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

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。

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。

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、地域におけるプローブの微調整ができるように、プローブの傾斜と軸の回転を制御する使用されます。最後の回転ジョイント、J5、特殊形状エンドエフェクタの米国プローブの取付ができます。総重量とは患者の体の上に通常唯一の構造提案ロボットマニピュレーターの長さは 25 cm と 2 kg 未満です。結果、デザインは、プローブの位置の広い範囲は残りのグローバル位置決め機構提案米国ロボットを使用するときのみ小さな動きで達することがようです。軸傾斜角度 0 ° と 110 ° の間の任意の方向に水平にし、さらに、直径 360 mm. のサークル内配置サーフェスに任意の角度に回転できるプローブだけ独自に提案されたマニピュレーターを考慮して、対偶 J3 J4 -180 ° 180 ° と米国プローブのローカル微調整用 45 °-30 ° の範囲での 2 方向の傾斜角を提供します。動きおよび傾斜角の範囲が Essombaらによって提案された米国検査のための理想的な音響窓を取得するため必要な範囲を満たす18 Bassit19。提案ロボットマニピュレーターの技術的な詳細は、材料表(Denavit したパラメーターとジョイント仕様)、図 8に示す座標の定義に基づいてまとめたものです。システムの推定コストは 500 ポンド、現在の製造方法、コンポーネント、および材料に基づきます。

本研究で用いる例として我々 はパラレル リンク機構 (R2および R3) の回転ジョイント (R1) 完全な回転のためのチェーンの機構と腕を持っていると 2 つのバーの arm ベース設定地球測位システムを採用ウォームギヤ ドライブ (図 9)。この 3 自由度機構は米国の完全なロボット システムを形成する提案 5 自由度マニピュレーターで動作します。提案のロボット アームとグローバル ・ ポジショニング ・この研究のために使用するオプションの例に基づいて、図 10に示しますロボットのシミュレーション例腹部ファントムのまわりの位置で両サイドの周りに到達することができることを証明腹部の上の位置の範囲。システム、特に J1 J2の構成で冗長関節の設計により、まだで観察することができます、患者の体から離れて滞在する機械構造物の最も大きい角度にプローブに傾図 10。その結果、最後の 3 つ (J3J4、および J5) 傾斜微調整のための制限の範囲内で回転する指定、関節と衝突を回避ロボットの可動部分と患者の体との間。

電子機器、開発従来のステッピング モーター制御システム出力力をテストし、可動域の予想を検証する実験を行った。現在のコントロール ユニットは、マイクロ コント ローラー、ステッピング モーター ドライバー、電源とレギュレータ、含まれている他の関連電子部品とボックスです。コントロール ボックスの全体的なサイズは 40 cm、23 cm と 12 cm 深いです。ロボット アームに現在発揮できる最大の力が設定されているシステムの繰り返されたテストに基づいて、27 N に、機械式安全クラッチがトリガーされる前に、0 - 提案システムの範囲を強制出力を指定する 27 名機械式クラッチの構成、それは、デフォルトの位置でクラッチがボールは、部分的に L1の戻り止めの穴に繰り返されるテストによって確認されました。したがって、駆動、大歯車の動きは、L2を作動させます。しかしときに、過度の力がエンド エフェクタで、クラッチを切る、ボール L1の戻り止め穴の外に移動します。

