Ontwerp en de fabricage van een elastomeer Unit voor Soft Modulaire Robots bij minimaal invasieve chirurgie

Samenvatting

Dit artikel beschrijft het ontwerp en de fabricage van een zachte eenheid voor chirurgische manipulatoren. De basismodule omvat drie flexibele vloeistof actuatoren om omnidirectioneel buigen en verlenging te bereiken, en een korrelig jamming-gebaseerd mechanisme om stijfheidscontrole mogelijk te maken. Ook wordt een volledige mechanische karakterisering gerapporteerd.

Samenvatting

De laatste jaren hebben zachte robotica technologieën wekte toenemende belangstelling in de medische vanwege hun intrinsiek veilige interactie ongestructureerde omgevingen. Tegelijkertijd zijn nieuwe procedures en technieken ontwikkeld om het invasieve chirurgische ingrepen verminderen. Minimaal invasieve chirurgie (MIS) is met succes toegepast voor abdominale interventies worden echter standaard MIS procedures hoofdzakelijk gebaseerd op stijve of halfstijve hulpmiddelen die de beweeglijkheid van de clinicus te beperken. Dit document presenteert een zachte en hoge behendige manipulator voor MIS. De manipulator is geïnspireerd op de biologische mogelijkheden van de octopus arm, en is ontworpen met een modulaire aanpak. Elke module biedt dezelfde functionele eigenschappen, waardoor het bereiken van een hoge beweeglijkheid en veelzijdigheid als er meer modules zijn geïntegreerd. Het document beschrijft de ontwerp, fabricageproces en de materialen die nodig zijn voor de ontwikkeling van een enkele eenheid, die wordt gefabriceerd door casting siliconen binnenkant specifieke schimmels. Het resultaat bestaat uit een elastomeer cilinder waaronder drie flexibele pneumatische aandrijvingen die rek en omni-directionele buiging van het apparaat mogelijk te maken. Een externe gevlochten mantel verbetert de beweging van de module. In het midden van elke module varieert granulaire jamming-gebaseerde mechanisme de stijfheid van de constructie tijdens de taken. Tests tonen aan dat de module in staat te buigen tot 120 ° en langwerpige tot 66% van de oorspronkelijke lengte. De module genereert een maximale kracht van 47 N en de stijfheid kan oplopen tot 36%.

Inleiding

Recente ontwikkelingen in de medische wereld dringen aan op een vermindering van de invasiviteit van chirurgische operaties. Minimaal Invasieve Chirurgie (MIS) met succes is verbeterd in de afgelopen jaren voor buikoperaties. MIS procedures zijn gebaseerd op het gebruik van instrumenten ingebracht via vier of vijf toegangspunten (trocars) dat in de buikwand. Om het aantal trocars te verminderen, kunnen de instrumenten worden ingebracht door de Single Port Laparoscopie (SPL) of Natural Orifice transluminale Endoscopische chirurgie (NOTES) ^1. Deze procedures voorkomen dat externe zichtbare littekens, maar verhoging van de moeilijkheidsgraad van de clinici in het uitvoeren van de operatie. Deze beperking is vooral te wijten aan de verminderde punten van de toegang en de stijve en semi-rigide aard van de instrumenten, die niet in staat zijn om te voorkomen of pas rond organen ^2, kan ^3. Handigheid en beweeglijkheid verbeterd worden met behulp van gelede en hyper-redundante robots die een breder en meer complexe werkruimte kan dekken, thons mogelijk een specifiek doel in het lichaam gemakkelijker te bereiken ^{4, 5, 6} en werken als inklapsystemen zonodig ^7. Een flexibele manipulator kan verbeteren weefsel compliance, waardoor contact veiliger dan door de traditionele instrumenten.

