Articolo metodologico

Progettazione e realizzazione di un manipolatore robotico su misura per ultrasuoni extracorporea

DOI:

10.3791/58811

⸱

7 gennaio 2019

 ,  ,  ,  ,  ,  ,  ,  ,  ,  , 
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

In questo articolo

Sommario

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

Questo documento introduce la progettazione e la realizzazione di un manipolatore robotico su misura per l'esame di ultrasuono extracorporea. Il sistema ha cinque gradi di libertà con leggere giunti realizzati da stampa 3D e una frizione meccanica per la gestione della sicurezza.

Abstract

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Con il potenziale di alta precisione, destrezza e ripetibilità, un sistema robotico self-cingolato possa essere impiegato per aiutare l'acquisizione di ultrasuono in tempo reale. Tuttavia, un numero limitato di robot progettati per ultrasuoni extracorporea è stati tradotti con successo in uso clinico. In questo studio, ci proponiamo di costruire un manipolatore robotico su misura per l'esame di ultrasuono extra-corporea, che è leggero e ha un ingombro ridotto. Il robot è formato da cinque collegamenti appositamente sagomati e su misura meccanismi comuni per la manipolazione della sonda, per coprire la gamma necessaria di movimento con gradi di liberta ' ridondante per garantire la sicurezza del paziente. La sicurezza meccanica è data risalto a con un meccanismo a frizione, per limitare la forza applicata ai pazienti. Come risultato, il design, il peso totale del manipolatore è meno di 2 kg e la lunghezza del manipolatore è di circa 25 cm. Il design è stato implementato e simulazione, sono stati effettuati studi di fantasma e di volontariato, per convalidare la gamma di movimento, la possibilità di effettuare regolazioni di precisione, affidabilità meccanica e la sicurezza di funzionamento della frizione. Questa carta i dettagli di progettazione e realizzazione del manipolatore su misura ad ultrasuoni robotizzata, con i metodi di progettazione e assemblaggio illustrati. Risultati della prova per dimostrare le caratteristiche di design e l'esperienza clinica di utilizzo del sistema sono presentati. È concluso che l'attuale manipolatore robotico proposto soddisfa i requisiti come un sistema su misura per l'esame di ultrasuono extracorporea e ha un grande potenziale per essere tradotta in uso clinico.

Introduzione

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Un sistema a ultrasuoni robotizzato extracorporea (US) si riferisce alla configurazione in cui un sistema robotico è utilizzato per contenere e manipolare una sonda statunitense per esami esterni, tra cui il suo utilizzo nella formazione immagine addominale cardiaca, vascolare, ostetrica e generale1 . L'uso di un tale sistema robotico è motivato dalle sfide del manualmente tenendo e manipolare una sonda degli Stati Uniti, per esempio, la sfida di trovare viste US standard richieste dai protocolli di imaging clinici e il rischio di sforzi ripetuti infortuni2, 3,4, e anche dalle esigenze di noi programmi di screening, per esempio, il requisito per sperimentato ecografisti per essere in loco5,6. Con accentuazioni diverse funzionalità e anatomie destinazione, diversi sistemi robotici US, come Recensito in precedenti opere1,7,8, sono state introdotte dal 1990, per migliorare diversi aspetti degli Stati Uniti esame (ad es., interurbano Teleoperazione9,10,11,12, così come l'interazione robot-operatore e controllo automatico)13, 14. oltre i sistemi robotici US utilizzati per scopi diagnostici, robotica ad alta intensità concentrata sistemi ad ultrasuoni (HIFU) per fini di trattamento ampiamente sono stati studiati come sintetizzato da Priester et al. 1, con alcune recenti opere15,16 , segnalazione degli ultimi progressi.

Anche se diversi sistemi robotici di US sono stati sviluppati con tecnologie relativamente affidabili per controllo e la gestione clinica, solo pochi di loro sono state tradotte correttamente in uso clinico, ad esempio un sistema di tele-ecografia commercialmente disponibili 17. una possibile ragione è il basso livello di accettazione per grandi dimensioni alla ricerca industriale robot lavora in un ambiente clinico, dal punto di vista di entrambi i pazienti ed ecografisti. Inoltre, per la gestione della sicurezza, la maggior parte dei robot US esistenti si basa su sensori di forza per monitorare e controllare la pressione applicata alla sonda US, mentre più fondamentali meccanismi meccanici di sicurezza per limitare la forza passiva non sono solitamente disponibili . Ciò potrebbe causare problemi anche quando si traduce in uso clinico in quanto la sicurezza del funzionamento del robot sarebbe puramente dipenda su impianti elettrici e software logica.

