Konstruktion och tillverkning av en elastomer Enheten för mjuka Modular Robotar i minimalinvasiv kirurgi

Abstract

Under de senaste åren, har mjuka robotteknik väckte ökat intresse inom det medicinska området på grund av deras egensäkra interaktion i ostrukturerade miljöer. Samtidigt har nya förfaranden och tekniker utvecklats för att reducera invasivitet av kirurgiska operationer. Minimalinvasiv kirurgi (MIS) har med framgång använts för buken insatser, är dock standard MIS förfaranden baseras huvudsakligen på styva eller halvstyva verktyg som begränsar fingerfärdighet klinikern. Denna uppsats presenterar en mjuk och hög skicklig manipulator för MIS. Roboten var inspirerad av de biologiska funktionerna i bläckfisk arm, och är utformad med en modulbaserad metod. Varje modul presenterar samma funktionella egenskaper, på så sätt åstadkomma hög fingerfärdighet och mångsidighet när flera moduler är integrerade. Papperet detaljer design, tillverkningsprocessen och material som krävs för utvecklingen av en enda enhet, som är tillverkat av Casting silikon inne specifika formar. Resultatet består i ett elastomercylinder inklusive tre flexibla pneumatiska ställdon som möjliggör töjning och rundstrålande böjning av enheten. En extern flätade manteln förbättrar rörelse av modulen. I mitten av varje modul en granulär störning baserad mekanism varierar styvheten i konstruktionen under uppgifterna. Tester visar att modulen kan böja upp till 120 ° och att förlänga upp till 66% av den ursprungliga längden. Modulen alstrar en maximal kraft på 47 N och dess styvhet kan öka upp till 36%.

Introduction

De senaste trenderna inom det medicinska området är att puffa för en minskning av invasions av kirurgiska ingrepp. Minimalinvasiv kirurgi (MIS) har framgångsrikt förbättrats under de senaste åren för bukoperationer. MIS förfaranden är baserade på användning av verktyg som införs genom fyra eller fem åtkomstpunkter (Trokarer) placerade på bukväggen. För att minska antalet troakarer, kan de instrument införas genom en port Laparoskopi (SPL) eller kroppsöppning translumenal endoskopisk kirurgi (OBS) ^1. Dessa procedurer förhindra yttre synliga ärr, men ökar svårigheten för kliniker i genomförandet av operationen. Denna begränsning beror främst på de lägre åtkomstpunkter och den styva och halvstyva typ av instrument, som inte kan undvika eller passera runt organ ^2, kan ^3. Smidighet och rörlighet förbättras med hjälp av ledade och hyper-redundant robotar som kan täcka ett bredare och mer komplexa arbetsyta, thoss gör det möjligt för ett specifikt mål i kroppen som ska uppnås lättare ^{4, 5, 6} och att arbeta som infällningssystem vid behov ^7. En flexibel manipulator kan förbättra vävnad efterlevnad, vilket gör kontakt säkrare än med traditionella verktyg.

Men dessa manipulatorer ofta sakna stabilitet när målet har uppnåtts och i allmänhet de inte kan kontrollera kontakten med de omgivande vävnaderna ^{8, 9.} Studier på biologiska strukturer, såsom bläckfisk armen ¹⁰ och elefant bålen ^11, har nyligen inspirerat utformningen av flexibla, deformerbara och kompatibla manipulatorer med en redundant antal frihetsgrader (DoFs) och kontrollerbar styvhet ^12. Dessa typer av enheter använder passiva fjädrar, smarta material, pneumatiska element, eller senor ^{13, 14, 15.} Generellt manipulatorer tillverkade med mjuka och flexibla material garanterar inte generering av stora krafter.

THan STYV floppen (stelhet kontrollerbar Flexibel och Lärbar manipulator vid kirurgiska ingrepp) manipulator har nyligen presenterats som en ny kirurgisk anordning för anteckningar och SPL inspirerats av bläckfisk kapacitet. För att övervinna begränsningarna hos tidigare mjuka manipulatörer, den har en mjuk kropp samt hög fingerfärdighet, hög kraft och kontrollerbart styvhet ^16.

