Artigo de método

Concepção e implementação de um manipulador robótico sob medida para ultra-som extra corpórea

DOI:

10.3791/58811

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7 de janeiro de 2019

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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

Neste artigo

Resumo

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Este documento apresenta a concepção e implementação de um manipulador robótico sob medida para exame ultra-sonográfico extra corpórea. O sistema possui cinco graus de liberdade com articulações leves feitas por impressão 3D e uma embraiagem mecânica para gestão da segurança.

Resumo

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Com o potencial de alta precisão, destreza e repetibilidade, um sistema robótico Self controlado pode ser empregado para auxiliar a aquisição de ultra-som em tempo real. No entanto, números limitados de robôs projetados para ultra-som extra corpórea foram traduzidos com êxito para uso clínico. Neste estudo, pretendemos construir um manipulador robótico sob medido para o exame de ultra-som extra corpórea, que é leve e tem uma pegada pequena. O robô é formado por cinco links de forma especial e sob medidos conjuntos mecanismos para manipulação de sonda, para cobrir o alcance necessário de movimento com redundantes de graus de liberdade para garantir a segurança do paciente. A segurança mecânica é enfatizada com um mecanismo de embreagem, para limitar a força aplicada aos pacientes. Como resultado do projeto, o peso total do manipulator é inferior a 2 kg e o comprimento do manipulator é cerca de 25 cm. O projeto foi implementado e simulação, foram efectuados estudos de fantasmas e voluntários, para validar a amplitude de movimento, a capacidade de fazer ajustes finos, confiabilidade mecânica e a operação segura da embreagem. Este documento detalha a concepção e implementação do manipulator ultrassom robótico sob medida, com os métodos de concepção e montagem ilustrados. Resultados de testes para demonstrar os recursos de design e experiência clínica do uso do sistema são apresentados. Conclui-se que o atual manipulador robótico proposto atende aos requisitos como um sistema sob medido para exame ultra-sonográfico extra corpórea e tem um grande potencial para ser traduzido para uso clínico.

Introdução

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Um sistema de ultrassom robótico extra corpórea (EUA) refere-se à configuração no qual um sistema robótico é utilizado para segurar e manipular uma sonda dos EUA para exames externos, incluindo seu uso em imagiologia abdominal cardíaca, vascular, obstétrica e geral1 . O uso de tal sistema robótico é motivado por desafios de manualmente, segurar e manipular uma sonda dos EUA, por exemplo, o desafio de encontrar vistas dos EUA padrão exigidas pelos protocolos clínicos de imagem e o risco de lesão de esforço repetitivo2, 3,4, e também pelas necessidades de nos programas de rastreio, por exemplo, a exigência de experimentou os sonografistas para estar no local5,6. Com ênfases diferentes funcionalidades e anatomias de alvo, vários sistemas robóticos de E.U., como comentado em anteriores trabalhos1,7,8, foram introduzidos desde a década de 1990, para melhorar aspectos diferentes dos E.U. exame (por exemplo, Teleoperação longa distância9,10,11,12, bem como interação robô-operador e controle automático)13, 14. além dos sistemas de E.U. robóticos usados para fins de diagnóstico, robótica alta intensidade focada sistemas de ultra-som (HIFU) para fins de tratamento têm sido amplamente investigados como sumariado por Priester et al 1, com alguns recentes trabalhos15,16 relatando os progressos mais recentes.

Embora vários sistemas robóticos de E.U. foram desenvolvidos com tecnologias relativamente confiáveis para controle e operação clínica, apenas alguns deles foram traduzidos com êxito para uso clínico, tais como um sistema de tele-ultra-som disponíveis comercialmente 17. uma das possível razões é o baixo nível de aceitação para robôs industriais-olhando de grande porte trabalhando em um ambiente clínico, do ponto de vista de ambos os pacientes e os sonografistas. Além disso, para a gestão de segurança, a maioria dos robôs existentes EUA depende de sensores de força para monitorar e controlar a pressão aplicada à sonda dos EUA, enquanto mecanismos de segurança mecânica mais fundamentais para limitar a força passiva geralmente não estão disponíveis . Isso também pode causar preocupações quando traduzindo para uso clínico, como a segurança da operação do robô seria puramente dependente de sistemas elétricos e lógica do software.

