canales neumáticos impresas en él y un proceso de sellado para sellar los canales 8. Sin embargo, no es factible para robots suaves miniaturizados que necesitan pequeños canales neumáticos donde la oclusión de canales puede suceder fácilmente en el proceso de sellado. La técnica tradicional requiere el sellado de los canales neumáticos que ser hecho por unión de una capa de sellado revestido a ella. Por lo tanto, el layer de material elastomérico que sirve inicialmente como una capa de unión puede derramarse en los pequeños canales y ocluir esos canales. Tampoco es posible colocar los canales neumáticos en el centro de la estructura y conectarse a un componente de la cámara usando técnicas convencionales. El enfoque propuesto permite la creación de canales neumáticos miniaturizados conectados a una cámara usando barras llenas de aire y no requiere sellado de los pequeños canales. Además, la cámara conectada a los canales neumáticos sirven como una fuente de aire que no requiere fuentes de aire externas para el accionamiento de fluido comprimido. Se permite que tanto los modos de control robóticos facilitando la cámara de compresión para accionar el componente de agarre, proporcionando así a los usuarios la opción de controlar la cantidad de fuerza que están aplicando a través de la pinza manual y. Este enfoque es altamente adaptable y se puede utilizar para fabricar varios tipos de diseños de agarre blandos, tales como pinzas con simple o multiple brazos accionables.

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Protocolo

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Nota: Todas las pinzas neumáticas blandos fueron fabricados por colada mezclas de elastómeros a base de silicona en moldes 3D-impresos personalizados, que siguieron un proceso de fabricación que comprende tres pasos: el moldeo de componentes de agarre de mano dura con los canales neumáticos incrustadas, moldeando componente cámara conectada a los canales de neumáticos , y sellar el componente de cámara llena de aire.

1. Preparación de los elastómeros

  1. Colocar un recipiente para el mezclador en una balanza y tarar. Verter las partes A y B del elastómero a base de silicona en el recipiente con una relación 1: 1 en peso.
  2. Cubrir el recipiente y medir el peso total.
  3. Colocar el recipiente y el material en un mezclador centrífugo. Ajustar el equilibrio de peso en la mesa de mezclas para el peso medido en el paso 1.2.
  4. Ponga los modos de mezcla y de desaireación a 2.000 rpm y 2.200 rpm durante 30 segundos. Mezclar los componentes de elastómero a fondo para conseguir el curado uniforme.
Le "> 2. Diseño y realización de moldes

Nota: La geometría del molde puede variar dependiendo de los requisitos específicos para diferentes aplicaciones. Los pasos siguientes ilustran pasos clave generales en el software de CAD que se requieren para crear el componente de cámara y de agarre del molde.

