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Bioengineering

नाजुक ऊतक हेरफेर के लिए अनुकूलन नरम रोबोट वायवीय ग्रिपर उपकरणों की रॉड आधारित निर्माण

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

शीतल रोबोट रोबोटिक्स समुदाय के भीतर महान अनुसंधान ब्याज खड़ा किया है और वे इस तरह असंरचित वातावरण 1 और 2 मनोरंजक में undulatory हरकत के रूप में विभिन्न कार्यात्मक कार्य में इस्तेमाल किया गया है। वे मुख्य रूप से नरम elastomeric सामग्री से बना है और इस तरह के electroactive बहुलक (ईएपी), आकार स्मृति मिश्र धातु (SMA), या संकुचित तरल पदार्थ 3 के रूप में विभिन्न सामग्रियों के उपयोग के माध्यम से विभिन्न प्रवर्तन तकनीकों के द्वारा नियंत्रित होते हैं। EAPs समारोह में एक अंतर वोल्टेज इलेक्ट्रोस्टैटिक बलों सक्रिय उपभेदों का उत्पादन करने के लिए और इस तरह प्रवर्तन उत्पन्न लाती है उस पर आधारित है। SMAS की अजीब आकार स्मृति प्रभाव के तापमान में परिवर्तन पर परिवर्तनों चरण के दौरान बल पीढ़ी के आधार पर वांछित प्रवर्तन उत्पन्न करने के लिए तैनात किया गया है। अन्त में, संकुचित तरल पदार्थ प्रवर्तन तकनीक एक साधारण डिजाइन रणनीति नरम actuators में कठोरता अंतर के लिए प्रेरित करने की सुविधा है, कि इस तरह के अधिक आज्ञाकारी क्षेत्रों बढ़ जाएगादबाव पर। शीतल रोबोट, पारंपरिक हार्ड रोबोट के आवेदनों को व्यापक करने के लिए तैयार कर रहे हैं विशेष रूप से जहां नाजुक वस्तुओं शामिल कर रहे हैं अनुप्रयोगों में। विशेष रूप से, इस पत्र में, हम नाजुक शल्य हेरफेर के लिए मुलायम रोबोट grippers को विकसित करने में हमारी अद्वितीय दृष्टिकोण प्रस्तुत करते हैं।

सर्जिकल मनोरंजक एक महत्वपूर्ण इस तरह के यकृत, स्त्री रोग, मूत्र संबंधी, और तंत्रिका मरम्मत सर्जरी 4, 5 के रूप में कई शल्य चिकित्सा प्रक्रियाओं में शामिल पहलू है। यह आम तौर पर इस तरह के संदंश और सुविधाजनक बनाने के उद्देश्य के लिए लेप्रोस्कोपिक graspers के रूप में कठोर, इस्पात ऊतक मनोरंजक उपकरण द्वारा किया जाता है अवलोकन, छांटना, सम्मिलन प्रक्रियाओं, आदि हालांकि, अत्यधिक सावधानी के रूप में पारंपरिक मनोरंजक उपकरण धातु संपर्क 6 के अंक में मुलायम ऊतकों में उच्च तनाव एकाग्रता क्षेत्रों का कारण हो सकता है कि के बने होते हैं की आवश्यकता है। ऊतक के नुकसान की गंभीरता पर निर्भर करता है, इस तरह के दर्द के रूप में विभिन्न जटिलताओं, रोग निशान ऊतक चormation, और यहां तक ​​कि स्थायी विकलांगता, परिणाम हो सकता है। एक पूर्व अध्ययन की रिपोर्ट है कि परिधीय तंत्रिका सर्जरी में जटिलता दर 3% 7 था। इसलिए, मुलायम मनोरंजक की अवधारणा है कि सुरक्षित अनुरूप पकड़ प्रदान कर सकते हैं नाजुक शल्य हेरफेर के लिए एक आशाजनक उम्मीदवार हो सकता है।

