Artigo de método

Fabricação baseada em vara de customizáveis ​​macias robóticos pneumáticas Gripper Aparelhos para a manipulação de tecidos delicados

DOI:

10.3791/54175

⸱

2 de agosto de 2016

 , 
1Department of Biomedical Engineering, Advanced Robotics Centre, Singapore Institute for Neurotechnology, National University of Singapore

Neste artigo

Resumo

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Este protocolo descreve uma abordagem baseada em haste, combinando técnicas de impressão 3D e litografia suave para fabricar os dispositivos de garra macia. Essa abordagem elimina a necessidade de uma fonte de ar externa incorporando um componente de câmara e reduz a chance de oclusão durante o processo de vedação, principalmente para canais pneumáticos miniaturizados.

Resumo

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A preensão suave é essencial na manipulação cirúrgica delicada para minimizar o risco de danos à preensão tecidual causados por altas concentrações de tensão no ponto de contato. Isso pode ser alcançado complementando as pinças rígidas tradicionais com dispositivos de garra pneumática robótica macia. Este manuscrito descreve uma abordagem baseada em haste que combinou impressão 3D e uma técnica de litografia macia modificada para fabricar a pinça pneumática macia. Em resumo, o molde pneumático sem características com componente de câmara é impresso em 3D e as hastes foram usadas para criar os canais pneumáticos que se conectam à câmara. Este protocolo elimina o risco de oclusão de canais durante o processo de vedação e a necessidade de fonte de ar externa ou circuito de controle relacionado. A pinça macia consiste em uma câmara cheia de ar e um ou mais braços de garra com um canal pneumático em cada braço conectado à câmara. O canal pneumático é posicionado próximo à parede externa para criar diferentes rigidezes no braço da pinça. Após a compressão da câmara que gera pressão no canal pneumático, o braço da pinça se dobrará para dentro para formar uma postura de preensão fechada porque a área da parede externa é mais compatível. A pinça macia pode ser inserida em uma ferramenta de manuseio impressa em 3D com dois modos de controle diferentes para compressão da câmara: modo de garra manual com um pistão móvel e modo de garra robótica com um atuador linear. A pinça de braço duplo com dois braços acionáveis foi capaz de pegar objetos de tamanhos de até 2 mm e ainda gerar forças de compressão mais baixas em comparação com as pinças rígidas revestidas com elastômero e não revestidas. A viabilidade de ter outros designs, como garra de braço único ou gancho, também foi demonstrada, o que destacou ainda mais a personalização do dispositivo de garra macia e seu potencial para ser usado em manipulação cirúrgica delicada para reduzir o risco de danos à aderência do tecido.

Introdução

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Robôs moles têm suscitado grande interesse de pesquisa dentro da comunidade robótica e eles têm sido usados ​​em diferentes tarefas funcionais, tais como locomoção ondulatória em ambientes não estruturados 1 e agarrando 2. Eles são principalmente compostas de materiais elastoméricos macios e controlada por diferentes técnicas de accionamento, através da utilização de diferentes materiais, tais como polímero electroactivo (PAA), a forma de liga com memória (SMA), ou fluido comprimido 3. função PAA com base numa tensão diferencial que induz forças electrostáticas para produzir estirpes activas e, assim, gera accionamento. O efeito de memória de forma peculiar da LMF é implantado para gerar a actuação desejada com base na geração de força durante a transformações de fases após a mudança na temperatura. Por último, a técnica de atuação fluido comprimido facilita uma estratégia de design simples para induzir a diferença rigidez nos atuadores moles, de tal forma que as regiões mais complacentes irá inflarmediante pressurização. robôs macias são concebidos para ampliar as aplicações de robôs rígidos tradicionais, especialmente em aplicações em que os objectos delicados estão envolvidos. Particularmente, neste artigo, apresentamos nossa abordagem única no desenvolvimento de garras robóticas flexíveis para manipulação cirúrgica delicada.

