Method Article

Zaprojektowanie i wykonanie dedykowanego manipulatora robotycznego do ultrasonografii pozaustrojowej

DOI:

10.3791/58811

⸱

January 7th, 2019

 ,  ,  ,  ,  ,  ,  ,  ,  ,  , 
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

In This Article

Summary

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

Ten artykuł przedstawia projektowanie i implementację dedykowanego manipulatora robotycznego do pozaustrojowego badania ultrasonograficznego. System ma pięć stopni swobody z lekkimi przegubami wykonanymi metodą druku 3D i mechanicznym sprzęgłem do zarządzania bezpieczeństwem.

Abstract

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

Z potencjałem do wysokiej precyzji, zręczności i powtarzalności, można zastosować samośledzący się system robotyczny, aby wspomóc akwizycję ultradźwięków w czasie rzeczywistym. Jednak ograniczona liczba robotów zaprojektowanych do ultrasonografii pozaustrojowej została z powodzeniem przełożona na zastosowanie kliniczne. W tym badaniu naszym celem jest zbudowanie zbudowanego na zamówienie manipulatora robotycznego do pozaustrojowego badania ultrasonograficznego, który jest lekki i zajmuje niewiele miejsca. Robot składa się z pięciu specjalnie ukształtowanych ogniw i specjalnie wykonanych mechanizmów przegubowych do manipulowania sondą, aby pokryć niezbędny zakres ruchu z nadmiarowymi stopniami swobody, aby zapewnić bezpieczeństwo pacjenta. Bezpieczeństwo mechaniczne jest podkreślone mechanizmem sprzęgła, aby ograniczyć siłę wywieraną na pacjentów. Ze względu na konstrukcję całkowita waga manipulatora wynosi niecałe 2 kg, a długość manipulatora wynosi około 25 cm. Projekt został wdrożony i przeprowadzono badania symulacyjne, fantomowe i ochotnicze, aby zweryfikować zakres ruchu, zdolność do dokonywania precyzyjnych regulacji, niezawodność mechaniczną i bezpieczną pracę sprzęgła. W tym artykule szczegółowo opisano projekt i wdrożenie zrobotyzowanego manipulatora ultradźwiękowego na zamówienie, wraz z ilustracją metod projektowania i montażu. Przedstawiono wyniki testów mających na celu zademonstrowanie cech konstrukcyjnych i doświadczeń klinicznych związanych z użytkowaniem systemu. Stwierdzono, że obecnie proponowany manipulator robotyczny spełnia wymagania jako system do pozaustrojowego badania ultrasonograficznego i ma ogromny potencjał do przełożenia na zastosowanie kliniczne.

Introduction

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

Pozaustrojowy system ultrasonograficzny robota (US) odnosi się do konfiguracji, w której system robotyczny jest wykorzystywany do trzymania i manipulowania sondą amerykańską do badań zewnętrznych, w tym jej użycia w obrazowaniu kardiologicznym, naczyniowym, położniczym i ogólnym obrazowaniu jamy brzusznej1. Zastosowanie takiego systemu robotycznego jest motywowane wyzwaniami związanymi z ręcznym trzymaniem i manipulowaniem sondą amerykańską, na przykład wyzwaniem związanym ze znalezieniem standardowych widoków amerykańskich wymaganych przez protokoły obrazowania klinicznego oraz ryzykiem powtarzających się urazów związanych z przeciążeniem

Access restricted. Please log in or start a trial to view this content.

Protocol

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

1. Przygotowanie każdego ogniwa, efektora końcowego i dodatkowych komponentów

  1. Wydrukuj wszystkie ogniwa (L0, L1, L2, L3 i L4) oraz efektor końcowy, jak pokazano na Rysunek 1, z tworzywa sztucznego akrylonitryl-butadien-styren (ABS), tworzywa sztucznego kwasu polimlekowego (PLA) lub nylonu, korzystając z usługi drukowania 3D. Za pomocą przycisku . Pliki STL dostarczane w materiałach uzupełniających podczas drukowania.
    UWAGA: Zmiany w kształcie i skali każdej części można wprowadzić na podstawie dostarczonych plików. Wewnętrzny profil efektora końcowe....

Access restricted. Please log in or start a trial to view this content.

Results

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

Zgodnie z protokołem, powstał system robotyczny z pięcioma specjalnie ukształtowanymi ogniwami (od L0 do L4) i pięcioma przegubami obrotowymi (odJ 1 do J5) do przesuwania, trzymania i lokalnego przechylania sondy amerykańskiej (Rysunek 8). Górny przegub obrotowy (J1), z mechanizmami zębatymi uruchamianymi przez cztery silniki, może obracać następujące struktury o 360 °, aby umożliwić sondzie US skierowanie się na r.......

Access restricted. Please log in or start a trial to view this content.

Discussion

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

W przeciwieństwie do wielu innych robotów przemysłowych, które zostały przełożone na zastosowania medyczne, proponowany manipulator robotyczny opisany w protokole został specjalnie zaprojektowany do badań w USA zgodnie z wymaganiami klinicznymi dotyczącymi zakresu ruchu, zastosowania siły i zarządzania bezpieczeństwem. Sam lekki manipulator robotyczny posiada szeroki zakres ruchów wystarczający do większości pozaustrojowych skanów amerykańskich, bez konieczności wykonywania dużych ruchów globalnego mechanizmu pozycjonowa.......

Access restricted. Please log in or start a trial to view this content.

Disclosures

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

Autorzy nie mają nic do ujawnienia.

