Article de méthode

Fabrication à base de Rod personnalisables souples Robotic pneumatiques Dispositifs Gripper pour la manipulation des tissus Délicat

DOI :

10.3791/54175

⸱

2 août 2016

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

Dans cet article

Résumé

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

Ce protocole décrit une approche basée sur des tiges, combinant des techniques d’impression 3D et de lithographie douce pour fabriquer les dispositifs de préhension souple. Cette approche élimine le besoin d’une source d’air externe en incorporant un composant de chambre et réduit le risque d’occlusion pendant le processus d’étanchéité, en particulier pour les canaux pneumatiques miniaturisés.

Résumé

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

Une préhension souple et conforme est essentielle dans les manipulations chirurgicales délicates pour minimiser le risque de dommages à la préhension tissulaire causés par des concentrations de contraintes élevées au point de contact. Cela peut être réalisé en complétant les préhenseurs rigides traditionnels par des dispositifs de préhension pneumatiques robotisés souples. Ce manuscrit décrit une approche basée sur des tiges qui combine à la fois l’impression 3D et une technique de lithographie douce modifiée pour fabriquer la pince pneumatique souple. En bref, le moule pneumatique sans caractéristiques avec composant de chambre est imprimé en 3D et les tiges ont été utilisées pour créer les canaux pneumatiques qui se connectent à la chambre. Ce protocole élimine le risque d’occlusion des canaux pendant le processus d’étanchéité et le besoin d’une source d’air externe ou d’un circuit de contrôle associé. La pince souple se compose d’une chambre remplie d’air et d’un ou plusieurs bras de préhension avec un canal pneumatique dans chaque bras relié à la chambre. Le canal pneumatique est positionné près de la paroi extérieure pour créer une rigidité différente dans le bras de préhension. Lors de la compression de la chambre qui génère une pression sur le canal pneumatique, le bras de préhension se plie vers l’intérieur pour former une posture de préhension serrée car la zone de la paroi extérieure est plus souple. La pince souple peut être insérée dans un outil de manutention imprimé en 3D avec deux modes de commande différents pour la compression de la chambre : le mode de préhension manuel avec un piston mobile et le mode de préhension robotisée avec un actionneur linéaire. La pince à deux bras avec deux bras actionnables était capable de saisir des objets de tailles allant jusqu’à 2 mm tout en générant des forces de compression inférieures à celles des pinces rigides revêtues d’élastomère et non revêtues. La faisabilité d’avoir d’autres conceptions, telles qu’une pince à un bras ou à crochet, a également été démontrée, ce qui a mis en évidence la personnalisation du dispositif de préhension souple et son potentiel à être utilisé dans des manipulations chirurgicales délicates pour réduire le risque de dommages à la préhension tissulaire.

Introduction

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Robots mous ont suscité un grand intérêt de la recherche au sein de la communauté robotique et ils ont été utilisés dans différentes tâches fonctionnelles telles que la locomotion ondulatoire dans des environnements non structurés 1 et 2 de préhension. Elles sont principalement constituées de matériaux élastomères souples et contrôlés par des techniques différentes d'actionnement par l'utilisation de différents matériaux tels que polymère électroactif (EAP), forme un alliage à mémoire (SMA) ou d'un fluide comprimé 3. Fonction PAE base d'une tension différentielle qui induit des forces électrostatiques pour produire des souches actives et génère ainsi l'actionnement. Le singulier effet de mémoire de forme de l'AMF est déployé pour générer l'actionnement souhaité sur la base de la génération de la force lors des transformations de phase sur le changement de température. Enfin, la technique fluide d'actionnement comprimé facilite une stratégie de conception simple pour induire la différence de rigidité dans les actionneurs souples, de telle sorte que les régions les plus conformes gonflerontlors de la pressurisation. robots souples sont conçus pour élargir les applications de robots durs traditionnels, en particulier dans les applications où les objets délicats sont impliqués. En particulier, dans cet article, nous présentons notre approche unique dans le développement de préhenseurs robotiques souples pour une manipulation chirurgicale délicate.

Préhension chirurgical est un aspect important impliqué dans de nombreuses procédures chirurgicales telles que hépatiques, gynécologiques, urologiques, et le nerf chirurgie de réparation 4, 5. Elle est généralement réalisée par rigides, des outils de préhension de tissu d'acier telles que les pinces et les pinces laparoscopiques dans le but de faciliter observation, l' excision, les procédures d'anastomose, etc. Cependant, une extrême prudence est nécessaire que les outils de préhension classiques sont faits de métal qui peut causer des zones à forte concentration de stress dans les tissus mous au niveau des points de contact 6. Selon la gravité des dommages tissulaires, diverses complications, comme la douleur, cicatrice pathologique du tissu formation, et même une incapacité permanente, peuvent en résulter. Une étude préalable a rapporté que le taux de complications dans la chirurgie du nerf périphérique était de 3% 7. Par conséquent, le concept de préhension souple qui peut fournir une prise compatible sécuritaire peut être un candidat prometteur pour la manipulation chirurgicale délicate.

