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方法論記事

設計と体外超音波特注ロボット ・ マニピュレーターの実装

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DOI:

10.3791/58811

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2019年1月7日

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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

この記事について

サマリー

設計と体外超音波検診特注ロボット ・ マニピュレーターの実装について述べる。システムには、3 D プリントと安全管理のための機械式クラッチ製軽量関節自由度 5 があります。

要約

高精度、敏捷、そして再現性の可能性、リアルタイム超音波の獲得を支援するために自己追跡ロボット システムを用いることができます。ただし、体外超音波用に設計されたロボットの限られた数は、臨床使用に正常に翻訳されています。本研究では軽量で、小さなフット プリントを持つ体外超音波検診特注ロボット ・ マニピュレーターを構築を目指します。ロボットは、5 つの特殊な形状のリンクと患者の安全を確保する冗長自由度を用いた運動の必要な範囲をカバーするためのプローブ操作のカスタムメイドの共同機構によって形成されます。機械の安全性は、患者にかかる力を制限するためのクラッチ機構を強調されています。デザインは、結果としてマニピュレーターの総重量が 2 kg 未満のもの、マニピュレーターの長さは約 25 cm。デザインが実装されているとシミュレーション、モーション、微調整、機械的信頼性とクラッチの安全な操作能力の範囲を検証する、ファントムとボランティアの研究も行われています。説明する設計・組立方法を設計と特注ロボット超音波マニピュレーターの実装の詳細を説明。システムを使用しての臨床経験と設計上の特徴を示すテスト結果が掲載されています。現在提案されたロボット アームが体外超音波検査のためのオーダーメイドのシステムとしての要件を満たしているし、臨床使用に変換する大きな可能性がありますと結論される.

概要

体外ロボット超音波 (米国) システムとロボット システムを利用して、保持および外部検査、心臓、血管、産科的、一般的な腹部画像診断1 でその使用を含む米国プローブを操作する構成は、します。.このようなロボット システムの使用は独創力のある手動で押し操作米国の調査、例えば、臨床画像処理プロトコル、および反復的な緊張傷害2、リスクに必要な標準的な米国ビューを見つけることの挑戦の課題を 3,4、またスクリーニング プログラム私たちのニーズによって、例えばの要件を経験した敷地内5,6社団法人。さまざまな機能とターゲット葉形質と、いくつかのロボットの米国システム、以前作品1,7、8、見直しとして導入されている米国のさまざまな側面を改善するために、1990 年代以降試験 (例えば、長距離遠隔操作9,10、11,12と同様、ロボット オペレーター相互作用と自動制御)13, 14. 診断用のロボットの米国のシステムに加えてではロボット高強度集束超音波 (HIFU) システムあり治療目的が検討されているプリースターらによって要約されるように1、いくつか最近の作品15,16最新の進捗状況を報告します。

のみそれらのいくつかが正常に市販の遠隔超音波システムなどの臨床使用に翻訳されているいくつかの米国のロボット制御および臨床操作のための比較的信頼性の高い技術で開発されている、17. 理由の 1 つは患者と社団法人の両方の観点から、臨床の現場で働く大型産業探してロボットのための受諾の低レベル。また、安全管理のため既存の米国ロボットの大半は、監視および受動的力を制限するより根本的な機械安全メカニズムが利用不能で通常米国プローブへの応用圧力を制御する力センサーに依存してください。.ロボット操作の安全に純粋な電気システムとソフトウェアのロジックに依存してなる臨床使用に変換するときも問題が発生この可能性があります。

3 D の最近の進歩の印刷技術、カスタムメイド共同機構を持つプラスチック リンクを特別形オーダーメイド医療ロボットを実現のための新しい機会を提供できます。コンパクトな外観と慎重に設計された軽量コンポーネントが臨床の受諾を向上します。米国検査のため具体的には臨床使用に翻訳されてを目指したオーダーメイド医療用ロボットはコンパクト、十分な自由度 (Dof) と、スキャンの関心領域をカバーする動きの範囲する必要があります。たとえば、腹部表面、上部と腹の側面の両方を含みます。さらに、ロボットはまた米国のビューを最適化しようとしたときにローカル エリアで米国プローブの微調整を実行する機能を組み込む必要があります。これは通常、Essombaらによって提案された、特定の範囲内のプローブの傾斜運動が含まれています18 Bassit19。さらに安全性の懸念に対処するため、電気システムおよびソフトウェアのロジックの独立した受動的機械的安全機能が必要と予想されます。

