繊細な組織操作のためのカスタマイズ可能なソフトロボット空気圧グリッパ装置のロッドベースの試作

サマリー

このプロトコルは、3Dプリンティングとソフトリソグラフィー技術を組み合わせたロッドベースのアプローチを説明しています。ソフトグリッパーデバイスを製造するためのものです。このアプローチでは、チャンバーコンポーネントを組み込むことで外部空気源の必要性を排除し、特に小型化された空気圧チャネルの場合、シーリングプロセス中の閉塞の可能性を低減します。

要約

ソフトに準拠したグリップは、接触点での高応力集中によって引き起こされる組織のグリップ損傷のリスクを最小限に抑えるために、繊細な外科的操作に不可欠です。これは、従来のリジッドグリッパーをソフトロボット空気圧グリッパーデバイスで補完することで実現できます。この原稿では、3Dプリンティングと改良型ソフトリソグラフィー技術の両方を組み合わせてソフトニューマチックグリッパーを作製したロッドベースのアプローチについて説明します。簡単に言うと、チャンバーコンポーネントを備えた空気圧特徴のない金型は3Dプリントされ、ロッドを使用してチャンバーに接続する空気圧チャネルを作成しました。このプロトコルにより、シーリングプロセス中にチャネルが閉塞するリスクと、外部空気源または関連する制御回路の必要性が排除されます。ソフトグリッパーは、空気で満たされたチャンバーと、チャンバーに接続された各アームに空気圧チャネルを備えた1つ以上のグリッパーアームで構成されています。空気圧チャネルは外壁の近くに配置されており、グリッパーアームに異なる剛性を生み出します。空気圧チャネルに圧力を発生させるチャンバーを圧縮すると、グリッパーアームは内側に曲がり、外壁領域がより順応性が高いため、近接したグリップ姿勢を形成します。ソフトグリッパーは、可動ピストンを備えた手動グリッパーモードとリニアアクチュエーターを備えたロボットグリッパーモードの2つの異なるチャンバー圧縮制御モードを備えた3Dプリントハンドリングツールに挿入できます。2つの作動可能なアームを備えたダブルアームグリッパーは、最大2mmのサイズの物体をピックアップすることができ、エラストマーコーティングされたリジッドグリッパーやコーティングされていないリジッドグリッパーと比較して、圧縮力が低くなりました。また、シングルアームグリッパーやフックグリッパーなど、他のデザインも可能であることが実証され、ソフトグリッパーデバイスのカスタマイズ性がさらに強調され、組織のグリップ損傷のリスクを減らすための繊細な外科的操作に使用できる可能性が浮き彫りになりました。

概要

ソフトロボットは、ロボット工学のコミュニティの中で大きな研究関心に火をつけていると、彼らは、そのような構造化されていない環境¹と^2を把持における波動歩行のような異なる機能タスクで使用されてきました。これらは主に軟質エラストマー材料から構成され、そのような電気活性ポリマー（EAP）などの異なる材料を使用することにより、異なる作動技術によって制御される、記憶合金（SMA）、又は圧縮流体^3を形成しています。活性株を生成するために静電気力を誘起し、それによって作動を生成する差動電圧に基づいのEAP機能。 SMAの独特の形状記憶効果は、温度変化時の相変態時に力発生に基づいて、所望の作動を生成するために配備されています。最後に、圧縮流体作動技術は、より準拠した領域が膨らませるようなもので、ソフトアクチュエータに剛性差を誘導するシンプルなデザイン戦略を促進します加圧時。ソフトロボットは特にデリケートなオブジェクトが関与する用途において、従来のハードロボットの用途を広げるように設計されています。特に、本論文では、繊細な外科的処置のためのソフトロボットグリッパーの開発における私たちのユニークなアプローチを提示します。

外科グリップは、肝臓、婦人科、泌尿器科、および神経修復手術^4、5のような多くの外科手術に関与する重要な局面である。それは、典型的には、容易にする目的のための鉗子と腹腔鏡把持器のような剛性、鋼組織把持ツールによって実行されます観察、切除、吻合手順などの従来の把持ツールは、コンタクト⁶の点で軟組織に高応力集中領域を引き起こす可能性がある金属で作られているようしかし、細心の注意が必要です。このような痛み、病的な瘢痕組織fとして組織損傷の重症度に応じて、さまざまな合併症、ormation、さらには永久的な障害は、可能性があります。前の研究では、末梢神経手術における合併症の発生率は^3％7であったことを報告しました。したがって、安全準拠したグリップを提供することができ、ソフトグリップのコンセプトは、繊細な外科的処置のための有望な候補となり得ます。