Com os avanços recentes da 3D impressão técnicas, especialmente em forma de ligações de plástico com mecanismos comuns sob medidos poderia fornecer uma nova oportunidade para desenvolver robôs médicos sob medidas. Componentes leves cuidadosamente concebidos com uma aparência compacta poderiam melhorar a aceitação clínica. Especificamente para o exame de US, um robô médico sob medido destinado a ser traduzido para uso clínico deve ser compacto, com graus de liberdade (DOFs) e amplitude de movimento para cobrir a região de interesse de varredura; por exemplo, a superfície abdominal, incluindo tanto a parte superior e os lados da barriga. Além disso, o robô deve incorporar também a capacidade de realizar ajustes finos da sonda dos EUA em uma área local, ao tentar otimizar a visão dos EUA. Isso geralmente inclui movimentos de inclinação da sonda em um determinado intervalo, como sugerido por Essomba et al 18 e olgamendes19. Para ainda mais as preocupações de segurança, espera-se que o sistema deve ter características de segurança passiva mecânicos independentes dos sistemas elétricos e lógica do software.

Neste trabalho, apresentamos o método detalhado de concepção e montagem de um 5-DOF dextro robótica de manipulação, que é usado como o componente chave de um sistema robótico extra corpóreo do EUA. O manipulador é composto por vários links de 3D-printable leves, feito por mecanismos de articulação e uma embraiagem de segurança interna. O arranjo específico dos DOFs oferece total flexibilidade para ajustes de sonda, permitindo operações fáceis e seguras em uma pequena área sem colidir com o paciente. O manipulador de multi-DOF proposto visa funciona como o componente principal que está em contato com pacientes e isso pode ser simplesmente anexado a qualquer mecanismo de posicionamento global 3-DOF convencionais para formar um robô de E.U. completo com DOFs totalmente ativos para realizar uma verificação dos EUA.

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Protocolo

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1. preparação de cada Link, extremidade-effector e componentes adicionais

  1. Imprimir todos os links (L0, L1, L2, L3e L4) e a extremidade-effector, conforme mostrado na Figura 1, com acrilonitrila butadieno estireno (ABS) plástico, plástico de (PLA) ácido polilático ou nylon, usando uma impressão 3D serviço. Uso o. Arquivos STL fornecidos nos Materiais complementares ao imprimir.
    Nota: As alterações em forma e escala de cada parte podem ser feitas com base nos arquivos fornecidos. O perfil interior do extremidade-effector pode ser mudado para caber diferentes sondas dos EUA.
  2. Imprima todos os componentes adicionais necessários, conforme mostrado na Figura 2 em nylon, usando um serviço de impressão 3D. Consulte a Tabela de materiais para o número necessário de cada componente. Uso o. Arquivos STL fornecidos nos Materiais complementares ao imprimir.
  3. Polir todas as peças plásticas impressas com ferramentas de polimento, se necessário. Remova quaisquer materiais de apoio à esquerda da impressão 3D, se necessário.
    Nota: Algumas estruturas no projeto fornecido extremidade-effector são para um sensor de força, que não é uma parte do protocolo relatado aqui e não serão utilizadas para a montagem. O conceito de design do sensor de força tem sido relatado em anterior trabalho20; assim, não está coberto neste artigo.

2. montagem de conjuntos 1

Nota: A montagem do conjunto 1 (J.1) baseia-se na Figura 3.

  1. Coloque os quatro motores de passo de pequenos, engrenado (com 20-dentes engrenagens de dente reto anexadas) em cavidades montagem de L0 e montá-los com parafusos.
  2. Coloque os rolamentos de OD dois 37 milímetros para as caixas de rolamento de L0 e fixe a engrenagem de dente reto de 120-dentes (tipo A) sobre a chave do hexágono de L1.
  3. Insira a haste no L1 no orifício do eixo L0 com as quatro engrenagens de dente reto condução pequenas e o grande, conduzido a engrenagem de dente reto, noiva e montar a gola de eixo para garantir e manter o eixo.

3. montagem de 2 conjuntos

Nota: A montagem de 2 conjuntos (J2) baseia-se na Figura 4.

