Ontwerp en de fabricage van een elastomeer Unit voor Soft Modulaire Robots bij minimaal invasieve chirurgie

Abstract

De laatste jaren hebben zachte robotica technologieën wekte toenemende belangstelling in de medische vanwege hun intrinsiek veilige interactie ongestructureerde omgevingen. Tegelijkertijd zijn nieuwe procedures en technieken ontwikkeld om het invasieve chirurgische ingrepen verminderen. Minimaal invasieve chirurgie (MIS) is met succes toegepast voor abdominale interventies worden echter standaard MIS procedures hoofdzakelijk gebaseerd op stijve of halfstijve hulpmiddelen die de beweeglijkheid van de clinicus te beperken. Dit document presenteert een zachte en hoge behendige manipulator voor MIS. De manipulator is geïnspireerd op de biologische mogelijkheden van de octopus arm, en is ontworpen met een modulaire aanpak. Elke module biedt dezelfde functionele eigenschappen, waardoor het bereiken van een hoge beweeglijkheid en veelzijdigheid als er meer modules zijn geïntegreerd. Het document beschrijft de ontwerp, fabricageproces en de materialen die nodig zijn voor de ontwikkeling van een enkele eenheid, die wordt gefabriceerd door casting siliconen binnenkant specifieke schimmels. Het resultaat bestaat uit een elastomeer cilinder waaronder drie flexibele pneumatische aandrijvingen die rek en omni-directionele buiging van het apparaat mogelijk te maken. Een externe gevlochten mantel verbetert de beweging van de module. In het midden van elke module varieert granulaire jamming-gebaseerde mechanisme de stijfheid van de constructie tijdens de taken. Tests tonen aan dat de module in staat te buigen tot 120 ° en langwerpige tot 66% van de oorspronkelijke lengte. De module genereert een maximale kracht van 47 N en de stijfheid kan oplopen tot 36%.

Introduction

Recente ontwikkelingen in de medische wereld dringen aan op een vermindering van de invasiviteit van chirurgische operaties. Minimaal Invasieve Chirurgie (MIS) met succes is verbeterd in de afgelopen jaren voor buikoperaties. MIS procedures zijn gebaseerd op het gebruik van instrumenten ingebracht via vier of vijf toegangspunten (trocars) dat in de buikwand. Om het aantal trocars te verminderen, kunnen de instrumenten worden ingebracht door de Single Port Laparoscopie (SPL) of Natural Orifice transluminale Endoscopische chirurgie (NOTES) ^1. Deze procedures voorkomen dat externe zichtbare littekens, maar verhoging van de moeilijkheidsgraad van de clinici in het uitvoeren van de operatie. Deze beperking is vooral te wijten aan de verminderde punten van de toegang en de stijve en semi-rigide aard van de instrumenten, die niet in staat zijn om te voorkomen of pas rond organen ^2, kan ^3. Handigheid en beweeglijkheid verbeterd worden met behulp van gelede en hyper-redundante robots die een breder en meer complexe werkruimte kan dekken, thons mogelijk een specifiek doel in het lichaam gemakkelijker te bereiken ^{4, 5, 6} en werken als inklapsystemen zonodig ^7. Een flexibele manipulator kan verbeteren weefsel compliance, waardoor contact veiliger dan door de traditionele instrumenten.

Maar deze manipulators vaak niet stabiliteit bij het ​​doelwit wordt bereikt en in het algemeen kunnen ze niet het contact met het omringende weefsel ^8, controle ^9. Onderzoek naar biologische structuren, zoals inktvis arm ¹⁰ en de olifant slurf ¹¹ zijn geïnspireerd onlangs het ontwerp van flexibel, vervormbaar en compliant manipulatoren met een redundante aantal vrijheidsgraden (DoFs) en controleerbaar stijfheid ^12. Dit soort apparaten maken gebruik van passieve bronnen, slimme materialen, pneumatische elementen, of pezen ^{13, 14, 15.} In het algemeen, manipulatoren gefabriceerd met zachte en flexibele materialen niet garanderen dat de generatie van grote krachten.

