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JoVE Journal Bioengineering
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Bioengineering

Rod-basierte Herstellung von Anpassbare Weiche Robotic Pneumatic Gripper Geräte für empfindliche Gewebe Manipulation

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

Soft - Roboter haben große Forschungsinteresse in der Robotik - Community ausgelöst , und sie haben in verschiedenen funktionellen Aufgaben wie welligen Lokomotion in unstrukturierten Umgebungen 1 und Greif 2 verwendet. Sie werden hauptsächlich aus weichen elastomeren Materialien bestehen und durch verschiedene Betätigungsverfahren durch die Verwendung von verschiedenen Materialien , wie beispielsweise elektroaktives Polymer (EAP) gesteuert, Formgedächtnislegierung (SMA) oder komprimiertem Fluid 3. EAPs Funktion basiert auf einer Differenzspannung, die elektrostatischen Kräfte induziert aktive Stämme zu erzeugen, und erzeugt dadurch Betätigung. Die eigentümliche Formgedächtniseffekt des FGL wird eingesetzt, um die gewünschte Betätigung auf der Krafterzeugung während Phasenumwandlungen auf die Änderung der Temperatur zu generieren. Schließlich erleichtert das komprimierte Fluid Betätigungs Technik eine einfache Konstruktionsstrategie Steifigkeitsunterschied in den Weich Aktoren zu induzieren, so dass die nachgiebiger Regionen aufzublasenbei Druckbeaufschlagung. Soft-Roboter sind so konzipiert, die Anwendungen von herkömmlichen Fest Roboter, vor allem in Anwendungen zu erweitern, wo empfindliche Objekte beteiligt sind. Insbesondere in diesem Beitrag stellen wir unseren einzigartigen Ansatz in weichen Robotergreifer für empfindliche chirurgische Manipulation zu entwickeln.

Chirurgisches Greif ist ein wichtiger Aspekt bei vielen chirurgischen Prozeduren , wie beispielsweise Leber beteiligt, gynäkologische, urologische und Nervenreparatur Operationen 4, 5. Es wird in der Regel durch starr ausgeführt, Stahlgewebegreifwerkzeuge , wie beispielsweise die Pinzetten und laparoskopischen Greifer zum Zweck der Erleichterung Beobachtung, Exzision, Anastomose Verfahren usw. Allerdings ist extreme Vorsicht geboten , da die herkömmlichen Greifwerkzeuge aus Metall hergestellt sind, die eine hohe Spannungskonzentration Bereiche im Weichgewebe an den Kontaktpunkten 6 führen kann. Je nach Schwere der Gewebeschäden, verschiedene Komplikationen, wie Schmerzen, pathologische Narbengewebe formationen und sogar dauerhafte Behinderung führen kann. Eine frühere Studie berichtet , dass die Komplikationsrate bei peripheren Nervenchirurgie 3% 7 war. das Konzept der weichen Griff Daher die sicher konformen Grip kann, kann ein vielversprechender Kandidat für empfindliche chirurgische Manipulation sein.

Hier präsentieren wir eine Kombination aus 3D-Druck und modifizierte Softlithographie-Techniken, die einen Stab basierten Ansatz, anpassbare weiche Roboter pneumatische Greifer herzustellen. Traditionelle Herstellungstechnik von weichen Roboter basierend auf Druckfluid Betätigung erfordert eine Form mit pneumatischen Kanäle aufgedruckt und ein Versiegelungsverfahren die Kanäle 8 abzudichten. Allerdings ist es nicht möglich, für miniaturisierte weichen Roboter, die kleinen pneumatischen Kanäle benötigen, wo Okklusion von Kanälen leicht in den Siegelprozess passieren kann. Die traditionelle Technik erfordert die Abdichtung der Luftkanäle durch Verbinden einer beschichteten Siegelschicht, um es zu tun. Daher ist die layer aus Elastomermaterial, die zunächst dient als Bindeschicht in die winzigen Kanäle gelangen könnte und diese Kanäle verstopfen. Es ist auch nicht möglich, die Luftkanäle an der Mitte der Struktur zu positionieren und zu einer Kammer Komponente unter Verwendung herkömmlicher Techniken verbinden. Die vorgeschlagene Vorgehensweise ermöglicht die Schaffung von miniaturisierten pneumatischen Kanäle mit einer luftgefüllten Kammer Stäbe verwendet und nicht Abdichtung der winzigen Kanäle erfordern. Darüber hinaus dienen die Kammer mit den pneumatischen Kanäle als Luftquelle, die keine externe Luftquellen für komprimierte Fluid Betätigung erfordert. Es erlaubt sowohl die manuelle und Robotersteuerung Modi durch die Kammer Kompression Erleichterung der Greifkomponente zu betätigen, damit der Anwender die Möglichkeit, die Bereitstellung der Menge an Kraft zu steuern, dass sie durch den Greifer anwenden. Dieser Ansatz ist hochgradig anpassbar und verwendet werden, können verschiedene Arten von Weichgreifkonstruktionen wie Greifer mit Einzel- oder mu herzustellenltiple ansteuerbaren Arme.