Ici, nous présentons une combinaison de 3D-impression et des techniques de lithographie douce modifiés, qui ont adopté une approche fondée sur tige, pour fabriquer des pinces pneumatiques robotiques souples personnalisables. Technique traditionnelle de fabrication de robots souples à base de fluide comprimé lors de l' actionnement nécessite un moule avec des canaux pneumatiques et sur ​​laquelle est imprimé un procédé d'étanchéité pour sceller les canaux 8. Cependant, il est impossible pour des robots souples miniaturisées qui ont besoin de petits canaux pneumatiques où l'occlusion des canaux peuvent facilement se produire dans le procédé d'étanchéité. La technique traditionnelle requiert l'étanchéité des canaux pneumatiques se faire par collage d'une couche de scellement enduite à elle. Par conséquent, la layer d'un matériau élastomère qui sert initialement en tant que couche de liaison peut se répandre dans les petits canaux et obturer ces canaux. Il est également impossible de positionner les canaux pneumatiques au milieu de la structure et de se connecter à un composant de chambre en utilisant des techniques classiques. L'approche proposée permet la création de canaux pneumatiques miniaturisés relié à une chambre en utilisant des barres remplies d'air et ne nécessite pas d'étanchéité des canaux minuscules. En outre, la chambre reliée aux canaux pneumatiques servir de source d'air qui ne nécessite pas une source d'air externe pour l'actionnement du fluide comprimé. Il permet à la fois manuel et les modes de commande robotique en facilitant la compression de la chambre pour actionner l'organe de préhension, permettant ainsi aux utilisateurs la possibilité de contrôler la quantité de force qu'ils appliquent à travers la pince. Cette approche est hautement personnalisable et peut être utilisé pour fabriquer divers types de modèles de pinces souples tels que des pinces avec simple ou multiple bras actionnables.

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Protocole

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Note: tous les préhenseurs pneumatiques souples ont été fabriquées par moulage des mélanges élastomères à base de silicone dans des moules en 3D imprimés personnalisés, qui ont suivi un procédé de fabrication comprenant les trois étapes suivantes: le moulage d'éléments de préhension à bras avec des canaux pneumatiques intégrées, en moulant le composant de chambre reliée aux canaux pneumatiques et sceller le composant de chambre remplie d'air.

1. Préparation des élastomères

  1. Placez un récipient pour mélangeur sur une balance et tarer. Verser les parties A et B de l'élastomère à base de silicone dans le récipient avec un rapport 1: 1 en poids.
  2. Couvrez le récipient et mesurer le poids total.
  3. Placer le récipient et le matériau dans un mélangeur centrifuge. Réglez la balance de poids sur le mélangeur au poids mesuré à l'étape 1.2.
  4. Définissez les mélange et de-aération modes à 2000 rpm et 2200 rpm, respectivement pendant 30 sec. Mélanger les composants élastomères à fond pour obtenir un durcissement uniforme.
le "> 2. Mold Design et production

Remarque: La géométrie du moule varie en fonction des exigences spécifiques pour différentes applications. Les étapes suivantes illustrent des étapes clés générales dans le logiciel de CAO qui sont nécessaires pour créer le composant de chambre et de préhension du moule.