THij STIJF-FLOP (stijfheid controleerbaar Flexibel en leerbaar manipulator voor chirurgische operaties) manipulator is onlangs gepresenteerd als een nieuw chirurgisch instrument voor notities en SPL geïnspireerd door de octopus de mogelijkheden. Om de beperkingen van eerdere zachte manipulators overwinnen, heeft een zacht lichaam en hoge beweeglijkheid, grote kracht en controleerbare stijfheid ^16.

De architectuur van de manipulator is een modulaire aanpak: meervoudige eenheden met dezelfde structuur en functionaliteit, samen geïntegreerd. De eenheid is weergegeven in figuur 1. Het is gebaseerd op een elastomere cilinder verkregen door een uit meerdere fabricage. De assemblage stappen van de schimmel componenten en de casting processen staat drie lege kamers (voor vloeibare bediening) en een holle centrale kanaal ¹⁷ (voor de huisvesting van een granulaire-jamming gebaseerd mechanisme ¹⁸⁾ worden ingebed. De kamers worden geplaatst bij 120 °, zodat deir gecombineerd inflatie produceert omnidirectionele beweging en rek. Daarnaast externe gevlochten mantel extern geplaatst om de buitenwaartse radiale expansie van de vloeibare kamers te beperken wanneer druk gebracht, waardoor het effect van de kamer bediening optimaliseren in de module beweging (buiging en rek).

Het centrale kanaal bevindt zich een cilindrische inrichting bestaande uit een extern membraan gevuld met korrelig materiaal. Wanneer een vacuümdruk wordt toegepast, zijn elastische eigenschappen verandert waardoor een verstijving die eigenschappen van de gehele module beïnvloedt.

Beweging en stijfheid prestaties worden bestuurd door een externe opstelling zoals een luchtcompressor en drie drukkleppen voor het bedienen van de kamers en een vacuümpomp voor het activeren van het vacuüm in het verstijvingelement kanaal. Een intuïtieve gebruikersinterface maakt het mogelijk de controle over activering en vacuüm druk in de module.

Dit document beschrijft de fabrication proces van de enkele module van deze manipulator en rapporteert de meest significante resultaten op basis beweging mogelijkheden. Gezien de modulaire aard van de inrichting, de beoordeling van de fabricage en uitvoering van één enkele module maakt het ook mogelijk de te uitgebreid en de fundamentele eigenschappen van een multi-module manipulator integratie van twee of meer modules voorspellen.

Protocol

Opmerking: Dit protocol beschrijft de vervaardiging fasen van een enkele module, waarbij de vloeibare kamers omvat verstijving kanaal bediening pijpleidingen en uitwendige mantel. De volgende procedure heeft onder een zuurkast en het dragen van laboratoriumjas en handschoenen om veiligheidsredenen uit te voeren. Zoals eerder vermeld, wordt het fabricageproces van de elastomere eenheid op basis van de opeenvolgende toepassing van matrijzen ontworpen met CAD software. Ze zijn samengesteld uit de 13 stukken in figuur 2 en tabel 1 opgesomd.

1. Voorbereiding van het Silicone

1. Weeg 12 g van deel A en 12 g deel B in dezelfde plastic glas of een petrischaal en meng ze samen, roeren.
   Opmerking: Materiaal verhoudingen variëren afhankelijk van de specifieke gebruikte silicone, in dit geval bestaat uit twee delen: deel A (de basis) en deel B (katalysator). Ze worden gebruikt in verhouding 1A: 1B gewicht.
2. Plaats het glas met de mixed siliconen materialen in een ontgasser machine 1 bar onderdruk. Houd het glas onder vacuüm totdat alle luchtbellen worden verwijderd uit het siliconenmateriaal. Voor de gebruikte siliconen het ontgassingsproces duurt ongeveer 10 minuten. Zodra de materialen zijn volledig vrij van de aanwezigheid van bellen, het herstel van de atmosferische druk in de machine en gebruikt de siliconen.

