低侵襲手術でのソフトモジュラーロボットのエラストマーユニットの設計と製作

Abstract

近年では、ソフトロボット技術が原因で構造化されていない環境では、その本質的に安全な相互作用のために医療分野への関心を高めること喚起しています。同時に、新しい手順および技術は、外科手術の侵襲性を低減するために開発されてきました。低侵襲手術（MIS）が正常腹部の介入のために使用されている、しかし、標準的なMIS手順は、主に臨床医の器用さを制限する剛性または半剛性のツールに基づいています。本稿では、MISのための柔らかく、高い器用なマニピュレータを提供します。マニピュレータは、タコの腕の生物学的機能に触発された、およびモジュール方式で設計されています。各モジュールは、複数のモジュールが統合されているときにこのように高い器用さと汎用性を実現し、同じ機能特性を提供します。論文は、キャスティによって作製された単一ユニットの開発のために必要な設計、製造プロセスや材料の内訳を特定の型の内部グラムシリコーン。結果は、伸びとユニットの無指向性の屈曲を可能にする3つの柔軟性空気圧アクチュエータを含むエラストマー気筒で構成されています。外部編組シースは、モジュールの動作を改善します。各モジュールの中央には粒状のジャムベースのメ​​カニズムは、タスク中の構造の剛性を変化させます。テストモジュール120°まで曲げ、初期長さの66％まで伸長することが可能であることを示しています。モジュールは、47 Nの最大の力を発生し、その剛性は36％まで増加させることができます。

Introduction

医療分野における最近の傾向は、外科手術の侵襲性の低減を推進しています。低侵襲手術（MIS）が正常に腹部の操作のために、ここ数年で改善されました。 MIS手順は腹壁上に配置された四、五アクセスポイント（トロカール）を介して導入されたツールの使用に基づいています。トロカールの数を減らすために、器具は、シングルポート腹腔鏡（SPL）または自然開口腔的内視鏡手術^（NOTES）1を挿入することができます。これらの手順は、外部見える傷を防ぐが、手術を実行する際に臨床医のための難しさを増加させます。この制限は、アクセスの減少したポイントにし、回避または臓器^2、3の周囲を通過することができない楽器の剛性及び半剛性の性質のために主にある。敏捷および運動性は関節型とハイパー冗長使用して改善することができますより広い、より複雑な作業領域をカバーすることができるロボット、目私たちは、体内の特定のターゲットをより簡単に^4、5、6に到達することにし^、7必要な後退システムとして動作することが可能となります。柔軟マニピュレータは、このように、従来のツールでより安全に接触すること、組織のコンプライアンスを向上させることができます。

しかし、これらのマニピュレータは、多くの場合、目標が達成される安定性を欠いており、一般的に、彼らは周囲の組織^{8との接触}を制御することはできません^9。研究は、このようなタコのアーム¹⁰と象のトランク¹¹のような生物学的構造、上、最近のデザインにインスピレーションを与えてきましたフリーダム（自由度）の程度の冗長数、および制御可能な剛性¹²と、柔軟に変形可能と準拠のマニピュレータ。デバイスのこれらの種類は、受動的なバネ、 ​​スマート材料、空気圧要素、または腱^{13、14、15を使用しています。}一般的に、ソフトで柔軟性のある材料で製作マニピュレータは、大きな力が発生するのを保証するものではありません。

T彼STIFFプ（手術用剛性制御柔軟で学習可能なマニピュレータ）はマニピュレータは最近、タコの機能に触発NOTESとSPLのための新規な外科用デバイスとして提示されています。以前のソフトマニピュレータの限界を克服するためには、高い器用さ、高い力制御剛性¹⁶と同様にソフトボディを有しています。

マニピュレータのアーキテクチャはモジュール方式に基づいています。同じ構造と機能を持つ複数のユニットは、一体化されています。単一のユニットは、 図1に示されている。これは、マルチ加工によって得られるエラストマー性シリンダーに基づいています。金型部品の組立工程や鋳造プロセスは、3つの空室（流体作動のため）と埋め込 ​​まれる（粒状のジャムベース^機構 18 ^{を収容する}ための）1の中空中央チャネル^{17を有効にします} 。チャンバはそのように、120°に配置されていますIR組み合わせたインフレ率は、無指向性運動と伸びを生成します。また、外部編組シースは、このように（曲げ及び伸び）モジュールモーションで室の作動の効果を最適化し、加圧されたときに、流体室の外側に半径方向拡張を制限するために、外部に配置されます。