  1. Concevoir les moules et les moisissures d'étanchéité à l'aide de la conception (CAO) assistée par ordinateur. Voir la Figure 1 pour les dimensions de la géométrie et spécifiques des moules utilisés dans ce manuscrit.
    1. La conception de la boîte de délimitation extérieure
      1. Faites un clic droit sur le plan supérieur et cliquez sur "Normal pour" pour normaliser au plan supérieur.
      2. Cliquez sur "Sketch" dans le coin en haut à gauche pour ouvrir une fenêtre "Sketch". Ensuite, cliquez sur le bouton "Sketch" dans le coin supérieur gauche de la barre d'outils pour dessiner une base rectangulaire du composant de chambre.
      3. Cliquez sur la fonction «Smart Dimension", qui est situé à côté du bouton "Sketch", pour définir skdimensions de gravure. Assurez -vous que l'esquisse est totalement défini (ie, toutes les lignes de dessin deviennent noir) et quitter l'esquisse lorsque vous avez terminé.
      4. Cliquez sur la fenêtre «Caractéristiques». Ensuite, cliquez sur "Patron Extruded / Base" fonction d'extruder contours sélectionnés dans la direction Y.
      5. Cliquez sur la surface supérieure du modèle de présélectionner le plan d'esquisse. Dessinez un rectangle et définir les dimensions comme décrit dans 2.1.1.2 et 2.1.1.3.
      6. Cliquez sur la fenêtre «Caractéristiques». Ensuite, cliquez sur fonctionnalité "Cut Extruded" pour extruder couper une cavité pour le moulage des élastomères (figure 2A). Assurez-vous que l'épaisseur de paroi est de 2,5 mm.
    2. Conception de la chambre intérieure
      1. Faites un clic droit sur la surface sur la direction Y de la zone d'ouverture. Ensuite, cliquez sur "Normal à" normaliser à cette surface.
      2. Ensuite, cliquez sur la fenêtre "Sketch" pour dessiner un rectangle pour le composant de chambre, comme décrit dans les étapes 2.1.1.2 et2.1.1.3.
      3. Cliquez sur la fenêtre «Caractéristiques». Ensuite, cliquez sur "Patron Extruded / Base" fonctionnalité pour extruder le composant de chambre dans la direction Y (figure 2B).
        Note: La profondeur de la coupe à l'étape 2.1.1.6 est de 2,5 mm de plus que cette base extrudé.
    3. Construction de l'élément de préhension
      1. Cliquez sur la surface du modèle en négatif X-direction de présélectionner le plan d'esquisse pour le composant de préhension. Créer un rectangle dans la fenêtre "Sketch" comme décrit dans les étapes 2.1.1.2 et 2.1.1.3.
      2. Cliquez sur la fenêtre «Caractéristiques». Ensuite, cliquez sur "Patron Extruded / Base" fonctionnalité pour extruder le contour sélectionné dans la direction X négative.
      3. Cliquez sur la surface supérieure de l'élément de préhension pour présélectionner le plan d'esquisse. Créer une forme de pince dans le "Sketch" fenêtre (figure 2C) et quittez l'esquisse lorsque les dimensions sont entièrement définies comme décrit dans les étapes 2.1.1.2 uned 2.1.1.3.
      4. Cliquez sur la fenêtre «Caractéristiques». Ensuite, cliquez sur "Cut Extruded" pour couper une cavité pour le moulage des élastomères dans le composant de préhension. Assurez-vous que l'épaisseur de paroi est de 2,5 mm.
    4. Conception de la connexion entre la chambre et la pince
      1. Créer un rectangle dans la fenêtre "Sketch" sur la surface supérieure de la pièce de chambre, comme décrit dans 2.1.1.2 et 2.1.1.3.
      2. Cliquez sur la fenêtre «Caractéristiques». Ensuite, cliquez sur "Cut Extruded" pour créer une connexion entre la chambre et pinces composants (figure 2D).
    5. Conception des canaux pneumatiques
      1. Créez 1,5 mm cercles de diamètre sur la surface de la pièce de chambre dans la X-direction positive comme décrit dans les étapes 2.1.1.2 et 2.1.1.3.
      2. Cliquez sur la fenêtre «Caractéristiques». Ensuite, cliquez sur "Cut Extruded" pour créer des canaux pour les tiges de fil d' insertion (figure 2E). Assurer la holes ne sont pas coupés à travers le composant de préhension.
  2. Dans un fichier CAO séparé, dessiner un moule étanche avec une cavité de longueur et de largeur qui sont 1 mm plus grandes que les dimensions extérieures du composant de chambre de la pince. Note: L'épaisseur de paroi est de 2,5 mm.
    1. Cliquez sur la fenêtre "Sketch" pour créer un rectangle sur le plan supérieur comme étapes décrites 2.1.1.2 et 2.1.1.3.
    2. Cliquez sur la fenêtre «Caractéristiques». Ensuite, cliquez sur "Patron Extruded / Base" fonction d'extruder contours sélectionnés dans la direction Y.
    3. Cliquez sur la face supérieure du modèle de présélectionner le plan d'esquisse. Dessinez un rectangle et définir les dimensions comme décrit dans les étapes 2.1.1.2 et 2.1.1.3).
    4. Cliquez sur la fenêtre «Caractéristiques». Ensuite, cliquez sur fonctionnalité "Cut Extruded" pour extruder couper une cavité pour le moulage des élastomères. Assurez-vous que l'épaisseur de paroi est de 2,5 mm.
  3. Enregistrer chaque pièce de moule sous forme de fichier .STL pour l'impression 3D.
  4. Chargez le fichier .STL dans l'imprimante 3D avec une résolution de 30 um et imprimer les pièces de moule 9.
  5. Retirez tout matériau de support sur les pièces de moule et laver les pièces du moule avec de l'eau.