Arkitekturen av manipulatorn bygger på en modulbaserad metod: flera enheter, med samma struktur och funktioner, är integrerade med varandra. Den enda enhet är visad i fig 1. Den är baserad på en elastomerisk cylinder erhållen genom en flerfas fabrikation. Monterings stegen i formkomponenter och gjutningsprocesser gör det möjligt tre tomma kamrar (för fluidic manövrering) och en ihålig central kanal ¹⁷ (för bostäder en granulär störning baserad mekanism ¹⁸⁾ som bäddas. Kamrarna är placerade på 120 °, så attir kombinerade inflation ger rundstrålande rörelse och töjning. Dessutom ett yttre flätad mantel placeras externt för att begränsa den utåtriktade radiella expansion fluidic kamrarna vid trycksättning, vilket sålunda optimerar effekten av kammarens aktivering i modulen rörelse (böjning och töjning).

Den centrala kanalen inrymmer en cylindrisk anordning som består av en extern membran fylld med kornigt material. När ett vakuumtryck anbringas, det ändrar sina elastiska egenskaper orsakar en förstyvande som påverkar hela modulens egenskaper.

Motion och styvhets uppträdanden styrs av en extern inställning fattande en luftkompressor och tre tryckventiler för att manövrera kamrarna och en vakuumpump för att aktivera undertrycket i det förstyvande kanalen. Ett intuitivt användargränssnitt möjliggör kontroll över aktivering och vakuumtryck inuti modulen.

Detta dokument specificerar fabrication process av den inre modulen i denna manipulator och rapporterar de viktigaste resultat på grundläggande rörelsefunktioner. Med tanke på den modulära naturen hos anordningen möjliggör också de resultat som skall utvidgas och att förutsäga grundläggande beteendet hos en multi-modul manipulator integrera två eller flera moduler bedömningen av tillverkning och prestanda för bara en enda modul.

Protocol

Obs: Detta protokoll beskriver tillverkningsfaser en enda modul, som inkluderar fluidic kammare, hårdnande kanal, manöverledningar och yttre hölje. Följande procedur måste utföras inom ramen för ett dragskåp och bär labbrock och handskar av säkerhetsskäl. Såsom tidigare nämnts, är tillverkningsprocessen av den elastomera enhet baserad på sekventiell användning av formar som utformats med CAD-program. De består av de 13 stycken som visas i figur 2 och som förtecknas i tabell 1.

1. Framställning av silikon

1. Väg 12 g av del A och 12 g del B i samma plastglas eller en petriskål och blanda ihop dem under omrörning.
   Obs: Material proportioner kan variera beroende på den specifika silikon som används i detta fall består av två delar: en del A (bas) och del B (katalysator). De används i proportion 1A: 1B i vikt.
2. Placera glas innehållande blandningened silikonmaterial i avgas maskin på en bar undertryck. Håll glaset under vakuum tills alla bubblor avlägsnas från silikonmaterialet. För den anställde silikon avgasningsprocessen tar ca 10 min. När materialen är helt fria från närvaron av bubblor, återställa det atmosfäriska trycket i maskinen och använda silikonen.

2. Tillverkning av silikon Modul

1. Montering av formen.
   1. Sätt i förstyvande cylindern och toppen av kamrarna i cap_A (figur 3a).
   2. Stäng skalen runt det andra skiktet av cap_A.
2. Första silikongjutning.
   1. Häll silikon inuti den monterade formen upp till kanten hos skalen (figur 3b).
   2. Placera formen i en ugn vid 60 ° C under ca 30 minuter.
3. Omlagring av formen.
   1. Ta bort de yttre skalen och cap_A (Figur 3c).
   2. Sätt cylindrarna från baserna i kamrarna och förstärkningscylindern inne cap_B (figur 3d).
   3. Stäng skalen igen runt modulen, att skjuta dem på 10 mm uppåt för att ha en spalt på 10 mm mellan den övre ytan hos modulen och kanterna på skalen (figur 3E).
4. Andra silikongjutning.
   1. Häll silikon innanför omarrangerade formen upp till kanten av skalen på ovansidan (dvs. också upp till den hårdnande cylinder) (Figur 3f).
   2. Placera formen i en ugn vid 60 ° C under ca 30 minuter.
   3. Ta bort de yttre skal, cap_B och kamrarna (utom förstyvande cylindern) (Figur 3g).