ここでは、3次元印刷の組み合わせを提供し、カスタマイズ可能なソフトロボット空気圧グリッパーを製造するために、ロッドベースのアプローチを採用したソフトリソグラフィー技術を、変更されました。圧縮流体作動に基づいて、ソフトロボットの伝統的な製造技術は、チャンネル^8を密封するために、空気圧が印刷チャネルと封止工程で金型を必要とします。しかし、それは、チャネルの閉塞が容易に封止工程で発生する可能性が小さい空気圧のチャネルを必要とする小型化されたソフトロボットのための現実的ではありません。従来の技術は、それに被覆されたシール層を接着することによって行われるべき空気圧チャネルのシールを必要とします。したがって、ラ最初に接着層として機能するエラストマー材料のヤーは、小さなチャネルに流出し、これらのチャンネルを閉塞することができます。構造体の中央に空気圧チャネルを配置し、従来の技術を用いて、チャンバコンポーネントに接続することも不可能です。提案されたアプローチは、ロッドを用いて空気充填室に接続されている小型化空気圧チャネルの作成を可能にし、小さなチャネルのシールを必要としません。また、空気流路に接続されたチャンバは、圧縮流体作動のための外部の空気源を必要としない空気源として機能します。それによって、ユーザーに彼らがグリッパを通じて適用される力の量を制御するオプションを提供し、グリップのコンポーネントを作動させるために、チャンバの圧縮を促進することによって、手動およびロボットの制御モードの両方を可能にします。このアプローチは、高度にカスタマイズ可能であり、そのような単一またはμとグリッパ軟質グリッパの設計の様々な種類を製造するために使用することができます作動腕ltiple。

プロトコル

注：空気圧のチャンネルに接続されたチャンバー部品を成形、組み込み空気圧チャンネルを成形するグリッパアームコンポーネント：すべてのソフト空気圧グリッパーは、3つの工程を含む製造プロセスに従った、カスタマイズ3Dプリント鋳型にシリコーン系エラストマーの混合物をキャストすることによって作製しました、そして空気で満たされたチャンバコンポーネントをシールします。

エラストマーの調製

1. 計量規模でミキサーのコンテナを置き、それを風袋引き。 ：1の重量比1を有する容器中のシリコーン系エラストマーの部分A及びBを注ぎます。
2. コンテナをカバーし、総重量を測定します。
3. 遠心ミキサーに容器及び材料を配置します。ステップ1.2で測定した重量にミキサーの重量バランスを調整します。
4. 30秒間、それぞれ2000回転と22​​00回転に混合し、脱気モードを設定します。均一な硬化を達成するために徹底的にエラストマー成分を混ぜます。

ル "> 2。金型設計・生産

注：金型の形状は、異なる用途のための特定の要件に応じて変わります。次の手順では、金型のチャンバとグリッパーコンポーネントを作成するために必要とされるCADソフトウェアの一般的な重要なステップを示しています。