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Protocol

Hinweis: Alle weichen pneumatischen Greifern wurden hergestellt, indem auf Silikonbasis Elastomermischungen in maßgeschneiderte 3D-Druckgussformen, die ein Herstellungsverfahren, das drei Schritte folgen: Formen Greifer-Arm-Komponenten mit eingebetteten pneumatischen Kanäle, Kammerkomponenten-Formen mit den pneumatischen Kanälen verbunden und Versiegeln des Kammerbauteils mit Luft gefüllt.

1. Herstellung von Elastomeren

  1. Einen Behälter für Mischer auf einer Waage stellen und tarieren. Pour Teile A und B des silikonbasierten Elastomers in dem Behälter mit einem 1: 1-Gewichtsverhältnis.
  2. Decken Sie den Behälter und messen das Gesamtgewicht.
  3. Stellen Sie den Behälter und Material in einen Zentrifugalmischers. Stellen Sie die Gewichtsbalance auf dem Mischer auf das Gewicht gemessen in Schritt 1.2.
  4. Stellen Sie die Misch- und Entlüftungsmoden zu 2.000 rpm und 2.200 rpm jeweils für 30 sec. Mischen Sie die Elastomerkomponenten gründlich einheitliche Härtung zu erreichen.
le "> 2. Mold Design und Produktion

Hinweis: Die Geometrie der Form variieren für verschiedene Anwendungen auf den spezifischen Anforderungen variieren. Die folgenden Schritte stellen allgemeine Schlüsselschritte in CAD-Software, die erforderlich sind, um die Kammer und Greiferkomponente der Form zu erstellen.

