Projeto e fabricação de uma Unidade de elastômero para robôs modulares moles em Cirurgia Minimamente Invasiva

Abstract

Nos últimos anos, as tecnologias de robótica macios têm despertado crescente interesse na área médica devido a sua interação intrinsecamente segura em ambientes não estruturados. Ao mesmo tempo, novos procedimentos e técnicas têm sido desenvolvidas para reduzir a capacidade invasiva de operações cirúrgicas. Cirurgia minimamente invasiva (MIS) foi empregada com sucesso para intervenções abdominais, no entanto procedimentos padrão MIS baseiam-se principalmente em instrumentos rígidos ou semi-rígidos que limitam a habilidade do clínico. Este artigo apresenta um manipulador hábil suave e alta para MIS. O manipulador foi inspirado pelas capacidades biológicas do braço polvo, e é projetado com uma abordagem modular. Cada módulo apresenta as mesmas características funcionais, conseguindo alta habilidade e versatilidade quando mais módulos são integrados. Detalhes O papel do desenho, processo de fabrico e os materiais necessários para o desenvolvimento de uma única unidade, que é fabricada por casting silicone dentro de moldes específicos. O resultado consiste em um cilindro elastomérico incluindo três actuadores pneumáticos flexíveis que permitem o alongamento e flexão omnidireccional da unidade. Uma bainha entrelaçada externo melhora o movimento do módulo. No centro de cada módulo um mecanismo de bloqueio à base de granulado varia a rigidez da estrutura durante as tarefas. Os testes demonstram que o módulo é capaz de dobrar-se para 120 ° C e a alongar-se para 66% do comprimento inicial. O módulo gera uma força máxima de 47 N, e a sua rigidez pode aumentar até 36%.

Introduction

As tendências recentes no campo da medicina estão pressionando por uma redução da capacidade de invasão de operações cirúrgicas. Cirurgia minimamente invasiva (MIS) foi melhorado com sucesso nos últimos anos para operações abdominais. Procedimentos MIS baseiam-se na utilização de ferramentas introduzidas através de quatro ou de cinco pontos de acesso (Trocars) colocados na parede abdominal. A fim de reduzir o número de trocartes, os instrumentos podem ser inseridos por laparoscopia porta única (SPL) ou cirurgia endoscópica Translumenal orifício natural (NOTAS) ^1. Estes procedimentos evitar cicatrizes visíveis externos, mas aumentar a dificuldade para os clínicos na execução da cirurgia. Esta limitação deve-se principalmente aos pontos reduzidos de acesso e à natureza rígida e semi-rígidas dos instrumentos, que não são capazes de evitar ou passar em torno de órgãos ^{2, 3.} Destreza e motilidade pode ser melhorada usando articulada e hiper-redundantes robôs que podem cobrir uma área de trabalho mais amplo e complexo, thpermitindo-nos um alvo específico no corpo para ser alcançada mais facilmente ^{4, 5, 6} e para funcionar como sistemas de retracção quando necessárias ^7. Um manipulador flexível pode melhorar a adesão do tecido, tornando assim o contato mais seguro do que pelas ferramentas tradicionais.

No entanto, estes manipuladores muitas vezes a falta de estabilidade quando o alvo é atingido e, geralmente, eles não podem controlar o contacto com os tecidos circundantes ^{8, 9.} Estudos sobre estruturas biológicas, como o braço polvo ^{10 e} a tromba de elefante ^11, inspiraram recentemente o projeto de manipuladores flexíveis, deformáveis ​​e compatíveis com um número redundante de graus de liberdade (dofs) e rigidez controlável ^12. Estes tipos de dispositivos utilizam molas passivas, materiais inteligentes, elementos pneumáticos ou tendões, ^{13, 14, 15.} Geralmente, manipuladores fabricadas com materiais macios e flexíveis não garante a geração de forças elevadas.

Tele STIFF-FLOP (rigidez manipulador flexível e pode ser aprendida controlável para operações cirúrgicas) manipulador foi recentemente apresentado como um dispositivo cirúrgico romance para notas e SPL inspirados pelas capacidades do polvo. A fim de superar as limitações dos manipuladores moles anteriores, que tem um corpo mole, bem como elevada destreza, de alta força e rigidez controlável ^16.