Maar deze manipulators vaak niet stabiliteit bij het ​​doelwit wordt bereikt en in het algemeen kunnen ze niet het contact met het omringende weefsel ^8, controle ^9. Onderzoek naar biologische structuren, zoals inktvis arm ¹⁰ en de olifant slurf ¹¹ zijn geïnspireerd onlangs het ontwerp van flexibel, vervormbaar en compliant manipulatoren met een redundante aantal vrijheidsgraden (DoFs) en controleerbaar stijfheid ^12. Dit soort apparaten maken gebruik van passieve bronnen, slimme materialen, pneumatische elementen, of pezen ^{13, 14, 15.} In het algemeen, manipulatoren gefabriceerd met zachte en flexibele materialen niet garanderen dat de generatie van grote krachten.

THij STIJF-FLOP (stijfheid controleerbaar Flexibel en leerbaar manipulator voor chirurgische operaties) manipulator is onlangs gepresenteerd als een nieuw chirurgisch instrument voor notities en SPL geïnspireerd door de octopus de mogelijkheden. Om de beperkingen van eerdere zachte manipulators overwinnen, heeft een zacht lichaam en hoge beweeglijkheid, grote kracht en controleerbare stijfheid ^16.

De architectuur van de manipulator is een modulaire aanpak: meervoudige eenheden met dezelfde structuur en functionaliteit, samen geïntegreerd. De eenheid is weergegeven in figuur 1. Het is gebaseerd op een elastomere cilinder verkregen door een uit meerdere fabricage. De assemblage stappen van de schimmel componenten en de casting processen staat drie lege kamers (voor vloeibare bediening) en een holle centrale kanaal ¹⁷ (voor de huisvesting van een granulaire-jamming gebaseerd mechanisme ¹⁸⁾ worden ingebed. De kamers worden geplaatst bij 120 °, zodat deir gecombineerd inflatie produceert omnidirectionele beweging en rek. Daarnaast externe gevlochten mantel extern geplaatst om de buitenwaartse radiale expansie van de vloeibare kamers te beperken wanneer druk gebracht, waardoor het effect van de kamer bediening optimaliseren in de module beweging (buiging en rek).

Het centrale kanaal bevindt zich een cilindrische inrichting bestaande uit een extern membraan gevuld met korrelig materiaal. Wanneer een vacuümdruk wordt toegepast, zijn elastische eigenschappen verandert waardoor een verstijving die eigenschappen van de gehele module beïnvloedt.

Beweging en stijfheid prestaties worden bestuurd door een externe opstelling zoals een luchtcompressor en drie drukkleppen voor het bedienen van de kamers en een vacuümpomp voor het activeren van het vacuüm in het verstijvingelement kanaal. Een intuïtieve gebruikersinterface maakt het mogelijk de controle over activering en vacuüm druk in de module.

Dit document beschrijft de fabrication proces van de enkele module van deze manipulator en rapporteert de meest significante resultaten op basis beweging mogelijkheden. Gezien de modulaire aard van de inrichting, de beoordeling van de fabricage en uitvoering van één enkele module maakt het ook mogelijk de te uitgebreid en de fundamentele eigenschappen van een multi-module manipulator integratie van twee of meer modules voorspellen.

Protocol

Opmerking: Dit protocol beschrijft de vervaardiging fasen van een enkele module, waarbij de vloeibare kamers omvat verstijving kanaal bediening pijpleidingen en uitwendige mantel. De volgende procedure heeft onder een zuurkast en het dragen van laboratoriumjas en handschoenen om veiligheidsredenen uit te voeren. Zoals eerder vermeld, wordt het fabricageproces van de elastomere eenheid op basis van de opeenvolgende toepassing van matrijzen ontworpen met CAD software. Ze zijn samengesteld uit de 13 stukken in figuur 2 en tabel 1 opgesomd.