中央チャネルは、粒状材料を充填した外膜からなる円筒デバイスを収容します。真空圧が印加されると、それは、モジュール全体の特性に影響を与える硬化を引き起こし、その弾性特性が変化します。

運動及び剛性性能を補強チャネル内の真空を活性化するためのチャンバと、1つの真空ポンプを作動させるための空気圧縮機と3つの圧力弁を含む、外部の設定によって制御されます。直感的なユーザーインターフェイスは、モジュール内の作動および真空圧力の制御を可能にします。

本稿ではfabricatioの詳細このマニピュレータとレポートの基本的な運動能力の最も重要な結果の一つのモジュールのn個のプロセス。デバイスのモジュールの性質を考えると、ただ1つのモジュールの製造および性能の評価はまた、結果を拡張すると、二つ以上のモジュールを統合したマルチモジュールマニピュレータの基本的な挙動を予測することができます。

Protocol

注：このプロトコルは、チャネル、作動パイプラインと外部シースを補強、流体室を含む単一モジュールの製造段階を説明しています。次の手順は、ドラフトおよび安全上の理由から白衣、手袋を着用して下で実行されなければなりません。前述したように、エラストマーユニットの製造工程は、CADソフトウェアで設計金型の連続使用に基づいています。これらは、 図2に示し、表1に列挙される 13個で構成されています。

シリコーンの調製

1. 同じプラスチックガラスやシャーレに部分Aを12gとパートBを12gを秤量し、それらを一緒に混合、撹拌。
   注：パートA（塩基）及びパートB（触媒）：素材の割合は、使用される特定のシリコーンに応じて変化することができ、この場合には、2つの部分からなります。重量1B：これらは、比例1Aに使用されています。
2. ミックスを含有するガラスを置きます1バールの真空圧力で脱ガス装置にシリコーン材料を編すべてのバブルは、シリコーン材料から除去されるまで真空下でガラスを保管​​してください。採用シリコーンについて脱ガス処理は、約10分かかります。材料は気泡の存在から完全に自由になったら、マシンに大気圧を回復したシリコーンを使用しています。

Siliconicモジュールの2製作

1. 金型の組立体。
   1. cap_Aに補剛筒と室の上部を挿入します（ 図3a）。
   2. cap_Aの第二の層の周りにシェルを閉じます。
2. まずシリコーンキャスティング。
   1. シェル（ 図3b）の端に組み立てられた金型までの内部のシリコーンを注ぎます。
   2. 約30分間60℃のオーブンで金型を置きます。
3. 金型の転位。
   1. 外部シェルを削除し、cap_A（ 図3C）。
   2. 室の拠点とcap_B（ 図3d）の内部補強シリンダーからシリンダーを挿入します。
   3. モジュールの上面とシェル（ 図3E）のエッジ間10mmのギャップを持つために上方10mmのそれらを滑り、モジュールの周りに再び殻を閉じます。
4. 第二に、シリコーンキャスティング。
   1. 上側のシェルの端に再配置の金型までの内側にシリコンを注ぐ（すなわちまた、補強シリンダーまで）（ 図3F）。
   2. 約30分間60℃のオーブンに型を入れてください。
   3. 外部シェルを削除し、cap_Bと（補強筒を除く）室（ 図3G）。

チューブの挿入3.