3. Införande av rören

1. Skär 3 rör till samma önskade längden (300 mm till exempel).
2. Sätt silikon lim runt en ände av varje rör för 10 mm, utan obstructing rören.
3. Sätt i rören inne i 2 mm dedicerade kanaler i silikon enheten (Figur 3h).
4. Låt en härdningstid av 12 minuter vid rumstemperatur eller sätta modulen inuti en ugn vid en högre temperatur (50 ° - 60 °) för att påskynda torkningen.

4. Tillverkning av de krusade flätad mantel

1. Skär 700 mm av en expanderbar flätad mantel (ca 15 gånger höjden av modulen).
2. Sätt i en metallisk cylinder med 30 mm i diameter och 250 mm lång inuti höljet.
3. Tryck nedåt och tvinga manteln genom glidning över cylindern, för att skapa veck.
4. Mekaniskt fixera höljet på plats med en klämma och värme med en uppvärmnings pistol på 350 ° C i 2-3 min tills en permanent deformation erhålles.
5. Låt skidan svalna och ta bort den inre cylindern.

5. Integrering av yttre hölje

1. Passerarör genom hålen i cap_C.
2. Häll 3 g av silikon i cap_C.
3. Kläm cap_C till en bärare som är högre än arbetsytan planet.
4. Sätt undersidan av modulen tidigare tillverkas i cap_C.
5. Skjut krusad plåt runt modulen.
6. Skjut de första vågor av höljet inuti cap_C och doppa dem i den nyligen hällde silikon (Figur 3i).
7. Placera formen i en ugn vid 60 ° C under ca 20 minuter.
8. Upprepa proceduren från punkt 5,1-5,6 för att fixera höljet på ovansidan med hjälp cap_D (Figur 3j).
9. Avlägsna cap_C och cap_D.
10. Avlägsna den centrala cylindern (Figur 3k).

6. Tillverkning av den granulära Jamming Membran

1. Häll 5 g flytande latex i ett plastglas.
2. Doppa cylindern för membranet (sista biten som visas i figur 2) inuti flytande latex tills ytanär helt täckt.
3. Låt torka under en huv under 20 minuter.
4. Upprepa punkterna 6.2 och 6.3.
5. Ta bort membranet från formen.

7. Insättning av Granulär Jamming Membran

1. Skär ett rör (2 mm i diameter) till önskad längd (300 mm till exempel).
2. Skär en fyrkantig bit av omkring 100 mm ² av nylon vävnad och stänga en ände av röret med denna vävnad med användning av en plastparaffinfilm eller superlim.
3. Väg 4 g kaffepulver och fylla membranet.
4. Sätt röret (änden med filtret) inuti den fyllda membranet och fixa det runt röret med hjälp av en plastparaffinfilm.
5. Applicera ett vakuum på den andra sidan av röret (membranet blir styvare).
6. Sätt membranet inuti den tomma centrala kanalen av kisel modulen (Figur 3l).
7. Limma ändarna av förstyvande membranet till silikonmodulen.
8. Stäng ringarna kring toppensidan av modulen (figur 3m).
9. Häll 2 g av silikon i ringarna för att jämna ut ytan.
10. Låt silikonet torka under huven eller i en ugn vid 60 °.
11. Ta bort ringarna.
12. Upprepa från punkterna 7.8 till 7.11 för bottensidan (Figur 3n).

Representative Results

De olika faserna i tillverkningen, som beskrivs i protokollet, visas i figur 3.

För att utvärdera effektiviteten hos den teknik och resultaten av den slutliga prototypen, var modulen testas i olika arbetsförhållanden. En extern inställning möjliggör kontroll av både aktivering och styvhet modulen. Den innefattar en luftkompressor som aktiverar tre ventiler. De är anslutna till de kisel rören integrerade i kamrarna och låta sina tryck. En vakuumpump är ansluten till röret integrerad i den granulära störmembranet för modulen styvhetskontrollen. Ventiler och vakuumpumpen är ansluten till ett elektroniskt kort, som är kopplat med ett intuitivt användargränssnitt gör det möjligt att ställa in värdena för manövreringstrycket och vakuumnivå.