De aperto cirúrgica é um aspecto importante envolvido em muitos procedimentos cirúrgicos, tais como hepático, ginecológica, urológica, e nervo cirurgias de reparação de 4, 5. Ele é tipicamente realizada por rígidas, as ferramentas de aperto de tecido de aço, tais como os fórceps e pinças laparoscópicas para o propósito de facilitar observação, a excisão, procedimentos de anastomose, etc. no entanto, extrema cautela é necessária como as ferramentas de aperto convencionais são feitos de metal que podem causar áreas de concentração alta tensão nos tecidos moles, nos pontos de contato 6. Dependendo da gravidade dos danos de tecidos, várias complicações, tais como a dor, cicatriz de tecido patológica formação, e até mesmo incapacidade permanente, pode resultar. Um estudo anterior relatou que a taxa de complicações na cirurgia do nervo periférico foi de 3% 7. Portanto, o conceito de aperto suave que pode ter uma aderência segura compatível pode ser um candidato promissor para a manipulação cirúrgica delicada.

Aqui, apresentamos uma combinação de técnicas de litografia suave modificados, que adoptaram uma abordagem baseada na vara, para fabricar garras pneumáticas robóticos suaves personalizável 3D-impressão e. Técnica de fabricação tradicional de robôs moles com base na atuação fluido comprimido requer um molde com canais pneumáticos impressos nele e em um processo de vedação para selar os canais 8. No entanto, não é viável para os robôs miniaturizados macios que necessitam de pequenos canais de pneumáticos em que a oclusão dos canais pode facilmente acontecer no processo de selagem. A técnica tradicional requer a vedação dos canais pneumicos para ser feito ligando uma camada de selagem revestidos a ele. Assim, o Layer de material elastomérico, que inicialmente serve como uma camada de ligação seja derramado sobre os pequenos canais e os canais ocluir. Também não é possível posicionar os canais pneumicos no meio da estrutura e ligar a um componente de câmara usando técnicas convencionais. A abordagem proposta permite a criação de canais pneumicos miniaturizados ligado a uma câmara de hastes utilizando cheias de ar, e não necessita de vedação dos canais minúsculos. Além disso, a câmara ligada aos canais pneumicos servir como uma fonte de ar, que não requer fontes de ar externo para a actuação de fluido comprimido. Ele permite que tanto o manual e modos de controlo robótico através da facilitação da câmara de compressão para accionar o componente de aperto, proporcionando assim aos utilizadores a possibilidade de controlar a quantidade de força que estão a aplicar através da pinça. Esta abordagem é altamente personalizada e pode ser utilizada para fabricar vários tipos de desenhos de garra macios, tais como pinças com único ou multiple braços accion�eis.

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Protocolo

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Nota: Todas as pinças pneumáticas macios foram fabricados por vazamento misturas elastoméricas à base de silicone em moldes impresso-3D personalizados, que se seguiu um processo de fabricação que compreende três etapas: moldagem de componentes pinça de braço com canais pneumáticos incorporadas, moldando componente câmara ligadas aos canais pneumáticos , e selando o componente câmara cheia de ar.

1. Preparação de Elastómeros

  1. Coloque um recipiente para o misturador em uma escala de pesagem e rasgou-lo. Pour partes A e B do elastómero à base de silicone no recipiente com uma proporção de 1: 1 em peso.
  2. Cobrir o recipiente e medir o peso total.
  3. Colocar o recipiente e o material num misturador centrífugo. Ajustar o equilíbrio de peso sobre o misturador para o peso medido no passo 1.2.
  4. Definir a mistura e aeração de-modos a 2.000 rpm e 2.200 rpm, respectivamente, para 30 seg. Misturar os componentes elastoméricos cuidadosamente para conseguir a cura uniforme.
le "> 2. Mold Design e Produção

Nota: A geometria do molde irá variar dependendo das exigências específicas para diferentes aplicações. Os seguintes passos ilustram passos-chave gerais no software CAD que são necessários para criar o componente de câmara e garra do molde.