1. 同じ所望の長さ（例えば300ミリメートル）に3つの管をカットします。
2. OBのない、10ミリメートルのために各管の一方の端部の周りにsiliconic接着剤を入れてチューブをstructing。
3. siliconicユニット（ 図3H）で2ミリメートル専用チャネルの内側にチューブを挿入します。
4. 室温で12分の硬化時間を許可するか、より高い温度でオーブン内部のモジュールを置く - 乾燥プロセスをスピードアップするために（50°〜60°）。

圧着編組シースの4作製

1. 拡張可能な編組シース（モジュールの約15倍の高さ）の700ミリメートルをカット。
2. 直径30mmとシース内部の長さは250ミリメートルの金属製の円筒を挿入します。
3. 押し下げと捲縮を作成するために、筒の上にスライドさせてシースを強制します。
4. 永久変形が得られるまで、機械的に2〜3分間、350℃で加熱ガンでクランプし、熱のある場所でシースを固定します。
5. シースはクールダウンし、内筒を削除してみましょう。

外部シースの5統合

1. 合格しますcap_Cのスルーホールチューブ。
2. cap_Cにシリコンの3グラムを注ぎます。
3. 作業面よりも高いサポートにcap_Cを固定します。
4. 以前cap_Cに加工モジュールの底面側を挿入します。
5. モジュールの周りにクリンプシースをスライドさせます。
6. cap_C内側シースの最初のひだを押して、新鮮に注ぎ、シリコーン（ 図3I）にそれらを浸し。
7. 約20分間60℃のオーブンに型を入れてください。
8. cap_D（ 図3J）を使用して 、上側にシースを固定するためのポイント5.1から5.6と同じ手順を繰り返します。
9. cap_Cとcap_Dを削除します。
10. 中央のシリンダ（ 図3K）を取り外します。

粒状ジャミング膜の作製6

1. プラスチックグラスに液体ラテックスの5グラムを注ぎます。
2. 表面まで液体ラテックス内側の膜（ 図2に示されている最後のピース）のためにシリンダーを浸し完全に覆われています。
3. 20分間のボンネットの下にそれが乾燥してみましょう。
4. ポイント6.2と6.3を繰り返します。
5. 金型からの膜を除去します。

粒状ジャミング膜の7.挿入

1. 所望の長さ（例えば300ミリメートル）にチューブ（直径2 mm）をカットします。
2. 約100mm ²のナイロン組織の二乗の部分をカットし、プラスチックパラフィンフィルムや瞬間接着剤を使用して、この組織をチューブの一端を閉じます。
3. コー​​ヒー粉末の4グラムを計量し、膜を埋めます。
4. 満たされた膜の内側チューブ（フィルタが付いている）を挿入し、プラスチックパラフィンフィルムを使用してチューブの周囲にそれを修正。
5. （膜がより堅くなり）チューブの反対側に真空を適用します。
6. siliconicモジュール（ 図3リットル ）の空の中央チャネルの内側の膜を挿入します。
7. シリコーンモジュールに硬化膜の端部を接着。
8. トップの周りのリングを閉じますモジュール（ 図3メートル ）の側面。
9. 表面を平らにするためにリングにシリコンの2グラムを注ぎます。
10. フードの下、60℃でオーブンでシリコーンドライをしてみましょう。
11. リングを取り外します。
12. ポイント底辺のための7.11から7.8（ 図3N）から繰り返します。

Representative Results

プロトコールに記載製造の様々な段階は、 図3に示されています。

手法の有効性および最終プロトタイプの成果を評価するために、モジュールは、異なる作業条件下で試験しました。外部セットアップは、モジュールの作動と剛性の両方を制御することができます。これは3つのバルブを作動させるエアコンプレッサとを含みます。彼らは、チャンバー内に統合siliconicチューブに接続し、その加圧を可能にしています。真空ポンプは、モジュールの剛性制御のための粒状ジャミング膜に統合管に接続されています。バルブ及び真空ポンプを作動圧と真空度の値を設定することができ、直感的なユーザーインターフェースで連結されている電子基板に接続されています。

曲げ（ 図3）と伸び（ 図5）、パフォーマンス、分析するために、モジュールは、ベースに固定し、チャンバーは、特定の空気の圧力で作動させました。モジュールの各位置は、光学および磁気センサによって買収されました。力の評価（ 図6）および剛性（ 図7）の場合、ロードセルは異なる方向に、モジュールの能力を測定することができ、ロボットアームによって移動されます。

