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Bioengineering

Fabrication à base de Rod personnalisables souples Robotic pneumatiques Dispositifs Gripper pour la manipulation des tissus Délicat

Published: August 2, 2016 doi: 10.3791/54175
Automatic Translation
1, 1
1Department of Biomedical Engineering, Advanced Robotics Centre, Singapore Institute for Neurotechnology, National University of Singapore

Introduction

Robots mous ont suscité un grand intérêt de la recherche au sein de la communauté robotique et ils ont été utilisés dans différentes tâches fonctionnelles telles que la locomotion ondulatoire dans des environnements non structurés 1 et 2 de préhension. Elles sont principalement constituées de matériaux élastomères souples et contrôlés par des techniques différentes d'actionnement par l'utilisation de différents matériaux tels que polymère électroactif (EAP), forme un alliage à mémoire (SMA) ou d'un fluide comprimé 3. Fonction PAE base d'une tension différentielle qui induit des forces électrostatiques pour produire des souches actives et génère ainsi l'actionnement. Le singulier effet de mémoire de forme de l'AMF est déployé pour générer l'actionnement souhaité sur la base de la génération de la force lors des transformations de phase sur le changement de température. Enfin, la technique fluide d'actionnement comprimé facilite une stratégie de conception simple pour induire la différence de rigidité dans les actionneurs souples, de telle sorte que les régions les plus conformes gonflerontlors de la pressurisation. robots souples sont conçus pour élargir les applications de robots durs traditionnels, en particulier dans les applications où les objets délicats sont impliqués. En particulier, dans cet article, nous présentons notre approche unique dans le développement de préhenseurs robotiques souples pour une manipulation chirurgicale délicate.

Préhension chirurgical est un aspect important impliqué dans de nombreuses procédures chirurgicales telles que hépatiques, gynécologiques, urologiques, et le nerf chirurgie de réparation 4, 5. Elle est généralement réalisée par rigides, des outils de préhension de tissu d'acier telles que les pinces et les pinces laparoscopiques dans le but de faciliter observation, l' excision, les procédures d'anastomose, etc. Cependant, une extrême prudence est nécessaire que les outils de préhension classiques sont faits de métal qui peut causer des zones à forte concentration de stress dans les tissus mous au niveau des points de contact 6. Selon la gravité des dommages tissulaires, diverses complications, comme la douleur, cicatrice pathologique du tissu formation, et même une incapacité permanente, peuvent en résulter. Une étude préalable a rapporté que le taux de complications dans la chirurgie du nerf périphérique était de 3% 7. Par conséquent, le concept de préhension souple qui peut fournir une prise compatible sécuritaire peut être un candidat prometteur pour la manipulation chirurgicale délicate.

Ici, nous présentons une combinaison de 3D-impression et des techniques de lithographie douce modifiés, qui ont adopté une approche fondée sur tige, pour fabriquer des pinces pneumatiques robotiques souples personnalisables. Technique traditionnelle de fabrication de robots souples à base de fluide comprimé lors de l' actionnement nécessite un moule avec des canaux pneumatiques et sur ​​laquelle est imprimé un procédé d'étanchéité pour sceller les canaux 8. Cependant, il est impossible pour des robots souples miniaturisées qui ont besoin de petits canaux pneumatiques où l'occlusion des canaux peuvent facilement se produire dans le procédé d'étanchéité. La technique traditionnelle requiert l'étanchéité des canaux pneumatiques se faire par collage d'une couche de scellement enduite à elle. Par conséquent, la layer d'un matériau élastomère qui sert initialement en tant que couche de liaison peut se répandre dans les petits canaux et obturer ces canaux. Il est également impossible de positionner les canaux pneumatiques au milieu de la structure et de se connecter à un composant de chambre en utilisant des techniques classiques. L'approche proposée permet la création de canaux pneumatiques miniaturisés relié à une chambre en utilisant des barres remplies d'air et ne nécessite pas d'étanchéité des canaux minuscules. En outre, la chambre reliée aux canaux pneumatiques servir de source d'air qui ne nécessite pas une source d'air externe pour l'actionnement du fluide comprimé. Il permet à la fois manuel et les modes de commande robotique en facilitant la compression de la chambre pour actionner l'organe de préhension, permettant ainsi aux utilisateurs la possibilité de contrôler la quantité de force qu'ils appliquent à travers la pince. Cette approche est hautement personnalisable et peut être utilisé pour fabriquer divers types de modèles de pinces souples tels que des pinces avec simple ou multiple bras actionnables.