  1. Projetar os moldes e mofo vedação usando software assistida por computador (CAD). Veja a Figura 1 para as dimensões da geometria e específicas dos moldes utilizados neste manuscrito.
    1. Estrutura da caixa limite do exterior
      1. Clique com o botão direito do mouse no plano superior e clique em "Normal para" botão para normalizar ao plano superior.
      2. Clique em "Sketch" no canto superior esquerdo para abrir uma janela "Sketch". Em seguida, clique no botão "Sketch" no canto superior esquerdo da barra de ferramentas para desenhar uma base retangular do componente de câmara.
      3. Clique no recurso "Smart Dimension", que está localizado ao lado do botão "Esboço", para definir skdimensões etch. Certifique-se de que o esboço está totalmente definido (ou seja, todas as linhas de desenho tornam-se preto) e sair do esboço quando terminar.
      4. Clique na janela "Recursos". Em seguida, clique na opção "ressalto extrudado / Base" para expulsar contornos selecionados no Y-direção.
      5. Clique na superfície superior do modelo para pré-selecionar o plano de rascunho. Esboçar um retângulo e definir as dimensões conforme descrito em 2.1.1.2 e 2.1.1.3.
      6. Clique na janela "Recursos". Em seguida, clique na opção "Corte extrudado" para expulsar cortar uma cavidade para a fundição de elastômeros (Figura 2A). Certifique-se que a espessura da parede é de 2,5 mm.
    2. Projeto da câmara interna
      1. Clique com o botão direito do mouse sobre a superfície na direção Y da área de abertura. Em seguida, clique em "Normal para" normalizar a essa superfície.
      2. Em seguida, clique na janela "Esboço" para desenhar um retângulo para o componente câmara conforme descrito nas etapas 2.1.1.2 e2.1.1.3.
      3. Clique na janela "Recursos". Em seguida, clique na opção "ressalto extrudado / Base" para expulsar o componente de câmara na direção Y (Figura 2B).
        Nota: A profundidade do corte no passo 2.1.1.6 é 2,5 mm maior do que esta base de extrusão.
    3. Projeto do componente pinça
      1. Clique na superfície do modelo no X-direção negativa para pré-seleccionar o plano de rascunho para o componente pinça. Crie um retângulo na janela "Esboço", como descrito nas etapas 2.1.1.2 e 2.1.1.3.
      2. Clique na janela "Recursos". Em seguida, clique na opção "ressalto extrudado / Base" para expulsar o contorno selecionado no X-direção negativa.
      3. Clique na superfície superior do componente pinça para pré-seleccionar o plano de rascunho. Criar uma forma de pinça na "esboço" janela (Figura 2C) e sair do esboço, quando as dimensões está totalmente definidos como descrito nos passos 2.1.1.2 umd 2.1.1.3.
      4. Clique na janela "Recursos". Em seguida, clique em "corte extrudado" para cortar uma cavidade para a fundição de elastômeros no componente de pinça. Certifique-se que a espessura da parede é de 2,5 mm.
    4. Execução de ligação entre a câmara e pinça
      1. Criar um rectângulo na janela "esboço" na superfície superior da peça de câmara tal como descrito em 2.1.1.2 e 2.1.1.3.
      2. Clique na janela "Recursos". Em seguida, clique em "corte extrudado" para criar uma conexão entre os componentes da câmara e pinças (Figura 2D).
    5. Desenho dos canais pneumicos
      1. Criar círculos 1,5 mm de diâmetro sobre a superfície da peça de câmara na direcção X positivo tal como descrito nos passos 2.1.1.2 e 2.1.1.3.
      2. Clique na janela "Recursos". Em seguida, clique em "corte extrudado" para criar canais de fio-máquina de inserção (Figura 2E). Garantir a holes não são cortados através do componente pinça.
  2. Em um arquivo CAD separada, desenhe um molde de selagem com uma cavidade de comprimento e largura que estão 1 mm maiores do que as dimensões exteriores do componente câmara da pinça. Nota: A espessura da parede é de 2,5 mm.
    1. Clique na janela "esboço" para criar um retângulo no plano superior como passos descritos 2.1.1.2 e 2.1.1.3.
    2. Clique na janela "Recursos". Em seguida, clique na opção "ressalto extrudado / Base" para expulsar contornos selecionados no Y-direção.
    3. Clique na face superior do modelo para pré-selecionar o plano de rascunho. Esboçar um retângulo e definir as dimensões conforme descrito nas etapas 2.1.1.2 e 2.1.1.3).
    4. Clique na janela "Recursos". Em seguida, clique na opção "Corte extrudado" para expulsar cortar uma cavidade para a fundição de elastômeros. Certifique-se que a espessura da parede é de 2,5 mm.
  3. Salve cada peça de molde como um arquivo STL para a impressão 3D.
  4. Carregar o arquivo STL na impressora 3D com resolução de 30 mm e imprimir as peças do molde 9.
  5. Remova qualquer material de apoio sobre as peças do molde e lavar as peças do molde com água.