5 自由度器用なロボット ・ マニピュレーターの体外のロボット米国システムの重要なコンポーネントとして使用されている詳細な設計・組立方法を提案します。マニピュレーターは、いくつかの軽量な 3 D 印刷可能なリンク、カスタムメイドの共同機構、および組み込み安全クラッチで構成されています。自由度の特定の配置では、プローブの調整で、患者と衝突することがなく小さな領域に簡単で安全な操作を許可する完全な柔軟性を提供します。提案の多自由度マニピュレーターは米国スキャンを実行する完全にアクティブな自由度と完全な米国ロボットを形成するため、従来 3 DOF グローバル位置決め機構に患者と接触して、主要なコンポーネントことができます単に接続されているように動作するように目指しています。

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プロトコル

1. 各リンクの準備はエンド エフェクタと追加コンポーネント

  1. アクリロニ トリル ・ ブタジエン ・ スチレン (ABS) プラスチック、ポリ酸 (PLA) プラスチックまたはナイロン、3 D 印刷を使用して図 1に示すように、すべてのリンク (L0L1L2L3、および L4) とエンド エフェクタを印刷します。サービス。使用します。STL ファイルを印刷するときに補足資料の提供します。
    注: 図形と各部分のスケールの変化するに基づいて行うことが指定されたファイル。エンド エフェクタ内部の形状は、探触子と米に合うように変更できます。
  2. ナイロン、3 D 印刷サービスを使用して、図 2に示すように、すべての必要な追加のコンポーネントを印刷します。各コンポーネントの必要な数の材料表を参照してください。使用します。STL ファイルを印刷するときに補足資料の提供します。
  3. 必要に応じて研磨工具のすべての印刷されたプラスチック部品を磨きます。必要に応じて、3 D プリントから左サポート素材を削除します。
    注: 指定されたエンド エフェクタのデザインのいくつかの構造力センサーのことで、ここで報告されるプロトコルの一部ではありませんが、アセンブリは使用されません。以前作業20; 力センサーの設計概念が報告されています。したがって、本稿では説明しません。

2. 共同 1 のアセンブリ

注: 共同 1 (J1) のアセンブリは、図 3に基づいています。

  1. 4 つの小さな、ギア付きステッピング モーターを配置 (20 歯平歯車添付) L0の取り付け虫歯にネジで取り付けと。
  2. L0の軸受ハウジングへ 2 つの 37 mm 外径軸受を置き、L1六角キーに 120 歯平歯車 (タイプ A) をセキュリティで保護します。
  3. 従事し、スパーギヤを駆動 4 小さな駆動平歯車と大きな、L0のシャフト穴に L1軸を挿入し、固定し、シャフトを保持するシャフト カラーを組み立てます。

3. 共同 2 のアセンブリ

注: 共同 2 (J2) のアセンブリは、図 4に基づいています。

  1. 4 つの小さな、ギア付きステッピング モーターを配置 (20 歯平歯車添付) L1の取り付け虫歯にネジで取り付けと。
  2. 2 つの 37 mm 外径ベアリングとモーターのマウント 20 歯平歯車に従事している L1, 120 歯平歯車 (タイプ B) の歯車キャビティに位置する 2 つの 120 歯平歯車 (タイプ B) を取り付けます。2 つの 120 歯型 B 平歯車の簡単な位置決めを許可する必要がある場合にモーターを再ねじを緩めて。
  3. 合わせ L1 L2 L2のクラッチの穴にベアリングとボール春ペアを差し込みます。2 つ丸いクラッチ カバーとの整列とプリロードのクラッチ機構にバネを押し、L1 L2の穴に M6 ボルトを挿入します。
  4. 反対側にアセンブリを回転し、こちら側の 3.3 で手順を繰り返します。M6 ボルトにナットをアタッチすることにより、アセンブリを固定します。