  1. Gestalten Sie die Formen und Versiegelungsform mit Computer-Aided Design (CAD) Software. Siehe Abbildung 1 für die Geometrie und die spezifischen Abmessungen der Formen in diesem Manuskript verwendet.
    1. Gestaltung der äußeren Begrenzungskasten
      1. Klicken Sie rechts auf der oberen Ebene und klicken Sie auf "Normal", um zur oberen Ebene zu normalisieren.
      2. Klicken Sie auf "Sketch" in der oberen linken Ecke ein "Sketch" Fenster zu öffnen. Dann klicken Sie auf den "Sketch" -Taste auf der linken oberen Ecke der Symbolleiste eine rechteckige Grundfläche von Kammerkomponenten zu ziehen.
      3. Klicken Sie auf das "Smart-Dimension" -Funktion, die neben der "Sketch" Taste befindet, zu definieren skEtch-Dimensionen. Stellen Sie sicher , dass die Skizze voll definiert ist (dh alle Zeichnungslinien schwarz werden) und die Skizze beenden , wenn Sie fertig.
      4. Klicken Sie auf "Eigenschaften" Fenster. Dann klicken Sie auf "Extruded Boss / Base" Feature ausgewählten Konturen in der Y-Richtung zu extrudieren.
      5. Klicken Sie auf die obere Oberfläche des Modells die Skizze Ebene vorgewählt. Skizzieren Sie ein Rechteck und definieren die Dimensionen wie in 2.1.1.2 und 2.1.1.3 beschrieben.
      6. Klicken Sie auf "Eigenschaften" Fenster. Dann klicken Sie auf "Extruded Cut" -Funktion , um einen Hohlraum zu extrudieren geschnitten zum Gießen Elastomere (2A). Stellen Sie sicher, dass die Wanddicke 2,5 mm ist.
    2. Design der inneren Kammer
      1. Klicken Sie rechts auf der Oberfläche, auf der Y-Richtung der Öffnungsfläche. Klicken Sie dann auf "Normal" auf die Oberfläche zu normalisieren.
      2. Als nächstes klicken Sie auf den "Sketch" Fenster ein Rechteck für Kammerkomponenten zu zeichnen, wie 2.1.1.2 in den Schritten und2.1.1.3.
      3. Klicken Sie auf "Eigenschaften" Fenster. Dann klicken Sie auf "Extruded Boss / Base" Funktion , um die Kammer Komponente in der Y-Richtung (2B) zu extrudieren.
        Hinweis: Die Tiefe des Schnitts in Schritt 2.1.1.6 beträgt 2,5 mm größer als dieser extrudierten Basis.
    3. Aufbau des Greifers Komponente
      1. Klicken Sie auf die Oberfläche des Modells in negativer X-Richtung, um die Skizzierebene für Greiferkomponente vorgewählt werden. Erstellen Sie ein Rechteck in der "Sketch" Fenster wie in den Schritten 2.1.1.2 und 2.1.1.3 beschrieben.
      2. Klicken Sie auf "Eigenschaften" Fenster. Dann klicken Sie auf "Extruded Boss / Base" Funktion, um die ausgewählte Kontur in negativer X-Richtung zu extrudieren.
      3. Klicken Sie auf die Oberseite des Greiferkomponente die Skizzierebene vorgewählt. Erstellen Sie eine Form der Greifer in der "Sketch" Fenster (Abbildung 2C) und die Skizze zu schließen , wenn die Dimensionen voll wie ein in den Schritten definiert ist 2.1.1.2d 2.1.1.3.
      4. Klicken Sie auf "Eigenschaften" Fenster. Dann klicken Sie auf "Extruded Cut" einen Hohlraum zu schneiden für Elastomere in der Greiferkomponente Gießen. Stellen Sie sicher, dass die Wanddicke 2,5 mm ist.
    4. Aufbau der Verbindung zwischen Kammer und Greifer
      1. Erstellen Sie ein Rechteck in der "Sketch" Fenster auf der Oberseite des Kammerstück wie in 2.1.1.2 und 2.1.1.3 beschrieben.
      2. Klicken Sie auf "Eigenschaften" Fenster. Dann klicken Sie auf "Extruded Cut" , um eine Verbindung zwischen der Kammer und Greiferkomponenten (2D) erstellen.
    5. Entwurf der pneumatischen Kanäle
      1. Erstellen 1,5 mm Durchmesser Kreise auf der Oberfläche der Kammer Stücks in der positiven X-Richtung, wie in den Schritten 2.1.1.2 und 2.1.1.3 beschrieben.
      2. Klicken Sie auf "Eigenschaften" Fenster. Dann klicken Sie auf "Extruded Cut" auf die Kanäle zum Einsetzen Drahtstäben erzeugen (Abbildung 2E). Stellen Sie sicher, das holes sind nicht durch die Greifkomponente geschnitten.
  2. In einem separaten CAD-Datei, zeichnen ein Versiegelungsform mit einem Hohlraum mit einer Länge und Breite, die mit 1 mm größer als die Außenabmessungen des Kammerbauteils des Greifers sind. Hinweis: Die Wandstärke 2,5 mm ist.
    1. Klicken Sie auf das "Sketch" Fenster ein Rechteck auf der oberen Ebene, wie beschrieben Schritte 2.1.1.2 und 2.1.1.3 zu erstellen.
    2. Klicken Sie auf "Eigenschaften" Fenster. Dann klicken Sie auf "Extruded Boss / Base" Feature ausgewählten Konturen in der Y-Richtung zu extrudieren.
    3. Klicken Sie auf die Oberseite des Modells die Skizze Ebene vorgewählt. Skizzieren Sie ein Rechteck und definieren die Dimensionen wie in den Schritten 2.1.1.2 und 2.1.1.3).
    4. Klicken Sie auf "Eigenschaften" Fenster. Dann klicken Sie auf "Extruded Cut" -Funktion, um einen Hohlraum zu extrudieren geschnitten Elastomere zum Gießen. Stellen Sie sicher, dass die Wanddicke 2,5 mm ist.
  3. Speichern Sie jede Form Stück als .STL--Datei für den 3D-Druck. Laden Sie die STL - Datei in den 3D - Drucker mit einer Auflösung von 30 um und drucken die Formstücke 9.
  4. Entfernen Sie alle Trägermaterial auf die Formstücke und waschen Sie die Formstücke mit Wasser.

3. Weiche Einzel / Doppel-ansteuerbaren Arm Pneumatische Greifer

  1. Molding Greifer-Arm-Komponenten mit integrierten pneumatischen Kanäle
    1. Einfügen zwei 3D-Druckkammer-Blöcke auf der linken und rechten Seite des Kammerbauteils (3A) , um eine abgedichtete Kammer mit Luftkanälen mit ihm verbunden zu erzeugen.
    2. Legen Sie zwei 1,5 mm-Durchmesser Titan Drahtstäbe durch die Kammer, eine 2 mm Abstand von den Greiferspitzen halten die Luftkanäle (3A) zu erstellen. Hinweis: Verwenden Sie eine Drahtstange für den einzelnen zu betätigende-Arm-Greifer.
    3. Gießen Sie die elastomere Mischung in die Form, um vollständig den Greifer Komponente zu füllen.
    4. Stellen Sie sicher, es gibt keine sichtbaren Luftblasen.
    5. Place die Form in den Ofen für 10 min bei 60 ° C gehärtet wird. Sobald Elastomer ausgehärtet ist, entfernen Sie die Form aus dem Ofen.
  2. Formkammerkomponenten zu den pneumatischen Kanälen verbunden
    1. Ziehen Sie die Drahtstäbe und die beiden Kammerblöcke aus der Form.
    2. Platzieren eines 3D-Druckgreiferblock auf der Oberseite des Greiferkomponente, um die Kammer (3B) zu erzeugen. Legen Sie die Drahtstäbe die Löcher in der Wand der Form zu blockieren.
    3. Gießen der elastomeren Mischung in die Form des verbleibenden Teils des Kammerbauteils zu füllen und sicherstellen, dass keine sichtbaren Luftblasen in der Form eingeschlossen ist.
    4. Härten des Teils bei einer Temperatur von 60 ° C für 10 min. Entfernen Sie die Form aus dem Ofen einmal Elastomer gehärtet wird.
    5. Entfernen Sie den Greifer-Block und Entformen der ausgehärteten Greifer mit Kammerstruktur.
  3. Die Abdichtung der Kammer Komponente mit Luft gefüllt
    1. Gießen Sie die elastomere Mischung in die Versiegelungsform undhärten bei 60 ° C für 10 min.
    2. Pinsel eine Schicht aus elastomerem Material auf der gehärteten 2,5 mm Siegelschicht. Legen Sie die gehärtete Greifer mit Kammerstruktur auf der Oberseite der beschichteten Siegelschicht und verbinden die beiden Teile zusammen (3C).
    3. Anschließend härten die gesamte Struktur vollständig bei 60 ° C für 15 min.
    4. Entformbar die vollständig weichen Robotergreifvorrichtung ausgehärtet.