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Protocol

Note: tous les préhenseurs pneumatiques souples ont été fabriquées par moulage des mélanges élastomères à base de silicone dans des moules en 3D imprimés personnalisés, qui ont suivi un procédé de fabrication comprenant les trois étapes suivantes: le moulage d'éléments de préhension à bras avec des canaux pneumatiques intégrées, en moulant le composant de chambre reliée aux canaux pneumatiques et sceller le composant de chambre remplie d'air.

1. Préparation des élastomères

  1. Placez un récipient pour mélangeur sur une balance et tarer. Verser les parties A et B de l'élastomère à base de silicone dans le récipient avec un rapport 1: 1 en poids.
  2. Couvrez le récipient et mesurer le poids total.
  3. Placer le récipient et le matériau dans un mélangeur centrifuge. Réglez la balance de poids sur le mélangeur au poids mesuré à l'étape 1.2.
  4. Définissez les mélange et de-aération modes à 2000 rpm et 2200 rpm, respectivement pendant 30 sec. Mélanger les composants élastomères à fond pour obtenir un durcissement uniforme.
le "> 2. Mold Design et production

Remarque: La géométrie du moule varie en fonction des exigences spécifiques pour différentes applications. Les étapes suivantes illustrent des étapes clés générales dans le logiciel de CAO qui sont nécessaires pour créer le composant de chambre et de préhension du moule.

  1. Concevoir les moules et les moisissures d'étanchéité à l'aide de la conception (CAO) assistée par ordinateur. Voir la Figure 1 pour les dimensions de la géométrie et spécifiques des moules utilisés dans ce manuscrit.
    1. La conception de la boîte de délimitation extérieure
      1. Faites un clic droit sur le plan supérieur et cliquez sur "Normal pour" pour normaliser au plan supérieur.
      2. Cliquez sur "Sketch" dans le coin en haut à gauche pour ouvrir une fenêtre "Sketch". Ensuite, cliquez sur le bouton "Sketch" dans le coin supérieur gauche de la barre d'outils pour dessiner une base rectangulaire du composant de chambre.
      3. Cliquez sur la fonction «Smart Dimension", qui est situé à côté du bouton "Sketch", pour définir skdimensions de gravure. Assurez -vous que l'esquisse est totalement défini (ie, toutes les lignes de dessin deviennent noir) et quitter l'esquisse lorsque vous avez terminé.
      4. Cliquez sur la fenêtre «Caractéristiques». Ensuite, cliquez sur "Patron Extruded / Base" fonction d'extruder contours sélectionnés dans la direction Y.
      5. Cliquez sur la surface supérieure du modèle de présélectionner le plan d'esquisse. Dessinez un rectangle et définir les dimensions comme décrit dans 2.1.1.2 et 2.1.1.3.
      6. Cliquez sur la fenêtre «Caractéristiques». Ensuite, cliquez sur fonctionnalité "Cut Extruded" pour extruder couper une cavité pour le moulage des élastomères (figure 2A). Assurez-vous que l'épaisseur de paroi est de 2,5 mm.
    2. Conception de la chambre intérieure
      1. Faites un clic droit sur la surface sur la direction Y de la zone d'ouverture. Ensuite, cliquez sur "Normal à" normaliser à cette surface.
      2. Ensuite, cliquez sur la fenêtre "Sketch" pour dessiner un rectangle pour le composant de chambre, comme décrit dans les étapes 2.1.1.2 et2.1.1.3.
      3. Cliquez sur la fenêtre «Caractéristiques». Ensuite, cliquez sur "Patron Extruded / Base" fonctionnalité pour extruder le composant de chambre dans la direction Y (figure 2B).
        Note: La profondeur de la coupe à l'étape 2.1.1.6 est de 2,5 mm de plus que cette base extrudé.
    3. Construction de l'élément de préhension
      1. Cliquez sur la surface du modèle en négatif X-direction de présélectionner le plan d'esquisse pour le composant de préhension. Créer un rectangle dans la fenêtre "Sketch" comme décrit dans les étapes 2.1.1.2 et 2.1.1.3.
      2. Cliquez sur la fenêtre «Caractéristiques». Ensuite, cliquez sur "Patron Extruded / Base" fonctionnalité pour extruder le contour sélectionné dans la direction X négative.
      3. Cliquez sur la surface supérieure de l'élément de préhension pour présélectionner le plan d'esquisse. Créer une forme de pince dans le "Sketch" fenêtre (figure 2C) et quittez l'esquisse lorsque les dimensions sont entièrement définies comme décrit dans les étapes 2.1.1.2 uned 2.1.1.3.
      4. Cliquez sur la fenêtre «Caractéristiques». Ensuite, cliquez sur "Cut Extruded" pour couper une cavité pour le moulage des élastomères dans le composant de préhension. Assurez-vous que l'épaisseur de paroi est de 2,5 mm.
    4. Conception de la connexion entre la chambre et la pince
      1. Créer un rectangle dans la fenêtre "Sketch" sur la surface supérieure de la pièce de chambre, comme décrit dans 2.1.1.2 et 2.1.1.3.
      2. Cliquez sur la fenêtre «Caractéristiques». Ensuite, cliquez sur "Cut Extruded" pour créer une connexion entre la chambre et pinces composants (figure 2D).
    5. Conception des canaux pneumatiques
      1. Créez 1,5 mm cercles de diamètre sur la surface de la pièce de chambre dans la X-direction positive comme décrit dans les étapes 2.1.1.2 et 2.1.1.3.
      2. Cliquez sur la fenêtre «Caractéristiques». Ensuite, cliquez sur "Cut Extruded" pour créer des canaux pour les tiges de fil d' insertion (figure 2E). Assurer la holes ne sont pas coupés à travers le composant de préhension.
  2. Dans un fichier CAO séparé, dessiner un moule étanche avec une cavité de longueur et de largeur qui sont 1 mm plus grandes que les dimensions extérieures du composant de chambre de la pince. Note: L'épaisseur de paroi est de 2,5 mm.
    1. Cliquez sur la fenêtre "Sketch" pour créer un rectangle sur le plan supérieur comme étapes décrites 2.1.1.2 et 2.1.1.3.
    2. Cliquez sur la fenêtre «Caractéristiques». Ensuite, cliquez sur "Patron Extruded / Base" fonction d'extruder contours sélectionnés dans la direction Y.
    3. Cliquez sur la face supérieure du modèle de présélectionner le plan d'esquisse. Dessinez un rectangle et définir les dimensions comme décrit dans les étapes 2.1.1.2 et 2.1.1.3).
    4. Cliquez sur la fenêtre «Caractéristiques». Ensuite, cliquez sur fonctionnalité "Cut Extruded" pour extruder couper une cavité pour le moulage des élastomères. Assurez-vous que l'épaisseur de paroi est de 2,5 mm.
  3. Enregistrer chaque pièce de moule sous forme de fichier .STL pour l'impression 3D. Chargez le fichier .STL dans l'imprimante 3D avec une résolution de 30 um et imprimer les pièces de moule 9.
  4. Retirez tout matériau de support sur les pièces de moule et laver les pièces du moule avec de l'eau.