यहाँ, हम 3 डी प्रिंटिंग और संशोधित नरम लिथोग्राफी तकनीक है, जो एक छड़ी आधारित दृष्टिकोण अपनाया, अनुकूलन नरम रोबोट वायवीय grippers निर्माण करने के लिए का एक संयोजन प्रस्तुत करते हैं। संकुचित तरल पदार्थ प्रवर्तन के आधार पर नरम रोबोट की पारंपरिक निर्माण तकनीक इसे और एक सीलिंग प्रक्रिया पर मुद्रित चैनलों 8 सील करने के लिए साँस चैनल के साथ एक फफूंदी की आवश्यकता है। हालांकि, यह छोटी मुलायम रोबोट जो छोटे वायवीय चैनलों जहां चैनलों का रोड़ा आसानी से सीलिंग प्रक्रिया में भी हो सकता है की जरूरत के लिए संभव नहीं है। पारंपरिक तकनीक वायवीय चैनलों की सील करने के लिए यह एक लेपित सील परत संबंध के द्वारा किया जा करने के लिए की आवश्यकता है। इसलिए, Laelastomeric सामग्री के yer जो शुरू में कार्य करता है के रूप में एक संबंध परत छोटे चैनलों में फैल और उन चैनलों को रोक देना सकता है। यह भी संरचना के बीच में साँस चैनलों की स्थिति और परम्परागत तकनीकों का उपयोग करते हुए एक कक्ष घटक को कनेक्ट करने के लिए संभव नहीं है। प्रस्तावित दृष्टिकोण छोटी वायवीय एक हवा से भरे कक्ष का उपयोग छड़ से जुड़े चैनलों के निर्माण के लिए अनुमति देता है और छोटे चैनलों की सीलिंग की आवश्यकता नहीं है। इसके अलावा, चैम्बर वायवीय चैनलों से जुड़े एक एयर स्रोत है जो संकुचित तरल पदार्थ प्रवर्तन के लिए बाहरी हवा स्रोतों की आवश्यकता नहीं है के रूप में सेवा करते हैं। यह दोनों मैनुअल और मनोरंजक घटक उकसाना चैम्बर संपीड़न की सुविधा है, जिससे उन बल की राशि है कि वे ग्रिपर के माध्यम से आवेदन कर रहे हैं को नियंत्रित करने का विकल्प प्रदान करके रोबोट नियंत्रण मोड की अनुमति देता है। यह दृष्टिकोण अत्यधिक प्रचलित है और इस तरह के एक या म्यू साथ grippers के रूप में मुलायम ग्रिपर डिजाइनों के विभिन्न प्रकार के निर्माण करने के लिए इस्तेमाल किया जा सकताactuatable हथियार LTIPLE।

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Protocol

नोट:, मोल्डिंग एम्बेडेड वायवीय चैनलों के साथ ग्रिपर हाथ के घटकों मोल्डिंग वायवीय चैनलों से जुड़े चैम्बर घटक: सभी नरम वायवीय grippers अनुकूलित 3 डी-मुद्रित नए नए साँचे, जो तीन चरणों जिसमें एक निर्माण की प्रक्रिया के बाद में सिलिकॉन आधारित elastomeric मिश्रण कास्टिंग द्वारा गढ़े गए थे और हवा से भर चैम्बर घटक सील।

1. elastomers की तैयारी

  1. मिक्सर के लिए एक कंटेनर एक वजन पैमाने पर रखें और यह मरोड़ा। भागों एक डालो और एक 1 के साथ कंटेनर में सिलिकॉन आधारित elastomer के बी: 1 वजन अनुपात।
  2. कंटेनर कवर और कुल वजन को मापने।
  3. कंटेनर और सामग्री एक केन्द्रापसारक मिक्सर में रखें। वजन 1.2 चरण में मापा को मिक्सर पर वजन संतुलन को समायोजित करें।
  4. 30 सेकंड के लिए क्रमश: 2,000 और 2,200 आरपीएम rpm के लिए मिश्रण और de-वातन मोड सेट करें। अच्छी तरह से इलास्टोमेर घटकों का मिश्रण वर्दी इलाज प्राप्त करने के लिए।
Le "> 2। मोल्ड डिजाइन और उत्पादन

नोट: मोल्ड के ज्यामिति विभिन्न अनुप्रयोगों के लिए विशिष्ट आवश्यकताओं के आधार पर अलग अलग होंगे। निम्नलिखित कदम सीएडी सॉफ्टवेयर में सामान्य महत्वपूर्ण कदम है कि मोल्ड के चैम्बर और ग्रिपर घटक बनाने के लिए आवश्यक हैं दर्शाते हैं।