2. Fabricage van de Siliconic Module

1. Assemblage van de mal.
   1. Plaats het verstijvingslichaam cilinder en de bovenkant van de kamers in cap_A (figuur 3a).
   2. Sluit de schelpen rond de tweede laag van cap_A.
2. Eerst silicone gieten.
   1. Giet de siliconen in de geassembleerde vorm tot aan de rand van de schalen (figuur 3b).
   2. Plaats de vorm in een oven bij 60 ° C gedurende ongeveer 30 min.
3. Herschikking van de mal.
   1. Verwijder de externe schelpen en cap_A (figuur 3c).
   2. Steek de cilinders van de bases van de kamers en de verstijving cilinder binnenkant cap_B (figuur 3d).
   3. Sluit de schalen opnieuw rond de module te schuiven van 10 mm naar boven om een gat van 10 mm tussen het bovenvlak van de module en de randen van de schalen (figuur 3e) heeft.
4. Tweede silicone gieten.
   1. Giet het silicone in het herschikte vorm tot aan de rand van de houders op de bovenzijde (dus ook aan het verstijvingelement cilinder) (Figuur 3f).
   2. Zet de mal in een oven bij 60 ° C gedurende ongeveer 30 min.
   3. Verwijder de externe schelpen, cap_B en de kamers (behalve de verstijving cilinder) (figuur 3g).

3. Plaatsen van de buizen

1. Snij 3 buizen dezelfde gewenste lengte (300 mm bijvoorbeeld).
2. Doe siliconic lijm over één uiteinde van elke buis van 10 mm, zonder obconstrueren de buizen.
3. Plaats de buizen in de 2 mm speciale kanalen in de siliconic unit (figuur 3h).
4. Laat een hardingstijd van 12 minuten bij kamertemperatuur of zet de module in een oven bij een hogere temperatuur (50 ° - 60 °) te versnellen het droogproces.

4. Fabricage van de Crimped gevlochten schede

1. Snij 700 mm van een expandeerbaar gevlochten mantel (ongeveer 15 keer de hoogte van de module).
2. Plaats een metalen cilinder van 30 mm diameter en 250 mm in lengte in de schede.
3. Duw en dwingen de mantel door glijden over de cilinder, om plooien te maken.
4. Mechanisch bevestigen de huls vast met een klem en warmte met een pistool verwarmen bij 350 ° C gedurende 2-3 min tot een blijvende vervorming verkregen.
5. Laat de schede afkoelen en verwijder de interne cilinder.

5. Integratie van de externe schede

1. Passeer debuizen door de gaten van cap_C.
2. Pour 3 g van siliconen in cap_C.
3. Klem cap_C aan een drager die hoger is dan het werkvlak.
4. Plaats de onderzijde van de module vooraf vervaardigd tot cap_C.
5. Schuif de gekrompen schede rond de module.
6. Duw de eerste plooien van de mantel binnen cap_C en dompel ze in de vers gegoten siliconen (figuur 3i).
7. Zet de mal in een oven bij 60 ° C gedurende ongeveer 20 min.
8. Herhaal deze procedure vanaf punt 5,1-5,6 naar de mantel aan de bovenzijde vast te stellen, met behulp van cap_D (figuur 3j).
9. Verwijder cap_C en cap_D.
10. Verwijder de centrale cilinder (Figuur 3k).

6. Fabricage van de Granular Jamming Membrane

1. Giet 5 g vloeibare latex in een plastic glas.
2. Dompel de cilinder voor het membraan (laatste stuk getoond in figuur 2) in de vloeibare latex tot het oppervlakvolledig bedekt.
3. Laat onder een kap voor 20 minuten drogen.
4. Herhaal de punten 6.2 en 6.3.
5. Verwijder het membraan uit de matrijs.