3. Doux Simple / Double-actionnables Grippers Bras pneumatiques

  1. Molding composants pince-bras avec des canaux pneumatiques embarqués
    1. Insérez deux chambre-blocs 3D-imprimé sur le côté gauche et droit du composant de chambre (figure 3A) afin de générer une chambre étanche avec des canaux pneumatiques connectés.
    2. Insérer deux tiges de 1,5 mm de diamètre fil de titane à travers la chambre, en gardant une distance de 2 mm à partir des extrémités de la pince pour créer les canaux pneumatiques (figure 3A). Remarque: Utilisez une tige de fil pour la pince unique actionnable-bras.
    3. Verser le mélange dans le moule en élastomère pour remplir complètement l'élément de préhension.
    4. Assurez-vous qu'il n'y a pas de bulles d'air visibles présents.
    5. Place le moule dans un four pour durcir à 60 ° C pendant 10 min. Une fois élastomère est durci, retirer le moule du four.
  2. le composant de la chambre de moulage relié aux canaux pneumatiques
    1. Tirez les barres de fer et les deux chambre-blocs du moule.
    2. Placer un dispositif de saisie du bloc 3D-imprimé sur le dessus de l'élément de préhension afin de créer la chambre (figure 3B). Insérer les tiges de fil pour bloquer les trous dans la paroi du moule.
    3. Verser le mélange dans le moule en élastomère pour remplir la partie restante du composant de chambre et assurer qu'il n'y a pas de bulles d'air visibles piégés dans le moule.
    4. Durcir la pièce à une température de 60 ° C pendant 10 min. Retirer le moule du four une fois élastomère est durci.
    5. Retirer la pince-bloc et démouler la pince complètement durci avec la structure de la chambre.
  3. Sceller le composant de chambre remplie d'air
    1. Verser le mélange dans le moule en élastomère d'étanchéité etdurcir à 60 ° C pendant 10 min.
    2. Appliquer une couche de matériau élastomère sur la couche durcie de 2,5 mm d'étanchéité. Placer le dispositif de préhension avec la structure durcie de la chambre au - dessus de la couche de scellement enduite et lier ensemble les deux pièces (figure 3C).
    3. Par la suite, durcir complètement la structure entière à 60 ° C pendant 15 min.
    4. Démouler le dispositif complètement durci de préhension robotique douce.