  1. नए नए साँचे और सील ढालना कंप्यूटर एडेड डिजाइन (सीएडी) सॉफ्टवेयर का उपयोग कर डिजाइन। इस पांडुलिपि में इस्तेमाल किया molds की ज्यामिति और विशिष्ट आयाम के लिए चित्रा 1 देखें।
    1. बाहरी सीमा बॉक्स के डिजाइन
      1. शीर्ष विमान पर राइट क्लिक करें और बटन "सामान्य" पर क्लिक करें शीर्ष विमान को सामान्य करने के लिए।
      2. एक 'स्केच' विंडो खोलने के लिए ऊपरी बाएं कोने पर "स्केच" पर क्लिक करें। फिर, चैम्बर घटक के एक आयताकार आधार आकर्षित करने के लिए उपकरण पट्टी के ऊपरी बाएँ कोने पर "स्केच" बटन पर क्लिक करें।
      3. "स्मार्ट आयाम" सुविधा है, जो "स्केच" बटन के बगल में स्थित है पर क्लिक करें, एसके परिभाषित करने के लिएखोदना आयाम। सुनिश्चित करें कि स्केच पूरी तरह से परिभाषित किया गया है (यानी, सभी ड्राइंग लाइनों काले हो जाते हैं) और जब किया स्केच से बाहर निकलें।
      4. "सुविधाएँ" खिड़की पर क्लिक करें। तो फिर, वाई-दिशा में चयन की आकृति बाहर निकालना "Extruded बॉस / बेस" सुविधा पर क्लिक करें।
      5. मॉडल के ऊपर की सतह पर क्लिक करें स्केच विमान पहिले से चयन करने के लिए। एक आयत स्केच और 2.1.1.2 और 2.1.1.3 में वर्णित के रूप आयामों को परिभाषित।
      6. "सुविधाएँ" खिड़की पर क्लिक करें। फिर, elastomers कास्टिंग (2A चित्रा) के लिए एक गुहा में कटौती करने के लिए बाहर निकालना "Extruded कट" सुविधा पर क्लिक करें। सुनिश्चित करें कि दीवार मोटाई 2.5 मिमी है।
    2. भीतरी कक्ष का डिजाइन
      1. उद्घाटन क्षेत्र के वाई-दिशा पर सतह पर राइट क्लिक करें। फिर, कि सतह को सामान्य करने के लिए "सामान्य" पर क्लिक करें।
      2. अगले, कदम 2.1.1.2 और में वर्णित के रूप में चैम्बर घटक के लिए एक आयत आकर्षित करने के लिए 'स्केच' खिड़की पर क्लिक करें2.1.1.3।
      3. "सुविधाएँ" खिड़की पर क्लिक करें। तो फिर, वाई-दिशा (चित्रा 2 बी) में चैम्बर घटक बाहर निकालना "Extruded बॉस / बेस" सुविधा पर क्लिक करें।
        नोट: कदम 2.1.1.6 में कटौती की गहराई 2.5 मिमी इस extruded आधार से बड़ा है।
    3. ग्रिपर घटक के डिजाइन
      1. नकारात्मक एक्स-दिशा में मॉडल की सतह पर क्लिक करें ग्रिपर घटक के लिए स्केच विमान पहिले से चयन करने के लिए। कदम 2.1.1.2 और 2.1.1.3 में वर्णित के रूप में "स्केच" खिड़की में एक आयत बनाएँ।
      2. "सुविधाएँ" खिड़की पर क्लिक करें। फिर, नकारात्मक एक्स-दिशा में चयन समोच्च बाहर निकालना "Extruded बॉस / बेस" सुविधा पर क्लिक करें।
      3. ग्रिपर घटक के ऊपर की सतह पर क्लिक करें स्केच विमान पहिले से चयन करने के लिए। "स्केच" खिड़की (चित्रा -2) में ग्रिपर के आकार बनाने के लिए और बाहर निकलने के स्केच जब आयाम पूरी तरह से परिभाषित किया गया है के रूप में एक 2.1.1.2 चरणों में वर्णितडी 2.1.1.3।
      4. "सुविधाएँ" खिड़की पर क्लिक करें। फिर, ग्रिपर घटक में elastomers ढलाई के लिए एक गुहा में कटौती करने पर "Extruded कट" पर क्लिक करें। सुनिश्चित करें कि दीवार मोटाई 2.5 मिमी है।
    4. चैम्बर और ग्रिपर के बीच संबंध का डिजाइन
      1. चैम्बर टुकड़ा 2.1.1.2 और 2.1.1.3 के रूप में वर्णित के ऊपर की सतह पर 'स्केच' खिड़की में एक आयत बनाएँ।
      2. "सुविधाएँ" खिड़की पर क्लिक करें। फिर, कक्ष और ग्रिपर घटकों (चित्रा 2 डी) के बीच एक संबंध बनाने के लिए पर "Extruded कट" पर क्लिक करें।
    5. वायवीय चैनलों की डिजाइन
      1. कदम 2.1.1.2 और 2.1.1.3 में वर्णित के रूप में सकारात्मक एक्स-दिशा में चैम्बर टुकड़ा की सतह पर 1.5 मिमी व्यास हलकों बनाएँ।
      2. "सुविधाएँ" खिड़की पर क्लिक करें। फिर, तार छड़ प्रविष्टि (चित्रा 2 ई) के लिए चैनल बनाने के लिए पर "Extruded कट" पर क्लिक करें। Hol सुनिश्चित करेंतों ग्रिपर घटक के माध्यम से कटौती नहीं कर रहे हैं।
  2. एक अलग सीएडी फ़ाइल में, लंबाई और चौड़ाई का एक गुहा के साथ एक सील ढालना है कि 1 मिमी ग्रिपर के चैंबर घटक के बाहरी आयामों से बड़े होते हैं आकर्षित। नोट: दीवार मोटाई 2.5 मिमी है।
    1. वर्णित चरणों 2.1.1.2 और 2.1.1.3 के रूप में शीर्ष पर विमान की एक आयत बनाने के लिए "स्केच" खिड़की पर क्लिक करें।
    2. "सुविधाएँ" खिड़की पर क्लिक करें। तो फिर, वाई-दिशा में चयन की आकृति बाहर निकालना "Extruded बॉस / बेस" सुविधा पर क्लिक करें।
    3. मॉडल के शीर्ष चेहरे पर क्लिक करें स्केच विमान पहिले से चयन करने के लिए। एक आयत स्केच और कदम 2.1.1.2 और 2.1.1.3) में वर्णित के रूप में आयामों को परिभाषित।
    4. "सुविधाएँ" खिड़की पर क्लिक करें। फिर, elastomers ढलाई के लिए एक गुहा में कटौती करने के लिए बाहर निकालना "Extruded कट" सुविधा पर क्लिक करें। सुनिश्चित करें कि दीवार मोटाई 2.5 मिमी है।
  3. 3 डी मुद्रण के लिए एक .STL फ़ाइल के रूप में प्रत्येक ढालना टुकड़ा बचाओ। 30 माइक्रोन के संकल्प के साथ 3 डी प्रिंटर में .STL फाइल लोड और ढालना टुकड़े 9 प्रिंट।
  4. ढालना टुकड़े पर किसी भी समर्थन सामग्री हटाने और पानी के साथ ढालना टुकड़े धो लें।