För att analysera böjningen (fig 3) och töjning (fig 5) prestanda,modul fastställdes vid basen och kamrarna var manövreras med specifika lufttryck. Varje läge på modulen förvärvades av optiska och magnetiska sensorer. För utvärderingen av den kraft (figur 6) och styvhet (figur 7), en belastningscell förflyttas av en robotarm tillåts mäta modulens kapacitet i olika riktningar.

Böjningstester (Figur 4) bedöma aktiva rundstrålande förmåga modulen. Vid en kammare böjning, har bara en kammare påverkats öka trycket inuti, medan den för 2-kammare bockning, två kamrar har samtidigt tryck med samma tryck. Böjningsvinkeln som är vinkeln mellan baslinjen och spetsen linje modulen (se inlägg i figur 4), har beräknats för varje position av modulen, som motsvarar tryckvärdena. Modulen kan böjas upp till 120 ° i fallet med en-kammar Bending, och upp till 80 ° i 2-kammare böjning. I båda fallen startar en betydande böjning när kamrama blåses upp med ca 0,3 bar (alla rapporterade tryckvärdena är relaterade till atmosfärstryck). Kurvan i Figur 4 belyser att lutningen av kurvan ökningar i motsvarighet till detta värde. Detta representerar den punkt där den initiala sidledsexpansion av silikon hindras av den yttre manteln, och böjningen av modulen underlättas. Från 0,55 bar tryck, är ungefär konstant kurvan eftersom manteln når sin maximala töjning kapacitet, har de trycksatta kamrarna sträcks ut helt den tillgängliga höljet och därmed den längsgående expansionen av silikon är begränsad till ett konstant värde som motsvarar den maximala böjning vinkel.

När alla tre kamrarna samtidigt manövreras med samma tryck töjer modulen, såsom visas i fig 5. Utgående frånlängd 50 mm, når modulen 83,3 mm, vilket motsvarar en töjning av ca 66%. Återigen börjar den yttre manteln för att visa dess effekt på runt 0,3 bar, där det finns en plötslig ökning av töjning kapacitet. Ingen platån är närvarande vid höga tryck eftersom det under förlängning manteln inte når den maximala förlängning.

Modulen kan generera krafter från 24,1 N och vid en kammare manövreras, upp till 47,1 N och vid tre kammare är uppblåsta (Figur 6).

Aktiveringen av en bar vakuumtryck (absolut) i det förstyvande kanalen uppvisar en ökning i styvhet av modulen (figur 7) av 36% vid vilotillstånd, 19,6%, 12,4% och 17,2% vid 90 ° böjning i y, x och z-riktningarna respektive.

De presenterade protokollet skapas en enda mjuk enhet och med olika enkla ändringar, samma procedur gör det möjligt för moduler som ska tillverkade för attskapa en multi modul manipulator. En möjlig lösning för manipulatorn är att integrera två eller flera moduler där pneumatisk manövrering tillföres i moduler genom rörledningar. Manövreringsrören direkt påverka den första modulen och andra ledningar kan passera genom kamrarna i denna modul för att tryck kamrarna i nästa modul, vilket framgår av förarbeten på modul integration ^{20, 21.} I detta fall bitar av mögel är samma utom för kamrarna som har två cylindrar, en upptill och en nedtill, för att infoga och passerande rör.

Figur 1. Begreppet manipulatorn och CAD av modulen. Manipulatorn är baserad på en flermodul tillvägagångssätt. Den enda enhet består av en mjuk cylinder inbäddning tre fluidic ställdon, en central kanal bostäder granulära jamming, tre pipes att leverera trycket och en extern flätad mantel att förbättra modul rörelse.

Figur 2. Mold komponenter för tillverkningsprocessen. 13 bitar är allmänt används för att montera formar in i vilka silikon hälls och att tillverka anpassade latexmembranet.

Figur 3. CAD av tillverkningsfaser. Införande av kamrarna och förstärkningscylindern i cap_A (a), första silikongjutning (b), borttagning av skal och cap_C (c), införande av cap_B (d), Flytta av skalen (e), andra silikongjutning (f), borttagning av skal, cap_B och kammare (g), insättningav rören (h), insättning av cap_C och mantel för dess fixering på den undre sidan (i), införande av cap_D och mantel för dess fixering på ovansidan (j), avlägsnande av cap_D och förstyvande cylinder (k), insertion av den granulära stör membranet (l), stängning av semi ringar runt modulen (m), slutmodul (n).