A arquitectura do manipulador baseia-se numa abordagem modular: múltiplas unidades, com a mesma estrutura e funcionalidades, são integrados em conjunto. A única unidade é mostrado na Figura 1. Baseia-se um cilindro elastomérico obtido por uma fabricação multifásico. As etapas de montagem dos componentes de moldes e processos de fundição permitir três câmaras vazias (para atuação de fluidos) e um canal central oca ¹⁷ (para a habitação um mecanismo baseado em empastelamento granular ¹⁸⁾ a serem incorporados. As câmaras são colocadas em 120 °, de modo que oinflação combinado ir produz movimento omnidirecional e alongamento. Além disso, um invólucro externo trançado é colocado externamente para limitar a expansão radial para fora das câmaras de fluidos quando pressurizado, optimizando assim o efeito da câmara de accionamento no movimento módulo (alongamento e flexão).

O canal central aloja um dispositivo cilíndrico composto por uma membrana externa cheia com material granular. Quando uma pressão de vácuo é aplicada, que altera as suas propriedades elásticas que causa um endurecimento que afecta as propriedades de todo o módulo.

Desempenhos de movimento e de rigidez são controladas por uma configuração externa incluindo um compressor de ar e três válvulas de pressão para accionar as câmaras e uma bomba de vácuo para activar o vácuo no canal de endurecimento. Uma interface intuitiva permite o controle de acionamento e do vácuo pressões dentro do módulo.

Este artigo detalha o fabricatioprocesso n do módulo único deste manipulador e relatórios os resultados mais significativos sobre capacidades básicas de movimento. Considerando a natureza modular do dispositivo, a avaliação do desempenho de fabricação e de apenas um único módulo permite também os resultados para ser estendido e para prever o comportamento básico de um manipulador multi-módulo de integração de dois ou mais módulos.

Protocol

Nota: Este protocolo descreve as fases de fabricação de um único módulo, que inclui as câmaras de fluidos, canal de endurecimento, condutas de actuação e a bainha externa. O procedimento a seguir deve ser executado sob um exaustor e vestindo casaco e luvas de laboratório por razões de segurança. Como mencionado anteriormente, o processo de fabrico da unidade elastomérica baseia-se na utilização sequencial de moldes concebidos com software de CAD. Eles são compostos das 13 peças mostradas na Figura 2 e listados na Tabela 1.

1. Preparação do silicone

1. Pesar 12 g de componente A e 12 g de parte B do mesmo copo de plástico ou uma placa de Petri e misturá-los juntos, mexendo.
   Nota: as proporções de materiais podem variar dependendo de o silicone específico utilizado, neste caso, consiste em duas partes: Parte A (a base) e parte B (o catalisador). Eles são utilizados em proporções 1A: 1B em peso.
2. Coloque o vidro contendo a misturamateriais de silicone ed em uma máquina desgaseificador a vácuo pressão de 1 bar. Mantenha o vidro sob vácuo até que todas as bolhas são removidas do material de silicone. Para o silicone utilizado no processo de desgaseificação leva cerca de 10 minutos. Uma vez que os materiais são completamente livre da presença de bolhas, restaurar a pressão atmosférica dentro da máquina e utilizar o silicone.

2. Fabrico do Módulo silicónicos

1. Montagem do molde.
   1. Inserir o cilindro de endurecimento e a parte superior das câmaras em cap_A (Figura 3a).
   2. Fechar as conchas em torno da segunda camada de cap_A.
2. Primeiro fundição de silicone.
   1. Verter a de silicone no interior do molde se montado na borda das conchas (Figura 3B).
   2. Coloque o molde numa estufa a 60 ° C durante cerca de 30 min.
3. O rearranjo do molde.
   1. Retirar as conchas externas e cap_A (Figura 3c).
   2. Insira os cilindros das bases das câmaras e do cilindro de reforço dentro cap_B (Figura 3D).
   3. Feche os escudos de novo em torno do módulo, deslizando-as para cima de 10 mm, a fim de ter uma folga de 10 mm entre a superfície de topo do módulo e as bordas das conchas (Figura 3E).
4. Segundo fundição de silicone.
   1. Verter a de silicone no interior do molde até rearranjada para a borda das conchas sobre o lado superior (isto é, também para cima para o cilindro de endurecimento) (Figura 3F).
   2. Coloque o molde num forno a 60 ° C durante cerca de 30 min.
   3. Remover os invólucros externos, cap_B e as câmaras (à excepção do cilindro de endurecimento) (Figura 3G).