3. शीतल सिंगल / डबल-actuatable शाखा वायवीय Grippers

  1. एम्बेडेड वायवीय चैनलों के साथ ग्रिपर हाथ के घटकों मोल्डिंग
    1. आदेश में इससे जुड़े वायवीय चैनलों के साथ एक सील कक्ष उत्पन्न करने में दो 3 डी-मुद्रित छोड़ दिया और चैम्बर घटक (चित्रा 3 ए) के सही पक्ष पर चैम्बर ब्लॉक डालें।
    2. कक्ष के माध्यम से दो 1.5 मिमी व्यास टाइटेनियम तार छड़ डालें, ग्रिपर सुझावों से एक 2 मिमी दूरी रखने वायवीय चैनल (चित्रा 3 ए) बनाने के लिए। नोट: एकल actuatable हाथ ग्रिपर के लिए एक वायर रॉड का प्रयोग करें।
    3. मोल्ड में elastomeric मिश्रण डालो पूरी तरह से ग्रिपर घटक को भरने के लिए।
    4. सुनिश्चित नहीं दिखाई हवाई बुलबुले मौजूद नहीं है।
    5. Placई 10 मिनट के लिए 60 डिग्री सेल्सियस पर इलाज के लिए ओवन में ढालना। एक बार जब इलास्टोमेर ठीक हो जाता है, ओवन से मोल्ड को हटा दें।
  2. मोल्डिंग चैम्बर घटक वायवीय चैनलों से जुड़े
    1. मोल्ड से बाहर तार छड़ और दो कक्ष ब्लॉक खींचो।
    2. ग्रिपर घटक के शीर्ष पर एक 3 डी-मुद्रित ग्रिपर-ब्लॉक आदेश कक्ष (चित्रा 3 बी) बनाने के लिए रखें। मोल्ड की दीवार में छेद ब्लॉक करने के लिए तार छड़ डालें।
    3. मोल्ड में elastomeric मिश्रण डालो चैंबर घटक के शेष भाग को भरने के लिए और यह सुनिश्चित वहाँ नहीं दिखाई हवा के बुलबुले के सांचे में फंस गया है करने के लिए।
    4. 10 मिनट के लिए 60 डिग्री सेल्सियस के तापमान पर हिस्सा इलाज। ओवन से मोल्ड निकालें एक बार इलास्टोमेर ठीक हो जाता है।
    5. ग्रिपर-ब्लॉक निकालें और चैम्बर संरचना के साथ पूरी तरह से ठीक ग्रिपर demold।
  3. हवा से भर चैम्बर घटक सील
    1. सील मोल्ड में elastomeric मिश्रण डालो और10 मिनट के लिए 60 डिग्री सेल्सियस पर इसे इलाज।
    2. elastomeric सामग्री की एक परत ब्रश ठीक 2.5 मिमी सील परत पर। लेपित सील परत के शीर्ष पर चैम्बर संरचना के साथ ठीक हो ग्रिपर की जगह और एक साथ दो टुकड़े बॉन्ड (चित्रा 3 सी)।
    3. इसके बाद 15 मिनट के लिए 60 डिग्री सेल्सियस पर पूरी तरह से पूरे ढांचे को इलाज।
    4. पूरी तरह से ठीक नरम रोबोट ग्रिपर डिवाइस Demold।

हैंडलिंग उपकरण में शीतल रोबोट वायवीय ग्रिपर डिवाइस 4. निवेशन

  1. पूरक फ़ाइल 1 सीएडी सॉफ्टवेयर का उपयोग कर के रूप में वर्णित हैंडलिंग उपकरणों के डिजाइन और .STL फाइल में इसे बचाने के लिए। उपकरण के आयामों के लिए आंकड़े 4 और 5 देखें।
  2. 3 डी प्रिंटर में .STL फाइल लोड और ढालना टुकड़े 9 प्रिंट।
    नोट: मैनुअल नियंत्रण से निपटने के उपकरण, आयताकार टोपी, और चल पिस्टन (चित्रा 4) के लिए सभी कदम मुद्रण 3 घंटा 48 मिनट के भीतर पूरा किया जा सकता। जनसंपर्कउपकरण और आयताकार टोपी से निपटने रोबोट नियंत्रण fabricating (चित्रा 5) के लिए inting समय 1 घंटा 56 मिनट है। 3 डी प्रिंटर ऑपरेशन निर्देश के लिए पूरक फ़ाइल 2 देखें।
  3. उपकरण पर किसी भी समर्थन सामग्री को छीलकर मुद्रण पूरा होने के बाद। फिर, पानी के साथ उपकरणों धो लें।
  4. मैनुअल नियंत्रण हैंडलिंग उपकरण (चित्रा 4 ए) में ग्रिपर डालें और एक जंगम आयताकार टोपी (चित्रा 4 बी) के साथ खुलने के क्षेत्र को कवर किया।
  5. चैम्बर संपीड़न की सुविधा के लिए एक जंगम पिस्टन (चित्रा 4C) डालें।
  6. ग्रिपर और रोबोट नियंत्रण हैंडलिंग उपकरण (चित्रा 5 ए) में रैखिक actuator डालें। नोट: रैखिक actuator चैम्बर संपीड़न के लिए मैनुअल नियंत्रण मोड में चल पिस्टन की जगह।
  7. एक जंगम आयताकार टोपी (चित्रा 5 ब) के साथ खुलने के क्षेत्र को कवर किया।