4. Insertion de Soft Robotic pneumatique Gripper périphériques dans la manipulation d'outils

  1. Concevoir les outils de manutention tel que décrit dans le fichier supplémentaire 1 en utilisant un logiciel de CAO et de l'enregistrer dans le fichier .STL. Voir les figures 4 et 5 pour les dimensions des outils.
  2. Chargez le fichier .STL dans l'imprimante 3D et imprimer les pièces de moule 9.
    Remarque: Toutes les étapes d' impression pour l' outil manuel de manutention de commande, bouchon rectangulaire, et le piston mobile (figure 4) peuvent être remplis à moins de 3 h 48 min. Le prtemps Inting pour la fabrication de l'outil et le capuchon rectangulaire de manutention contrôle robotique (Figure 5) est de 1 h 56 min. Voir le fichier supplémentaire 2 pour 3D instructions d'utilisation de l'imprimante.
  3. Décoller tout matériau de support sur les outils après l'impression est terminée. Ensuite, lavez les outils avec de l'eau.
  4. Insérez la pince dans l'outil de manutention manuelle de commande (figure 4A) et couvrir la zone d'ouverture avec un bouchon rectangulaire mobile (figure 4B).
  5. Insérez un piston mobile (figure 4C) pour faciliter la compression de la chambre.
  6. Insérer le dispositif de préhension et de l' actionneur linéaire dans l'outil de manutention de commande de robot (figure 5A). Remarque: L'actionneur linéaire remplace le piston mobile en mode de contrôle manuel pour la compression de la chambre.
  7. Couvrir la zone d'ouverture avec un bouchon rectangulaire mobile (figure 5B).

5. Evaluations et Grip Test de compression

  1. Évaluerla fonctionnalité de la pince souple en effectuant des tests de préhension avec un fil de liaison.
    1. Placez un cavalier sur la table.
    2. Ajuster le dispositif de préhension de telle sorte que le fil se trouve entre les deux branches de la pince.
    3. Déplacer le piston mobile pour comprimer la chambre afin d'actionner les pinces pour tenir le fil.
      Remarque: Seul l'outil de manipulation de commande manuelle est utilisée dans la démonstration de préhension.
    4. Tenir et déplacer le fil à une boîte située à 20 cm de distance du lieu d'origine du fil.
  2. Placer une résistance de détection de force calibrée entre les deux mâchoires de la pince. Veiller à la mâchoire de préhension emprise sur la zone de détection. Remarque: Le diamètre de la zone de détection est de 14,7 mm.
  3. Comprimer la chambre pour actionner les bras de préhension pour saisir sur la résistance de détection de force.
  4. Mesurer les forces maximales poignée de compression que les mono-actionnable-bras et double-actionnable-bras préhenseurs pneumatiques souples pourraient générer , comme décrit dans 10.
    Remarque: Les valeurs de lecture seront affichées sur un ordinateur portable. Les forces maximales poignée de compression sont mesurées au point de pression maximale que les canaux pneumatiques peuvent résister.
  5. Découpez les différentes mâchoires de serrage en élastomère d'une double-actionnable-bras pince pneumatique doux.
  6. Insérez les pinces des conseils dans les canaux pneumatiques des mâchoires de serrage en élastomère.
  7. Placer une résistance de détection de force calibrée entre les deux mâchoires du forceps.
  8. Mesurer les forces de compression 10 générées par une pince et une pince élastomère revêtu au cours d' une chirurgie du nerf simulée menée par un neurochirurgien.
    Remarque: Le neurochirurgien applique une force qui est semblable à ce qu'il applique normalement au cours de la chirurgie réelle sur la résistance de détection de force.
  9. La moyenne des données obtenues à partir de cinq essais dans chaque test.

