방법 논문

설계 및 구현 맞춤형된 로봇 조작 여분 물질적인 초음파에 대 한

DOI:

10.3791/58811

⸱

2019년 1월 7일

 ,  ,  ,  ,  ,  ,  ,  ,  ,  , 
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

이 논문에서

요약

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

이 문서는 설계 및 여분 물질적인 초음파 검사에 대 한 맞춤형된 로봇 조작자의 구현 소개합니다. 시스템 3D 인쇄 및 안전 관리에 대 한 기계적인 클러치에 의해 가벼운 관절 5 자유도 있다.

초록

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높은 정밀도, 손 재주, 및 반복성에 대 한 가능성, 자기 추적된 로봇 시스템 실시간 초음파의 수집을 지원 하기 위해 사용할 수 있습니다. 그러나, 여분 물질적인 초음파를 위한 로봇의 제한 된 숫자는 임상 사용에 성공적으로 번역 되었습니다. 이 연구에서 우리는 경량 이며 소형 풋프린트는 여분 물질적인 초음파 검사에 대 한 맞춤형된 로봇 조작자를 구축 하고자 합니다. 로봇 5 특수 모양의 링크 및 프로브 조작, 환자의 안전을 보장 하기 위해 중복의 자유도와 모션의 필요한 범위를 커버 하는 주문 품 공동 메커니즘에 의해 형성 된다. 기계 안전은 환자에 게 적용 되는 힘을 제한 하는 클러치 메커니즘으로 강조 됩니다. 디자인, 결과로 조작자의 총 무게 미만 2 k g 이며 조작자의 길이 약 25cm. 디자인 구현 및 시뮬레이션, 팬텀, 그리고 자원 봉사 연구, 모션, 미세 조정, 기계적 안정성 및 클러치의 안전 작동을 할 수 있는 능력의 범위를 확인 하기 위해 수행 되었습니다. 이 문서는 일러스트 디자인 및 어셈블리 방법 설계 및 구현 맞춤형된 로봇 초음파 조작자의을 자세히 설명 합니다. 디자인 기능 및 임상 경험의 시스템을 사용 하 여 테스트 결과 표시 됩니다. 그것은 현재 제안 된 로봇 조작 여분 물질적인 초음파 검사에 대 한 맞춤된 시스템으로 요구 사항을 충족 하 고 임상 사용으로 번역 될 큰 잠재력을가지고 체결 됩니다.

서론

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여분 물질적인 로봇 초음파 (미국) 시스템 이란 로봇 시스템 보유 하 고 조작 하는 심장, 혈관, 산부인과, 및 일반적인 복 부 영상1에에서 그것의 사용을 포함 하 여 외부 시험에 대 한 미국 조사 활용을 구성 하 . 로봇 시스템의 사용은 동기 수동으로 누른 미국 조사, 임상 영상 프로토콜 및 반복 스트레인 부상2의 위험에 필요한 표준 미국 보기를 찾는 도전 예를 들어, 조작의 전에 의해 3,4, 또한 우리 프로그램 심사 요구, 예를 들어, 요구 경험 될 현장5,6sonographers. 다른 기능 및 대상 anatomies에 중점, 함께 여러 로봇 미국 시스템 이전 작품1,7,의8, 검토 도입 되었습니다 미국의 다양 한 측면을 개선 하기 위해 1990 년대부터 시험 (예를 들어, 장거리 teleoperation9,10,,1112로 로봇 연산자 상호 작용 및 자동 제어)13, 14. 로봇 미국 시스템 진단 목적을 위해 사용 뿐만 아니라 로봇 고 강도 집중 초음파 (장내) 시스템 위한 성직자 외 에 의해 요약 된 것 처럼 치료 목적으로 광범위 하 게 조사 되었습니다 1, 일부 최근 작품15,16 최신 진행 상황을 보고.