Acknowledgements

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

Ta praca była wspierana przez Wellcome Trust IEH Award [102431] oraz przez Wellcome/EPSRC Centre for Medical Engineering [WT203148/Z/16/Z]. Autorzy potwierdzają wsparcie finansowe ze strony Departamentu Zdrowia za pośrednictwem kompleksowej nagrody Centrum Badań Biomedycznych Narodowego Instytutu Badań nad Zdrowiem (NIHR) dla Guy's & St Thomas' NHS Foundation Trust we współpracy z King's College London i King's College Hospital NHS Foundation Trust.

....

Access restricted. Please log in or start a trial to view this content.

Materials

List of materials used in this article
NameCompanyCatalog NumberComments
Drukowane w 3D łącze L0usługa drukowania 3D1 Jak pokazano na rysunku 1, z dostarczonym plikiem STL
Drukowany w 3D link L1drukowania 3D1Jak pokazano na rysunku 1, z dostarczonym plikiem STL
Drukowany w 3D link L2usługa drukowania 3D1 Jak pokazano na rysunku 1, z dostarczonym plikiem STL
łącze drukowane w 3D L3usługa drukowania 3D1Jak pokazano na rysunku 1, z dostarczonym plikiem STL
Drukowany w 3D link L4drukowania 3D1Jak pokazano na rysunku 1, z dostarczonym plikiem STL
Usługa drukowania 3Dz efektorem końcowymwydrukowanym1 Jak pokazano na rysunku 1, z dostarczonym plikiem STL
20-zębowa przekładnia zębata czołowaUsługa druku 3D120,5 modułu, szerokość czoła 5 mm, z rowkiem wpustowym montażowym, jak pokazano na rysunku 2, z dostarczonym plikiem STL
18-zębowa przekładnia stożkowaUsługa druku 3D2moduł 0,5, szerokość czołowa 5 mm, z rowkiem wpustowym montażowym, jak pokazano na rysunku 2, z dostarczonym plikiem STL
120-zębne koło zębate czołowe (typ A)Usługa druku 3D1Moduł 0,5, szerokość czoła 6 mm, z rowkiem wpustowym montażowym, obudową łożyska i otworem, jak pokazano na rysunku 2, z dostarczonym plikiem STL
120-zębowe koło zębate czołowe (typ B)Usługa druku 3D2Moduł 0,5, szerokość czoła 6 mm, z otworami zapadkowymi, obudową łożyska i otworem, jak pokazano na rysunku 2, z dostarczonym plikiem STL
120-zębowe koło zębate czołowe (typ C)Usługa drukowania 3D10,5 modułu, szerokość czoła 6 mm, z kluczem montażowym, obudową łożyska i otworem, jak pokazano na rysunku 2, z dostarczonym plikiem STL
20-zębowa długa przekładnia zębata czołowausługa druku 3D10,5 modułu, szerokość czoła 21,5 mm, z rowkami wpustowymi montażowymi, jak pokazano na rysunku 2, z dostarczonym plikiem STL
144-zębna przekładnia stożkowausługa druku 3D1moduł 0,5, Szerokość czołowa 7 mm, z rowkami wpustowymi montażowymi, jak pokazano na rysunku 2, z dostarczonym plikiem STL
Łożysko (37 mm Średnica zewnętrzna i 30 mm średnica wewnętrzna)Stacja łożyskowa Ltd., Wielka Brytania5Rozmiar łożyska i dostawca mogą być różne
Łożysko (12 mm OD i 6 mm ID)Stacja łożyskowa Ltd., Wielka Brytania2Rozmiar łożyska i dostawca mogą być różne
Łożysko (32 mm OD i 25 mm ID)Stacja łożyskowa Ltd., Wielka Brytania1Rozmiar łożyska i dostawca mogą być różne
Łożysko (8 mm OD i 5 mm ID )Stacja łożyskowa Ltd., Wielka Brytania2Rozmiar łożyska i dostawca mogą być różne
Wałek z tworzywa sztucznego/metalu (6 mm OD, 70 mm długości)TR Fastenings Ltd., UK1. Może to być śruba M6 i nakrętka
Wałek plastikowy/metalowy (5 mm OD, 70 mm długości)TR Fastenings Ltd., Wielka Brytania1. Może to być śruba M5 i nakrętka
Pary sprężyn kulowychWDS Ltd., Wielka Brytania4Liczba par sprężyn kulowych może się różnić, aby dostosować siłę wyzwalania sprzęgła
Osłony sprzęgłaUsługa druku 3D2104 mm OD, szerokość czoła 5 mm, otwór 6 mm, jak pokazano na rysunku 2, z dostarczonym plikiem STL
Drukowany w 3D kołnierz wałuUsługa drukowania 3D135 mm OD i 30 mm ID, szerokość czoła 8 mm, jak pokazano na rysunku 2, z dostarczonym plikiem STL
Drukowany w 3D kołnierz efektora końcowegousługa drukowania 3D1Jak pokazano na rysunku 2, z dostarczonym plikiem STL
Małe motoreduktory krokoweAOLONG TECHNOLOGY Ltd., Chiny14Numer katalogowy: GM15BYS; Przełożenie wewnętrzne 232:1 lub 150:1, wszystkie dopuszczalne
usługa usługa w 3D np np

References

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,
  1. Priester, A. M., Natarajan, S., Culjat, M. O. Robotic ultrasound systems in medicine. IEEE Transactions on Ultrasonics, Ferroelectrics, and Frequency Control. 60 (3), 507-523 (2013).
  2. Magnavita, N., Bevilacqua, L., Mirk, P., Fileni, A., Castellino, N.

Access restricted. Please log in or start a trial to view this content.

Reprints and Permissions

Request permission to reuse the text or figures of this JoVE article

Request Permission

Tags

Robotic ManipulatorUltrasound ProbeMechanical Clutch3D PrintingSpur GearsStepper MotorsBearing HousingLink AssemblyRange Of MotionClinical Translation

Related Articles