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Representative Results

Les dispositifs à pinces pneumatiques souples robotiques sont capables de ramasser des objets ayant des dimensions allant jusqu'à 1,2 mm de diamètre (figure 6). La poignée de la force de compression maximale générée par le bras pouvant être actionné à simple et double bras pouvant être actionné des dispositifs de préhension sont souples 0,27 ± 0,07 N et 0,79 N ± 0,14 respectivement, par rapport à 1,71 ± 0,16 ± 2,61 N et 0,22 N à des forces de compression une chirurgie simulée par le forceps enduits d'élastomère et par une pince non enrobés (figure 7). Les forces d'adhérence peuvent varier en fonction de la géométrie des organes de préhension et de la taille des canaux pneumatiques. Les propriétés du matériau de l'élastomère déterminera la pression maximale que les canaux pneumatiques peuvent supporter, qui à son tour aura une incidence sur les forces d'adhérence. La technique (figure 3) proposée démontre qu'une création à faible coût de pince pneumatique doux dans le temps de fabrication rapide est possible, und la fonctionnalité de ces préhenseurs a été évaluée dans cette étude. Selon la technique décrite, la fabrication de différents modèles de pinces pour diverses applications peut être réalisée par la conception de moules correspondants pour la coulée de l'élastomère.

Ces résultats montrent que de préhension conforme, sans introduction d'une contrainte excessive à l'objet enserré, est réalisable avec la technique de fabrication proposée. L'adaptabilité des bras de pince a permis aux bras souples pour se conformer au contour de la surface de l'objet. Cependant, il est nécessaire de veiller à ce que la sécurité de préhension ne soit pas compromise quand une poignée souple est obtenue. Une poignée qui est à la fois ferme et souple est essentielle pour saisir des applications en particulier en chirurgie. Le résultat peut être analysé plus en effectuant des essais de souris pilote pour évaluer la performance de la pince souple en tenant le nerf de la souris et d'examiner l'étendue des dommages faits au nerf quandle dispositif de préhension souple est utilisé par rapport au moment où les pinces sont utilisées.

Figure 1
Dessins Figure 1. CAO 2D des moules utilisés pour la fabrication de la structure supérieure des dispositifs souples en élastomère de préhension pneumatique robotiques: (A) double actionnable-bras, et (B) unique actionnable-bras (toutes les dimensions sont en mm). L'épaisseur de paroi est de 2,5 mm pour tous les moules. S'il vous plaît cliquer ici pour voir une version plus grande de cette figure.

Figure 2
Figure 2. Création du moule en CAD. (A) Extrusion couper une cavité pour le moulage des élastomères. (B) Créer un composant de chambre dans la moleré. (C) Créer une cavité pour le moulage des élastomères pour le composant de préhension. (D) Extrusion couper une connexion entre la chambre et le composant de préhension. (E) Extrusion coupé deux trous pour maintenir les tiges de fil pour créer des canaux pneumatiques. S'il vous plaît cliquer ici pour voir une version plus grande de cette figure.

Figure 3
Figure 3. Procédé de fabrication de la double-actionnable-bras pince pneumatique doux. (A) Placez deux chambre-blocs et insérer deux tiges de fil pour créer des canaux pneumatiques qui sont connectés à une chambre. Verser élastomère dans le moule et durcir complètement le composant de préhension. (B) Retirez les tiges métalliques et chambre-blocs et de mettre un pince-bloc sur le dessus de l'élément de préhension à creatchambre e. Verser l'élastomère dans le moule pour fabriquer le composant de chambre. (C) Bond , la structure de préhension et de 2,5 mm couche ensemble pour créer une chambre remplie d'air étanche. S'il vous plaît cliquer ici pour voir une version plus grande de cette figure.

Figure 4
Figure 4. dessins CAO en 2D des outils de manutention pour le mode de contrôle manuel pour faciliter la compression de la chambre (A) outil de manutention, (B) bouchon rectangulaire, et (C) piston mobile (toutes les dimensions sont en mm et l'échelle est de 2: 3. sauf indication contraire). S'il vous plaît cliquer ici pour voir une version plus grande de cette figure.


Figure 5. dessins CAO en 2D des outils de manutention pour le mode de commande robotique pour faciliter la compression de la chambre (A) outil de manutention, et (B) chapeau rectangulaire (toutes les dimensions sont en mm et l'échelle est de 2: 3 à moins d' indication).. S'il vous plaît cliquer sur ici pour voir une version plus grande de cette figure.