7. Plaatsen van de Granular Jamming Membrane

1. Snijd een buis (2 mm diameter) op de gewenste lengte (300 mm bijvoorbeeld).
2. Snij een vierkant stuk van ongeveer 100 mm ² van nylon weefsel en sluit één einde van de buis met het weefsel met een plastic folie paraffine of superlijm.
3. Weeg 4 g koffie poeder en vul het membraan.
4. Plaats de buis (het uiteinde met het filter) in de gevulde membraan en repareren om de buis met een kunststof folie paraffine.
5. Breng een vacuüm aan de andere kant van de buis (het membraan stijver).
6. Plaats het membraan in het lege centrale kanaal van de siliconic module (Figuur 3l).
7. Lijm de einden van de verstijvende membraan naar de silicone module.
8. Sluit de ringen rond de topzijde van de module (Figuur 3m).
9. Pour 2 g silicone in de ringen om het maaiveld.
10. Laat de silicone droog onder motorkap of in een oven bij 60 °.
11. Verwijder de ringen.
12. Herhaal van punten 7,8-7,11 voor de onderkant (Figuur 3n).

Representative Results

De verschillende fasen van de vervaardiging, in het protocol, worden geïllustreerd in figuur 3.

Om de doeltreffendheid van de techniek en de resultaten van de uiteindelijke prototype te evalueren, werd de module getest in verschillende werkomstandigheden. Een externe opstelling laat controle van zowel de aansturing en stijfheid van de module. Het omvat een luchtcompressor dat drie kleppen activeert. Ze zijn verbonden met de buizen siliconic geïntegreerd in de kamers en laten hun druk brengen. Een vacuümpomp is verbonden met de buis opgenomen in de granulaire jamming membraan module stijfheid control. Kleppen en vacuümpomp zijn verbonden met een elektronische kaart die is verbonden met een intuïtieve gebruikersinterface zodat de waarden van de bediening druk en vacuümniveau stellen.

Om het buigen (figuur 3) en rek (figuur 5) prestaties, het analyserenmodule werd vastgesteld op de basis en de kamers werden bediend met specifieke luchtdruk. Elke positie van de module werd overgenomen door optische en magnetische sensoren. Voor de evaluatie van de kracht (figuur 6) en stijfheid (figuur 7), een load cell bewogen door een robotarm mag capaciteiten van de module in verschillende richtingen te meten.

Buigtests (figuur 4) beoordeling van de werkzame omnidirectionele capaciteit van de module. Bij 1-kamer buigen, slechts één kamer is geactiveerd verhogen van de druk binnen, terwijl voor 2-kamer buigen, beide kamers zijn gelijktijdig onder druk gebracht met dezelfde druk. De buighoek, de hoek tussen de basislijn en de tip lijn van de module (zie inzetstukken in figuur 4), werd berekend voor elke positie van de module, die overeenkomt met de drukwaarden. De module kan buigen tot 120 ° bij 1-kamer bending, en tot 80 ° 2-kamer buigen. In beide gevallen een aanzienlijke buiging begint wanneer de kamers worden opgeblazen ongeveer 0,3 bar (alle gerapporteerde drukwaarden zijn aan de atmosferische druk). De grafiek in figuur 4 benadrukt dat de helling van de curve toename in overeenstemming van deze waarde. Dit is het punt waar de eerste laterale uitzetting van de siliconen wordt belemmerd door de uitwendige mantel, en het buigen van de module wordt vergemakkelijkt. Uit de 0,55 bar druk, de curve bij benadering constant, omdat het omhulsel zijn maximale rek vermogen heeft bereikt, de onder druk staande kamers hebben uitgestrekt volledig beschikbare huls en daarmee de longitudinale uitbreiding van de silicone beperkt tot een constante waarde die overeenkomt met de maximale buiging hoek.