  1. Diseñar los moldes y moldes de sellado utilizando el software de diseño (CAD) asistido por ordenador. Véase la Figura 1 para la geometría y específicos dimensiones de los moldes utilizados en este manuscrito.
    1. Diseño del cuadro de límite exterior
      1. Haga clic derecho en el plano superior y haga clic en "Normal a" botón para normalizar al plano superior.
      2. Haga clic en "Esbozo" en la esquina superior izquierda para abrir una ventana "Boceto". A continuación, haga clic en el botón "Boceto" en la esquina superior izquierda de la barra de herramientas para dibujar una base rectangular de componente cámara.
      3. Haga clic en la función "Cota inteligente", que se encuentra al lado del botón "Boceto", para definir skdimensiones de grabado. Asegúrese de que el croquis está completamente definido (es decir, todas las líneas de dibujo se convierten en negro) y salir del boceto cuando haya terminado.
      4. Haga clic en la ventana de "Características". A continuación, haga clic en "/ Extruir saliente Base" característica para la extrusión de perfiles seleccionados en la dirección y.
      5. Haga clic en la superficie superior del modelo de preseleccionar el plano de croquis. Dibuje un rectángulo y definir las dimensiones como se describe en 2.1.1.2 y 2.1.1.3.
      6. Haga clic en la ventana de "Características". A continuación, haga clic en la función de "corte extruido" para extruir cortar una cavidad para la fundición de elastómeros (Figura 2A). Asegúrese de que el espesor de la pared es de 2,5 mm.
    2. Diseño de la cámara interior
      1. Haga clic en la superficie en la dirección Y del área de abertura. A continuación, haga clic en "Normal a" normalizar a esa superficie.
      2. A continuación, haga clic en la ventana "Boceto" para dibujar un rectángulo para el componente de cámara tal como se describe en los pasos 2.1.1.2 y2.1.1.3.
      3. Haga clic en la ventana de "Características". A continuación, haga clic en "/ Extruir saliente Base" característica para extruir el componente de cámara en la dirección Y (Figura 2B).
        Nota: La profundidad del corte en el paso 2.1.1.6 es 2,5 mm mayor que esta base extruido.
    3. Diseño del componente de agarre
      1. Haga clic en la superficie del modelo en negativo dirección X para preseleccionar el plano de boceto para el componente de agarre. Crear un rectángulo en la ventana "Boceto" tal como se describe en los pasos 2.1.1.2 y 2.1.1.3.
      2. Haga clic en la ventana de "Características". A continuación, haga clic en "/ Extruir saliente Base" característica para extruir el contorno seleccionado en la dirección X negativa.
      3. Haga clic en la superficie superior del componente de agarre para preseleccionar el plano de croquis. Crear una forma de pinza en el "Esbozo" ventana (Figura 2C) y salir del boceto cuando las dimensiones se encuentran completamente definidos como se describe en los pasos 2.1.1.2 unad 2.1.1.3.
      4. Haga clic en la ventana de "Características". A continuación, haga clic en "corte extruido" para cortar una cavidad para la fundición de elastómeros en el componente de agarre. Asegúrese de que el espesor de la pared es de 2,5 mm.
    4. Ejecución de la conexión entre la cámara y la pinza
      1. Crear un rectángulo en la ventana "Boceto" en la superficie superior de la pieza de cámara como se describe en 2.1.1.2 y 2.1.1.3.
      2. Haga clic en la ventana de "Características". A continuación, haga clic en "corte extruido" para crear una conexión entre los componentes de la cámara y la pinza (Figura 2D).
    5. Diseño de los canales neumáticos
      1. Crear 1,5 mm círculos de diámetro en la superficie de la pieza de cámara en la dirección X positiva como se describe en los pasos 2.1.1.2 y 2.1.1.3.
      2. Haga clic en la ventana de "Características". A continuación, haga clic en "corte extruido" para crear canales para la inserción de varillas de alambre (Figura 2E). Asegúrese de que el holES no se cortan a través del componente de agarre.
  2. En un archivo CAD separada, dibujar un molde de sellado con una cavidad de longitud y anchura que son de 1 mm mayor que las dimensiones exteriores de la cámara de componente de la pinza. Nota: El espesor de la pared es de 2,5 mm.
    1. Haga clic en la ventana "Boceto" para crear un rectángulo en el plano superior como pasos descritos 2.1.1.2 y 2.1.1.3.
    2. Haga clic en la ventana de "Características". A continuación, haga clic en "/ Extruir saliente Base" característica para la extrusión de perfiles seleccionados en la dirección y.
    3. Haga clic en la cara superior del modelo de preseleccionar el plano de croquis. Dibuje un rectángulo y definir las dimensiones como se describe en los pasos 2.1.1.2 y 2.1.1.3).
    4. Haga clic en la ventana de "Características". A continuación, haga clic en la función de "corte extruido" para extruir cortar una cavidad para la fundición de elastómeros. Asegúrese de que el espesor de la pared es de 2,5 mm.
  3. Guardar cada pieza de molde como un archivo STL para la impresión 3D.
  4. Cargar el archivo STL en la impresora 3D con una resolución de 30 micras e imprimir las piezas de molde 9.
  5. Eliminar cualquier material de apoyo en las piezas del molde y lavar las piezas del molde con agua.