4. 共同 3 のアセンブリ

注: 共同 3 (J3) のアセンブリは、図 5に基づいています。

  1. 2 つの小さな、ギア付きステッピング モーターを配置 (20 歯平歯車添付) L2の取り付け虫歯にネジで取り付けと。
  2. 37 mm 外径 φ 120 歯平歯車 (C 型) の軸受箱に軸受を置き、32 mm 外径 φ L3の軸受箱に軸受を配置します。
  3. L3の六角形の鍵穴大きい歯車を保護 (必要に応じて追加のネジが使用できます) に大型の平歯車と L3小型と大型の平ギヤ穴に L2シャフトを挿入。

5. 共同 4 の駆動機構の組立

注: 共同 4 (J4) のアセンブリは、図 6に基づいています。

  1. L3の取り付け空洞に 2 つの小さな、ギア付きステッピング モーターを置き、ネジでそれらをマウントします。L4の軸受箱に 8 mm 外径軸受を配置します。
  2. 2 つの小型ステッピング モーターに 20 歯長い平歯車をマウントします。

6. 共同共同 4・5 の駆動機構の組立

注:図 6に基づいて共同 4 (J4) のアセンブリと共同 5 (J5)図 7に基づきます。

  1. 4L の押し出しに駆動 144 歯かさ歯車を配置します。
  2. 2 つの小さな、ギア付きステッピング モーターを配置 (18 歯ギアの面取り) L4取付空洞にしてネジでマウントします。最後に、2 つのリンクを配置後、L3及び L4のシャフト穴に M5 シャフトを挿入します。L4試合 20 歯長い平歯車と被動歯車構造で建てられたか確認します。
  3. 大きなかさ歯車の溝にエンド エフェクタを挿入し、上にねじ込みエンド エフェクタの襟付きエンド エフェクタを垂直に配置します。

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結果

プロトコルに従いシステムの結果は移動、保持、およびローカル米国プローブ (図 8) を傾斜 5 特殊形状のリンク (L0 L4) と 5 回転継手 (J1 J5) ロボットのマニピュレーターです。トップ回転継手 (J1) 4 つのモーターによって作動歯車機構とすることができます回転以下構造 360 °、上部、下部、腹部の側面など、スキャン領域の別の側面の方に指すに米国の調査を許可します。主な傾斜ジョイント (J2)、4 つのモーターによって作動歯車機構プローブ スキャン領域の表面にそれを合わせて下に傾斜させる使用です。この共同はまた、力管理に不可欠なボール、スプリング、止め穴と機械式クラッチを設立されました。最後の 3 直交対偶 (J3J4、および J5) ごとに、2 つのモーターによって作動歯車機構では、地域における...

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ディスカッション

多く他産業用ロボット、医療への応用に翻訳されているとは異なりプロトコルで記述されている提案されたロボット アームは、可動域の臨床要件に従って米国試験用に設計されました力と安全管理のアプリケーション。軽量ロボット自体はほとんど体外米国をスキャンするため、グローバルな位置決め機構の大規模な動きを必要とせず十分な動きの広い範囲。患者に最も近いの機械的構造として、提案されたリンクは患者から離れる形も特別。小型マニピュレーターに埋め込まれたほとんどの自由で、大きなスペースを必要としない人間の操作と同様の直感的な方法でこのデバイスを使用してロボット米国スキャンを実行できます。これらのすべての機能のためにボランティア研究で検証されている次のプロトコルが臨床医と患者から受け入れをシステムに生産を見込んでいます。提案のロボット ・ マニピュレーターのガントリーまたは天井マウント設計など、特定の要件に基づいて全体的な位置の異なる従来のアーキテクチャを使用できます。例の全地球測位デバイスは、提案のロボット ・ マニピュレーターのテストを有効にするのにこの紙で使用されました。

現在のプロトコルでは、ABS...