Con gli avanzamenti recenti di 3D tecniche, appositamente sagomati plastica collegamenti con meccanismi comuni su ordine di stampa potrebbe fornire una nuova opportunità per sviluppare robot medicali su misura. Accuratamente progettati componenti leggeri con un aspetto compatto potrebbero migliorare l'accettazione clinica. In particolare per l'esame degli Stati Uniti, un robot medico su misura volto a essere tradotta in uso clinico deve essere compatto, con sufficienti gradi di libertà (DOF) e la gamma di movimento per coprire l'area di interesse di una scansione; ad esempio, la superficie addominale, compreso la parte superiore e lati del ventre. Inoltre, il robot dovrebbe includere anche la possibilità di eseguire una regolazione fine della sonda statunitense in una zona che, quando si cerca di ottimizzare una vista degli Stati Uniti. Questo in genere include movimenti di oscillazione della sonda entro un certo intervallo, come suggerito da Essomba et al. 18 e19di grazie. Per risolvere ulteriormente i problemi di sicurezza, si prevede che il sistema dovrebbe avere caratteristiche di sicurezza meccanica passiva che sono indipendenti di sistemi elettrici e logica software.

In questa carta, presentiamo il metodo dettagliato di progettazione e assemblaggio di un manipolatore robotico abile 5-DOF, che è usato come il componente chiave di un sistema robotico extracorporea, US. Il manipolatore è costituito da diversi link 3D-stampabile leggera, meccanismi comuni su misura e una frizione di sicurezza incorporato. La disposizione specifica dei gradi di libertà fornisce piena flessibilità per regolazioni di sonda, permettendo operazioni di facile e sicure in una piccola area senza entrare in collisione con il paziente. Il manipolatore di multi-DOF proposto mira a lavorare come la componente principale che è a contatto con i pazienti e si può essere semplicemente collegata a qualsiasi meccanismo di posizionamento globale convenzionale 3-DOF per formare un completo robot US con gradi di libertà completamente attivi per eseguire una scansione di US.

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Protocollo

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1. preparazione di ogni collegamento, attuatore e componenti aggiuntivi

  1. Stampare tutti i collegamenti (L0, L1, L2, L3e L-4) e l'attuatore come mostrato in Figura 1, con acrilonitrile-butadiene-stirene (ABS) di plastica, plastica di (PLA) acido polilattico o nylon, utilizzando un 3D-stampa servizio. Uso il. File STL forniti nei Materiali supplementari durante la stampa.
    Nota: Cambiamenti nella forma e scala di ogni parte possono essere fatto basati sul file forniti. Il profilo interno dell'attuatore può essere cambiato per misura diverse sonde di US.
  2. Stampare tutti i componenti aggiuntivi necessari, come illustrato nella Figura 2 in nylon, utilizzando un servizio di stampa 3D. Fare riferimento alla Tabella materiali per il numero richiesto di ogni componente. Uso il. File STL forniti nei Materiali supplementari durante la stampa.
  3. Lucidare tutte le parti in plastica stampate con lucidatura strumenti se necessario. Rimuovere eventuali materiali di supporto lasciato da stampa 3D, se necessario.
    Nota: Alcune strutture nel disegno attuatore forniti sono per un sensore di forza, che non è una parte del protocollo segnalato qui e non si utilizzerà per l'assembly. Il concetto di design del sensore di forza è stato segnalato nel precedente lavoro20; così, non è coperto in questa carta.

2. montaggio del giunto 1

Nota: Il montaggio di giunto 1 (J1) si basa sulla Figura 3.

  1. Posizionare i quattro motori passo a passo piccolo, innestato (con 20-denti ingranaggi di dente cilindrico collegati) nelle cavità montaggio di L0 e montarle con viti.
  2. Inserire i due cuscinetti OD 37 mm gli alloggiamenti dei cuscinetti di L0 e fissare la ruota dentata 120-denti (tipo A) sulla chiave esagonale di L1.
  3. Inserire l'albero su L1 nel foro dell'albero L0 con i quattro piccoli ingranaggi di dente cilindrico guida e il grande, ingranaggio di dente cilindrico impegnato, condotto e assemblare il collare del pozzo per garantire e mantenere l'albero.

3. montaggio del giunto 2

Nota: L'Assemblea del comune 2 (J2) si basa sulla Figura 4.