5. मूल्यांकन और पकड़ Compressive टेस्ट

  1. मूल्यांकन करनाएक जम्पर तार के साथ मनोरंजक परीक्षण के प्रदर्शन से नरम ग्रिपर की कार्यक्षमता।
    1. मेज पर एक जम्पर तार रखें।
    2. ग्रिपर समायोजित करें ताकि तार दो ग्रिपर हथियारों की के बीच में है।
    3. आदेश ग्रिपर हथियार उकसाना तार पकड़ करने के लिए चैम्बर सेक करने के लिए चल पिस्टन ले जाएँ।
      नोट: केवल मैनुअल नियंत्रण से निपटने के उपकरण मनोरंजक प्रदर्शन में प्रयोग किया जाता है।
    4. पकड़ो और तार के मूल स्थान से दूर 20 सेमी पर स्थित एक बॉक्स के तार ले जाते हैं।
  2. ग्रिपर के दो जबड़े के बीच एक calibrated बल संवेदन रोकनेवाला रखें। संवेदन क्षेत्र पर ग्रिपर जबड़े पकड़ सुनिश्चित करें। नोट: संवेदन क्षेत्र का व्यास 14.7 मिमी है।
  3. चैम्बर सेक बल संवेदन रोकनेवाला पर पकड़ के लिए ग्रिपर हथियार उकसाना।
  4. उपाय अधिकतम पकड़ दबाने बलों है कि मुलायम एकल actuatable हाथ और डबल actuatable हाथ वायवीय grippers 10 में वर्णित के रूप में उत्पन्न कर सकता है।
    नोट: पढ़ा गया मानों एक लैपटॉप पर प्रदर्शित किया जाएगा। अधिकतम पकड़ compressive बलों अधिकतम दबाव है कि साँस चैनलों सामना कर सकते हैं के बिंदु पर मापा जाता है।
  5. एक नरम डबल actuatable हाथ वायवीय ग्रिपर से व्यक्तिगत elastomeric मनोरंजक जबड़े बाहर कट।
  6. elastomeric मनोरंजक जबड़े की साँस चैनलों में संदंश सुझाव दिए डालें।
  7. संदंश के दो जबड़े के बीच एक calibrated बल संवेदन रोकनेवाला रखें।
  8. Compressive बलों 10 एक न्यूरोसर्जन द्वारा आयोजित एक नकली तंत्रिका सर्जरी के दौरान elastomer लेपित संदंश और संदंश द्वारा उत्पन्न उपाय।
    नोट: न्यूरोसर्जन एक शक्ति है कि क्या वह सामान्य रूप से बल संवेदन रोकनेवाला पर वास्तविक सर्जरी के दौरान लागू करने के लिए इसी तरह की है लागू होता है।
  9. डेटा प्रत्येक परीक्षा में पांच परीक्षणों से प्राप्त औसत।

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Representative Results

मुलायम रोबोट वायवीय ग्रिपर उपकरणों (चित्रा 6) व्यास में अप करने के लिए 1.2 मिमी के आयामों के साथ वस्तुओं को उठा करने में सक्षम थे। अधिकतम पकड़ दबाने बल एकल actuatable हाथ के द्वारा उत्पन्न, और डबल actuatable हाथ मुलायम ग्रिपर उपकरणों 0.79 ± 0.14 एन क्रमश: 0.27 ± 0.07 और एन, के लिए 1.71 ± 0.16 एन और 2.61 ± 0.22 एन दबाने में सेना की तुलना में elastomer लेपित संदंश द्वारा और uncoated संदंश (चित्रा 7) द्वारा नकली सर्जरी। पकड़ बलों grippers की ज्यामिति और साँस चैनलों के आकार के आधार पर भिन्न हो सकते हैं। इलास्टोमेर की सामग्री गुण अधिकतम दबाव है कि साँस चैनलों सामना कर सकते हैं बदले में पकड़ बलों को प्रभावित करेगा जो तय करेंगे। प्रस्तावित तकनीक (चित्रा 3) यह दर्शाता है कि त्वरित निर्माण समय में मुलायम वायवीय ग्रिपर की एक कम लागत के निर्माण, संभव है एकघ इस तरह के grippers की कार्यक्षमता इस अध्ययन में मूल्यांकन किया गया था। वर्णित तकनीक का उपयोग करना, विभिन्न अनुप्रयोगों के लिए अलग ग्रिपर डिजाइन के निर्माण इलास्टोमेर कास्टिंग के लिए इसी molds डिजाइन द्वारा पूरा किया जा सकता है।