1. Voorbereiding van het Silicone

1. Weeg 12 g van deel A en 12 g deel B in dezelfde plastic glas of een petrischaal en meng ze samen, roeren.
   Opmerking: Materiaal verhoudingen variëren afhankelijk van de specifieke gebruikte silicone, in dit geval bestaat uit twee delen: deel A (de basis) en deel B (katalysator). Ze worden gebruikt in verhouding 1A: 1B gewicht.
2. Plaats het glas met de mixed siliconen materialen in een ontgasser machine 1 bar onderdruk. Houd het glas onder vacuüm totdat alle luchtbellen worden verwijderd uit het siliconenmateriaal. Voor de gebruikte siliconen het ontgassingsproces duurt ongeveer 10 minuten. Zodra de materialen zijn volledig vrij van de aanwezigheid van bellen, het herstel van de atmosferische druk in de machine en gebruikt de siliconen.

2. Fabricage van de Siliconic Module

1. Assemblage van de mal.
   1. Plaats het verstijvingslichaam cilinder en de bovenkant van de kamers in cap_A (figuur 3a).
   2. Sluit de schelpen rond de tweede laag van cap_A.
2. Eerst silicone gieten.
   1. Giet de siliconen in de geassembleerde vorm tot aan de rand van de schalen (figuur 3b).
   2. Plaats de vorm in een oven bij 60 ° C gedurende ongeveer 30 min.
3. Herschikking van de mal.
   1. Verwijder de externe schelpen en cap_A (figuur 3c).
   2. Steek de cilinders van de bases van de kamers en de verstijving cilinder binnenkant cap_B (figuur 3d).
   3. Sluit de schalen opnieuw rond de module te schuiven van 10 mm naar boven om een gat van 10 mm tussen het bovenvlak van de module en de randen van de schalen (figuur 3e) heeft.
4. Tweede silicone gieten.
   1. Giet het silicone in het herschikte vorm tot aan de rand van de houders op de bovenzijde (dus ook aan het verstijvingelement cilinder) (Figuur 3f).
   2. Zet de mal in een oven bij 60 ° C gedurende ongeveer 30 min.
   3. Verwijder de externe schelpen, cap_B en de kamers (behalve de verstijving cilinder) (figuur 3g).

3. Plaatsen van de buizen

1. Snij 3 buizen dezelfde gewenste lengte (300 mm bijvoorbeeld).
2. Doe siliconic lijm over één uiteinde van elke buis van 10 mm, zonder obconstrueren de buizen.
3. Plaats de buizen in de 2 mm speciale kanalen in de siliconic unit (figuur 3h).
4. Laat een hardingstijd van 12 minuten bij kamertemperatuur of zet de module in een oven bij een hogere temperatuur (50 ° - 60 °) te versnellen het droogproces.

4. Fabricage van de Crimped gevlochten schede

1. Snij 700 mm van een expandeerbaar gevlochten mantel (ongeveer 15 keer de hoogte van de module).
2. Plaats een metalen cilinder van 30 mm diameter en 250 mm in lengte in de schede.
3. Duw en dwingen de mantel door glijden over de cilinder, om plooien te maken.
4. Mechanisch bevestigen de huls vast met een klem en warmte met een pistool verwarmen bij 350 ° C gedurende 2-3 min tot een blijvende vervorming verkregen.
5. Laat de schede afkoelen en verwijder de interne cilinder.

5. Integratie van de externe schede

1. Passeer debuizen door de gaten van cap_C.
2. Pour 3 g van siliconen in cap_C.
3. Klem cap_C aan een drager die hoger is dan het werkvlak.
4. Plaats de onderzijde van de module vooraf vervaardigd tot cap_C.
5. Schuif de gekrompen schede rond de module.
6. Duw de eerste plooien van de mantel binnen cap_C en dompel ze in de vers gegoten siliconen (figuur 3i).
7. Zet de mal in een oven bij 60 ° C gedurende ongeveer 20 min.
8. Herhaal deze procedure vanaf punt 5,1-5,6 naar de mantel aan de bovenzijde vast te stellen, met behulp van cap_D (figuur 3j).
9. Verwijder cap_C en cap_D.
10. Verwijder de centrale cilinder (Figuur 3k).