3. A inserção dos tubos

1. Cortar 3 tubos com o mesmo comprimento desejado (300 mm, por exemplo).
2. Colocar cola Siliconic em torno de uma extremidade de cada tubo de 10 mm, sem obtrução de tubos.
3. Insira os tubos dentro dos 2 mm canais na unidade Siliconic (Figura 3h) dedicados.
4. Permitir um tempo de cura de 12 min à temperatura ambiente ou colocar o módulo no interior de um forno a uma temperatura mais elevada (50 ° - 60 °) para acelerar o processo de secagem.

4. Fabricação do Crimped Trançado bainha

1. Cortar 700 mm de uma bainha entrelaçada expansível (cerca de 15 vezes a altura do módulo).
2. Inserir um cilindro metálico de 30 mm de diâmetro e 250 mm de comprimento no interior da bainha.
3. Empurrar para baixo e forçar a bainha de deslizar ao longo do cilindro, a fim de criar ondulações.
4. Mecanicamente fixar a bainha no lugar com um grampo e ao calor com uma pistola de aquecimento a 350 ° C durante 2-3 minutos até uma deformação permanente é obtido.
5. Deixe a bainha esfriar e retire o cilindro interno.

5. Integração da bainha externa

1. Passe otubos através dos orifícios de cap_C.
2. Pour 3 g de silicone em cap_C.
3. Grampo cap_C a um apoio que é mais elevada do que o plano de trabalho.
4. Insira o lado inferior do módulo previamente fabricado em cap_C.
5. Deslize a bainha frisado em torno do módulo.
6. Empurre as primeiras ondulações da bainha dentro cap_C e mergulhá-los para o silicone recentemente derramado (Figura 3i).
7. Coloque o molde num forno a 60 ° C durante cerca de 20 min.
8. Repetir o mesmo procedimento a partir do ponto de 5,1-5,6 para fixar a bainha no lado superior, utilizando cap_D (Figura 3j).
9. Remover cap_C e cap_D.
10. Remover o cilindro central (figura 3K).

6. Fabricação de o Granular Jamming Membrane

1. Pour 5 g de látex líquido num copo de plástico.
2. Mergulha-se o cilindro para a membrana (última peça mostrada na Figura 2) no interior do látex líquido até que a superfícieé completamente coberto.
3. Deixe secar sob um capuz para 20 min.
4. Repita os pontos 6.2 e 6.3.
5. Remover a membrana a partir do molde.

7. Inserção do Granular Jamming Membrane

1. Corte um tubo (2 mm de diâmetro) para o comprimento desejado (300 mm no exemplo).
2. Corte um pedaço quadrado de cerca de 100 mm ² de tecido de nylon e fechar uma extremidade do tubo com este tecido, utilizando uma película de plástico ou de parafina supercola.
3. Pesar 4 g de pó de café e encher a membrana.
4. Inserir o tubo (a extremidade com o filtro) no interior da membrana cheia e corrigi-lo em torno do tubo por meio de uma película de plástico de parafina.
5. Aplicar um vácuo do outro lado do tubo (a membrana torna-se mais duro).
6. Inserir a membrana no interior do canal central vazia do módulo Siliconic (Figura 3l).
7. Cole as extremidades da membrana de endurecimento para o módulo de silicone.
8. Feche os anéis ao redor do topolado do módulo (figura 3m).
9. Pour 2 g de silicone para os anéis, a fim de nivelar a superfície.
10. Deixe que a seco de silicone sob a capa ou numa estufa a 60 °.
11. Remover os anéis.
12. Repita a partir de pontos de 7,8 a 7,11 para o lado inferior (Figura 3 N).

Representative Results

As várias fases do fabrico, descrito no protocolo, são ilustradas na Figura 3.

A fim de avaliar a eficácia da técnica e os resultados do protótipo final, o módulo foi testado em diferentes condições de trabalho. Uma configuração externa permite o controle de ambos o accionamento e a rigidez do módulo. Ele inclui um compressor de ar que activa três válvulas. Eles estão ligados aos tubos silicónicos integradas nas câmaras e permitir a sua pressurização. Uma bomba de vácuo está ligada ao tubo integrado na membrana empastelamento granular para o módulo de controlo de rigidez. Válvulas e bomba de vácuo são conectados a uma placa eletrônica que está ligado com uma interface de usuário intuitiva que permite definir os valores da pressão de comando eo nível de vácuo.