그들 중 몇 가지 상용 텔 레-초음파 시스템 등 임상 사용에 성공적으로 번역 되어 있지만 여러 로봇 미국 시스템 제어 및 임상 작업에 대 한 상대적으로 안정적인 기술로 개발 되었습니다, 17. 한 가지 가능한 이유는 대형 산업 찾고 로봇 환자와 sonographers의 관점에서 임상 환경에서 작업에 대 한 수용의 낮은 수준. 또한, 안전 관리, 기존 미국 로봇의 대부분 의존 힘 센서 모니터링 하 고 힘을 수 동적으로 제한 하려면 기본적인 기계적인 안전 메커니즘은 일반적으로 사용할 수 없습니다 하는 동안 미국 조사에 적용 되는 압력 제어 . 로봇 작업의 안전 순전히 전기 시스템 및 소프트웨어 논리에 의존 하 게 될 것 이라고 임상 사용으로 번역할 때 문제가 발생할 수 있습니다.

3D의 최근 발전 기술, 특수 주문 품 공동 메커니즘 플라스틱 링크 모양 인쇄 개발 맞춤된 의료 로봇을 위한 새로운 기회를 제공할 수 있습니다. 컴팩트한 외관으로 신중 하 게 설계 된 경량 부품 임상 수용 향상 시킬 수 있습니다. 특히 미국 검사, 임상 사용으로 번역 되 고 겨냥 하는 맞춤된 의료 로봇 해야 충분 한 자유도 (DOFs) 검사;의 관심 영역을 커버 하는 운동의 범위와 소형 예를 들어 복 부 표면, 위쪽과 배꼽의 양쪽 모두를 포함 하 여. 또한, 로봇 또한 미국 보기를 최적화 하려고 할 때 로컬 영역에서 미국 탐사선의 정밀한 조정을 수행 하는 기능을 통합 해야 합니다. 이 일반적으로 포함 하는 Essomba 그 외 여러분 에 의해 제안으로 일정 범위 내에서 조사의 틸팅 움직임 18 그리고 Bassit19. 추가 안전 문제를 해결 하려면 시스템 전기 시스템 및 소프트웨어 논리는 수동 기계 안전 기능을가지고 있어야 한다고 예상 된다.

이 문서에서 우리는 여분 물질적인 로봇 미국 시스템의 핵심 구성 요소로 사용 되는 5-DOF 교묘한 로봇 조작의 상세 설계 및 조립 방법 제시. 여러 경량 3D 인쇄 링크, 주문 품 공동 메커니즘 및 내장 안전 클러치 조작자에 의하여 이루어져 있다. DOFs의 특정 배열 프로브 조정, 환자와 충돌 하지 않고 작은 영역에 간편 하 고 안전한 작업을 허용에 대 한 완전 한 유연성을 제공 합니다. 제안 된 멀티-DOF 조작 완전히 활성화 DOFs 미국 검색을 수행 하는 완전 한 미국 로봇을 형성 하기 위하여 모든 기존의 3-DOF 글로벌 위치 지정 메커니즘 환자와 접촉 하는 주요 구성 요소를 간단 하 게 장착할 수 대로 작동을 목표로 하고있다.

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프로토콜

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1. 각 링크의 준비 끝-효과 기, 및 추가 구성 요소