  1. Posizionare i quattro motori passo a passo piccolo, innestato (con 20-denti ingranaggi di dente cilindrico collegati) nelle cavità montaggio di L1 e montarle con viti.
  2. Collegare i due ingranaggi di dente cilindrico di 120-denti (tipo B) di due cuscinetti OD 37 mm e posizione li nelle cavità dell'ingranaggio di L1, con l'ingranaggio di dente cilindrico di 120-denti (tipo B) impegnate con gli ingranaggi di dente cilindrico 20-denti montati sui motori. Svitare e riavvitare il motore se necessario per consentire il facile posizionamento dell'ingranaggio di dente cilindrico tipo B due 120-denti.
  3. Allineare L1 L2 e inserire il cuscinetto e le coppie di sfera-molla nei fori della frizione in L2. Con i due coperchi frizione rotondo allineando e spingendo la molla verso il meccanismo di frizione per il precaricamento, inserire un bullone M6 nei fori di L1 ed L2.
  4. Ruotare il gruppo verso l'altro lato e ripetere i passaggi in 3.3 per questo lato. Fissare il gruppo collegando un dado al bullone M6.

4. montaggio del comune 3

Nota: L'Assemblea del comune 3 (J3) si basa sulla Figura 5.

  1. Posizionare i due motori passo-passo piccolo, innestato (con 20-denti ingranaggi di dente cilindrico collegati) nelle cavità montaggio di L2 e montarle con viti.
  2. Posizionare il 37 mm di diametro cuscinetto nella sede del cuscinetto dell'ingranaggio di dente cilindrico 120-denti (tipo C) e inserire il 32 mm di diametro cuscinetto nel supporto cuscinetti di L3.
  3. Fissare il grande ingranaggio di dente cilindrico nel buco della serratura di esagono di L3 (viti aggiuntive possono essere utilizzate se necessario) e inserire l'albero su L2 nei fori sul grande ingranaggio di dente cilindrico e L3, con il piccolo e grandi Sperone ingranaggi impegnati.

5. montaggio del meccanismo di guida del comune 4

Nota: Il montaggio di 4 comuni (J4) si basa sulla Figura 6.

  1. Posizionare i due motori passo-passo piccolo, innestato nelle cavità montaggio di L3 e montarle con viti. Inserire i cuscinetti OD 8 mm gli alloggiamenti dei cuscinetti di L4.
  2. Montare l'ingranaggio di dente cilindrico lungo 20-denti sui due motori passo passo piccolo.

6. montaggio del meccanismo guidato di snodo 4 e 5 comuni

Nota: Il montaggio di 4 comuni (J4) si basa sulla Figura 6 e giunto 5 (J5) si basa sulla Figura 7.

  1. Posizionare il 144 denti conici ingranaggio condotto sull'estrusione di L4.
  2. Posizionare i due motori passo-passo piccolo, innestato (con 18-denti conici ingranaggi collegati) nelle cavità di L4 montaggio e montarle con viti. Infine, inserire l'albero di M5 sul foro dell'albero della L3 e L4 dopo i due link sono allineati. Garantire il costruito in strutture di ingranaggio condotto su L4 partite con l'ingranaggio di dente cilindrico lungo 20 denti.
  3. Inserire l'attuatore nella scanalatura grandi ingranaggi conici e posizionare verticalmente l'attuatore con il collare di attuatore avvitato su di esso.

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Risultati

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In seguito il protocollo, il sistema risultante è un manipolatore robotico con cinque collegamenti appositamente sagomati (L0 a L4) e cinque articolazioni revolute (J1 a J5) per lo spostamento, tenendo e inclinazione localmente una sonda statunitense (Figura 8). Il giunto di rotazione superiore (J1), con meccanismi di ingranaggio azionati da quattro motori, possa ruotare le seguenti strutture a 360 °, per...

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Discussione

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A differenza di molti altri robot industriali che sono state tradotte in applicazioni mediche, il manipolatore robotico proposto descritto nel protocollo è stato specificamente progettato per gli esami US secondo esigenze cliniche per la gamma di movimento, applicazione di forza e di gestione della sicurezza. Il manipolatore robotico leggero stessa ha una vasta gamma di movimenti sufficiente per la maggior parte extra-corporea US scansione, senza la necessità di grandi movimenti del meccanismo di posizionamento globale. ...

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Dichiarazioni

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Gli autori non hanno nulla a rivelare.

Ringraziamenti

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Questo lavoro è stato supportato dal Wellcome Trust IEH Award [102431] e dal centro della Wellcome/EPSRC Medical Engineering [WT203148/Z/16/Z]. Gli autori riconoscono sostegno finanziario dal dipartimento della salute tramite l'Istituto nazionale per il premio centro di ricerca biomedica completa salute ricerca (NIHR) di Guy & St. Thomas' s NHS Foundation Trust in collaborazione con il re di College di Londra e del Re College Hospital NHS Foundation Trust.