Para analisar a dobra (Figura 3) e alongamento (Figura 5) o desempenho, omódulo foi fixado na base e as câmaras foram accionados com pressões de ar específicos. Cada posição do módulo foi adquirida por sensores ópticos e magnéticos. Para a avaliação da força (Figura 6) e rigidez (Figura 7), uma célula de carga movido por um braço robô permitiu medir as capacidades do módulo em diferentes direcções.

Testes de flexão (Figura 4) avaliar a capacidade omnidireccional activo do módulo. Em caso de dobragem 1-câmara, uma única câmara ter sido accionado o aumento da pressão no interior, enquanto que para o 2-câmara de dobra, duas câmaras foram simultaneamente pressurizada com a mesma pressão. O ângulo de flexão, que é o ângulo entre a linha de base e a linha de ponta do módulo (ver inserções na Figura 4), ​​foi calculada para cada posição do módulo, o que corresponde aos valores de pressão. O módulo é capaz de dobrar-se para 120 ° no caso das 1-bendi câmarang, e até 80 ° C durante 2-câmara de flexão. Em ambos os casos, uma dobragem significativa começa quando as câmaras são inflados em cerca de 0,3 bar (todos os valores de pressão são relatados relacionada com a pressão atmosférica). A trama na Figura 4 põe em evidência que a inclinação da curva aumenta em correspondência com esse valor. Este representa o ponto em que a expansão lateral inicial do silicone é dificultado pela bainha externa, e a curvatura do módulo é facilitada. A partir da pressão de 0,55 bar, a curva é aproximadamente constante, porque a bainha atinge a sua capacidade máxima de alongamento, as câmaras pressurizadas estenderam completamente a bainha disponível e, assim, a expansão longitudinal do silicone é limitada a um valor constante, que corresponde à flexão máximo ângulo.

Quando todas as três câmaras são accionados simultaneamente com a mesma pressão, o módulo alonga, como mostrado na Figura 5. A partir deo comprimento de 50 mm, o módulo atinge 83,3 mm, o que corresponde a um alongamento de cerca de 66%. Mais uma vez, a bainha externa começa a mostrar o seu efeito em cerca de 0,3 bar, onde existe um aumento súbito da capacidade de alongamento. Sem planalto está presente em altas pressões, porque durante o alongamento da bainha não alcançá-lo o máximo alongamento.

O módulo é capaz de gerar forças de 24,1 N, quando uma câmara é accionado, até 47,1 N, quando três câmaras são inflados (Figura 6).

A activação de 1 bar de pressão de vácuo (absoluta) no canal de endurecimento mostra um aumento na rigidez do módulo (Figura 7) de 36% em condições de repouso, 19,6%, 12,4% e 17,2% a 90 ° de flexão em Y, X e instruções z respectivamente.

O protocolo apresentado cria uma unidade única e suave, com várias modificações fáceis, o mesmo procedimento permite que os módulos sejam fabricadas de modo acriar um manipulador multi-módulo. Uma solução possível para o manipulador é integrar dois ou mais módulos, onde o accionamento pneumático é fornecido nos módulos por condutas. Os tubos de atuação actuar directamente sobre o primeiro módulo e outras tubulações podem passar através das câmaras deste módulo para pressurizar as câmaras do próximo módulo, como demonstrado em trabalhos preliminares sobre a integração do módulo ^{20, 21.} Neste caso, as peças do molde são a mesmo excepto para as câmaras que têm dois cilindros, um na parte superior e outra na parte inferior, para inserir e passando tubos.

Figura 1. Conceito do manipulador e de CAD do módulo. O manipulador baseia-se numa aproximação multi-módulo. A única unidade é constituída por um cilindro macio incorporação de três actuadores fluídicos, um alojamento de canal central, o empastelamento granular, três piPES para fornecer a pressão e uma bainha externa entrançada para melhorar módulo de movimento.

Figura 2. componentes do molde para o processo de fabrico. 13 peças são em geral usadas para montar os moldes em que o silicone é derramado e para fabricar membrana de látex personalizado.

Figura 3. CAD das fases de fabricação. A inserção das câmaras e o cilindro de endurecimento em cap_A (a), primeiro vazamento de silicone (b), a remoção das cascas e das cap_C (c), introdução de cap_B (d), a reposição das conchas (e), segundo vazamento de silicone (f), a remoção de conchas, cap_B e câmaras (g), a inserçãodos tubos (h), inserção de cap_C e bainha para a sua fixação no lado inferior (I), inserção de cap_D e bainha para a sua fixação no lado superior (J), a remoção de cap_D e endurecimento do cilindro (k), a inserção da membrana granular interferência (L), o fechamento dos semi-anéis em torno do módulo (M), módulo final (n).