  1. 아크릴로 니트 릴 부 타 디 엔 스 티 렌 (ABS) 플라스틱, polylactic 산 (PLA) 플라스틱 또는 나일론, 3D 인쇄를 사용 하 여 그림 1에서 같이 모든 링크 (L0L1, L2, L3, L4) 및 엔드-이펙터를 인쇄 서비스입니다. 사용 합니다. STL 파일을 인쇄할 때 보충 자료 제공.
    참고: 모양 및 각 부품의 규모 변화 만들 수 있습니다 기반으로 제공 된 파일에. 엔드 이펙터의 내부 프로필 다른 미국 프로브에 맞게 변경할 수 있습니다.
  2. 3 차원 인쇄 서비스를 사용 하 여 나일론에 그림 2 와 같이 모든 필요한 추가 구성 요소를 인쇄 합니다. 필요한 수의 각 구성 요소에 대 한 테이블의 자료 를 참조 하십시오. 사용 합니다. STL 파일을 인쇄할 때 보충 자료 제공.
  3. 필요한 경우 도구를 연마와 모든 인쇄 된 플라스틱 부품을 폴란드어. 필요한 경우, 3D 인쇄에서 남아 있는 지원 자료를 제거 합니다.
    참고: 제공 된 엔드-이펙터 디자인에서 몇 가지 구조 여기 보고 프로토콜의 일부가 힘 센서 이며 어셈블리에 대 한 사용 되지 않습니다. 힘 센서 디자인 개념은 이전 작업20;에서 보고 되었다 따라서,이 문서에 적용 되지 않습니다.

2입니다. 공동 1의 조립

참고: 공동 1 (J1)의 조립은 그림 3에 기반.

  1. 4 개의 작은, 기어 스테퍼 모터를 배치 (20 치아와 스퍼 기어 연결) L0 의 장착 구멍에 나사로 탑재.
  2. L0 의 베어링 하우징으로 두 37 m m OD 베어링을 놓고 L1의 육각 키에 120-치 박차 장치 (A 타입)을 확보 합니다.
  3. 박차 장치, 구동에 4 개의 작은 운전 평 기어와 큰, L0 축 구멍에 L1 에 샤프트를 삽입 하 고 확보 하 고 유지 샤프트 샤프트 칼라를 조립.

3입니다. 공동 2의 어셈블리

참고: 공동 2 (J2)의 조립은 그림 4에 기반.

  1. 4 개의 작은, 기어 스테퍼 모터를 배치 (20 치아와 스퍼 기어 연결) L1 의 장착 구멍에 나사로 탑재.
  2. 두 37 m m OD 베어링 및 위치 L1, 120-치 평 기어 (B 타입)의 20-치 평 기어와 약혼 기어 구멍으로는 모터에 장착 된 두 개의 120-치 평 기어 (B 타입)를 연결 합니다. 나사 하 고 2 개의 120이 B 타입 박차 장치의 쉬운 위치 수 있도록 필요한 경우 다시 모터를 나사.
  3. L1 과 L2 를 맞춥니다 고 L2에 클러치 구멍에 베어링과 볼 봄 쌍을 삽입 합니다. 정렬 하 고 미리 불러오기에 대 한 클러치 메커니즘으로 봄을 밀어 두 라운드 클러치 커버, L1 과 L2의 구멍에 M6 볼트를 삽입 합니다.
  4. 다른 쪽으로 어셈블리를 회전 하 고이 측면에 대 한 3.3 단계를 반복 합니다. M6 볼트에 너트를 부착 하 여 어셈블리를 보안.

4입니다. 공동 3의 조립

참고: 공동 3 (제3)의 조립은 그림 5에 기반.

  1. 두 개의 작은, 기어 스테퍼 모터를 배치 (20 치아와 스퍼 기어 연결) L2 의 장착 구멍에 나사로 탑재.
  2. 120-치 박차 장치 (C)의 베어링 하우징으로 베어링 37 m m OD 놓고 32 m m OD L3의 베어링 하우징으로 베어링을 배치 합니다.
  3. L3 의 육각 구멍에 큰 박차 장치 확보 (추가 나사 사용할 수 있습니다 필요한 경우) 큰 박차 장치에 L3, 작은와 큰 평 기어 약혼 보어에 L2 에 샤프트를 삽입 하 고.

5. 공동 4의 운전 메커니즘의 조립

참고: 공동 4 (J4)의 조립은 그림 6에 기반.

  1. L3 의 장착 구멍에 두 개의 작은, 기어 스테퍼 모터를 놓고 나사 탑재 합니다. L4의 베어링 하우징으로 8 m m OD 베어링을 놓습니다.
  2. 두 개의 작은 스테퍼 모터에 20-치 긴 박차 장치를 탑재 합니다.