Wanneer alle drie kamers tegelijk worden bediend met dezelfde druk, de module verlengt, zie figuur 5. Vanafde lengte van 50 mm, de module bereikt 83,3 mm, wat overeenkomt met een rek van ongeveer 66%. Ook de externe omhulsel begint het effect tonen op ongeveer 0,3 bar, wanneer er een plotselinge toename van de rek vermogen. Geen plateau is aanwezig bij hoge druk, omdat tijdens elongatie de schede nietwaar maximale rek te bereiken.

De module kan krachten genereren uit 24,1 N, wanneer een kamer wordt bediend, tot 47,1 N, wanneer drie kamers worden opgeblazen (figuur 6).

De activering van 1 bar vacuümdruk (absoluut) in het verstijvingslichaam kanaal toont een toename van de stijfheid van de module (figuur 7) van 36% in rust condities, 19,6%, 12,4% en 17,2% bij 90 ° buiging in y, x en z richting respectievelijk.

Het gepresenteerde protocol creëert een zacht eenheid en met verscheidene modificaties gemakkelijke dezelfde procedure kan de modules worden gefabriceerd omhet creëren van een multi-module manipulator. Een mogelijke oplossing voor de manipulator is om twee of meer modules wanneer de pneumatische aandrijving wordt toegevoerd in de modules via pijpleidingen te integreren. De bediening buizen rechtstreeks bedienen van de eerste module en andere leidingen kunnen door de kamers van deze module aan de kamers van de volgende module onder druk, zoals aangetoond in de voorbereidende werkzaamheden op de module integratie ^{20, 21.} In dit geval, de stukken van schimmel zijn de Hetzelfde behalve de kamers die twee cilinders, een aan de bovenkant en één aan de onderkant, voor het inbrengen en doorgeven buisjes.

Figuur 1. Concept van de manipulator en CAD ​​van de module. De manipulator is gebaseerd op een multi-module benadering. De eenheid wordt gevormd door een zachte cylinder inbedden drie fluïde actuators, een centraal kanaal behuizing het granulaire jamming, drie pipes om de druk en een externe gevlochten mantel om module beweging te verbeteren leveren.

Figuur 2. vormdelen voor het fabricageproces. 13 stukken worden algemeen gebruikt om mallen waarin de siliconen gegoten assembleren en aangepaste latex membraan fabriceren.

Figuur 3. CAD van de fabricage fasen. Het inbrengen van de kamers en de verstijving cilinder in cap_A (a), eerste siliconen casting (b), het verwijderen van schelpen en cap_C (c), de invoering van cap_B (d), herpositioneren van de schelpen (e), tweede siliconen casting (f), het verwijderen van de schelpen, cap_B en kamers (g), invoegingvan de buizen (h) het inbrengen van cap_C en schede voor zijn bevestiging aan de onderzijde (i) inbrengen van cap_D en schede voor zijn bevestiging aan de bovenzijde (j) verwijderen van cap_D en verstijving cilinder (k), insertie van de granulaire jamming membraan (l), het sluiten van de halve ringen rond de module (m), laatste module (n).

Figuur 4. Buigproef. Gedrag van de module wanneer een kamer wordt bediend (blauwe lijn) en wanneer twee kamers worden bediend (roze lijn). Buigingshoek wordt op de module van de bijvoegsels. Het bereik van de druk gebruikt voor het bedienen van de module gaat van 0 bar tot 0,65 bar met stappen van 0,05. Voor elke positie van de module, werd de buighoek berekend. Dit cijfer is geciteerd uit ^[19].

Figuur 5. Rek testen. Gedrag van de module in het rek. Alle drie kamers tegelijkertijd aangestuurd met dezelfde druk. De druk varieert van 0 bar tot 0,65 bar. Voor elke positie werd de rek berekend. Dit cijfer is geciteerd uit [19].

