Artículo de método

Diseño e implementación de un manipulador robótico a medida para ultrasonido extracorpórea

DOI:

10.3791/58811

⸱

7 de enero de 2019

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1School of Biomedical Engineering & Imaging Sciences, King's College London, 2Xtronics Ltd, 3Department of Informatics, King's College London, 4Faculty of Science & Engineering, Queen Mary University of London

En este artículo

Resumen

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

Este trabajo presenta el diseño e implementación de un manipulador robótico a medida para la examinación del ultrasonido extracorpórea. El sistema tiene cinco grados de libertad con ligero juntas de impresión 3D y un embrague mecánico para la gestión de la seguridad.

Resumen

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

Con la posibilidad de alta precisión, destreza y capacidad de repetición, un sistema robótico auto oruga puede emplearse para ayudar a la adquisición de la ecografía en tiempo real. Sin embargo, un número limitado de robots diseñados para ultrasonido extracorpórea ha sido traducido con éxito en uso clínico. En este estudio, pretendemos construir un manipulador robótico a medida para la examinación del ultrasonido extracorpórea, que es ligero y tiene un diseño compacto. El robot está formado por cinco enlaces de formas especial y por encargo mecanismos conjuntos para la manipulación de la sonda, para cubrir el rango necesario de movimiento con grados de libertad redundantes para garantizar la seguridad del paciente. La seguridad mecánica se acentúa con un mecanismo de embrague, para limitar la fuerza aplicada a los pacientes. Como resultado del diseño, el peso total del manipulador es de menos de 2 kg y la longitud del manipulador es de unos 25 cm. Se ha implementado el diseño, simulación y se han realizado estudios de fantasmas y voluntarios, para validar el rango de movimiento, la habilidad de hacer ajustes de precisión, fiabilidad mecánica y la operación segura del embrague. Este documento detalla el diseño e implementación del manipulador ultrasonido robótica a medida, con los métodos de diseño y montaje ilustrados. Se presentan los resultados de las pruebas para demostrar las características de diseño y experiencia clínica del uso del sistema. Se concluye que la actual roboticos propuesto cumple con los requisitos como un sistema a medida para la examinación del ultrasonido extracorpórea y tiene un gran potencial para traducirse en uso clínico.

Introducción

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Un sistema de ultrasonido robótica extracorpórea (Estados Unidos) se refiere a la configuración en la que se utiliza un sistema robótico para sujetar y manipular una sonda de los Estados Unidos para exámenes externos, incluyendo su uso en proyección de imagen abdominal1 de Cardiaco, vascular, obstétrica y general . El uso de un sistema robótico está motivado por los desafíos de sostener y manipular una sonda de los Estados Unidos, por ejemplo, el desafío de encontrar vistas de los Estados Unidos estándar requeridas por protocolos clínicos por imágenes y el riesgo de lesión de esfuerzo repetitivo2, manualmente 3,4, y también por las necesidades de nosotros programas de cribado, por ejemplo, el requisito para ecografistas para estar in situ5,6. Con énfasis en diferentes funcionalidades y anatomías de objetivo, varios sistemas robóticos de Estados Unidos, como revisado en anteriores trabajos1,7,8, han sido introducidos desde la década de 1990, para mejorar diferentes aspectos de los E.E.U.U. examen (p. ej., teleoperación larga distancia9,10,11,12, así como interacción de operador de robot y control automático)13, 14. Además de los sistemas robóticos de Estados Unidos utilizados para propósitos de diagnóstico, robótica de alta intensidad enfocada a sistemas de ultrasonidos (HIFU) para propósitos de tratamiento han sido ampliamente investigados como resumido por Priester et al. 1, con algunas recientes obras15,16 informes los progresos más recientes.

Aunque varios sistemas robóticos de los Estados Unidos han sido desarrollados con tecnologías relativamente confiables para el control y operación de clínica, sólo unos pocos de ellos han sido traducidos con éxito en uso clínico, como un sistema de tele-ultrasonido comercialmente disponibles 17. una posible razón es el bajo nivel de aceptación de gran tamaño aspecto industrial robots trabajando en un entorno clínico, desde el punto de vista de pacientes y ecografistas. Además, para la gestión de la seguridad, la mayoría de los robots existentes de los Estados Unidos depende de sensores para monitorear y controlar la presión aplicada a la sonda de los Estados Unidos, mientras que los mecanismos de seguridad mecánico más fundamentales para limitar la fuerza pasiva generalmente no están disponibles . Esto también puede causar preocupaciones cuando traduciendo en uso clínico como la seguridad de operación del robot sería puramente dependiente de sistemas eléctricos y software lógica.