6. 공동 4와 공동 5의 구동된 메커니즘의 조립

참고: 공동 4 (J4)의 조립은 그림 6 기반 이며 공동 5 (J5)는 그림 7에.

  1. L4의 압출에 구동된 144 치아 베벨 기어를 위치.
  2. 두 개의 작은, 기어 스테퍼 모터를 배치 (18-치아와 베벨 기어 연결) L4 의 장착 구멍에 나사로 탑재. 마지막으로, 삽입 M5 샤프트 L3 , L4 의 축 구멍 두 개의 링크는 정렬 후. 20 치아 긴 박차 기어와 일치 하는 L4 에서 구동된 기어 구조에 내장 된 확인 합니다.
  3. 대형 베벨 기어 키웨이에 엔드 이펙터를 삽입 하 고 수직으로 그것에 망 엔드 이펙터 칼라와 엔드-이펙터 위치.

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결과

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프로토콜, 다음 결과 시스템이입니다 5 특수 모양의 링크 (L0 L4)와 5 개의 revolute 관절 (J1 J5) 로봇 조작 이동 누른 로컬 기울이기 미국 프로브 (그림 8). 최고 회전 조인트 (J1), 4 개의 모터에 의해 작동 하는 기어 메커니즘 회전할 수는 다음 구조를 위쪽, 아래쪽, 및 복 부의 측면 같은 스캐닝 영역의 다른 측면으로 미국 프로브 수 있도록 360 °. 주요 틸팅 공동 (J2), 4 개의 모터에 의해 작동 하는 기어 메커니즘 검색 영역의 표면 정렬에 프로브 아래로 기울기 사용 됩니다. 이 공동 힘 관리에 중요 한도, 공, 봄, 및 회전 구멍으로 기계식 클러치 통합 되었다. 마지막 3 개의 직교 revolute 관절 (J3, 제4및 J<...

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토론

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많은 다른 산업용 로봇 의료 응용 프로그램에 번역 된, 달리 제안 된 로봇 조작 프로토콜에서 설명 되었다 위해 설계 된, 모션의 범위에 대 한 임상 요구에 따라 미국 시험 힘, 및 안전 관리의 응용 프로그램입니다. 경량 로봇 조작 자체는 대부분 외 물질 미국 스캔, 글로벌 위치 지정 메커니즘의 큰 움직임에 대 한 필요 없이 충분 한 움직임의 넓은 범위를 하고있다. 환자에 게 가장 가까운 기계 구조로 제안 된 링크 또한 특별히 환자 떨어져 형성 된다. 대부분 DOFs 소형 조작에 포함, 함께 로봇 미국 검사이 장치를 사용 하는 큰 공간을 차지 하는 필요 없이 인간의 작업을 유사한 직관적인 방법으로 수행할 수 있습니다. 이러한 모든 기능으로 인해 우리는 시스템 진행 자원 봉사 연구는 유효성이 검사 되는 다음 프로토콜 임상 및 환자에서 수용할 수 있는 생산을 기대 합니다. 제안 된 로봇 조작자와 글로벌 포지셔닝에 대 한 다른 기존 아키텍처 미사일 구조물 또는 천장 장착 디자인 등 특정 요구 사항에 따라 사용할 수 있습니다. 예제 글로...

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공개 사항

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저자는 공개 없다.

감사의 글

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이 작품은 의료 공학 [WT203148/Z/16/Z] Wellcome 신뢰 IEH 수상 [102431] 및 Wellcome/EPSRC 센터에 의해 지원 되었다. 저자 인정 재정 지원을 통해 보건 건강 연구 (NIHR) 종합 생물 의학 연구 센터 수상 남자의 & 세인트 토마스 ' NHS 재단 협력 킹 신뢰의 국립 연구소의 대학 런던 그리고 임금의 대학 병원 NHS 기초 신망.