曲げ試験（ 図4）は 、モジュールの積極的な無指向性能力を評価します。 1室曲げの場合には、唯一つのチャンバは、2室のための2つのチャンバが同時に同じ圧力で加圧されており、屈曲しながら、内部の圧力を増加させる作動されました。ベースラインモジュールの先端の線との間の角度で曲げ角度は、（ 図4の挿入図を参照）を、圧力値に対応し、モジュールの各位置に対して計算されました。モジュールは、1室bendiの場合は120°まで曲げることができるですNG、2室は湾曲させるため80℃まで。両方の場合において、有意な曲げは、チャンバは、約0.3バールによって膨張されたときに（すべての報告された圧力値は、大気圧に関連する）を開始します。曲線の傾きがこの値に対応して増加することが図4のハイライトのプロット。これは、シリコンの初期の横方向の膨張は外部シースによって妨害される点を表し、そしてモジュールの屈曲が容易になります。シースは、その最大伸長能力に到達するために0.55バールの圧力で、曲線はほぼ一定であり、加圧されたチャンバは、完全に使用可能なシースを伸ばしているので、シリコンの長手方向の膨張は、曲げ最大値に対応する一定の値に制限され角度。

すべての3つのチャンバが同時に同じ圧力で作動されると 、図5に示すように、モジュールは、伸長する。から始まっ50mmの長さが、モジュールは、約66％の伸びに相当する83.3ミリメートルに達します。ここでも、外部シースが伸び能力の急激な増加があるの周りに0.3バーでその効果を示し始めます。伸長時にシースが最大伸び、それに到達しないためプラトーが高い圧力で存在しません。

モジュールは、1つのチャンバは、3つのチャンバが（ 図6）を膨張さ47.1 N、まで、作動すると、24.1 Nからの力を生成することができます。

補強チャネルで1バールの真空圧（絶対）の活性化はY、Xに曲げ90°の残りの条件で36％、19.6％、12.4％および17.2％の（ 図7）モジュールの剛性の増加を示し、それぞれz方向。

提示されたプロトコルは、単一のソフトユニットを作成し、様々な簡単な修正を加えて、同様の操作をするために製造することがモジュールを可能にしますマルチモジュールマニピュレータを作成します。マニピュレータのための可能な解決策は、空気圧作動がパイプラインによって、モジュールに供給されている二つ以上のモジュールを統合することです。作動管は直接最初のモジュールを作動させ、他の配管は、モジュールの統合^20、21の予備的な作品で実証されたように、次のモジュールのチャンバを加圧するために、このモジュールのチャンバーを通過することができる。この場合、金型の部分がありますチューブを挿入し、渡すために、2つのシリンダ、上部に1と下部に1つずつ持っている室を除いて同じ。

モジュールのマニピュレータとCADの図1の概念は。マニピュレータは、マルチモジュールのアプローチに基づいています。単一ユニットは、3つの流体アクチュエータ、一つの中央チャネルハウジング粒状ジャミングを埋め込むソフト気筒、3πで構成されていますPESは、モジュールの動作を改善するための圧力と外部編組シースを供給する。

製造プロセスのために、図2の金型部品13個、全体的なシリコーンが注がれているに金型を組み立てるために、カスタムラテックス膜を製造するために使用されます。

図3の製造段階のCAD。チャンバーの挿入およびcap_Aに補強筒（a）に示すように、第一のシリコーンキャスティング（B）、シェルとcap_C（c）は 、cap_Bの導入（d）に示すように、シェルの再配置の除去（e）は 、第二のシリコーンキャスティング（f）は 、殻の除去、及びcap_B室（G）、挿入チューブ（H）、下側（I）への固定用のcap_Cとシースの挿入、上部側（J）への固定用のcap_Dとシースの挿入、cap_Dの除去および補強筒（k）は 、挿入粒状妨害膜（L）が、モジュール（M）、最後のモジュール（N）の周りに半リングの閉鎖。

図4.曲げ試験。モジュール1室を作動させる（青線）と2つのチャンバが作動している（ピンクの線）の挙動。曲げ角度は、インセット内のモジュールに表示されます。モジュールを作動させるために使用される圧力の範囲は、0.05のステップで0.65バールに0バーから行きます。モジュールの各位置について、曲げ角度を算出しました。この図は^、[19]から引用されています^。