Figure 6
Figure 6. Évaluation de préhension tests des dispositifs de préhension proposés. Photographies de la douce robotique (A) unique actionnable-bras, puis double-actionnable-bras dispositifs de préhension pneumatique avant ( à gauche) (B) et sur ​​( à droite) saisir le fil de 1,2 mm de diamètre.


Forces Figure 7. Grip de compression générées par les deux dispositifs différents mous robotiques de pinces pneumatiques, et les deux pinces (enduits d'élastomère et non couché) en adhérence essai de compression. Une force de détection de résistance a été placée entre les deux mâchoires de la pince / pince et la pince / mâchoires de pince emprise sur la zone de détection dans chaque test. Les barres d'erreur représentent l'écart type.

Figure 8
8. dessins La figure 2D CAO des moules utilisés pour la fabrication de la structure supérieure du crochet robot préhenseur pneumatique doux. Le canal pneumatique est positionné plus près de la surface inférieure de l'élément de crochet de préhension et il va se courber vers le haut lors de la pressurisation.

Fichier supplémentaire 1. Conception des outils de manutention. Détails étapes sur la conception des outils de manutention impliqués dans le logiciel de CAO. S'il vous plaît cliquer ici pour télécharger ce fichier.

2. fichier imprimante 3D mode d' emploi supplémentaire. Ce mode d' emploi fournit des instructions d'utilisation de l'imprimante. S'il vous plaît cliquez ici pour télécharger ce fichier.

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Discussion

Nous avons réussi à démontrer que les dispositifs souples robotisés de préhension pneumatique permis de préhension conforme des objets, qui exercent des forces de compression beaucoup plus faibles sur le objet saisi que les pinces des conseils et des pinces enduits d'élastomère exercé. Forceps est un outil essentiel pour la manipulation des nerfs lors de réparation des nerfs périphériques chirurgies 11, 12. Cependant, sa structure métallique nécessaire une extrême prudence dans l' usage des chirurgiens afin de prévenir les lésions nerveuses causées par les forces de serrage excessives et les dommages accessoires aux tissus environnants. En fonction de la gravité des dommages, des complications diverses, allant des moins sévères ceux, comme la douleur, à ceux graves, tels que des caillots de sang et même une incapacité permanente, peuvent en résulter. Compte tenu de la nécessité de prévenir les dommages accidentels des tissus nerveux lors de la manipulation chirurgicale, nos résultats préliminaires indiquent que ces dispositifs souples de préhension pneumatiques robotiques sont des candidats potentiels appropriés pouren complément des pinces de courant au cours de la manipulation des tissus délicats en offrant la possibilité de réaliser l'adhérence conforme. L'élastomère à base de silicone utilisé dans la fabrication de la pince souple a un module de 0,8 x 10 5 Pa, ce qui est comparable à celles des muscles humains déformables mous et les tissus 13, 14. Par conséquent, il permettra de réduire les risques de détérioration des tissus par rapport d'Young à ses pinces rigides de contrepartie.

Toutes les étapes décrites, les étapes les plus critiques sont le positionnement des canaux pneumatiques dans la conception du moule, l'élimination des bulles d'air piégées avant le processus de durcissement, et l'étanchéité de la chambre à air. Les canaux pneumatiques ne doivent pas être placés trop près de la paroi externe de la pince afin d'empêcher l'actionneur de se rompre à des pressions basses. Les bulles d'air piégées doivent être éliminés avant le durcissement, car cela supprime les points de rupture potentiels, ce qui améliore les performances en fin de compte de la pince.La structure de la pince doit être bien collée à la couche d'étanchéité pour créer une chambre fermée qui est capable d'emmagasiner de l'air sans fuite.