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재료

이 논문에 사용된 재료 목록
이름회사카탈로그 번호댓글
3D 프린팅 링크 L03D 프린팅 서비스1도 1과 같이, 제공되는 STL 파일로
3D 프린팅 링크 L13D 프린팅 서비스1도 1과 같이, STL 파일이 제공되는
3D 프린팅 링크 L23D 프린팅 서비스1도 1과 같이, STL 파일이 제공된
3D 프린팅 링크 L33D 프린팅 서비스1도 1과 같이, STL 파일이 제공되는
3D 프린팅 링크 L43D 프린팅 서비스1도 1과 같이,
3D 프린팅 엔드 이펙터3D 프린팅 서비스11과 같이, STL 파일이 제공된
20개 이빨 평 기어3D 프린팅 서비스120.5 모듈, 5mm 면 너비, 그림 2와 같이 장착 키홈 포함, STL 파일 제공
18개 톱니 베벨 기어3D 프린팅 서비스20.5 모듈, 5mm 면 너비, 그림 2와 같이 장착 키홈 포함, STL 파일 제공
120개 이빨 평 기어(유형 A)3D 프린팅 서비스10.5 모듈, 6mm 면 너비, 그림 2와 같이 장착 키홈, 베어링 하우징 및 보어 포함, STL 파일 제공
120개 이빨 평 기어(유형 B)3D 프린팅 서비스20.5 모듈, 6mm 면 너비, 멈춤쇠 구멍, 베어링 하우징 및 보어가 있는 그림 2와 같이 STL 파일이 제공된
120개 이빨 평 기어(유형 C)3D 프린팅 서비스10.5 모듈, 6mm 면 너비, 그림 2와 같이 장착 키, 베어링 하우징 및 보어 포함, STL 파일 제공
20 이빨 긴 평 기어3D 프린팅 서비스10.5 모듈, 21.5mm 면 너비, 그림 2와 같이 장착 키 홈 포함, STL 파일 제공
144 이빨 베벨 기어3D 프린팅 서비스10.5 모듈, 7mm 얼굴 너비, 그림 2와 같이 장착 키홈이 있는 STL 파일 제공
베어링(37mm O.D 및 30mm I.D)Bearing Station Ltd., UK5베어링 크기 및 공급업체는 다양할 수 있습니다
베어링(12mm O.D 및 6mm I.D)Bearing Station Ltd., UK2베어링 크기 및 공급업체는 다양할 수 있습니다
베어링(32mm O.D 및 25mm I.D)Bearing Station Ltd., UK1베어링 크기 및 공급업체는 다양할 수 있습니다
베어링(8mm O.D 및 5mm I.D)Bearing Station Ltd., UK2베어링 크기 및 공급업체는 다양할 수 있습니다
플라스틱/금속 샤프트(6mm O.D, 70mm 길이)TR Fastenings Ltd., UK1예: M6 볼트 및 너트일 수 있음
플라스틱/금속 샤프트(5mm O.D, 70mm 길이)TR Fastenings Ltd., UK1예 : M5 볼트 및 너트 일 수 있습니다
볼 스프링 쌍WDS Ltd., UK4볼 스프링 쌍의 수는 클러치의 트리거링 힘을 조정하기 위해 다양 할 수 있습니다
클러치 커버3D 프린팅 서비스2104mm OD, 5mm 면 너비, 6mm 보어, 그림 2와 같이, STL 파일이 3D
프린팅 샤프트 칼라3D 프린팅 서비스135mm OD 및 30mm ID, 8mm 면 너비를 제공하는 STL 파일로,
3D 프린팅 엔드 이펙터 칼라3D 프린팅 서비스1그림 2와 같이 STL 파일이 제공된
소형 기어드 스테퍼 모터AOLONG TECHNOLOGY Ltd., 중국14부품 번호: GM15BYS; 내부 기어비 232:1 또는 150:1, 모두 허용
이 제공되는 STL 파일로 도 그림 2와 같이

참고문헌

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