Con los últimos adelantos de 3D técnicas, especialmente en forma de enlaces de plástico con mecanismos conjuntos a la medida de la impresión podría proporcionar una nueva oportunidad para desarrollar robots médicos a medida. Componentes ligeros cuidadosamente diseñados con un aspecto compacto podrían mejorar aceptación clínica. Específicamente para el examen de los Estados Unidos, un robot médico a medida destinado a ser traducido en uso clínico debe ser compacto, con suficientes grados de libertad (DOFs) y rango de movimiento para cubrir la región de interés de una exploración; por ejemplo, la abdominal superficie, incluyendo la parte superior y lados del vientre. Además, el robot debe incorporar la capacidad para realizar ajustes finos de la sonda de los Estados Unidos en un área local, al tratar de optimizar una vista de los Estados Unidos. Esto generalmente incluye movimientos de inclinación de la sonda dentro de cierto rango, según lo sugerido por Essomba et al. 18 y19de la bajista. Para más las preocupaciones de la seguridad, se espera que el sistema debe tener características de seguridad pasiva mecánica que son independientes del sistema eléctrico y la software lógica.

En este trabajo, presentamos el método detallado de diseño y montaje de un manipulador robótico diestro 5 DOF, que se utiliza como el componente clave de un sistema robótico extracorpórea de Estados Unidos. El manipulador consta de varios enlaces para imprimir 3D ligero, mecanismos conjuntos a medida y un embrague de seguridad integrado. La disposición específica de los gobiernos proporciona total flexibilidad para realizar ajustes de la sonda, permitiendo el fáciles y seguras de las operaciones en una pequeña área sin colisionar con el paciente. El manipulante de la propuesta multi-DOF pretende trabajar como el principal componente que está en contacto con pacientes y puede simplemente conectarse cualquier mecanismo de posicionamiento global convencional 3-DOF para formar un robot completo de los Estados Unidos con gobiernos plenamente activos para realizar un análisis de los Estados Unidos.

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Protocolo

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1. preparación de cada enlace, extremo-effector y componentes adicionales

  1. Imprimir todos los enlaces (L0, L1, L2, L3y L4) y el efector final como se muestra en la figura 1, con acrilonitrilo butadieno estireno (ABS) de plástico, plástico de (PLA) ácido poliláctico o nylon, con una impresión 3D servicio. Uso el. Ficheros STL proporcionadas en los Materiales complementarios al imprimir.
    Nota: Cambios en la forma y escala de cada parte pueden hacer basados en los archivos suministrados. El perfil interior de la extremo-effector puede cambiarse para adaptarse a diferentes sondas de Estados Unidos.
  2. Imprimir todos los componentes adicionales necesarios como se muestra en la figura 2 en nylon, con un servicio de impresión 3D. Consulte la Tabla de materiales para la cantidad requerida de cada componente. Uso el. Ficheros STL proporcionadas en los Materiales complementarios al imprimir.
  3. Pulir todas las piezas plásticas impresas con herramientas de pulido si es necesario. Retire cualquier material de soporte de impresión en 3D, si es necesario.
    Nota: Algunas estructuras en el diseño de extremo-effector proporcionado para un sensor de fuerza, que no es parte del protocolo divulgado aquí y no se utilizará para el montaje. El concepto de diseño del sensor de fuerza se ha divulgado en anterior trabajo20; por lo tanto, no está cubierto en este documento.

2. montaje del conjunto 1

Nota: El montaje de conjuntos 1 (J1) se basa en la figura 3.

  1. Coloque los cuatro motores de pasos pequeños, a (con 20 dientes engranajes cilíndricos conectados) en las cavidades de montaje de L0 y montar con los tornillos.
  2. Coloque los dos rodamientos de OD de 37 mm en los soportes de L0 y asegurar el engranaje de estímulo de 120 dientes (tipo A) en la llave hexagonal L1.
  3. Inserte el eje en L1 en el orificio del eje L0 con los cuatro engranajes de estímulo motoras pequeño y el grande, impulsada por el estímulo de la marcha engranada y montar el collar de eje para asegurar y mantener el eje.

3. montaje del conjunto 2

Nota: El montaje del conjunto 2 (J2) se basa en la figura 4.