Figura 4. Bending teste. Comportamento do módulo quando uma câmara é accionada (linha azul) e quando duas câmaras são acionados (linha rosa). Ângulo de flexão é indicado no módulo nas inserções. A gama de pressão utilizado para accionar o módulo vai de 0 bar a 0,65 bar, com passos de 0,05. Para cada posição de módulo, o ângulo de dobra foi calculada. Este número foi citado ^a partir de ^[19].

Figura 5. Ensaio de alongamento. Comportamento do módulo durante o alongamento. Todos os três câmaras são accionados simultaneamente com a mesma pressão. A faixa de pressão vai de 0 a 0,65 bar bar. Para cada posição de alongamento foi calculada. Este número foi citado a partir de [19].

Figura 6. Força de teste. A avaliação do vigor em condições isométricas ao longo x direção. Uma célula de carga foi posicionada no topo do módulo e a força foi calculada em três casos diferentes relativamente ao número de câmaras accionados. Este número foi citado ^a partir de ^[19].

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Figura 7. teste de rigidez. Avaliação da variação da rigidez em quatro configurações diferentes, quando a mesma é accionada câmara. Diferentes deslocamentos foram impostas na ponta do módulo usando um robô de 6 DoF. A rigidez foi calculada na base de estado do módulo de (a) e a 90 ° de flexão ao longo de Y, X e Z (b, c, d). Esta figura foi modificado ^a partir de ^[19].

Componente de molde	Número	Descrição
Cartuchos	2	Estes havEA forma semi-cilíndrica, são de 40 mm de altura, com um raio interno de 12,5 mm e um raio externo de 14,5 mm. Quando fechada, formam um cilindro, que representa a forma da unidade de Siliconic. As conchas são fabricados em polyoxymethylene.
Chambers	3	Estas câmaras representam a negativa das câmaras de atuação. Eles têm uma forma completa semicilíndrica com os cantos arredondados, têm 30 mm de altura, com um raio de 4 mm. Para facilitar a introdução das condutas de actuação, na base de cada câmara há um cilindro com um diâmetro de 1,5 mm e um comprimento de 13 mm. As câmaras são fabricados com uma máquina impressora 3D.
Cilindro de endurecimento (o mecanismo de bloqueio para granular	1	Este é o negativo do canal de endurecimento. Ele é de 56 mm,de altura e 8 mm de diâmetro. Ele é fabricado em alumínio, a fim de facilitar a sua remoção a partir do centro do cilindro Siliconic.
capa	1	Esta é uma peça de suporte utilizado para fixar e alinhar as peças listadas acima. É um disco de medição de 10 mm de altura, com um diâmetro de 29 mm para o primeiro 7 mm de altura e 25 mm para os outros 3 mm, onde as conchas exteriores perto. As formas de topo das câmaras foram concebidos dentro da segunda camada, colocada a 120 °, com uma profundidade de 3 mm, a fim de inserir os melhores câmaras. No centro da tampa, um buraco de 8 mm de diâmetro abriga o cilindro do canal de endurecimento.
cap_B	1	Esta peça de suporte é semelhante ao cap_A, apenas difere pela segunda camada que tem três furos para a introduçãodas garrafas projectadas na base das câmaras.
cap_C e cap_D	1 cada	Estes suportes permitem que a bainha para ser fixa ao módulo. Eles têm um diâmetro interno de 35 mm e um furo central de 8 mm de diâmetro para a inserção do cilindro de endurecimento. Cap_C difere cap_D porque tem 3 furos de 2 mm de diâmetro para permitir que os tubos a serem inseridos.
Semi-anéis	2	Eles têm um diâmetro interno de 30 mm e uma altura de 10 mm. Elas são feitas de alumínio. Eles são usados ​​na última fase da fabricação para fechar o módulo definitivamente.
Cilindro de membrana	1	É usado para a fabricação de uma membrana de costume para the mecanismo de encravamento granular. Ele é de 50 mm de altura e 15 mm de diâmetro, e tem extremidades arredondadas para obter uma forma conveniente para a membrana a ser introduzido no módulo. Na base, uma fina peça cilíndrica fixa o molde sobre um suporte durante a fabricação da membrana.

Tabela 1. Componentes molde.

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