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.
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이 논문에서
요약
초록
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
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
1. 각 링크의 준비 끝-효과 기, 및 추가 구성 요소
- 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. - 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.
- 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.
- 4 개의 작은, 기어 스테퍼 모터를 배치 (20 치아와 스퍼 기어 연결) L0 의 장착 구멍에 나사로 탑재.
- L0 의 베어링 하우징으로 두 37 m m OD 베어링을 놓고 L1의 육각 키에 120-치 박차 장치 (A 타입)을 확보 합니다.
- 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.
- 4 개의 작은, 기어 스테퍼 모터를 배치 (20 치아와 스퍼 기어 연결) L1 의 장착 구멍에 나사로 탑재.
- 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.
- 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.
- 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.
- 두 개의 작은, 기어 스테퍼 모터를 배치 (20 치아와 스퍼 기어 연결) L2 의 장착 구멍에 나사로 탑재.
- 120-치 박차 장치 (C)의 베어링 하우징으로 베어링 37 m m OD 놓고 32 m m OD L3의 베어링 하우징으로 베어링을 배치 합니다.
- 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.
- L3 의 장착 구멍에 두 개의 작은, 기어 스테퍼 모터를 놓고 나사 탑재 합니다. L4의 베어링 하우징으로 8 m m OD 베어링을 놓습니다.
- 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.
- L4의 압출에 구동된 144 치아 베벨 기어를 위치.
- 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.
- 대형 베벨 기어 키웨이에 엔드 이펙터를 삽입 하 고 수직으로 그것에 망 엔드 이펙터 칼라와 엔드-이펙터 위치.
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결과
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
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
저자는 공개 없다.
감사의 글
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
| 이름 | 회사 | 카탈로그 번호 | 댓글 |
|---|---|---|---|
| 3D 프린팅 링크 L0 | 3D 프린팅 서비스 | 1 | 도 1과 같이, 제공되는 STL 파일로 |
| 3D 프린팅 링크 L1 | 3D 프린팅 서비스 | 1 | 도 1과 같이, STL 파일이 제공되는 |
| 3D 프린팅 링크 L2 | 3D 프린팅 서비스 | 1 | 도 1과 같이, STL 파일이 제공된 |
| 3D 프린팅 링크 L3 | 3D 프린팅 서비스 | 1 | 도 1과 같이, STL 파일이 제공되는 |
| 3D 프린팅 링크 L4 | 3D 프린팅 서비스 | 1 | 도 1과 같이, |
| 3D 프린팅 엔드 이펙터 | 3D 프린팅 서비스 | 1 | 1과 같이, STL 파일이 제공된 |
| 20개 이빨 평 기어 | 3D 프린팅 서비스 | 12 | 0.5 모듈, 5mm 면 너비, 그림 2와 같이 장착 키홈 포함, STL 파일 제공 |
| 18개 톱니 베벨 기어 | 3D 프린팅 서비스 | 2 | 0.5 모듈, 5mm 면 너비, 그림 2와 같이 장착 키홈 포함, STL 파일 제공 |
| 120개 이빨 평 기어(유형 A) | 3D 프린팅 서비스 | 1 | 0.5 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 서비스 | 2 | 0.5 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 서비스 | 1 | 0.5 모듈, 6mm 면 너비, 그림 2와 같이 장착 키, 베어링 하우징 및 보어 포함, STL 파일 제공 |
| 20 이빨 긴 평 기어 | 3D 프린팅 서비스 | 1 | 0.5 모듈, 21.5mm 면 너비, 그림 2와 같이 장착 키 홈 포함, STL 파일 제공 |
| 144 이빨 베벨 기어 | 3D 프린팅 서비스 | 1 | 0.5 모듈, 7mm 얼굴 너비, 그림 2와 같이 장착 키홈이 있는 STL 파일 제공 |
| 베어링(37mm O.D 및 30mm I.D) | Bearing Station Ltd., UK | 5 | 베어링 크기 및 공급업체는 다양할 수 있습니다 |
| 베어링(12mm O.D 및 6mm I.D) | Bearing Station Ltd., UK | 2 | 베어링 크기 및 공급업체는 다양할 수 있습니다 |
| 베어링(32mm O.D 및 25mm I.D) | Bearing Station Ltd., UK | 1 | 베어링 크기 및 공급업체는 다양할 수 있습니다 |
| 베어링(8mm O.D 및 5mm I.D) | Bearing Station Ltd., UK | 2 | 베어링 크기 및 공급업체는 다양할 수 있습니다 |
| 플라스틱/금속 샤프트(6mm O.D, 70mm 길이) | TR Fastenings Ltd., UK | 1 | 예: M6 볼트 및 너트일 수 있음 |
| 플라스틱/금속 샤프트(5mm O.D, 70mm 길이) | TR Fastenings Ltd., UK | 1 | 예 : M5 볼트 및 너트 일 수 있습니다 |
| 볼 스프링 쌍 | WDS Ltd., UK | 4 | 볼 스프링 쌍의 수는 클러치의 트리거링 힘을 조정하기 위해 다양 할 수 있습니다 |
| 클러치 커버 | 3D 프린팅 서비스 | 2 | 104mm OD, 5mm 면 너비, 6mm 보어, 그림 2와 같이, STL 파일이 3D |
| 프린팅 샤프트 칼라 | 3D 프린팅 서비스 | 1 | 35mm OD 및 30mm ID, 8mm 면 너비를 제공하는 STL 파일로, |
| 3D 프린팅 엔드 이펙터 칼라 | 3D 프린팅 서비스 | 1 | 그림 2와 같이 STL 파일이 제공된 |
| 소형 기어드 스테퍼 모터 | AOLONG TECHNOLOGY Ltd., 중국 | 14 | 부품 번호: GM15BYS; 내부 기어비 232:1 또는 150:1, 모두 허용 |
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