इन परिणामों से पता चला है कि शिकायत के मनोरंजक, सोचने के लिए मजबूर करने के लिए वस्तु अत्यधिक तनाव की शुरूआत के बिना, प्रस्तावित निर्माण तकनीक के साथ प्राप्त है। मुलायम ग्रिपर हथियारों की अनुकूलन क्षमता हथियार वस्तु की सतह समोच्च के अनुरूप करने की अनुमति दी। हालांकि, यह सुनिश्चित करना है कि सुरक्षित मनोरंजक समझौता नहीं किया है जब एक शिकायत पकड़ हासिल की है आवश्यक है। एक पकड़ है कि दोनों फर्म और आज्ञाकारी विशेष रूप से सर्जरी में आवेदन मनोरंजक लिए आवश्यक है। परिणाम आगे माउस के तंत्रिका पकड़ में मुलायम ग्रिपर के प्रदर्शन का मूल्यांकन करने के लिए और तंत्रिका जब करने के लिए बनाया नुकसान की हद तक जांच करने के लिए पायलट माउस परीक्षणों के संचालन से विश्लेषण किया जा सकतामुलायम ग्रिपर के रूप में जब संदंश इस्तेमाल कर रहे हैं की तुलना में प्रयोग किया जाता है।

आकृति 1
Elastomeric मुलायम रोबोट वायवीय ग्रिपर उपकरणों के शीर्ष संरचना fabricating के लिए इस्तेमाल किया molds के चित्रा 1. 2 डी सीएडी चित्र: (ए) डबल actuatable हाथ, और (बी) के एकल actuatable-हाथ (सभी आयामों मिमी में) कर रहे हैं। दीवार मोटाई सभी नए नए साँचे के लिए 2.5 मिमी है। यह आंकड़ा का एक बड़ा संस्करण देखने के लिए यहां क्लिक करें।

चित्र 2
चित्रा 2. सीएडी में ढालना बनाना। (ए) हटा elastomers ढलाई के लिए एक गुहा काटा। (बी) के मोल में एक कक्ष घटक बनाएंघ। (सी) ग्रिपर घटक के लिए elastomers ढलाई के लिए एक गुहा बनाएँ। (डी) हटा कक्ष और ग्रिपर घटक के बीच एक कनेक्शन काट दिया। (ई) हटा तार छड़ पकड़े साँस का चैनल बनाने के लिए दो छेद में कटौती। यह आंकड़ा का एक बड़ा संस्करण देखने के लिए यहां क्लिक करें।

चित्र तीन
चित्रा 3. मुलायम डबल actuatable हाथ वायवीय ग्रिपर के निर्माण की प्रक्रिया। (ए) दो कक्ष-ब्लॉक जगह और साँस चैनलों कि एक कक्ष से जुड़े हैं बनाने के लिए दो तार छड़ डालें। मोल्ड में इलास्टोमेर डालो और पूरी तरह से मनोरंजक घटक इलाज। (बी) के तार छड़ और चैम्बर-ब्लॉक को हटाने और creat करने के लिए उत्साहित घटक के शीर्ष पर एक ग्रिपर-ब्लॉक डालई चैंबर। चैम्बर घटक बनाने के लिए मोल्ड में इलास्टोमेर डालो। (सी) बॉण्ड ग्रिपर संरचना और 2.5 मिमी परत एक साथ एक मोहरबंद हवा से भरे कक्ष बनाने के लिए। यह आंकड़ा का एक बड़ा संस्करण देखने के लिए यहां क्लिक करें।

चित्रा 4
चित्रा 4. चैम्बर संपीड़न की सुविधा के लिए मैनुअल नियंत्रण मोड के लिए उपकरणों से निपटने के 2 डी सीएडी चित्र (ए) हैंडलिंग उपकरण, (बी) आयताकार टोपी, और (सी) चल पिस्टन (सभी आयामों मिमी में हैं और बड़े पैमाने 2: 3। जब तक निर्दिष्ट)। यह आंकड़ा का एक बड़ा संस्करण देखने के लिए यहां क्लिक करें।


चित्रा 5. 2 डी सीएडी चैम्बर संपीड़न की सुविधा के लिए रोबोट नियंत्रण मोड के लिए उपकरणों से निपटने के चित्र (ए) हैंडलिंग उपकरण, और (बी) आयताकार टोपी (सभी आयामों मिमी में हैं और बड़े पैमाने 2: 3 जब तक निर्दिष्ट)।। क्लिक करें यहां यह आंकड़ा का एक बड़ा संस्करण देखने के लिए।

चित्रा 6
चित्रा 6 मूल्यांकन प्रस्तावित ग्रिपर उपकरणों का परीक्षण मनोरंजक की। मुलायम रोबोट (ए) के फोटोग्राफ एकल actuatable हाथ, और पर (दाएं) (बी) से पहले (बाएं) डबल actuatable हाथ वायवीय ग्रिपर उपकरणों और मनोरंजक 1.2 मिमी व्यास के तार।


चित्रा 7. पकड़ दबाने दो अलग मुलायम रोबोट वायवीय ग्रिपर उपकरणों द्वारा उत्पन्न बलों, और पकड़ दबाने की परीक्षा में दो (elastomer लेपित और uncoated) संदंश। एक बल संवेदन रोकनेवाला ग्रिपर / संदंश के दो जबड़े और बीच रखा गया था प्रत्येक परीक्षा में संवेदन क्षेत्र पर ग्रिपर / संदंश जबड़े पकड़। त्रुटि सलाखों के मानक विचलन का प्रतिनिधित्व करते।