Diverses techniques de fabrication ont également été proposés pour construire des micro-actionneurs souples pour saisir des applications 15-17. Par exemple, Lu & Kim 15 proposé un microhand fait avec trois étapes de processus de lithographie douce. Dans ce cas, le microhand est capable de manipuler des objets relativement petits, mais un cylindre d'azote comprimé externe est nécessaire pour son actionnement. Plus récemment, Rateni et al. 16 ont développé une pince souple de câble entraîné robotique où les doigts souples ont été faites par silicone coulée dans des moules 3D-imprimés. Au lieu d'avoir des canaux pneumatiques au milieu du bras de préhension, la pince robotique a été actionné par un servomoteur avec des câbles connectés au doigt. Breger et al. 17 a proposé un auto-pliage microgrippers souples fabriqués avec séquentielle photolithographie processus. Les schémas de processus et de contrôle de fabrication impliqués sont coûteux et complexes. D'autre part, le procédé de fabrication proposé est simple, peu coûteuse et peut être achevée en 4 heures, y compris le temps pour l'impression en 3D des moules et outils de manutention. La pince souple possède des propriétés fascinantes telles que le coût des composants bas, résistant à l'eau et non corrosif. La complexité minimale impliquée dans le contrôle de la pince souple a permis d'être utilisé dans diverses applications de préhension et être facilement adopté par les utilisateurs.

Le procédé de fabrication décrit dans cette étude intervient principalement la technologie d'impression 3-D et une approche basée sur la tige pour créer des canaux pneumatiques. Elle montre la possibilité de créer des conceptions de pinces personnalisables en faisant varier la conception du moule. Un crochet robot préhenseur pneumatique doux a été modifié en utilisant un moule avec un composant de crochet de préhension et une partie de la chambre (figure 8). Il a démontré que la pince de conception can être facilement modifié et fabriqué à faible coût. L'utilisation de la tige pour créer des canaux pneumatiques permettait la fabrication de pinces robotisées souples miniaturisés. Il a démontré que cette approche est appropriée pour la création de miniaturiser les robots souples afin d'empêcher l'occlusion des petits canaux pneumatiques pendant le processus de soudage effectué dans le procédé de fabrication classique de robots mous. Cependant, dans certains cas, lorsqu'un moule flambant neuf est d'abord utilisé pour la coulée de l'élastomère, la surface extérieure de la pince durci peut devenir collant. Dans ce cas, la pince doit être placée à l'intérieur du four pour un durcissement supplémentaire jusqu'à ce que l'adhésivité de la surface a disparu. En outre, il faut prendre soin d'assurer que l'étanchéité est bien et la paroi de fond de chambre n'a pas de bulles. On notera que la région dans laquelle il y a deux trous traversant la paroi, qui sont destinées à l'insertion des tiges de fil métallique, a une probabilité élevée de contenir des bulles d'air emprisonnées par rapport à l'autre regions. Une couche supplémentaire de matériau élastomère peut être appliqué à l'aide d'une brosse sur les bords de la couche d'étanchéité et la paroi de fond afin d'améliorer la robustesse de la pince.

La caractéristique unique de la technique proposée consiste à incorporer l'idée de l'impression d'un composant de chambre sur le moule pour créer une chambre remplie d'air pour l'actionnement. Le composant de chambre dans les dispositifs de préhension robotiques souples permet la poignée force de compression pour être contrôlé par la compression de la chambre. Par rapport aux sources d'air externes, tels que des pompes portatives, qui sont largement adoptés pour une utilisation pour les robots mous, le mode manuel de commande est réalisable avec la présence du composant de chambre. Il est particulièrement important pour la manipulation chirurgicale où les chirurgiens préfèrent être en mesure de réellement sentir et contrôler la quantité de force qu'ils appliquent. L'avantage du composant de chambre est qu'il a également permis le mode automatique de commande en incorporant une chaîne linéairel'actionneur dans les outils de manipulation. Par conséquent, à la fois le mode manuel et automatique de contrôle peut être effectué avec le composant de chambre reliée aux canaux pneumatiques pour l'actionnement. Ces bas prix détachables préhenseurs robotiques souples sont conçus pour un usage unique, ce qui signifie qu'il n'y a pas besoin de re-stérilisation pour une utilisation répétée. Les outils de manipulation sont stérilisables et les préhenseurs robotiques souples peuvent être insérés facilement avant la manipulation chirurgicale est effectuée. Les dessins de ces dispositifs souples de pinces chirurgicales pneumatiques permettent en outre l'inter-changement de conceptions différentes de l'appareil dans un outil de manipulation simple pour répondre aux exigences de préhension différentes.