3. Doux Simple / Double-actionnables Grippers Bras pneumatiques

  1. Molding composants pince-bras avec des canaux pneumatiques embarqués
    1. Insérez deux chambre-blocs 3D-imprimé sur le côté gauche et droit du composant de chambre (figure 3A) afin de générer une chambre étanche avec des canaux pneumatiques connectés.
    2. Insérer deux tiges de 1,5 mm de diamètre fil de titane à travers la chambre, en gardant une distance de 2 mm à partir des extrémités de la pince pour créer les canaux pneumatiques (figure 3A). Remarque: Utilisez une tige de fil pour la pince unique actionnable-bras.
    3. Verser le mélange dans le moule en élastomère pour remplir complètement l'élément de préhension.
    4. Assurez-vous qu'il n'y a pas de bulles d'air visibles présents.
    5. Place le moule dans un four pour durcir à 60 ° C pendant 10 min. Une fois élastomère est durci, retirer le moule du four.
  2. le composant de la chambre de moulage relié aux canaux pneumatiques
    1. Tirez les barres de fer et les deux chambre-blocs du moule.
    2. Placer un dispositif de saisie du bloc 3D-imprimé sur le dessus de l'élément de préhension afin de créer la chambre (figure 3B). Insérer les tiges de fil pour bloquer les trous dans la paroi du moule.
    3. Verser le mélange dans le moule en élastomère pour remplir la partie restante du composant de chambre et assurer qu'il n'y a pas de bulles d'air visibles piégés dans le moule.
    4. Durcir la pièce à une température de 60 ° C pendant 10 min. Retirer le moule du four une fois élastomère est durci.
    5. Retirer la pince-bloc et démouler la pince complètement durci avec la structure de la chambre.
  3. Sceller le composant de chambre remplie d'air
    1. Verser le mélange dans le moule en élastomère d'étanchéité etdurcir à 60 ° C pendant 10 min.
    2. Appliquer une couche de matériau élastomère sur la couche durcie de 2,5 mm d'étanchéité. Placer le dispositif de préhension avec la structure durcie de la chambre au - dessus de la couche de scellement enduite et lier ensemble les deux pièces (figure 3C).
    3. Par la suite, durcir complètement la structure entière à 60 ° C pendant 15 min.
    4. Démouler le dispositif complètement durci de préhension robotique douce.

4. Insertion de Soft Robotic pneumatique Gripper périphériques dans la manipulation d'outils

  1. Concevoir les outils de manutention tel que décrit dans le fichier supplémentaire 1 en utilisant un logiciel de CAO et de l'enregistrer dans le fichier .STL. Voir les figures 4 et 5 pour les dimensions des outils.
  2. Chargez le fichier .STL dans l'imprimante 3D et imprimer les pièces de moule 9.
    Remarque: Toutes les étapes d' impression pour l' outil manuel de manutention de commande, bouchon rectangulaire, et le piston mobile (figure 4) peuvent être remplis à moins de 3 h 48 min. Le prtemps Inting pour la fabrication de l'outil et le capuchon rectangulaire de manutention contrôle robotique (Figure 5) est de 1 h 56 min. Voir le fichier supplémentaire 2 pour 3D instructions d'utilisation de l'imprimante.
  3. Décoller tout matériau de support sur les outils après l'impression est terminée. Ensuite, lavez les outils avec de l'eau.
  4. Insérez la pince dans l'outil de manutention manuelle de commande (figure 4A) et couvrir la zone d'ouverture avec un bouchon rectangulaire mobile (figure 4B).
  5. Insérez un piston mobile (figure 4C) pour faciliter la compression de la chambre.
  6. Insérer le dispositif de préhension et de l' actionneur linéaire dans l'outil de manutention de commande de robot (figure 5A). Remarque: L'actionneur linéaire remplace le piston mobile en mode de contrôle manuel pour la compression de la chambre.
  7. Couvrir la zone d'ouverture avec un bouchon rectangulaire mobile (figure 5B).