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開示事項

著者が明らかに何もありません。

謝辞

この作品は、医療工学 [WT203148/Z/16/Z]/EPSRC はウェルカム センター、Wellcome の信頼 IEH 賞 [102431] によってサポートされていました。著者認める経由で厚生労働省からの財政支援保健研究 (NIHR) 包括的な生物医学研究センター賞ガイ & セント トーマス NHS 財団を王との提携で信頼する所のロンドン カレッジとキングズ カレッジ病院 NHS の基礎信頼。

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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
3Dプリントリンク L03Dプリントサービス1図1に示すように、STLファイル提供の
3Dプリントリンク L13Dプリントサービス1図1に示すように、
3DプリントリンクL23Dプリントサービス1図1に示すように、 3D
プリントリンクL33Dプリンティングサービス1STLファイルを使用して、図1に示すように、
3DプリントリンクL43Dプリンティングサービス1ファイルを使用して、図1に示すように、
3Dプリントされたエンドエフェクタ3Dプリンティングサービス1、図1に示すように、 STLファイル提供
20歯平歯車3D印刷サービス120.5モジュール、5 mmの面幅、図2に示すように取り付けキー溝付き、STLファイル提供
18歯の斜歯車3D印刷サービス20.5モジュール、5 mm面幅、取り付けキー溝付き、図2に示すように、STLファイル提供の
120歯平歯車(タイプA)3D印刷サービス10.5モジュール、6 mm面幅、取り付けキー溝、ベアリングハウジング、およびボア付き、図2に示すように、STLファイル提供の
120歯平歯車(タイプB)3Dプリンティングサービス20.5モジュール、6 mm面幅、戻り止め穴、ベアリングハウジング、およびボア付き、図2に示すように、STLファイル提供の
120歯平歯車(タイプC)3Dプリンティングサービス10.5モジュール、6 mm面幅、取り付けキー、ベアリングハウジング、およびボア付き、図2に示すように、STLファイル提供20
歯長平歯車3D印刷サービス10.5モジュール、21.5 mm面幅、取り付けキー溝付き、図2に示すように、STLファイル提供144
歯ベベルギア3D印刷サービス10.5モジュール、 7 mmの面幅、図2に示すように、STLファイルを備えた取り付けキー溝付き
ベアリング(37 mm O.Dおよび30 mm I.D)ベアリングステーション株式会社、英国5ベアリングサイズとサプライヤーは変えることができます
ベアリング(12 mm O.Dおよび6 mm I.D)ベアリングステーション株式会社、英国2ベアリングサイズとサプライヤーは、
ベアリング(32 mm O.Dおよび25 mm I.D)ベアリングステーション株式会社を変えることができます。 英国1のサイズとサプライヤーは、ベアリング
(8 mm ODおよび5 mm I.D)ベアリングステーション株式会社、英国2サイズとサプライヤーは、
プラスチック/金属シャフト(6 mm O.D、70 mm長)TRファスニング株式会社、英国1、M6ボルトとナットプラスチック
/金属シャフト(5 mm O.D、 長さ70 mm)TR Fastenings Ltd.、英国1例えば、M5ボルトとナットである可能性があります
ボールスプリングペアWDS Ltd.、英国4ボールスプリングペアの数は、クラッチのトリガー力を調整するために変化させることができます
クラッチカバー3Dプリントサービス2図2に示すように、104 mm O.D、5mm面幅、6mmボア、 STLファイル提供
3Dプリントシャフトカラー3Dプリントサービス135 mm O.Dおよび30 mm I.D、8mm面幅、図2に示すように、STLファイル提供
3Dプリントエンドエフェクタカラー3Dプリントサービス12に示すように、STLファイル提供小型
ステッピングモーターAOLONGTECHNOLOGY Ltd.、 中国14部品番号:GM15BYS;内部ギヤ比232:1か150:1、すべて許容可能
提供のSTLファイルを使用 を提供するを提供するSTLを提供するSTLファイルを使用してののベアリングベアリングなど図ギア

参考文献

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