4. Insertion von Soft-Robotic Pneumatische Greifvorrichtung in Handhabungswerkzeug

  1. Entwerfen Sie die Umgang mit Werkzeugen, wie in der Supplemental-Datei 1 CAD-Software beschrieben und speichern Sie es in .STL- Datei. Siehe 4 und 5 für die Abmessungen der Werkzeuge.
  2. Laden Sie die STL - Datei in dem 3D - Drucker und drucken die Formstücke 9.
    Hinweis: Alle Druckschritte für die manuelle Steuerung der Handhabung Werkzeug, rechteckige Kappe und beweglichen Kolben (Abbildung 4) kann innerhalb von 3 h 48 min abgeschlossen sein. Die Öffentlichkeitsarbeitinting Zeit für die Robotersteuerung Herstellung Handhabung Werkzeug und rechteckige Kappe (Abbildung 5) ist 1 h 56 min. Siehe Zusatzdatei 2 für 3D-Drucker-Betriebsanleitung.
  3. Ziehen Sie weg jedes Trägermaterial an den Werkzeugen, nachdem der Druck beendet ist. Dann waschen Sie die Werkzeuge mit Wasser.
  4. Setzen Sie den Greifer in die manuelle Steuerung Handhabungswerkzeug (4A) und decken den Öffnungsbereich mit einem beweglichen rechteckigen Kappe (4B).
  5. Legen Sie einen beweglichen Kolben (4C) Kammer Kompression zu erleichtern.
  6. Setzen Sie den Greifer und Linearantrieb in die Robotersteuerung Handhabungswerkzeug (5A). Hinweis: Der Linearantrieb ersetzt den beweglichen Kolben im Handbetrieb für Kammerkompression.
  7. Decken Sie die Öffnungsfläche mit einem beweglichen rechteckigen Kappe (5B).

5. Auswertungen und Grip Druckversuch

  1. Bewertendie Funktionalität des weichen Greifer durch Greifen Tests mit einem Überbrückungskabel durchführen.
    1. Legen Sie eine Drahtbrücke auf dem Tisch.
    2. Stellen Sie den Greifer so dass der Draht zwischen der beiden Greifarme.
    3. Bewegen Sie den beweglichen Kolben in die Kammer zu komprimieren, um die Greifarme zu betätigen, um den Draht zu halten.
      Hinweis: Nur die manuelle Steuerung Umgang mit Werkzeug in der Greif Demonstration verwendet wird.
    4. Halten und den Draht zu einem Kasten wegbewegen ursprünglichen Position bei 20 cm entfernt von Draht ist.
  2. Legen Sie eine kalibrierte Kraftmesswiderstand zwischen den beiden Backen des Greifers. Sicherstellen, dass die Greifbacken Griff auf den Erfassungsbereich. Hinweis: Der Durchmesser des Sensorfläche beträgt 14,7 mm.
  3. Komprimieren Sie die Kammer, um die Greifarme zu greifen auf die Kraftmesswiderstand zu betätigen.
  4. Messen Sie die maximale Griffigkeit Druckkräfte , dass die weiche Single-ansteuerbaren-Arm und doppelt ansteuerbaren-Arm pneumatische Greifer erzeugen könnte , wie in 10 beschrieben.
    Anmerkung: Die ausgelesenen Werte werden auf einem Laptop angezeigt werden. Die maximalen Grip Druckkräfte an dem Punkt der maximalen Druck gemessen, der die pneumatischen Kanäle standhalten können.
  5. Schneiden Sie die einzelnen elastomeren Greifbacken aus einem weichen Doppel ansteuerbaren-Arm pneumatische Greifer aus.
  6. Legen Sie die Zangenspitzen in die Luftkanäle der elastomeren Greifbacken.
  7. Legen Sie eine kalibrierte Kraftmesswiderstand zwischen den beiden Backen der Zange.
  8. Messen Sie die Druckkräfte 10 , die durch elastomerbeschichteten Pinzette und Zange während einer simulierten Nervenchirurgie von einem Neurochirurgen durchgeführt.
    Hinweis: Der Neurochirurg eine Kraft, die ähnlich ist, was er gilt normalerweise während der tatsächlichen Operation an dem Kraftmesswiderstand.
  9. Der Mittelwert der Daten aus fünf Studien in jedem Test erhalten.