6. Fabricage van de Granular Jamming Membrane

1. Giet 5 g vloeibare latex in een plastic glas.
2. Dompel de cilinder voor het membraan (laatste stuk getoond in figuur 2) in de vloeibare latex tot het oppervlakvolledig bedekt.
3. Laat onder een kap voor 20 minuten drogen.
4. Herhaal de punten 6.2 en 6.3.
5. Verwijder het membraan uit de matrijs.

7. Plaatsen van de Granular Jamming Membrane

1. Snijd een buis (2 mm diameter) op de gewenste lengte (300 mm bijvoorbeeld).
2. Snij een vierkant stuk van ongeveer 100 mm ² van nylon weefsel en sluit één einde van de buis met het weefsel met een plastic folie paraffine of superlijm.
3. Weeg 4 g koffie poeder en vul het membraan.
4. Plaats de buis (het uiteinde met het filter) in de gevulde membraan en repareren om de buis met een kunststof folie paraffine.
5. Breng een vacuüm aan de andere kant van de buis (het membraan stijver).
6. Plaats het membraan in het lege centrale kanaal van de siliconic module (Figuur 3l).
7. Lijm de einden van de verstijvende membraan naar de silicone module.
8. Sluit de ringen rond de topzijde van de module (Figuur 3m).
9. Pour 2 g silicone in de ringen om het maaiveld.
10. Laat de silicone droog onder motorkap of in een oven bij 60 °.
11. Verwijder de ringen.
12. Herhaal van punten 7,8-7,11 voor de onderkant (Figuur 3n).

Resultaten

De verschillende fasen van de vervaardiging, in het protocol, worden geïllustreerd in figuur 3.

Om de doeltreffendheid van de techniek en de resultaten van de uiteindelijke prototype te evalueren, werd de module getest in verschillende werkomstandigheden. Een externe opstelling laat controle van zowel de aansturing en stijfheid van de module. Het omvat een luchtcompressor dat drie kleppen activeert. Ze zijn verbonden met de buizen siliconic geïntegreerd in de kamers en laten...

Discussie

De techniek die in dit protocol wordt beschreven, maakt de fabricage van een pneumatisch aangedreven zachte eenheid mogelijk, die bruikbaar is voor modulaire compliante structuren. Dankzij het ontwerp van de mallen en hun eenvoudige assemblage, is het mogelijk om in ongeveer 4 uur een complete module te fabriceren met 7 hoofdstappen. Het fabricageproces omvat specifieke materialen, die gemakkelijk verkrijgbaar zijn, en het werk moet onder een afzuigkap worden uitgevoerd. Een externe installatie met luchtkleppen, luchtcom...

Materialen

Lijst van materialen gebruikt in dit artikel

Naam	Bedrijf	Catalogusnummer	Opmerkingen
Ecoflex 00-50 Trial Kit	SmoothOn		Wordt gebruikt voor het fabriceren van de zachte eenheid, door gelijke hoeveelheden vloeibare delen A (de basis) en B (de katalysator) te combineren
Latex	Antichità Belsito		Wordt gebruikt voor het fabriceren van de granulaire jammembraan
Peroxide-Cured Silicone Tubing	Cole Parmer	T-06411-59	Wordt gebruikt voor het activeren van de kamers en het toepassen van vacuüm
PET expandeerbaar gevlochten omhulsel	RS	408-249	Wordt gebruikt voor het fabriceren van de externe gevlochten mantel
Silicone Rubber	Momentive	127374	Wordt gebruikt om de actuatorbuizen aan het module te bevestigen
Parafilm	Cole Parmer	EW-06720-40	Wordt gebruikt om de latexmembraan aan de vacuümbuis te bevestigen
Fume hood Secuflow	Groupe Waldner		Werkruimte
Precisieschaal	KERN EW		Wordt gebruikt om siliconen, latex en koffiepoeder te wegen
Oven/degasser	Heraeus		Wordt gebruikt om de siliconen te ontgassen en de uithardingstijd te verminderen
Vacuumpomp	DVP Vacuum Technology		Wordt gebruikt om vacuüm toe te passen op de latexmembraan