1. 金型を設計し、コンピュータ支援設計（CAD）ソフトウェアを使用して金型を密閉します。この原稿で使用される金型の形状や具体的な寸法については、 図1を参照してください。
   1. 外側の境界ボックスのデザイン
      1. 上面を右クリックし、上面に正規化するためにボタン「ノーマル」をクリックしてください。
      2. 「スケッチ」ウィンドウを開くには、左上の「スケッチ」をクリックします。その後、チャンバコンポーネントの長方形のベースを描画するには、ツールバーの左上隅に「スケッチ」ボタンをクリックします。
      3. SKを定義するには、「スケッチ」ボタンの横に配置されている「スマート寸法」機能、をクリックします。エッチ寸法。スケッチが完全に定義されていることを確認します（ つまり、すべての描画線が黒になる）と行ったときにスケッチを終了します。
      4. 「機能」ウィンドウをクリックします。そして、Y方向に選択された輪郭を押し出すために「押し出されたボス/ベース」機能をクリックしてください。
      5. スケッチ平面を事前に選択モデルの上面にクリックしてください。長方形をスケッチし、2.1.1.2と2.1.1.3で説明したように寸法を定義します。
      6. 「機能」ウィンドウをクリックします。そして、エラストマー（ 図2A）を鋳造するためのキャビティをカット押し出すために「押し出しカット」機能をクリックしてください。壁の厚さが2.5ミリメートルであることを確認してください。
   2. 内側室の設計
      1. 開口面積のY方向の面を右クリックします。そして、その表面に正常化する」ためにノーマル」をクリックしてください。
      2. 次に、ステップ2.1.1.2に記載されているように、チャンバコンポーネントの四角形を描画するために、「スケッチ」ウィンドウをクリックし、2.1.1.3。
      3. 「機能」ウィンドウをクリックします。そして、Y方向（ 図2B）内のチャンバコンポーネントを押し出すために「押し出されたボス/ベース」機能をクリックしてください。
         注：ステップ2.1.1.6での切り込みの深さは、この押し出されたベースより2.5ミリメートル大きいです。
   3. 把持要素の設計
      1. グリッパーコンポーネントのスケッチ面を事前に選択負のX方向にモデルの表面をクリックします。ステップ2.1.1.2と2.1.1.3で説明したように、「スケッチ」ウィンドウで長方形を作成します。
      2. 「機能」ウィンドウをクリックします。そして、負のX方向に選択された輪郭を押し出すために「押し出されたボス/ベース」機能をクリックしてください。
      3. スケッチ平面を事前に選択グリッパー部品の上面をクリックします。ステップ2.1.1.2 ANに記載されているように寸法が完全に定義されている場合、「スケッチ」ウィンドウ（ 図2C）にグリッパの形状を作成し、スケッチを終了しますD 2.1.1.3。
      4. 「機能」ウィンドウをクリックします。そして、グリッパーコンポーネントにエラストマーを鋳造するためのキャビティをカットする「押し出しカット」をクリックしてください。壁の厚さが2.5ミリメートルであることを確認してください。
   4. 室とグリッパとの間の接続の設計
      1. 2.1.1.2と2.1.1.3で説明したように、チャンバピースの上面には、「スケッチ」ウィンドウで長方形を作成します。
      2. 「機能」ウィンドウをクリックします。その後、チャンバ及びグリッパーコンポーネント（ 図2D）との間の接続を作成するために「押し出しカット」をクリックしてください。
   5. 空気圧チャネルの設計
      1. ステップ2.1.1.2と2.1.1.3で説明したように正のX​​方向にチャンバー片の表面に直径1.5mmの円を作成します。
      2. 「機能」ウィンドウをクリックします。そして、線材挿入（ 図2E）のためのチャネルを作成するために「押し出しカット」をクリックしてください。 HOLを確認ESはグリッパーコンポーネントを切断されていません。
2. 個別のCADファイルでは、グリッパのチャンバコンポーネントの外形寸法よりも大きく1ミリメートルである長さと幅のキャビティとシール金型を描きます。注：壁の厚さが2.5 mmです。
   1. 記載されている手順2.1.1.2と2.1.1.3のように上部平面上の四角形を作成するために、「スケッチ」ウィンドウをクリックします。
   2. 「機能」ウィンドウをクリックします。そして、Y方向に選択された輪郭を押し出すために「押し出されたボス/ベース」機能をクリックしてください。
   3. スケッチ平面を事前に選択モデルの上面をクリックします。長方形をスケッチし、ステップ2.1.1.2と2.1.1.3）で説明したように寸法を定義します。
   4. 「機能」ウィンドウをクリックします。次に、エラストマーを鋳造するためのキャビティをカット押し出すために「押し出しカット」機能をクリックしてください。壁の厚さが2.5ミリメートルであることを確認してください。
3. 3Dプリント用の.STLファイルとして各成形型部品を保存します。
4. 30μmの分解能での3Dプリンタに.STLファイルをロードし、金型片^9を印刷^します。
5. 金型片上の任意の支持材を取り外し、水で鋳型片を洗います。