Cependant, cette technique doit être considérée dans quelques limitations. Tout d'abord, deux procédures distinctes sont nécessaires pour fabriquer les éléments de préhension et les composants de la chambre pour relier les canaux pneumatiques et des composants de la chambre en même temps, et un procédé d'étanchéité est nécessaire pour la chambre. Bien que cela ne supprime laed des sources d'air extérieur, il augmente le temps pour la coulée des pinces robotisées souples. En second lieu, la pression maximale qui peut être appliquée aux canaux pneumatiques a été limitée par les propriétés de l'élastomère. les forces de compression plus importantes peuvent être générées en utilisant un élastomère plus rigide de renforcement ou de l'élastomère avec des fibres pour empêcher la rupture des canaux pneumatiques. Par exemple, des fibres de soie, qui sont largement utilisés en tant que matériau de suture chirurgicale ou échafaudages en raison de leur biocompatibilité et d' excellentes propriétés mécaniques, peuvent être utilisés pour renforcer les pinces souples 18. Dépend des différentes applications, élastomère avec une rigidité plus élevée est nécessaire pour assurer l'équilibre entre l'adhérence conforme et sécurisé. En outre, un organe de préhension conforme et surface de contact lisse de la pince proposée peut provoquer un glissement de se produire. Cependant, le contact souple, l'une des principales propriétés intrinsèques du caoutchouc de silicone, a permis à la pince de se conformer au contour de la surface de l'objet. nousestiment que cette capacité d'adaptation améliore indirectement la stabilité de préhension. Modification sur les poignées surfaces de contact, telles que l'incorporation de conception des dents dans la surface de contact, peut aider à fournir des poignées stables. Enfin, par rapport aux autres préhenseurs mous avec trois bras ou plus 15-17, les performances d'adhérence de la proposition de pince robotique à deux mâchoires en termes de stabilité sont moins favorables.

Cette technique est hautement évolutive, de sorte que divers préhenseurs robotiques souples allant de petite échelle, tels que des pinces chirurgicales, à grande échelle, tels que les pinces de la main dans les chaînes de montage industrielles, peuvent être fabriqués. En particulier, plusieurs préhenseurs peuvent être personnalisés en fonction de la conception des moules. Par exemple, une pince de nerf hybride qui combine à la fois le composant de préhension souple et rigide nerf crochet écarteur peut être proposé pour une utilisation dans la manipulation chirurgicale. Le composant de préhension douce est enfermé dans un boîtier rectangulaire et il gonflera près de la pointe area pour maintenir le nerf sur l'enrouleur de crochet lorsque la pression est appliquée sur le canal. Il aborde une limitation commune pour l'utilisation de mâchoires de préhension des mâchoires ont tendance à pousser les objets vers l'extérieur quand ils ferment, ce qui pose certaines difficultés à saisir. Il sera utile pour ramasser les nerfs et ensuite fournir une poignée conforme, alors que les pinces de mâchoires souples ne pouvaient poignée et ramasser des objets qui ne sont pas déjà en contact avec toutes les surfaces.

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Disclosures

Les auteurs n'ont rien à dévoiler.

Acknowledgments

La recherche a été soutenue par R-397-000-204-133 (Université nationale de Singapour Young Investigator Award de).

Materials

Name Company Catalog Number Comments
Weighing Scale Severin KW3667 (Step: Preparation of elastomers)
Ecoflex Supersoft 0030 Elastomer Smooth-On EF0030 (Step: Preparation of elastomers)
Planetary Centrifugal Mixer and Containers THINKY USA Inc. ARE-310 (Step: Preparation of elastomers)
Solidworks CAD Dassault Systèmes  Solidworks Research Subscription (Step: Soft single/double-actuatable arm pneumatic grippers)
Objet 3D Printer Stratasys 260 Connex2 (Step: Soft single/double-actuatable arm pneumatic grippers)
Titanium Wire Rods Titan Engineering N/A (Step: Soft single/double-actuatable arm pneumatic grippers)
Natural Convection Oven with Timer Thermo Fisher Scientific BIN#ED53 (Step: Soft single/double-actuatable arm pneumatic grippers)
Linear Actuator Firgelli Technologies L12 (Step: Insertion of soft robotic pneumatic gripper device into handling tool)
Jumper Wire sgbotic CAB-01146 (Step: Evaluations and grip compressive test)
Force Sensing Resistor Interlink Electronics FSR402 (Step: Evaluations and grip compressive test)

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References

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Fabrication à base de Rod personnalisables souples Robotic pneumatiques Dispositifs Gripper pour la manipulation des tissus Délicat
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Low, J. H., Yeow, C. H. Rod-based Fabrication of Customizable Soft Robotic Pneumatic Gripper Devices for Delicate Tissue Manipulation. J. Vis. Exp. (114), e54175, doi:10.3791/54175 (2016).

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