  1. Coloque los cuatro motores de pasos pequeños, a (con 20 dientes engranajes cilíndricos conectados) en las cavidades de montaje de L1 y montar con los tornillos.
  2. Conecte los dos engranajes de estímulo de 120 dientes (tipo B) a los dos rodamientos de 37 m m OD y posición en las cavidades de engranaje de L1, con el engranaje de estímulo de 120 dientes (tipo B) contratadas los engranajes cilíndricos de dientes 20 montado en los motores. Desenroscar y volver a atornillar el motor si es necesario para permitir el fácil posicionamiento del engranaje de estímulo de tipo B de dos dientes de 120.
  3. Alinee L1 y L2 e Inserte el cojinete y los pares bola muelle del embrague en L2. Con las dos cubiertas de embrague redondo alinear y empujar el resorte en el mecanismo de embrague de precarga, inserte un perno M6 en las bores de L1 y L2.
  4. Gire el conjunto al otro lado y repita los pasos de 3.3 para este lado. Asegure el conjunto colocando una tuerca al perno M6.

4. montaje de conjunto 3

Nota: El montaje del conjunto 3 (J3) se basa en la figura 5.

  1. Coloque los dos motores de pasos pequeños, a (con 20 dientes engranajes cilíndricos conectados) en las cavidades de montaje de L2 y montar con los tornillos.
  2. Colocar el OD de 37 mm rodamiento en el alojamiento del cojinete del engranaje de estímulo de 120 dientes (tipo C) y el 32 mm OD rodamiento en el alojamiento del cojinete de la L3.
  3. Asegure el gran engranaje de estímulo en el orificio hexagonal de L3 (tornillos adicionales pueden utilizarse si es necesario) e inserte el eje en la L2 en los taladros en el engranaje de espuela grande y L3, con los pequeños y los grandes engranajes de estímulo a.

5. montaje del mecanismo de conducción de 4 conjuntos

Nota: El montaje del conjunto J 44se basa en la figura 6.

  1. Coloque los dos motores de pasos pequeños, engranado en las cavidades de montaje de L3 y montar con tornillos. Coloque los cojinetes de OD de 8 mm en los soportes de L4.
  2. Monte el engranaje de estímulo largo 20 dientes en los dos motores de pasos pequeños.

6. montaje del mecanismo conducido de conjunto 4 y 5 mixto

Nota: El montaje del conjunto J 44se basa en la figura 6 y 5 conjunto (J5) se basa en la figura 7.

  1. Posición del accionada engranaje cónico de 144 dientes en la extrusión de L4.
  2. Coloque los dos motores de pasos pequeños, a (con 18 dientes cónicos engranajes conectados) en las cavidades de montaje de L4 y montar con los tornillos. Finalmente, inserte el eje de M5 en el orificio del eje de L3 y L4 después de los dos enlaces están alineados. Asegurar la construcción en estructuras de engranaje conducido en L4 partidos con el engranaje de estímulo largo de 20 dientes.
  3. Inserte el extremo-effector de la ranura del engranaje biselado grande y Coloque verticalmente el efector final con el collar de extremo-effector atornillado sobre él.

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Resultados

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Siguiendo el protocolo, el sistema resultante es un manipulador robótico con cinco enlaces de formas especial (L0 L4) y cinco juntas revoluto (J1 J5) para mover, sostener y localmente inclina una sonda de los Estados Unidos (figura 8). La articulación de rotación superior (J1), con mecanismos de engranaje accionados por cuatro motores, puede girar las siguientes estructuras de 360 °, para permitir que la ...

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Discusión

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A diferencia de muchos otros robots industriales que se han traducido en aplicaciones médicas, la propuesta roboticos descrito en el protocolo fue diseñado específicamente para los exámenes de los Estados Unidos según los requisitos clínicos para el rango de movimiento, aplicación de la fuerza y gestión de la seguridad. Los roboticos ligero sí mismo tiene una amplia gama de movimientos suficientes para la mayoría extracorpórea Estados Unidos escanear, sin necesidad de grandes movimientos del mecanismo de posicionamiento ...

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Divulgaciones

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Los autores no tienen nada que revelar.

Agradecimientos

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

Este trabajo fue financiado por el Wellcome Trust IEH Award [102431] y por el centro de bienvenida/EPSRC para ingeniería médica [WT203148/16/Z/Z]. Los autores reconocen el apoyo financiero del Departamento de salud a través el Instituto Nacional de investigación de la salud (NIHR) integral centro de investigación biomédica Premio de Guy y St Thomas' NHS Foundation Trust en alianza con el rey de Confianza de NHS Foundation Hospital de la Universidad College de Londres y del rey.