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Representative Results

Die weichen Roboter pneumatischen Greifvorrichtungen waren in der Lage Aufnahme von Objekten mit Abmessungen von bis zu 1,2 mm Durchmesser (Abbildung 6). Die maximale Griffigkeit Druckkraft, die durch den Ein- ansteuerbaren-Arm und Double- ansteuerbaren-Arm weichen Greifeinrichtungen waren 0,27 ± 0,07 N und 0,79 ± 0,14 N bzw. im Vergleich zu 1,71 ± 0,16 N und 2,61 ± 0,22 N Druckkräfte in simulierte Operation durch die elastomerbeschichteten Pinzette und durch unbeschichtete Zange (Abbildung 7). Die Haftungskräfte können in Abhängigkeit von der Geometrie der Greifer variieren und die Größe der Luftkanäle. Die Materialeigenschaften des Elastomers den maximalen Druck bestimmen, dass die pneumatischen Kanäle standhalten können, was wiederum die Haftungskräfte beeinflussen. Die vorgeschlagene Technik (Figur 3) zeigt , dass eine kostengünstige Erzeugung von weichen pneumatischen Greifers in schnellen Herstellungszeit ist möglich, eined die Funktionalität solcher Greifer ist in dieser Studie untersucht. Verwendung der Technik beschrieben, die Herstellung von verschiedenen Greifer Designs für verschiedene Anwendungen können zum Gießen des Elastomers durch die Gestaltung entsprechender Formen durchgeführt werden.

Diese Ergebnisse zeigten, dass nachgiebigen Greif, ohne die Einführung einer übermäßigen Belastung auf das gegriffene Objekt, ist erreichbar mit der vorgeschlagenen Herstellungstechnik. Die Anpassungsfähigkeit der weichen Greifarme erlaubt die Arme an die Oberflächenkontur des Objektes anzupassen. Es ist jedoch notwendig, um sicherzustellen, dass das sichere Greifen nicht beeinträchtigt wird, wenn ein nachgiebiger Griff erreicht wird. Ein Griff, der sowohl das Unternehmen und gefällig ist, ist von wesentlicher Bedeutung für Anwendungen vor allem in der Chirurgie greifen. Das Ergebnis kann weitere Versuche durch Durchführung von Pilot Maus analysiert werden, um die Leistung von weichen Greifer zu bewerten in die Maus des Nerven halten und das Ausmaß der Schädigung des Nervs gemacht zu untersuchen, wennder weiche Greifer wird im Vergleich zu, wenn die Zange verwendet werden, verwendet.

Abbildung 1
Abbildung 1. 2D - CAD - Zeichnungen der Formen zur Herstellung der oberen Struktur der elastomeren weichen Roboter pneumatischen Greifvorrichtungen verwendet: (A) doppelt ansteuerbaren-Arm, und (B) ein- ansteuerbaren-Arm (alle Maße in mm). Die Wandstärke von 2,5 mm für alle Formen ist. Bitte klicken Sie hier , um eine größere Version dieser Figur zu sehen.

Figur 2
Abbildung 2. Erstellen der Form in CAD. (A) extrudieren geschnitten , um einen Hohlraum für Elastomere Gießen. (B) Erstellen Sie eine Kammer Komponente im Mold. (C) Erstellen Sie einen Hohlraum für Elastomere für Greiferkomponente Gießen. (D) extrudieren geschnitten , um eine Verbindung zwischen der Kammer und Greiferkomponente. (E) extrudieren schneiden Sie zwei Löcher für die Drahtstäbe halten pneumatischen Kanäle zu erstellen. Bitte hier klicken , um eine größere Version dieser Figur zu sehen.

Figur 3
Abbildung 3. Herstellungsprozess des weichen Doppel ansteuerbaren-Arm pneumatische Greifer. (A) Legen Sie zwei Kammer-Blöcke und legen Sie zwei Drahtstäben pneumatische Kanäle zu schaffen , die mit einer Kammer verbunden sind. Gießen Elastomer in die Form und vollständig die Greifkomponente heilen. (B) Entfernen Sie die Drahtstäbe und Kammer-Blöcke und legte einen Greifer-Block auf der Oberseite der Greifkomponente create Kammer. Gießen Elastomer in die Form, um die Kammerkomponenten zu machen. (C) Bond die Greiferstruktur und 2,5 mm Schicht zusammen eine abgedichtete luftgefüllte Kammer zu schaffen. Bitte hier klicken , um eine größere Version dieser Figur zu sehen.