Figuur 6. Force-test. Evaluatie van de kracht in isometrische omstandigheden langs x-richting. Een laadcel werd geplaatst bovenop de module en de kracht berekend in drie verschillende gevallen ten opzichte van het aantal geactiveerde kamers. Dit cijfer is geciteerd uit ^[19].

OAD / 53.118 / 53118fig7.jpg "/>
Figuur 7. stijfheid testen. Evaluatie van de stijfheid variatie in vier verschillende configuraties wanneer dezelfde kamer wordt bediend. Verschillende verplaatsingen opgelegd op het uiteinde van de module met een 6 DoF robot. De stijfheid werd berekend in de basis staat van de module (a) en 90 ° buiging langs y, x en z richtingen (b, c, d). Dit cijfer is gewijzigd van ^[19].

Matrijscomponent	Aantal	Beschrijving
Shells	2	Deze havea semi-cilindrische vorm, zijn 40 mm hoog, met een interne straal van 12,5 mm en de buitenstraal van 14,5 mm. In gesloten toestand, ze vormen een cilinder die de vorm van de siliconic apparaat vertegenwoordigt. De schelpen worden gefabriceerd in polyoxymethyleen.
Kamers	3	Deze kamers vertegenwoordigen de negatieve van de bediening kamers. Ze hebben een halfcilindrische volledige vorm met afgeronde hoeken, zijn 30 mm hoog met een radius 4 mm. Om de introductie van de aandrijving pijpleidingen vergemakkelijken, bij de basis van elke kamer is een cilinder met een diameter van 1,5 mm en een lengte van 13 mm. De kamers worden vervaardigd met een 3D-printer machine.
Verstijving Cilinder (voor de granulaire jamming mechanisme	1	Dit is het negatief van het verstijvingelement kanaal. Het is 56 mmin hoogte en 8 mm in diameter. Het is vervaardigd uit aluminium om de verwijdering van het centrum van de cilinder siliconic vergemakkelijken.
cap_A	1	Dit is een steun stuk gebruikt om vast te stellen en uitlijnen van de hierboven genoemde stukken. Het is een schijf meet 10 mm hoog, met een diameter van 29 mm voor de eerste 7 mm hoogte en 25 mm voor de andere 3 mm waarbij het uitwendige mantels sluiten. De bladvormen van de kamers zijn ontworpen in de tweede laag, geplaatst op 120 °, met een diepte van 3 mm om de bovenste kamers voegen. In het midden van de dop een opening van 8 mm diameter herbergt de cilinder van het verstijvingslichaam kanaal.
cap_B	1	Dit steunstuk is vergelijkbaar met de cap_A, alleen verschilt de tweede laag, die drie gaten voor de invoering heeftvan de cilinders aan de voet van de kamers.
cap_C en cap_D	1 per stuk	Deze steunen kan de huls worden bevestigd aan de module. Ze hebben een inwendige diameter van 35 mm en een centrale opening van 8 mm diameter voor het inbrengen van het verstijvingelement cilinder. Cap_C verschilt cap_D omdat het 3 gaatjes van 2 mm in diameter van de leidingen ingezet schakelen.
Semi-ringen	2	Ze hebben een inwendige diameter van 30 mm en een hoogte van 10 mm. Ze zijn gemaakt van aluminium. Ze worden gebruikt in de laatste fase van de fabricage de module definitief te sluiten.
Cilinder voor Membrane	1	Het wordt gebruikt voor de fabricage van een aangepaste membraan the granulaire jamming-mechanisme. Het is 50 mm hoog en 15 mm diameter, en heeft afgeronde uiteinden om een ​​geschikte vorm te verkrijgen van het membraan worden ingebracht in de module. Aan de basis, een dunne cilindrische deel fixeert de mal op een drager in het membraan fabricage.

Tabel 1. Mold Components.

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