  1. Coloque os quatro motores de passo de pequenos, engrenado (com 20-dentes engrenagens de dente reto anexadas) em cavidades de L1 montagem e montá-los com parafusos.
  2. Anexe as duas engrenagens de dente reto 120-dentes (tipo B) para os dois 37 milímetros OD rolamentos e posição-los em cavidades engrenagem de L1, com a engrenagem de dente reto de 120-dentes (tipo B) envolvidas com as engrenagens de dente reto 20-dentes montagem em motores. Desaperte e re-aperte o motor se necessário para permitir o fácil posicionamento da engrenagem de dente reto do tipo-B dois 120-dentes.
  3. Alinhe a L1 e L2 e introduza o rolamento e os pares de bola-Primavera nos orifícios da embreagem em L2. Com as duas capas de embreagem redonda alinhando e empurrando a mola dentro do mecanismo da embreagem para pré-carregamento, insira um parafuso M6 orifícios de L1 e L2.
  4. Rode o conjunto para o outro lado e repita os passos de 3.3 para este lado. Fixe o conjunto, anexando uma porca para o parafuso M6.

4. montagem de conjuntos 3

Nota: A montagem de conjuntos 3 (J3) baseia-se na Figura 5.

  1. Coloque os dois motores de passo pequeno, engrenado (com 20-dentes engrenagens de dente reto anexadas) em cavidades de L2 montagem e montá-los com parafusos.
  2. Coloque o OD de 37 mm de rolamento para a carcaça de engrenagem de dente reto a 120-dentes (tipo C) e o OD de 32 mm do rolamento para a carcaça do L3.
  3. Segura a grande engrenagem de dente reto a fechadura do hexágono de L3 (parafusos adicionais podem ser usados se necessário) e insira o eixo na L2 furos na grande engrenagem de dente reto e L3, com os pequenos e as grandes engrenagens de dente reto noivos.

5. montagem do mecanismo de condução de 4 conjuntos

Nota: A montagem de 4 comum (J4) baseia-se na Figura 6.

  1. Coloque os dois motores de passo pequeno, engrenado em cavidades do L3 montagem e montá-los com parafusos. Coloque os rolamentos de OD de 8 mm para as caixas de rolamento de L4.
  2. Monte a engrenagem de dente reto longo 20-dentes para os dois motores de passo pequeno.

6. montagem do mecanismo conduzido de conjuntos 4 e 5 conjunta

Nota: A montagem de 4 comum (J4) baseia-se na Figura 6 e 5 conjunta (J5) baseia-se na Figura 7.

  1. Posicione a engrenagem cónica 144 dentes conduzido para a extrusão de L4.
  2. Coloque os dois motores de passo pequeno, engrenado (com 18-dentes engrenagens anexadas de bisel) em cavidades de L4 montagem e montá-los com parafusos. Finalmente, insira a haste da M5 no orifício do eixo do L3 e L4 depois que os dois links estão alinhados. Garantir o construído em estruturas de engrenagem conduzida em L4 partidas com a engrenagem de dente reto longo 20 dentes.
  3. Introduza o extremidade-effector do rasgo de chaveta da grande engrenagem cónica e verticalmente, posicione o extremidade-effector com o colar da extremidade-effector é aparafusado.

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Resultados

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Seguindo o protocolo, o sistema resultante é um manipulador robótico com cinco links de forma especial (L0 a L4) e cinco articulações revolute (J1 J5) para mover, segurando e inclinação localmente uma sonda dos EUA (Figura 8). A articulação de alta rotação (J-1), com mecanismos de engrenagem atuados por quatro motores, pode girar as seguintes estruturas de 360 °, para permitir que a sonda dos EUA apontar ...

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Discussão

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Ao contrário de muitos outros robôs industriais que foram traduzidos em aplicações médicas, o manipulador robótico proposto descrito no protocolo foi projetado especificamente para exames de Estados Unidos de acordo com requisitos clínicos para a amplitude de movimento, aplicação de força e de gestão de segurança. O manipulador robótico leve em si tem uma ampla gama de movimentos suficientes para a maioria dos extra corpórea dos EUA digitalização, sem a necessidade de grandes movimentos do mecanismo de posicionamento glo...

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Divulgações

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Os autores não têm nada para divulgar.

Agradecimentos

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Este trabalho foi apoiado pelo Wellcome Trust IEH prêmio [102431] e pelo centro Wellcome/EPSRC para engenharia médica [WT203148/Z/Z/16]. Os autores reconhecem apoio financeiro por parte do Ministério da saúde através do Instituto Nacional de pesquisa de saúde (NIHR) abrangente centro de investigação biomédica adjudicação de Guy & St Thomas' NHS Foundation Trust em parceria com o rei do College London e do King College Hospital NHS Foundation Trust.