3. Macio Single / Double-accion�eis Grippers Arm pneumáticas

  1. Moldagem componentes pinça de braço com canais pneumáticos embutidos
    1. Inserir dois blocos câmara de impresso-3D do lado esquerdo e do lado direito do componente de câmara (Figura 3A), de modo a gerar uma câmara selada com canais pneumáticos ligados ao mesmo.
    2. Inserir duas hastes mm de diâmetro 1,5 arame de titânio através da câmara, mantendo uma distância de 2 mm da pontas de pinça para criar os canais pneumicos (Figura 3A). Nota: Use um fio-máquina para a pinça-actuado de braço único.
    3. Verter a mistura elastomérica para dentro do molde para preencher completamente o componente de preensão.
    4. Verifique se não há bolhas de ar visíveis presente.
    5. Place o molde no forno para curar a 60 ° C durante 10 min. Uma vez elastómero é curado, remover o molde do forno.
  2. componente câmara de moldagem ligado aos canais pneumicos
    1. Puxe os fios-máquina e os dois blocos de câmara fora do molde.
    2. Coloque uma pinça-bloco-impresso 3D no topo do componente de preensão, a fim de criar a câmara (Figura 3B). Inserir as barras de arame para bloquear os furos na parede do molde.
    3. Verter a mistura elastomérica para dentro do molde para preencher a parte restante do componente câmara e assegurar que não há bolhas de ar aprisionadas visíveis no molde.
    4. Curar a parte a uma temperatura de 60 ° C durante 10 min. Retirar o molde do forno, uma vez elastómero é curado.
    5. Retire a pinça-bloco e desmoldar a pinça totalmente curada com estrutura de câmara.
  3. A selagem do componente de câmara cheia de ar
    1. Despeje a mistura elastomérica no molde vedação ecurá-la a 60 ° C durante 10 min.
    2. Escova de uma camada de material elastomérico sobre as curados com 2,5 mm de camada de vedação. Coloque a pinça curada com estrutura de câmara no topo da camada de vedação revestido e ligar as duas peças em conjunto (Figura 3C).
    3. Subsequentemente, toda a estrutura curar completamente a 60 ° C durante 15 min.
    4. Desmoldar o dispositivo de pinça robótico macia totalmente curado.

4. Inserção de macio Robotic pneumático Gripper dispositivo em ferramenta de manuseio

  1. Projetar as ferramentas de manipulação, conforme descrito no arquivo Suplementar 1 utilizando software CAD e guardá-lo em um arquivo STL. Veja as figuras 4 e 5 para as dimensões das ferramentas.
  2. Carregar o arquivo STL na impressora 3D e imprimir as peças do molde 9.
    Nota: Todos os passos de impressão para ferramenta manual de manipulação de controle, cap rectangular e pistão móvel (Figura 4) pode ser concluído dentro de 3 h 48 min. o prtempo inting para fabricar o controlo robótico ferramenta e tampa rectangular de manuseamento (Figura 5) é de 1 h 56 min. Ver imagem Suplementar 2 para instruções de operação da impressora 3D.
  3. Descolar qualquer material de apoio sobre as ferramentas depois que a impressão seja concluída. Em seguida, lavar as ferramentas com água.
  4. Inserir o dispositivo de preensão para o controlo manual do instrumento de manuseamento (Figura 4A) e cobrir a área de abertura com um tampão móvel rectangular (Figura 4B).
  5. Inserir um pistão móvel (Figura 4C) para facilitar a câmara de compressão.
  6. Inserir a pinça e do atuador linear para a robótica ferramenta de manipulação de controlo (Figura 5A). Nota: O atuador linear substitui o pistão móvel no modo de controle manual para câmara de compressão.
  7. Cobrir a área de abertura com um tampão móvel rectangular (Figura 5B).