आंकड़ा 8
मुलायम रोबोट हुक वायवीय ग्रिपर के शीर्ष संरचना fabricating के लिए इस्तेमाल किया molds के 8 चित्रा 2 डी सीएडी चित्र। वायवीय चैनल हुक मनोरंजक घटक के नीचे की सतह के करीब तैनात है और यह दबाव पर ऊपर की ओर झुकना होगा।

अनुपूरक फ़ाइल 1. हैंडलिंग उपकरण के डिजाइन। सीएडी सॉफ्टवेयर में शामिल हैंडलिंग उपकरण के डिजाइन पर चरणबद्ध विवरण। कृपया यहाँ इस फाइल को डाउनलोड करने के लिए क्लिक करें।

अनुपूरक फ़ाइल 2. 3 डी प्रिंटर उपयोगकर्ता गाइड। यह उपयोगकर्ता गाइड प्रिंटर के संचालन के लिए निर्देश प्रदान करता है। इस फाइल को डाउनलोड करने के लिए यहां क्लिक करें।

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Discussion

हम सफलतापूर्वक दिखा दिया है कि मुलायम रोबोट वायवीय ग्रिपर उपकरणों की अनुमति दी वस्तुओं के अनुरूप मनोरंजक है, जो elastomer लेपित संदंश सुझावों और संदंश से सोचने के लिए मजबूर वस्तु पर बहुत कम compressive बलों लगाए गए डाला। संदंश परिधीय तंत्रिका मरम्मत के दौरान नसों हेरफेर के लिए एक अनिवार्य उपकरण सर्जरी 11, 12 है। हालांकि, इसकी धातु संरचना क्रम में अत्यधिक उत्साहित बलों और आसपास के ऊतकों को आकस्मिक क्षति के कारण होता तंत्रिका क्षति को रोकने के लिए आवश्यक सर्जन से उपयोग में अत्यधिक सावधानी। नुकसान की गंभीरता पर निर्भर करता है, विभिन्न तरह के दर्द के रूप में कम गंभीर हैं, इस तरह के खून के थक्के और यहां तक ​​कि स्थायी विकलांगता के रूप में गंभीर हैं, को, से लेकर जटिलताओं, हो सकता है। शल्य हेरफेर के दौरान तंत्रिका ऊतकों की आकस्मिक नुकसान को रोकने के लिए की जरूरत को ध्यान में रखते, हमारे प्रारंभिक नतीजों से संकेत मिलता है कि इन नरम रोबोट वायवीय ग्रिपर उपकरणों के लिए संभावित उपयुक्त उम्मीदवार हैंशिकायत कर पकड़ प्राप्त करने की क्षमता प्रदान करके नाजुक ऊतक हेरफेर के दौरान वर्तमान संदंश के पूरक। सिलिकॉन आधारित नरम ग्रिपर fabricating में प्रयोग किया जाता है elastomer के 0.8 x 10 5 फोनों के लिए, जो मुलायम विरूप्य मानव मांसपेशियों के उन लोगों के बराबर है और 13 ऊतकों, 14। इसलिए, यह ऊतकों को नुकसान का जोखिम कम हो जाएगा के रूप में की तुलना में एक यंग मापांक अपने समकक्ष कठोर grippers करने के लिए।

के सभी चरणों में वर्णित है, सबसे महत्वपूर्ण कदम इलाज की प्रक्रिया से पहले मोल्ड डिजाइन, फंस हवा के बुलबुले के उन्मूलन में साँस चैनलों की स्थिति, और हवा कक्ष की सील कर रहे हैं। वायवीय चैनलों आदेश कम दबाव पर फटने से actuator को रोकने के लिए ग्रिपर की बाहरी दीवार के लिए भी बंद नहीं तैनात किया जाना चाहिए। किसी भी फंस हवा के बुलबुले के रूप में इस इलाज, संभावित विफलता अंक निकाल देंगे जिससे अंततः ग्रिपर के प्रदर्शन को बढ़ाने से पहले समाप्त किया जाना चाहिए।ग्रिपर संरचना एक संलग्न चैम्बर कि रिसाव के बिना हवा स्टोर करने में सक्षम है बनाने के लिए सील परत करने के लिए अच्छी तरह से बंधुआ किया जाना चाहिए।