Abbildung 4
Abbildung 4. 2D - CAD - Zeichnungen der Umgang mit Werkzeugen für Handbetrieb Kammer Kompression zu erleichtern (A) Handhabung Werkzeug, (B) rechteckige Kappe, und (C) beweglichen Kolben (alle Maße in mm und der Maßstab ist . 2: 3 es sei denn) angegeben. Bitte hier klicken , um eine größere Version dieser Figur zu sehen.


Abbildung 5. 2D - CAD - Zeichnungen der Umgang mit Werkzeugen für die Roboter - Steuerungsmodus Kammer Kompression zu erleichtern (A) Handhabung Werkzeug, und (B) rechteckige Kappe (alle Maße in mm und die Skala 2: 3 sofern nicht anders angegeben).. Bitte klicken hier , um eine größere Version dieser Figur sehen.

Figur 6
Abbildung 6. Auswertung von Greiftests der vorgeschlagenen Greifeinrichtungen. Fotografien des weichen Roboter (A) Single-ansteuerbaren-Arm, und (B) doppelt ansteuerbaren-Arm pneumatischen Greifeinrichtungen vor (links) und nach (rechts) der Greif 1,2 mm Durchmesser Draht.


Abbildung 7. Grip Druckkräfte durch die beiden unterschiedlichen weichen Roboter pneumatischen Greifvorrichtungen erzeugt wird , und die beiden (Elastomer-beschichtete und unbeschichtete) Zange in Griff Drucktest. Eine Kraft , Widerstand Abtasten zwischen den beiden Backen der Greifer / Pinzette platziert wurde und die Greifer / Zangenbacken Griff auf den Erfassungsbereich in jedem Test. Die Fehlerbalken stellen die Standardabweichung.

Abbildung 8
Abbildung 8. 2D - CAD - Zeichnungen der Formen zum Herstellen der oberen Struktur des weichen robotic hook pneumatischen Greifer eingesetzt. Der Pneumatikkanal näher an der Bodenfläche des Hakens Greifkomponente , und es wird nach oben biegt bei Druckbeaufschlagung.

Ergänzende Datei 1. Design der Umgang mit Werkzeugen. Stepwise Details über das Design der Umgang mit Werkzeugen in CAD ​​- Software beteiligt. Bitte hier klicken , um diese Datei herunterzuladen.

Ergänzende Datei 2. 3D - Drucker Benutzerhandbuch. Dieses Handbuch enthält Anweisungen für den Betrieb des Druckers. Bitte hier klicken , um diese Datei herunterzuladen.

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Discussion

Wir haben erfolgreich gezeigt, dass die weichen robotic pneumatischen Greifeinrichtungen nachgiebigen Greifen von Gegenständen erlaubt, die auf dem gegriffenen Gegenstand viel geringere Druckkräfte ausgeübt, als die elastomerbeschichteten Zangenspitzen und Zange ausgeübt wird. Zange ist ein wichtiges Instrument für die Nerven Manipulation während peripheren Nervenreparatur 11 Operationen, 12. Allerdings ist seine Metallstruktur von den Chirurgen , um in Gebrauch extreme Vorsicht erforderlich Nervenschäden zu verhindern , die durch übermäßige Greifkräfte verursacht und unbeabsichtigte Schäden an den umliegenden Geweben. Abhängig von der Schwere des Schadens, angefangen verschiedenen Komplikationen von den weniger schweren diejenigen, wie Schmerzen, schwere diejenigen, wie Blutgerinnsel und sogar dauerhafte Behinderung führen kann. Angesichts der Notwendigkeit zufälligen Beschädigung von Nervengewebe während chirurgischer Manipulation, unsere vorläufigen Ergebnisse zeigen, dass diese weichen Roboter pneumatischen Greifvorrichtungen sind mögliche geeignete Kandidaten zu verhindern, fürErgänzung Stromzange bei empfindlichen Gewebemanipulation durch die Fähigkeit konformen Griff zu erreichen bietet. Die silikonbasierten Elastomers bei der Herstellung des weichen Greifer verwendet wird, hat ein Elastizitätsmodul von 0,8 x 10 5 Pa, die mit denen von weichen deformierbaren menschlichen Muskeln vergleichbar ist und Gewebe 13, 14. Daher wird die Gefahr von Gewebeschäden zu reduzieren , im Vergleich mit seinem Gegenstück starren Greifer.

Aller Schritte beschrieben, sind die wichtigsten Schritte der Positionierung der pneumatischen Kanäle im Formenbau, Beseitigung der eingeschlossenen Luftblasen vor dem Prozess der Härtung, und die Abdichtung der Luftkammer. Die pneumatischen Kanäle sollten nicht zu nahe, um an der Außenwand des Greifers positioniert werden, um den Antrieb vom Zerreißen bei niedrigen Drücken zu vermeiden. Eventuell eingeschlossene Luftblasen sollte vor dem Aushärten, da dies eliminiert werden potentielle Fehlerquellen zu entfernen, wodurch letztlich die Leistungsfähigkeit des Greifers zu erhöhen.Die Greiferstruktur sollte gut mit der Dichtungsschicht verbunden werden, um eine geschlossene Kammer zu schaffen, die Luft zu speichern, ohne Leckage kann.