3.ソフトシングル/ダブル作動アーム空気圧グリッパー

1. 埋め込まれた空気圧チャンネルをグリッパアームの部品を成形します
   1. それに接続された空気圧チャンネル付きの密閉室を生成するために、チャンバー部品（ 図3A）の左側と右側の2つの3D印刷室ブロックを挿入します。
   2. 空気圧チャンネル（ 図3A）を作成するために、グリッパ先端から2mmの距離を保ち、チャンバーを介して2つの1.5ミリメートル径のチタン線材を挿入します。注：シングル作動アームグリッパのための1つの線材を使用してください。
   3. 完全にグリッパーコンポーネントを埋めるために金型内に、エラストマー混合物を注ぎます。
   4. 現在目に見える気泡がないことを確認してください。
   5. Plac10分間60℃で硬化させるためのオーブンにE型。エラストマーを硬化させた後、オーブンからモールドを除去します。
2. 空気圧のチャネルに接続された成形チャンバコンポーネント
   1. 金型から外れ、ワイヤロッド、2室ブロックを引き出します。
   2. チャンバー（ 図3B）を作成するために、グリッパーコンポーネントの上に3Dプリントグリッパブロックを配置します。金型の壁に穴をブロックする線材を挿入します。
   3. チャンバー部品の残りの部分を記入し、金型内に閉じ込められた目に見える気泡がないことを確認するために金型内に、エラストマー混合物を注ぎます。
   4. 10分間60℃の温度で部分を硬化します。エラストマーが硬化された後オーブンから金型を削除します。
   5. グリッパブロックを削除し、チャンバー構造で完全に硬化グリッパーを離型。
3. 空気で満たされたチャンバ構成要素をシーリング
   1. シール金型にエラストマー混合物を注ぎ、10分間60℃でそれを硬化します。
   2. 層を封止する硬化2.5 mmの上にエラストマー材料の層を磨きます。 （ 図3C）コーティングされたシール層の上にチャンバー構造で硬化グリッパーを置き、一緒に2枚を接着。
   3. その後、15分間、60℃で完全に構造全体を硬化します。
   4. 完全に硬化したソフトロボットグリッパ装置を脱型。

ハンドリングツールにソフトロボット空気圧グリッパ装置の4挿入

1. 補足ファイル1で説明したようにCADソフトウェアを使用して、ハンドリングツールを設計し、.STLファイルに保存します。ツールの寸法については、 図4および5を参照してください。
2. 3Dプリンターで.STLファイルをロードし、金型片^9を印刷^します。
   注：手動制御ハンドリングツール、長方形のキャップと、可動ピストン（ 図4）のためのすべての印刷手順は、3時間48分以内に完了することができます。広報（ 図5）ツールと長方形のキャップを扱うロボット制御を製造するためのinting時間は1時間56分です。 3Dプリンタ操作手順については、補足ファイル2を参照してください。
3. 印刷が完了した後、ツール上の支持材を剥離。その後、水でツールを洗います。
4. 手動制御ハンドリングツール（ 図4A）にグリッパを挿入し、可動長方形のキャップ（ 図4B）との開口面積をカバーしています。
5. 室の圧縮を容易にするための可動ピストン（ 図4C）を挿入します。
6. ロボット制御ハンドリングツール（ 図5A）にグリッパとリニアアクチュエータを挿入します。注：リニアアクチュエータは、チャンバ圧縮のために手動制御モードでの可動ピストンを置き換えます。
7. 可動長方形のキャップ（ 図5B）との開口面積をカバーしています。

5.評価とグリップ圧縮試験

1. 評価しますジャンパ線でグリップのテストを行うことで、ソフトグリッパの機能。
   1. テーブルの上にジャンパー線を配置します。
   2. ワイヤは2把持アームの間にあるようにグリッパーを調整します。
   3. ワイヤを保持するためにグリッパアームを作動させるために、チャンバを圧縮する可動ピストンを移動します。
      注のみ手動制御処理ツールが把持デモンストレーションで使用されます。
   4. 離れてワイヤーの元の場所から20cmに位置ボックスに電線を保持し、移動します。
2. グリッパーの2つのジョーの間に較正力検出抵抗器を配置してください。感知領域上のグリッパージョーグリップを確認してください。注：検出領域の直径14.7 mmです。
3. 力検出抵抗器のグリップに把持アームを作動させるために、チャンバを圧縮します。
4. ¹⁰に記載されているように、ソフトシングル作動アームと二重作動腕空気圧グリッパーを生成することができることを最大のグリップの圧縮力を測定します。
   注：読み取り値は、ラップトップに表示されます。最大グリップ圧縮力は空気圧チャネルが耐え得る最大圧力の点で測定されます。
5. ソフトダブル作動腕空気圧グリッパーから顎を掴み、個々のエラストマーを切り取ります。
6. 顎を掴み、エラストマーの空気圧チャネルに鉗子の先端を挿入します。
7. 鉗子の2つのジョーの間に較正力検出抵抗器を配置してください。
8. 神経外科医が行ったシミュレートされた神経の手術中にエラストマーでコーティングされた鉗子と鉗子によって生成された圧縮力^10を測定^します。
   注：神経外科医は、彼は通常、力検出抵抗器上の実際の手術中に適用されるものと類似して力を加えます。
9. 各試験において、5件の試験から得られたデータを平均します。