5. Evaluations et Grip Test de compression

  1. Évaluerla fonctionnalité de la pince souple en effectuant des tests de préhension avec un fil de liaison.
    1. Placez un cavalier sur la table.
    2. Ajuster le dispositif de préhension de telle sorte que le fil se trouve entre les deux branches de la pince.
    3. Déplacer le piston mobile pour comprimer la chambre afin d'actionner les pinces pour tenir le fil.
      Remarque: Seul l'outil de manipulation de commande manuelle est utilisée dans la démonstration de préhension.
    4. Tenir et déplacer le fil à une boîte située à 20 cm de distance du lieu d'origine du fil.
  2. Placer une résistance de détection de force calibrée entre les deux mâchoires de la pince. Veiller à la mâchoire de préhension emprise sur la zone de détection. Remarque: Le diamètre de la zone de détection est de 14,7 mm.
  3. Comprimer la chambre pour actionner les bras de préhension pour saisir sur la résistance de détection de force.
  4. Mesurer les forces maximales poignée de compression que les mono-actionnable-bras et double-actionnable-bras préhenseurs pneumatiques souples pourraient générer , comme décrit dans 10.
    Remarque: Les valeurs de lecture seront affichées sur un ordinateur portable. Les forces maximales poignée de compression sont mesurées au point de pression maximale que les canaux pneumatiques peuvent résister.
  5. Découpez les différentes mâchoires de serrage en élastomère d'une double-actionnable-bras pince pneumatique doux.
  6. Insérez les pinces des conseils dans les canaux pneumatiques des mâchoires de serrage en élastomère.
  7. Placer une résistance de détection de force calibrée entre les deux mâchoires du forceps.
  8. Mesurer les forces de compression 10 générées par une pince et une pince élastomère revêtu au cours d' une chirurgie du nerf simulée menée par un neurochirurgien.
    Remarque: Le neurochirurgien applique une force qui est semblable à ce qu'il applique normalement au cours de la chirurgie réelle sur la résistance de détection de force.
  9. La moyenne des données obtenues à partir de cinq essais dans chaque test.

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Résultats

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Les dispositifs à pinces pneumatiques souples robotiques sont capables de ramasser des objets ayant des dimensions allant jusqu'à 1,2 mm de diamètre (figure 6). La poignée de la force de compression maximale générée par le bras pouvant être actionné à simple et double bras pouvant être actionné des dispositifs de préhension sont souples 0,27 ± 0,07 N et 0,79 N ± 0,14 respectivement, par rapport à 1,71 ± 0,16 ± 2,61 N et 0,22 N à des forces de compression une chirurgie si...

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Discussion

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

Nous avons réussi à démontrer que les dispositifs souples robotisés de préhension pneumatique permis de préhension conforme des objets, qui exercent des forces de compression beaucoup plus faibles sur le objet saisi que les pinces des conseils et des pinces enduits d'élastomère exercé. Forceps est un outil essentiel pour la manipulation des nerfs lors de réparation des nerfs périphériques chirurgies 11, 12. Cependant, sa structure métallique nécessaire une extrême prudence dans l' usage des chirurgien...

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Déclarations de divulgation

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

Les auteurs n'ont rien à dévoiler.

Remerciements

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

La recherche a été soutenue par R-397-000-204-133 (Université nationale de Singapour Young Investigator Award de).

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Matériaux

Liste des matériaux utilisés dans cet article
NomEntrepriseNuméro de catalogueCommentaires
BalanceSeverinKW3667(Etape : Préparation des élastomères)
Ecoflex Supersoft 0030 ElastomerSmooth-OnEF0030(Etape : Préparation des élastomères)
Mélangeur centrifuge planétaire et conteneursTHINKY USA Inc.ARE-310(Etape : Préparation des élastomères)
Solidworks CADDassault Systè ; mes  ;Solidworks Research Subscription(Étape : Pinces pneumatiques souples à bras simple/double actionnable)
Imprimante 3D ObjetStratasys260 Connex2(Étape : Pinces pneumatiques souples à bras simple/double actionnable)Tiges
en titaneTitan EngineeringN/A(Étape : Pinces pneumatiques souples à bras simple/double actionnable)
Four à convection naturelle avec minuterieThermo Fisher ScientificBIN#ED53(Étape : Pinces pneumatiques souples à bras simple/double actionnable)
Actionneur linéaireFirgelli TechnologiesL12(Étape : Insertion d’un dispositif de préhension pneumatique robotique souple dans l’outil de manutention)
Jumper WiresgboticCAB-01146(Étape : Évaluations et test de compression de la poignée)
Résistance de détection de forceInterlink ElectronicsFSR402(Étape : Évaluations et essai de compression de l’adhérence)

Références

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,
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Mots-clés

Pr henseur robotique soupleDispositif de pr hension pneumatiqueTechnique d impression 3DM thode de lithographie soupleFormation de canaux pneumatiquesContr le de la compression des chambresConception de pr henseur personnalisableApplication de manipulation chirurgicale

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