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Materiais

Lista de materiais utilizados neste artigo
NomeEmpresaNúmero de catálogoComentários
Link impresso em 3D L0Serviço deimpressão 3D1Conforme mostrado na Figura 1, com o arquivo STL fornecido
Link impresso em 3D L13D Serviço de impressão 1Conforme mostrado na Figura 1, com o arquivo STL fornecido
Link impresso em 3D L23D Serviço de impressão1Conforme mostrado na Figura 1, com o arquivo STL fornecido
Link impresso em 3D L33DConforme mostrado na Figura 1, com o arquivo STL fornecido
Link impresso em 3D L43DServiçoConforme mostrado na Figura 1, com o arquivo STL fornecido
Serviço de impressão 3Ddo efetor final impresso em 3D1 Conforme mostrado na Figura 1, com o arquivo STL fornecido
serviço de impressão 3Dde engrenagem reta de 20 dentes12módulo de 0,5, largura de face de 5 mm, com rasgo de chaveta de montagem, conforme mostrado na Figura 2, com o arquivo STL fornecido
serviço de impressão 3Dde engrenagem cônica de 18 dentes2módulo de 0,5, largura de face de 5 mm, com rasgo de chaveta de montagem, conforme mostrado na Figura 2, com o arquivo STL fornecido
Engrenagem reta de 120 dentes (Tipo A)Serviço de impressão 3D1Módulo de 0,5, largura de face de 6 mm, com chaveta de montagem, caixa de rolamentos e furo, conforme mostrado na Figura 2, com o arquivo STL fornecido
Engrenagem reta de 120 dentes (Tipo B)Serviço de impressão 3D2Módulo de 0,5, largura de face de 6 mm, com furos de retenção, caixa de rolamento e furo, conforme mostrado na Figura 2, com o arquivo STL fornecido
Engrenagem reta de 120 dentes (Tipo C)Serviço de impressão 3D1Módulo de 0,5, largura de face de 6 mm, com chaveta de montagem, caixa de rolamentos e furo, conforme mostrado na Figura 2, com o arquivo STL fornecido
Serviço de impressão 3Dde engrenagem reta de 20 dentes de comprimento 1Módulo de 0,5, largura de face de 21,5 mm, com rasgos de chaveta de montagem, conforme mostrado na Figura 2, com o arquivo STL fornecido
Serviço de impressão 3Dde engrenagem cônica de 144 dentes1módulo de 0,5, Largura da face de 7 mm, com rasgos de chaveta de montagem, conforme mostrado na Figura 2, com o arquivo STL fornecido
Rolamento (37 mm OD e 30 mm DI)Bearing Station Ltd., UK5O tamanho e o fornecedor do rolamento podem ser variados
Rolamento (12 mm OD e 6 mm DI)Bearing Station Ltd., UK2O tamanho e o fornecedor do rolamento podem ser variados
Rolamento (32 mm OD e 25 mm DI)Bearing Station Ltd., Reino Unido1O tamanho e o fornecedor do rolamento podem ser variados
Rolamento (8 mm de diâmetro externo e 5 mm de diâmetro interno)Bearing Station Ltd., Reino Unido2O tamanho e o fornecedor do rolamento podem ser variados
Eixo de plástico/metal (6 mm de diâmetro externo, 70 mm de comprimento)TR Fastenings Ltd., Reino Unido1por exemplo, Pode ser um parafuso M6 e uma porca
Eixo de plástico/metal (5 mm de diâmetro externo, 70 mm de comprimento)TR Fastenings Ltd., UK1p. ex. Pode ser um parafuso M5 e uma porca
Pares de molas esféricasWDS Ltd., UK4O número de pares de molas esféricas pode variar para ajustar a força de acionamento da embreagem Tampas da
embreagemServiço de impressão 3D2104 mm O.D, largura da face de 5 mm, furo de 6 mm, conforme mostrado na Figura 2, com o arquivo STL fornecido
Serviço de impressão 3Dde colar de eixo impresso em 3D135 mm OD e 30 mm ID, largura de face de 8 mm, conforme mostrado na Figura 2, com o arquivo STL fornecido
impressão 3Dde colar efetor impresso em 3D1Conforme mostrado na Figura 2, com o arquivo STL fornecido
Motores de passo com engrenagens pequenasAOLONG TECHNOLOGY Ltd., China14Número da peça: GM15BYS; Relação de transmissão interna 232:1 ou 150:1, todos aceitáveis
Serviço de impressão 1 de impressão 1 Serviço de

Referências

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