5. As avaliações e aderência Teste compressão

  1. Avaliea funcionalidade do dispositivo de preensão macio através da realização de testes de agarrar com um fio de ligação.
    1. Coloque um fio de ponte sobre a mesa.
    2. Ajustar o dispositivo de preensão de modo a que o fio está entre os dois braços de pinça.
    3. Mover o pistão móvel para comprimir a câmara, a fim de accionar as pinças para segurar o fio.
      Nota: Somente a ferramenta manipulação de controlo manual é usado na demonstração emocionante.
    4. Segurar e mover o fio para uma caixa localizada a 20 cm de distância do local original do fio.
  2. Coloque uma resistência de detecção de força calibrada entre as duas maxilas da pinça. Assegurar a aderência maxilas de garra na área de detecção. Nota: O diâmetro da área de leitura é de 14,7 mm.
  3. Comprime-se a câmara para accionar os bras de pin para agarrar sobre a resistência de detecção de força.
  4. Medir as forças máxima aderência à compressão que os-actuado de braço único e duplo actuado-braço pinças pneumáticas suaves poderia gerar como descrito no 10.
    Nota: Os valores de leitura será apresentada em um laptop. As forças máximas aperto compressão são medidos no ponto de pressão máxima que os canais pneumáticos pode suportar.
  5. Cortar as mandíbulas de aperto elastoméricos individuais a partir de uma pinça pneumática de duplo actuado-braço macio.
  6. Inserir a pinça dicas para os canais pneumáticos das maxilas de aperto elastoméricos.
  7. Coloque uma resistência de detecção de força calibrada entre as duas maxilas da pinça.
  8. Medem-se as forças de compressão 10 gerados por fórceps e fórceps revestidos de elastómero durante uma cirurgia simulada nervo conduzida por um neurocirurgiăo.
    Nota: O neurocirurgiăo aplica uma força que é semelhante ao que normalmente se aplica durante a cirurgia real sobre a resistência de detecção de força.
  9. Calcular a média dos dados obtidos a partir de cinco ensaios em cada teste.

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Resultados

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Os dispositivos de pinça pneumática robóticos macios eram capazes de pegar objetos com dimensões de até 1,2 mm de diâmetro (Figura 6). A força de aperto máxima à compressão geradas pela actuao de braço único, e de actuação por duplo-braço dispositivos de preensão moles foram de 0,27 ± 0,07 N e 0,79 ± 0,14 N, respectivamente, em comparação com 1,71 ± 0,16 N e 2,61 ± 0,22 N forças compressivas em cirurgia simulada pelos fórceps revestidos de elastómero e por uma pinça não ...

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Discussão

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

Temos demonstrado com sucesso que os dispositivos de pinça pneumática robóticos suaves permitidos emocionante compatível de objetos, que exerceram forças de compressão muito mais baixos no objeto de agarrados do que os fórceps dicas e fórceps revestidos de elastómero exercida. Pinça é uma ferramenta essencial para a manipulação de nervos durante a reparação de nervos periféricos cirurgias 11, 12. No entanto, a sua estrutura metálica necessária extrema cautela no uso dos cirurgiões, a fim de evitar danos nos n...

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Divulgações

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Os autores não têm nada para revelar.

Agradecimentos

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

A pesquisa foi apoiada por R-397-000-204-133 (Universidade Nacional de Singapura Young Investigator Award).

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Materiais

Lista de materiais utilizados neste artigo
NomeEmpresaNúmero de catálogoComentários
BalançaSeverinKW3667(Etapa: Preparação de elastômeros)
Ecoflex Supersoft 0030 ElastômeroSmooth-OnEF0030(Etapa: Preparação de elastômeros)
Misturador centrífugo planetário e recipientesTHINKY USA Inc.ARE-310(Etapa: Preparação de elastômeros)
Solidworks CADDassault Systè mes Assinatura do Solidworks Research(Etapa: Pinças pneumáticas macias de braço simples / duplo acionáveis)
Impressora 3D ObjetStratasys260 Connex2(Etapa: Pinças pneumáticas macias de braço simples / duplo acionáveis)
Fio-máquina de titânioTitan EngineeringN / A(Etapa: Pinças pneumáticas macias de braço simples / duplo acionável)
Forno de convecção natural com temporizadorThermo Fisher ScientificBIN # ED53(Etapa: Pinças pneumáticas de braço macio de acionamento simples / duplo)
Atuador LinearFirgelli TechnologiesL12(Etapa: Inserção de dispositivo de garra pneumática robótica macia na ferramenta de manuseio)
Jumper WiresgboticCAB-01146(Etapa: Avaliações e teste de compressão de aderência)
Eletrônica de interligaçãodo resistor de detecção de forçaFSR402(Etapa: Avaliações e teste compressivo de aderência)

Referências

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,
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Reimpressões e permissões

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