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Materiales

Lista de materiales utilizados en este artículo
NombreEmpresaNúmero de catálogoComentarios
Enlace impreso en 3D L03D servicioComo se muestra en la Figura 1, con el archivo STL proporcionado
enlace impreso en 3D L13D servicioComo se muestra en la Figura 1, con el archivo STL proporcionado
enlace impreso en 3D L23D servicioComo se muestra en la Figura 1, con el archivo STL proporcionado
enlace impreso en 3D L33D servicio de impresión1Como se muestra en la Figura 1, con el archivo STL proporcionado
enlace impreso en 3D L43D servicioComo se muestra en la Figura 1, con el archivo STL proporcionado
servicio de impresión 3Defector final impreso en 3D1Como se muestra en la Figura 1, con el archivo STL proporcionado
Engranaje recto de 20 dientesservicio de impresión 3D12de 0,5, ancho de cara de 5 mm, con chavetero de montaje, como se muestra en la Figura 2, con el archivo STL proporcionado
Engranaje cónico de 18 dientes servicio deimpresión 3D2 módulo de0,5, ancho de cara de 5 mm, con chavetero de montaje, como se muestra en la Figura 2, con el archivo STL proporcionado
Engranaje recto de 120 dientes (Tipo A)servicio de impresión 3D1Módulo de 0,5, ancho de cara de 6 mm, con chavetero de montaje, carcasa de cojinete y orificio, como se muestra en la Figura 2, con el archivo STL proporcionado
Engranaje recto de 120 dientes (Tipo B)Servicio de impresión 3D2 Módulo de0,5, ancho de cara de 6 mm, con orificios de retención, carcasa de cojinete y orificio, como se muestra en la Figura 2, con el archivo STL proporcionado
Engranaje recto de 120 dientes (Tipo C)Servicio de impresión 3D1módulo de 0,5, ancho de cara de 6 mm, con llave de montaje, carcasa de cojinete y orificio, como se muestra en la Figura 2, con el archivo STL proporcionado
impresión 3Dde engranaje recto de 20 dientes de largo1módulo de 0,5, ancho de cara de 21,5 mm, con chaveteros de montaje, como se muestra en la Figura 2, con el archivo STL proporcionado
Servicio de impresión 3Dde engranaje cónico de 144 dientes1módulo de 0,5, Ancho de cara de 7 mm, con chaveteros de montaje, como se muestra en la Figura 2, con el archivo STL proporcionado
Rodamiento (37 mm de diámetro exterior y 30 mm de diámetro interior)Bearing Station Ltd., Reino Unido5El tamaño del rodamiento y el proveedor pueden variar
Rodamiento (12 mm de diámetro exterior y 6 mm de diámetro interior)Bearing Station Ltd., Reino Unido2El tamaño del rodamiento y el proveedor pueden variar
Rodamiento (32 mm de diámetro exterior y 25 mm de diámetro interior)Bearing Station Ltd., Reino Unido1El tamaño del rodamiento y el proveedor pueden variar
Rodamiento (8 mm de diámetro exterior y 5 mm de diámetro interior)Bearing Station Ltd., Reino Unido2El tamaño del rodamiento y el proveedor pueden variar
Eje de plástico/metal (6 mm de diámetro exterior, 70 mm de largo)TR Fixenings Ltd., Reino Unido1. ej. Podría ser un perno M6 y una tuerca
Eje de plástico/metal (5 mm de diámetro exterior, 70 mm de largo)TR Fastenings Ltd., Reino Unido1. ej. Podría ser un perno M5 y una tuerca
Pares de muelles esféricosWDS Ltd., Reino Unido4El número de pares de muelles esféricos puede variar para ajustar la fuerza de disparo del embrague
Tapas de embragueServicio de impresión 3D2104 mm de diámetro exterior, 5 mm de ancho de cara, 6 mm de diámetro, como se muestra en la figura 2, con el archivo STL proporcionado
collar de eje impreso en 3D servicio deimpresión 3D135 mm de diámetro exterior y 30 mm de diámetro interior, ancho de cara de 8 mm, como se muestra en la Figura 2, con el archivo STL proporcionado
collar efector final impreso3D servicio de impresión 3D1Como se muestra en la Figura 2, con el archivo STL proporcionado
Pequeños motores paso a paso con engranajesAOLONG TECHNOLOGY Ltd., China14Número de pieza: GM15BYS; Relación de transmisión interna 232:1 o 150:1, todas aceptables
1 1 1 1 módulo Servicio de p p en

Referencias

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