材料のテーブルで報告された各関節の可動域も繰り返しテストされ検証します。長い期間にわたって、ロボット ・ マニピュレーターの信頼性の高い作業を胎児ファントムで広くテストされており、継続的に内部の健全なボランティア (図 11) の腹部スキャンで確認します。研究は、倫理委員会で承認されました。これまでのところ、一般的な腹部超音波検査ロボットのマニピュレーターを使用して 20 のボランティア スキャン正常に実行されました信頼性と機械設計の実現可能性を評価するために主に、ロボットの基本的なソフトウェア制御。ロボット ・ マニピュレーターの現在の設計必要な力で、必要な運動の範囲に到達することができますおり、米国の携帯の操作と同様にイメージを取得する十分な微調整がファントムとボランティアの研究からわかった腹部用プローブします。これらのスキャンは、安全上の懸念または不快な気持ちがボランティアによって報告されません。モーター、メカニズム、および電力レベルの機械比の選択は、彼らは患者さんの体に、excessed 軍が生成された場合、滑りで結果を同時でプローブの信頼性の高い動きを確認するように検証されています。この継続的ボランティア研究とロボットの使用のための臨床証拠の詳細が個別に表示されます。

図 1: コンピューター支援設計 (CAD) (L0L1、L2L3、および L4) すべてのリンクとエンド エフェクタの図面します。3 D 指定されたを使用して印刷するときの参考のため、各リンクの図形が表示されます。STL ファイル。エンド エフェクタは、アセンブリに含まれている米国の調査で示されています。この図の拡大版を表示するのにはここをクリックしてください。

図 2: 必要な追加コンポーネントの CAD 図面します。各コンポーネントの形状は、3 D 指定されたを使用して印刷するときの参照に対して表示されます。STL ファイル。コンポーネントには、平と異なるサイズでかさ歯車、シャフト カラー、クラッチ カバー、エンド エフェクタ首輪が含まれます。この図の拡大版を表示するのにはここをクリックしてください。

図 3: J1のアセンブリ命令。必要なリンク、モーター、歯車、軸受は、アセンブリを説明するために透明に変更いくつかの構造で表示されます。この図の拡大版を表示するのにはここをクリックしてください。

図 4: J2のアセンブリ命令。必要なリンク、モーター、ギア、ボール春ペア、および軸受は、アセンブリを説明するために透明に変更いくつかの構造で表示されます。この図の拡大版を表示するのにはここをクリックしてください。

図 5: J3アセンブリ命令。必要なリンク、モーター、歯車、軸受は、アセンブリを説明するために 2 つの視点のビューで表示されます。この図の拡大版を表示するのにはここをクリックしてください。

図 6: J4のアセンブリ命令。必要なリンク、モーター、歯車、軸受は示し、組み立てられた J4メカニズムが示されています。この図の拡大版を表示するのにはここをクリックしてください。

図 7: J5アセンブリ命令。必要なリンクとエンド エフェクタ、モーター、歯車は、アセンブリを説明するために透明に変更いくつかの構造で表示されます。この図の拡大版を表示するのにはここをクリックしてください。

図 8: 米国の調査を保持してエンド エフェクタを提案 5 自由度ロボット アームの概要。各関節の座標定義および組み立てのマニピュレーターの全体的なサイズが示されます。この図の拡大版を表示するのにはここをクリックしてください。

図 9: 全地球測位デバイスの使用例の CAD 図面します。この arm ベースのデバイスを使用して、テストの提案のロボット アームを操作します。表記および主要寸法は、図面に表示されます。この図の拡大版を表示するのにはここをクリックしてください。

図 10: ファントムの周り 4 つの異なるスキャン姿勢の運動シミュレーション。これは典型的な米国腹部の運動の適切な範囲を示しています。この図の拡大版を表示するのにはここをクリックしてください。

図 11: 記述されているプロトコルを使用して米国ロボットを実装します。(な) グローバル ・ ポジショニング メカニズムの例を持つロボット。(b) 臨床を患者の腹部に、提案されたロボット ・ マニピュレーターの使用します。この図の拡大版を表示するのにはここをクリックしてください。

テーブルの材料: Denavit を含む提案ロボットマニピュレーターの技術的な詳細-したパラメーターと共同の仕様。この図の拡大版を表示するのにはここをクリックしてください。

補足ファイル 3 d 印刷可能な STL ファイル。 。このファイルをダウンロードするここをクリックしてください。 

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