3. suave simple / doble-accionables Pinzas brazo neumático

  1. Moldear componentes de agarre de mano dura con canales neumáticos integrados
    1. Inserte dos cámaras de bloques 3D-impreso en el lado izquierdo y derecho del componente de cámara (Figura 3A) con el fin de generar una cámara sellada con canales neumáticos conectados a él.
    2. Inserte dos varillas de alambre de titanio de 1,5 mm de diámetro a través de la cámara, manteniendo una distancia de 2 mm de las puntas de las pinzas para crear los canales neumáticos (Figura 3A). Nota: Utilice una barra de alambre para la pinza de un solo accionable-brazo.
    3. Verter la mezcla de elastómero en el molde para llenar completamente el componente de agarre.
    4. Asegúrese de que no hay burbujas de aire visibles presentes.
    5. Place el molde en el horno para el curado a 60 ° C durante 10 min. Una vez que se cura elastómero, retirar el molde del horno.
  2. componente cámara de moldeo conectada a los canales neumáticos
    1. Tire de los hilos de máquina y las dos cámaras de bloques fuera del molde.
    2. Colocar una pinza-bloque impreso-3D en la parte superior del componente de agarre con el fin de crear la cámara (Figura 3B). Introducir las varillas de alambre para bloquear los agujeros en la pared del molde.
    3. Verter la mezcla de elastómero en el molde para llenar la parte restante del componente de cámara y asegurar que no haya burbujas de aire atrapadas visibles en el molde.
    4. Curar la parte a una temperatura de 60 ° C durante 10 min. Retire el molde del horno una vez que se cura elastómero.
    5. Retire la pinza-bloque y desmoldar la pinza completamente curado con estructura de cámara.
  3. Sellado de la componente de cámara llena de aire
    1. Verter la mezcla en el molde elastomérico de sellado ycurarla a 60 ° C durante 10 min.
    2. Cepillo de una capa de material elastomérico sobre los curados 2,5 mm capa de sellado. Coloque la pinza curado con estructura de cámara en la parte superior de la capa de sellado revestido y unir las dos piezas juntas (Figura 3C).
    3. Posteriormente, curar toda la estructura completamente a 60 ° C durante 15 min.
    4. Desmoldar el dispositivo robótico de agarre suave totalmente curado.

4. La inserción de Soft robótico neumático Pinza de dispositivos en herramienta de manipulación

  1. Diseñar las herramientas de manipulación como se describe en el archivo suplementario 1, utilizando el software de CAD y guardarla en el archivo STL. Véanse las Figuras 4 y 5 para las dimensiones de las herramientas.
  2. Cargar el archivo STL en la impresora 3D e imprimir las piezas de molde 9.
    Nota: Todas las etapas de impresión para la herramienta de manipulación manual de control, la tapa rectangular, y el pistón móvil (Figura 4) se pueden completar en 3 h 48 min. El prInting tiempo para la fabricación de la herramienta y la tapa rectangular de manejo de control robótico (Figura 5) es de 1 h 56 min. Ver archivo Suplementario 2 para obtener instrucciones de funcionamiento de la impresora 3D.
  3. Despegar cualquier material de apoyo en las herramientas después de que se complete la impresión. Luego, lave las herramientas con agua.
  4. Inserte la pinza en el manual del útil de manipulación de control (Figura 4A) y cubrir el área de abertura con una tapa rectangular móvil (Figura 4B).
  5. Inserte un pistón móvil (Figura 4C) para facilitar la compresión de la cámara.
  6. Inserte la pinza y el actuador lineal en la herramienta de manipulación robótica de control (Figura 5A). Nota: El actuador lineal reemplaza el pistón móvil en el modo de control manual para la compresión de la cámara.
  7. Cubrir el área de abertura con una tapa rectangular móvil (Figura 5B).