図5.伸び試験。伸長時のモジュールの動作。すべての3つのチャンバは、同時に同じ圧力で作動されます。圧力範囲は0バーから0.65バーに行きます。各位置について伸びを計算しました。この図は、[19]から引用されています。

x方向に沿って等尺性条件下での力の図6.フォーステスト。評価。ロードセルは、モジュールの上部に配置された力は、作動チャンバの数に対する三つの異なる例で計算しました。この図は^、[19]から引用されています^。

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図7.剛性テスト。四つの異なる構成で剛性の変化の評価と同じ室を作動させました。異なる変位は6自由度のロボットを使用して、モジュールの先端に課されました。剛性は、モジュール（A）の基本条件で計算され、90°Y、x及びz方向 （B、C、D）に沿って曲げました。この図は^、[19]から変更されています^。

金型部品	数	説明
シェル	2	これらは、HAVEA半円筒形状は、12.5ミリメートルと14.5ミリメートルの外半径の内部半径と高さが40ミリメートルです。閉じたとき、それらはsiliconic部の形状を表している円筒を形成します。シェルがポリオキシメチレンで製造されます。
チェンバース	3	これらのチャンバは、作動室の負を表します。彼らは、丸い縁を有する半円筒フル形状を有する4ミリメートルの半径と高さが30ミリメートルです。駆動パイプラインの導入を容易にするために、各チャンバの底部に1.5mmの直径13 mmの長さの円柱があります。チャンバは、3Dプリンタ機を用いて製造されています。
粒状のジャミング機構にシリンダーを（補剛	1	これは、補強チャネルの負です。これは、56ミリメートルであります高さと直径8mm。これはsiliconic円筒の中心からのその除去を容易にするためにアルミニウムで製造されます。
cap_A	1	これは、上記の作品を修正し、整列させるために使用される支持片です。これは、第1の高さの7ミリメートル、およびその他の3ミリメートル場所の外部シェル近いため25ミリメートルのための29ミリメートルの直径を有する、高さ10mmのディスクです。チャンバの上部形状は、上部チャンバを挿入するために3mmの深さで、120°で配置され、第二の層の内部に設計されています。キャップの中央には、直径8mmの穴を補強チャネルのシリンダーを収容します。
cap_B	1	この支持片は、単に導入するための3つの穴を有する第2の層毎に異なる、cap_Aに似ていますチャンバーのベースで設計シリンダの。
cap_Cとcap_D	各1	これらの支持体は、シースがモジュールに固定することを可能にします。それらを35mmと補強筒を挿入するための直径8mmの中心孔の内径を有しています。それが挿入されるパイプを可能にするために、直径2mmの3つの穴を有するのでCap_Cがcap_Dは異なります。
半リング	2	これらは、30mmの内径と10mmの高さを有します。彼らは、アルミニウムで作られています。これらは決定的モジュールを閉じるために、製造の最終段階で使用されています。
膜用シリンダー	1	それは番目のカスタム膜の製造に使用され電子粒状妨害メカニズム。これは、高さ50mm、直径15mmで、膜をモジュールに導入するための便利な形状を得るために四肢を丸めました。基部には、1つの薄い円筒部は、膜製造中に支持体上に金型を修正します。

表1型用部品。

Materials

Name	Company	Catalog Number	Comments
Ecoflex 00-50 Trial Kit	SmoothOn		Used for the fabrication of the soft unit, combining equal amounts of liquid parts A (the base) and B (the catalyst)
Latex	Antichità Belsito		Used for the fabrication of the granular jamming membrane
Peroxide-Cured Silicone Tubing	Cole Parmer	T-06411-59	Used for actuating the chambers and applying vacuum
PET expandable braided sleeving	RS	408-249	Used for the fabrication of the external braided sheath
Silicone Rubber	Momentive	127374	Used to fix the actuation tubes to the module
Parafilm	Cole Parmer	EW-06720-40	Used to fix the latex membrane to the vacuum tube
Fume hood Secuflow	Groupe Waldner		Working space
Precision scale	KERN EW		Used to weight silicone, latex and coffee powder
Oven/degasser	Heraeus		Used to degass the silicone and reduce its cure time
Vacuum pump	DVP Vacuum Technology		Used to apply vacuum to the latex membrane