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Materiali

Elenco dei materiali utilizzati in questo articolo
NomeAziendaNumero di catalogoCommenti
Collegamento stampato in 3D Servizio di stampa 3D L03DCome mostrato nella Figura 1, con il file STL fornito
Collegamento stampato in 3D L1Servizio di stampa 3D1Come mostrato nella Figura 1, con il file STL fornito
Collegamento stampato in 3D L2Servizio di stampa 3D1Come mostrato nella Figura 1, con il file STL fornito
Collegamento stampato in 3D L3Servizio di stampa 3D1Come mostrato nella Figura 1, con il file STL fornito
Collegamento stampato in 3D L4Servizio di stampa 3D1Come mostrato nella Figura 1, con il file STL fornito
Servizio di stampa 3Ddell'effettore finale stampato in 3D1Come mostrato nella Figura 1, con il file STL fornito
Servizio di stampa 3Dcon ingranaggio cilindrico a 20 denti12modulo da 0,5, larghezza frontale 5 mm, con sede per chiavetta di montaggio, come mostrato nella Figura 2, con il file STL fornito
Servizio di stampa 3Dcon ingranaggio conico a 18 denti2modulo da 0,5, larghezza della faccia 5 mm, con sede per chiavetta di montaggio, come mostrato nella Figura 2, con il file STL fornito
Ingranaggio cilindrico da 120 denti (Tipo A)Servizio di stampa 3D1Modulo da 0,5, larghezza frontale 6 mm, con sede per chiavetta, alloggiamento del cuscinetto e foro di montaggio, come mostrato nella Figura 2, con il file STL fornito
Ingranaggio cilindrico da 120 denti (Tipo B)Servizio di stampa 3D2Modulo da 0,5, larghezza frontale 6 mm, con fori di arresto, alloggiamento del cuscinetto e foro, come mostrato nella Figura 2, con il file STL fornito
Ingranaggio cilindrico da 120 denti (Tipo C)Servizio di stampa 3D1Modulo da 0,5, larghezza frontale 6 mm, con chiavetta di montaggio, alloggiamento del cuscinetto e foro, come mostrato nella Figura 2, con il file STL fornito
Servizio di stampa 3Dcon ingranaggio cilindrico lungo da 20 denti1modulo da 0,5, larghezza frontale 21,5 mm, con sedi per chiavette di montaggio, come mostrato nella Figura 2, con il file STL fornito
Servizio di stampa 3Dcon ingranaggi conici da 144 denti1modulo da 0,5, Larghezza frontale di 7 mm, con sedi di montaggio, come mostrato nella Figura 2, con il file STL fornito
Cuscinetto (37 mm O.D e 30 mm I.D)Bearing Station Ltd., UK5Le dimensioni del cuscinetto e il fornitore possono essere variati
Cuscinetto (12 mm O.D e 6 mm I.D)Bearing Station Ltd., UK2Le dimensioni del cuscinetto e il fornitore possono essere variati
Cuscinetto (32 mm O.D e 25 mm I.D)Bearing Station Ltd., UK1Le dimensioni del cuscinetto e il fornitore possono essere variati
Cuscinetto (8 mm O.D e 5 mm I.D)Bearing Station Ltd., UK2Le dimensioni del cuscinetto e il fornitore possono essere variati
Albero in plastica/metallo (6 mm O.D, 70 mm di lunghezza)TR Fastenings Ltd., UK1ad es. Potrebbe essere un bullone M6 e un dado
Albero in plastica/metallo (5 mm O.D, 70 mm di lunghezza)TR Fastenings Ltd., Regno Unito1ad es. Potrebbe essere un bullone M5 e un dado
Coppie di molle a sferaWDS Ltd., Regno Unito4Il numero di coppie di molle a sfera potrebbe variare per regolare la forza di innesco della frizione
Coperchi frizioneServizio di stampa 3D2104 mm O.D, larghezza frontale 5 mm, foro 6 mm, come mostrato nella Figura 2, con il file STL fornito
Collare dell'albero stampato in 3DServizio di stampa 3D135 mm O.D e 30 mm I.D, larghezza della faccia di 8 mm, come mostrato nella Figura 2, con il file STL fornito
Servizio di stampa 3Dcollare dell'effettore finale stampato in 3D1Come mostrato nella Figura 2, con il file STL fornito
Piccoli motori passo-passo con ingranaggiAOLONG TECHNOLOGY Ltd., Cina14Numero di parte: GM15BYS; Rapporto di trasmissione interno 232:1 o 150:1, tutti accettabili
1 del

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