Verschiedene Herstellungstechniken haben auch weiche Mikroaktuatoren zu bauen zum Greifen Anwendungen 15-17 vorgeschlagen. Zum Beispiel Lu & Kim 15 vorgeschlagen , eine microhand mit drei Stufen von Weich - Lithographie - Prozess hergestellt. In diesem Fall ist die microhand Lage relativ kleine Objekte zu manipulieren, sondern eine externe Druckstickstoffzylinder ist für seine Betätigung erforderlich ist. In jüngerer Zeit, Rateni et al. 16 entwickelt wurden , hergestellt mit einem weichen Kabel gesteuerten Robotergreifer , wo die weichen Finger von Silikon in 3D-Druckgussformen. Statt pneumatischer Kanäle in der Mitte der Greifarm aufweist, wurde das Robotergreifer durch einen Servomotor mit Kabeln an den Finger angeschlossen betätigt. Breger et al. 17 vorgeschlagen , eine Selbst Falten weichen Mikrogreifer mit sequentieller photolithographischen pr gemachtocess. Die Herstellungsverfahren und Kontrollsysteme beteiligt sind teuer und komplex. Auf der anderen Seite ist die vorgeschlagene Herstellungsverfahren ist einfach, kostengünstig und kann innerhalb von 4 Stunden, einschließlich der Zeit für den 3D-Druck der Formen und Handhabungswerkzeugen durchgeführt werden. Der weiche Greifer besitzt faszinierende Eigenschaften wie geringe Bauteilkosten, wasserdicht und nicht korrosiv. Die minimale Komplexität beteiligt in den weichen Greifer Steuerung erlaubt es in verschiedenen Greifanwendungen verwendet werden und leicht von den Nutzern angenommen werden.

Das Herstellungsverfahren in dieser Studie beschriebenen hauptsächlich involviert die 3-D-Drucktechnik und eine Stange basierten Ansatz pneumatischen Kanäle zu schaffen. Es zeigt die Möglichkeit der Schaffung von anpassbaren Greifer Entwürfe durch das Formdesign variiert. Eine weiche Roboter pneumatische Greifer Haken wurde unter Verwendung einer modifizierten Form mit einem Hakengreifkomponente und einer Kammerkomponenten (Abbildung 8) hergestellt. Gezeigt, dass die Greiferkonstruktion can einfach bei geringen Kosten modifiziert und hergestellt werden. Der Einsatz des Stab pneumatischen Kanäle zu schaffen erlaubt die Herstellung von miniaturisierten weichen Robotergreifern. Gezeigt, dass dieser Ansatz für die Bildung der weichen Miniaturisieren Roboter geeignet ist, um Verstopfung der winzigen Luftkanäle während des Siegelvorgangs in herkömmlichen Herstellungsverfahren von weichen Roboter durchgeführt zu verhindern. Jedoch in einigen Fällen, wenn ein ganz neues Form ersten zum Gießen des Elastomers verwendet wird, kann die äußere Oberfläche des gehärteten Greifers klebrig werden. Wenn dies auftritt, sollte der Greifer im Inneren des Ofens für zusätzliche Aushärtung gebracht werden, bis der Klebrigkeit der Oberfläche verschwunden ist. Außerdem sollte darauf geachtet werden, sicherzustellen, dass die Dichtungs gut ist und die untere Kammerwand Blasen nicht aufweist. Man beachte, dass der Bereich, in dem es zwei Löcher durch die Wand vorbei, die zum Einsetzen der Drahtstäbe vorgesehen sind, eine höhere Wahrscheinlichkeit enthält, eingeschlossene Luftblasen zu dem anderen reg verglichen hatIonen. Eine zusätzliche Schicht aus elastomerem Material kann mit einer Bürste auf die Ränder der Dichtungsschicht und der Bodenwand, um die Robustheit des Greifers zu verbessern, angewendet werden.