結果

ソフトロボット空気圧グリッパー装置は、直径が最大で1.2ミリメートルの寸法（ 図6）でオブジェクトを拾うことができました。 1.71±0.16 Nおよび2.61±0.22 Nの圧縮力でと比較して、最大のグリップ圧縮力が単一作動アームによって生成され、作動アームをダブルソフトグリッパー装置は、0.79±0.14 Nそれぞれ0.27±0.07 Nとしましたエラストマーでコーティングされた鉗子によると、コーティングされていない鉗子（ 図7）によってシミュレートされた手術。把持力は、把持部の形状及び空気圧チャネルの大きさに応じて変化し得ます。エラストマーの材料特性は、空気圧チャンネルが順番にグリップ力に影響を与えるであろう、耐えることのできる最大圧力を決定します。提案された手法（ 図3）は、迅速な製造時間でソフト空気圧グリッパーの低コストの作成 ​​が可能であることを実証していますDようなグリッパの機能性は、この試験で評価しました。記載された技術を用いて、様々な用途のための異なる...

ディスカッション

我々は成功したエラストマーでコーティングされた鉗子のヒントや鉗子より把持物体にはるかに低い圧縮力を発揮したオブジェクトの準拠把持許さソフトロボット空気圧グリッパ装置は、発揮することを実証しました。鉗子末梢神経修復手術^11、12の間に神経を操作するための不可欠なツールです。しかし、その金属組織は、神経過剰な把持力による損傷や周囲の組織に付随する損傷を防止するために、外科医からの使用には細心の注意を必要としました。損傷の重症度に応じて、痛みのようなそれほど深刻なもの、に至るまで様々な合​​併症は、このような血の塊とでも永続的な障害などの重篤なものに、なることがあります。外科的処置中に神経組織の偶発的損傷を防止する必要性を考慮すると、我々の予備的な知見は、これらのソフトロボット空気圧把持装置がために可能性のある適切な候補であることを示していますコンプライアントグリップを達成する能力を提供することにより、繊細な組織操作中に現在の鉗子を補完します。柔らかい把持部の製造に用いられるシリコーン系エラストマーは柔らかい変形可能な人間の筋肉および組織¹³のものと同等である0.8×10 ⁵ ...

材料

この記事で使用された材料の一覧

名前	会社	カタログ番号	コメント
はかり	Severin	KW3667	(ステップ:エラストマーの調製)
Ecoflex Supersoft 0030 Elastomer	Smooth-On	EF0030	(ステップ:エラストマーの調製)
遊星遠心ミキサー・容器	THINKY USA Inc.	ARE-310	(ステップ:エラストマーの調製)
Solidworks CAD	Dassault Systèmes	Solidworks Research Subscription	(Step: Soft single/double-actuatable arm pneumatic grippers)
Objet 3D Printer	Stratasys	260 Connex2	(Step: Soft single/double-actuatable arm pneumatic grippers)
Titanium Wire Rods	Titan Engineering	N/A	(Step: Soft Single/double-actuatable arm pneumatic grippers)
タイマー付き自然対流式オーブン	Thermo Fisher Scientific	BIN#ED53	(ステップ:ソフトシングル/ダブルアクチュアブルアーム空気圧グリッパー)
リニアアクチュエータ	Firgelli Technologies	L12	(ステップ:ハンドリングツールへのソフトロボット空気圧グリッパーデバイスの挿入)
ジャンパー	ワイヤーsgbotic	CAB-01146	(ステップ:評価とグリップ圧縮試験)
フォースセンシング抵抗	インターリンクエレクトロニクス	FSR402	(ステップ:評価とグリップ圧縮試験)