Figur 4. Böjprovning. Beteende av modulen när en kammare påverkas (blå linje) och när två kamrar aktiveras (rosa linje). Böjningsvinkeln anges på modulen i inläggningar. Utbudet i tryck som används för att aktivera modulen går från 0 bar till 0,65 bar med steg om 0,05. För varje position i modulen, var böjningsvinkeln beräknas. Denna siffra har citerats från ^[19].

Figur 5. Töjning test. Beteende av modulen under töjning. Alla tre kamrama är samtidigt manövreras med samma tryck. Tryckområdet går från 0 bar till 0,65 bar. För varje position förlängningen beräknades. Denna siffra har citerats från [19].

Figur 6. Force test. Utvärdering av kraften i isometriska förhållanden längs x-riktningen. En lastcell var placerad på toppen av modulen och kraften beräknades i tre olika fall i förhållande till antalet aktiverade kamrar. Denna siffra har citerats från ^[19].

oad / 53118 / 53118fig7.jpg "/>
Figur 7. styvhetstest. Utvärdering av styvhetsvariation i fyra olika konfigurationer när samma kammare aktiveras. Olika förskjutningar infördes på toppen av modulen med hjälp av en 6 DOF robot. Styvheten beräknades i basen tillståndet hos modulen (a) och vid 90 ° böjning längs y, x och z-riktningarna (b, c, d). Denna siffra har modifierats ^[19].

Mögel Komponent	Antal	Beskrivning
Shells	2	Dessa havea halvcylindrisk form, är 40 mm i höjd, med en inre radie på 12,5 mm och yttre radie på 14,5 mm. När den är stängd, de bildar en cylinder som representerar formen hos den silikonenheten. Skalen är tillverkade i polyoximetylen.
Chambers	3	Dessa kamrar utgör negativet av manövreringskamrarna. De har en halvcylindrisk fullständig form med rundade kanter är 30 mm i höjd med 4 mm radie. För att underlätta införandet av manövrerings rörledningar, vid basen av varje kammare finns det en cylinder med en diameter av 1,5 mm och en längd på 13 mm. Kamrarna är tillverkade med en 3D-skrivare maskin.
Hårdnande Cylinder (för granulära störning mekanismen	1	Detta är den negativa av det förstyvande kanalen. Det är 56 mmi höjd och 8 mm i diameter. Det är tillverkat i aluminium för att underlätta dess avlägsnande från mitten av silikon cylindern.
cap_A	1	Detta är ett stödstycke som används för att fixera och inrikta bitarna som anges ovan. Det är en skiva som mäter 10 mm i höjd, med en diameter på 29 mm för den första 7 mm höjd, och 25 mm för de övriga 3 mm om de yttre skalen nära. De övre formerna hos kamrarna är utformade inuti det andra skiktet, placeras vid 120 °, med ett djup på 3 mm för att sätta in de översta kamrarna. I centrum av locket, ett hål med 8 mm i diameter inrymmer cylindern hos förstyvande kanal.
cap_B	1	Denna stödstycket liknar cap_A, bara skiljer sig för det andra skiktet som har tre hål för införandeav cylindrarna utformade vid basen av kamrarna.
cap_C och cap_D	1 vardera	Dessa bärare gör det möjligt för manteln att fixeras till modulen. De har en inre diameter av 35 mm och ett centralt hål av 8 mm i diameter för införing av förstyvande cylindern. Cap_C skiljer sig från cap_D eftersom den har 3 hål om 2 mm i diameter för att göra det möjligt för rören som skall införas.
Semi-ringar	2	De har en inre diameter av 30 mm och en höjd av 10 mm. De är gjorda av aluminium. De används i den sista fasen av tillverkningen för att stänga modulen slutgiltigt.
Cylinder för Membran	1	Det används för tillverkning av en anpassad membran för the granulär störningsmekanism. Det är 50 mm högt och 15 mm i diameter, och har rundade extremiteter för att erhålla en lämplig form för membranet som skall införas i modulen. Vid basen, fixar en tunn cylindrisk del formen på ett stöd under membran tillverkningen.

Tabell 1. formkomponenter.

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