Die Besonderheit der vorgeschlagenen Technik ist es die Idee der Druck eines Kammerbauteils auf der Form zu übernehmen eine luftgefüllte Kammer zur Betätigung zu schaffen. Die Kammerkomponente in den weichen Robotergreifvorrichtungen ermöglicht es dem Griff Druckkraft durch die Kompression der Kammer gesteuert werden. Im Vergleich zu externen Luftquellen, wie beispielsweise tragbare Pumpen, die zur Verwendung weithin angenommen werden für die weichen Roboter, Handbetrieb der Steuerung ist mit dem Vorhandensein des Kammerbauteils erreicht werden. Es ist besonders wichtig für die chirurgische Manipulation, wo die Chirurgen tatsächlich in der Lage sein es vorziehen, zu fühlen und den Betrag der Kraft steuern, die sie anwenden. Der Vorteil des Kammerbauteils ist, dass es auch die automatische Steuermodus durch Einarbeiten eines linearen erlaubtStellantrieb in die Handhabungswerkzeuge. Daher sind sowohl die manuelle als auch automatische Steuermodus kann mit der Kammerkomponenten zu den pneumatischen Kanälen zur Betätigung verbunden erfolgen. Diese kostengünstigen abnehmbaren weichen Robotergreifern für den einmaligen Gebrauch ausgelegt, was bedeutet, dass es keine Notwendigkeit einer erneuten Sterilisierung für eine wiederholte Verwendung. Die Handhabung Werkzeuge sind sterilisierbar und die weichen Robotergreifer können leicht eingefügt werden, bevor die chirurgische Manipulation durchgeführt wird. Die Entwürfe dieser weiche pneumatische chirurgische Greifeinrichtungen ermöglichen ferner die Inter Wechsel der verschiedenen Gerätedesigns in einem einzigen Handhabungswerkzeug unterschiedliche Greif Anforderungen anpassen.

Jedoch benötigt diese Technik in einigen Einschränkungen betrachtet werden. Zunächst werden zwei separate Verfahren notwendig, um die Greifteile und die Kammerkomponenten zur Herstellung der pneumatischen Kanäle und Kammerbauteil miteinander zu verbinden, und ein Dichtungsverfahren wird für die Kammer erforderlich. Obwohl entfernt es die need externe Luftquellen, erhöht sich die Zeit, um die weichen Robotergreifern in Gießens. Zweitens ist der maximale Druck, der auf die pneumatischen Kanäle angewendet werden kann, wurde durch die Elastomereigenschaften begrenzt. Größere Druckkräfte können durch die Verwendung eines steiferen Elastomer oder Verstärkung des Elastomers mit Fasern erzeugt werden, um den Bruch der pneumatischen Kanäle zu verhindern. Zum Beispiel Seidenfasern, die als chirurgisches Nahtmaterial oder Gerüste aufgrund ihrer Biokompatibilität und hervorragenden mechanischen Eigenschaften weit verbreitet verwendet werden, können verwendet werden , um die Weich Greifern 18 zu verstärken. Abhängig von den verschiedenen Anwendungen, Elastomer mit höherer Steifigkeit erforderlich, um die Balance zwischen konformen und sicheren Halt zu gewährleisten. Zusätzlich kann eine nachgiebige Greif- und glatte Kontaktfläche des Greifers vorgeschlagen verursachen Schlupf auftritt. Jedoch anpassungs Kontakt, einer der Schlüssel intrinsischen Eigenschaften von Silikonkautschuk, erlaubt der Greifer an die Oberflächenkontur des Objektes anzupassen. Wirglauben, dass diese Anpassungsfähigkeit indirekt die Stabilität des Greif verbessert. Modifikation an den Griffkontaktflächen, wie beispielsweise Zähne Design in die Kontaktfläche enthält, kann bei der Bereitstellung von stabilen Griffen unterstützen. Schließlich ist , wie im Vergleich zu anderen weichen Greifer mit drei oder mehr Arme 15-17, die Griff Leistungen der vorgeschlagenen Zwei jawed Robotergreifer in Bezug auf die Stabilität sind weniger günstig.

Diese Technik ist hoch skalierbar, wodurch verschiedene weiche Robotergreifern von kleinen Maßstab, wie chirurgische Greifer hin, um in großem Maßstab, wie Hand Greifern in industriellen Fertigungslinien können, hergestellt werden. Insbesondere können verschiedene Greifer auf die Gestaltung der Formen angepasst werden. Zum Beispiel kann ein Hybrid-Nerven Greifer, die sowohl das weiche Griffteil und einen starren Hakennerven Retraktor zur Verwendung kann vorgeschlagen werden, in der chirurgischen Manipulation kombiniert. Die weiche Greifkomponente ist in einem rechteckigen Gehäuse eingeschlossen, und es wird in der Nähe der Spitze ar aufzublasenea zum Halten der Nerv auf dem Aufroller Haken, wenn Druck auf den Kanal angewendet wird. Es befasst sich eine gemeinsame Begrenzung für die Verwendung von Backen Greifer als die Backen Objekte neigen dazu, nach außen zu drücken, wenn sie schließen, die beim Greifen gewisse Schwierigkeit darstellt. Es wird nützlich sein, um die Nerven zu schöpfen und dann einen kompatiblen Grip, während die weiche Backen Greifer konnte nur greifen und Gegenstände aufnehmen, die mit irgendwelchen Oberflächen nicht bereits in Kontakt stehen.

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Disclosures

Die Autoren haben nichts zu offenbaren.

Acknowledgments

Die Forschung wurde von R-397-000-204-133 unterstützt (National University of Singapore Young Investigator Award).

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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Rod-basierte Herstellung von Anpassbare Weiche Robotic Pneumatic Gripper Geräte für empfindliche Gewebe Manipulation
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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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