5. Las evaluaciones y el agarre a la compresión de prueba

  1. Evaluarla funcionalidad de la pinza suave mediante la realización de pruebas de agarre con un cable de puente.
    1. Ponga un puente sobre la mesa.
    2. Ajustar la pinza de modo que el alambre está entre de los dos brazos de agarre.
    3. Mueva el pistón móvil para comprimir la cámara con el fin de accionar los brazos de sujeción para sujetar el cable.
      Nota: Sólo la herramienta de control de manejo manual se utiliza en la manifestación de agarre.
    4. Sostener y mover el cable a una caja situada a 20 cm de distancia de la ubicación original del alambre.
  2. Coloque una resistencia de detección de fuerza calibrada entre las dos mordazas de la pinza. Asegúrese de que el agarre mordazas de agarre en el área de detección. Nota: El diámetro de la zona de detección es de 14.7 mm.
  3. Comprimir la cámara para accionar los brazos de sujeción para sujetar en la resistencia de detección de fuerza.
  4. Medir las fuerzas de compresión máximo agarre que los accionable de brazo simple y doble con accionamiento de brazo pinzas neumáticas suave puedan generar como se describe en el 10.
    Nota: Los valores de lectura se mostrarán en un ordenador portátil. Las fuerzas máximas de compresión agarre se miden en el punto de máxima presión que los canales neumáticos pueden soportar.
  5. Recortar las mordazas de agarre elastoméricas individuales a partir de un estudio doble-brazo accionable pinza neumática suave.
  6. Inserte las puntas de las pinzas neumáticas en los canales de las mordazas de agarre elastoméricas.
  7. Coloque una resistencia de detección de fuerza calibrada entre las dos mordazas de la pinza.
  8. Medir las fuerzas de compresión generadas por 10 fórceps y pinzas impregnados de elastómero durante una cirugía de los nervios simulada realizada por un neurocirujano.
    Nota: El neurocirujano aplica una fuerza que es similar a lo que se aplica normalmente durante la cirugía real en la resistencia de detección de fuerza.
  9. La media de los datos obtenidos a partir de cinco ensayos en cada prueba.

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Resultados

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Los dispositivos de agarre neumáticos robóticos suaves eran capaces de recoger objetos con dimensiones de hasta 1,2 mm de diámetro (Figura 6). La fuerza máxima de agarre a la compresión generada por el simple accionable-brazo y doble accionable-brazo dispositivos de pinzado blandos fueron 0,27 ± 0,07 N y 0,79 ± 0,14 N, respectivamente, en comparación con 1,71 ± 0,16 N y 2,61 ± 0,22 N fuerzas de compresión en cirugía simulada por las pinzas de elastómero recubierto y sin ...

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Discusión

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,

Hemos demostrado con éxito que los dispositivos de agarre suave neumática robóticos permiten agarre compatible de objetos, que ejercen fuerzas de compresión mucho más bajos en el objeto que se agarra de los fórceps y pinzas consejos impregnados de elastómero ejercidas. Fórceps es una herramienta esencial para la manipulación de los nervios durante la reparación de nervios periféricos cirugías de 11, 12. Sin embargo, su estructura metálica requiere extremo cuidado en el uso de los cirujanos con el fin de evita...

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Divulgaciones

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,

Los autores no tienen nada que revelar.

Agradecimientos

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,

La investigación fue apoyada por R-397-000-204-133 (Universidad Nacional de Singapur Young Investigator Award).

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Materiales

Lista de materiales utilizados en este artículo
NombreEmpresaNúmero de catálogoComentarios
Báscula de pesajeSeverinKW3667(Paso: Preparación de elastómeros)
Ecoflex Supersoft 0030 ElastómeroSmooth-OnEF0030(Paso: Preparación de elastómeros)
Mezclador centrífugo planetario y contenedoresTHINKY USA Inc.ARE-310(Paso: Preparación de elastómeros)
Solidworks CADDassault Systè mes Suscripción a Solidworks Research(Paso: Pinzas neumáticas blandas de brazo accionable simple/doble)
Impresora 3D ObjetStratasys260 Connex2(Paso: Pinzas neumáticas blandas de brazo accionable simple/doble)
Alambrón de titanioTitan EngineeringN/A(Paso: Pinzas neumáticas blandas de brazo accionable simple/doble)
Horno de convección natural con temporizadorThermo Fisher ScientificBIN # ED53(Paso: Pinzas neumáticas blandas de brazo accionable simple / doble)
Actuador linealFirgelli TechnologiesL12(Paso: Inserción de un dispositivo de agarre neumático robótico suave en la herramienta de manipulación)
Cable de puentesgbóticoCAB-01146(Paso: Evaluaciones y prueba de compresión de agarre)
interconexiónresistencia de detección de fuerzaFSR402(Paso: evaluaciones y Ensayo de compresión de agarre)
Electrónica de de

Referencias

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