विभिन्न निर्माण तकनीक भी आवेदन 15-17 मनोरंजक के लिए मुलायम सूक्ष्म actuators के निर्माण के लिए प्रस्तावित किया गया है। उदाहरण के लिए, लू और किम 15 नरम लिथोग्राफी प्रक्रिया के तीन चरणों के साथ किए गए एक microhand का प्रस्ताव रखा। इस मामले में, microhand अपेक्षाकृत छोटी वस्तुओं में हेरफेर करने में सक्षम है, लेकिन एक बाहरी संकुचित नाइट्रोजन सिलेंडर इसकी प्रवर्तन के लिए आवश्यक है। हाल ही में, Rateni एट अल। 16 एक नरम केबल चालित रोबोट ग्रिपर जहां मुलायम उंगलियों 3 डी-मुद्रित नए नए साँचे में सिलिकॉन कास्टिंग द्वारा किए गए थे विकसित की है। इसके बजाय ग्रिपर भुजा के मध्य में साँस चैनलों होने के, रोबोट ग्रिपर उंगली से जुड़े केबल के साथ एक servomotor द्वारा प्रेरित किया गया था। Breger एट अल। 17 एक आत्म-तह नरम अनुक्रमिक photolithography जनसंपर्क के साथ बनाया microgrippers प्रस्तावितocess। शामिल निर्माण की प्रक्रिया और नियंत्रण योजनाओं महंगा और जटिल हैं। दूसरी ओर, प्रस्तावित निर्माण की प्रक्रिया सरल, कम लागत और 4 घंटा के भीतर पूरा किया जा सकता है, नए नए साँचे और हैंडलिंग उपकरण के 3 डी मुद्रण के लिए समय के समावेशी। मुलायम ग्रिपर इतनी कम लागत घटक, पानी प्रतिरोधी और गैर संक्षारक के रूप में आकर्षक गुण के पास। कम से कम जटिलता मुलायम ग्रिपर को नियंत्रित करने में शामिल यह विभिन्न मनोरंजक अनुप्रयोगों में इस्तेमाल किया जा रहा है और आसानी से उन द्वारा अपनाया जा अनुमति दी।

निर्माण की प्रक्रिया इस अध्ययन में वर्णित मुख्य रूप से 3 डी प्रिंटिंग तकनीक और साँस चैनलों बनाने के लिए एक छड़ी आधारित दृष्टिकोण शामिल किया गया। यह मोल्ड डिजाइन अलग से अनुकूलन ग्रिपर डिजाइन बनाने की संभावना से पता चलता है। एक नरम रोबोट हुक वायवीय ग्रिपर एक हुक मनोरंजक घटक और एक कक्ष घटक (चित्रा 8) के साथ एक संशोधित फफूंदी का उपयोग किया गया था। यह दिखा दिया है कि ग्रिपर डिजाइन सीएn आसानी से संशोधित और कम कीमत पर गढ़े जा। रॉड के उपयोग वायवीय चैनलों बनाने के लिए छोटी मुलायम रोबोट grippers के निर्माण की अनुमति दी। यह दिखा दिया है कि इस दृष्टिकोण के क्रम में सीलिंग प्रक्रिया मुलायम रोबोट की पारंपरिक निर्माण की प्रक्रिया में किए गए दौरान छोटे वायवीय चैनलों का रोड़ा रोकने के लिए miniaturize मुलायम रोबोट के निर्माण के लिए उपयुक्त है। हालांकि, कुछ मामलों में जब एक ब्रांड के नए सांचे पहले इलास्टोमेर ढलाई के लिए प्रयोग किया जाता है, ठीक हो ग्रिपर की बाहरी सतह चिपचिपा बन सकता है। यदि ऐसा होता है, ग्रिपर अतिरिक्त इलाज के लिए ओवन के अंदर रखा जाना चाहिए जब तक सतह की चिपचिपाहट चला गया है। इसके अलावा, देखभाल सुनिश्चित करने के लिए सील अच्छी तरह से और नीचे कक्ष की दीवार बुलबुले नहीं है कि लिया जाना चाहिए। ध्यान दें कि क्षेत्र है जहां दीवार है, जो तार छड़ की प्रविष्टि के लिए इरादा कर रहे हैं के माध्यम से गुजर दो छेद कर रहे हैं, फंस हवा के बुलबुले युक्त उच्च संभावना है अन्य रेग की तुलना मेंआयनों। elastomeric सामग्री का एक अतिरिक्त परत ग्रिपर की मजबूती में सुधार करने के क्रम में सील परत और नीचे दीवार के किनारों पर एक ब्रश का उपयोग कर लागू किया जा सकता है।

प्रस्तावित तकनीक की अनूठी विशेषता मोल्ड पर एक कक्ष घटक मुद्रण प्रवर्तन के लिए एक हवाई-भरा बनाने के लिए चैम्बर के विचार को शामिल करने के लिए है। मुलायम रोबोट ग्रिपर उपकरणों में चैम्बर घटक पकड़ दबाने बल चैम्बर के संपीड़न के माध्यम से नियंत्रित किया जा करने के लिए अनुमति देता है। जैसे पोर्टेबल पंप, जो व्यापक रूप से नरम रोबोट के लिए उपयोग के लिए अपनाया जाता है के रूप में बाहरी हवा स्रोतों, की तुलना में, नियंत्रण के मैनुअल मोड चैम्बर घटक की उपस्थिति के साथ प्राप्त है। यह शल्य हेरफेर जहां सर्जन वास्तव में महसूस हो रहा है और बल की राशि है कि वे आवेदन कर रहे हैं नियंत्रित करने में सक्षम होना पसंद करते हैं के लिए विशेष रूप से महत्वपूर्ण है। चैम्बर घटक का लाभ यह भी एक रेखीय शामिल द्वारा नियंत्रण की स्वत: मोड के लिए अनुमति दी है कि हैहैंडलिंग उपकरण में actuator। इसलिए, दोनों नियंत्रण के मैनुअल और स्वत: मोड प्रवर्तन के लिए साँस चैनलों से जुड़े चैम्बर घटक के साथ किया जा सकता है। इन कम लागत वियोज्य मुलायम रोबोट grippers एक बार उपयोग करते हैं, जिसका मतलब है कि बार-बार उपयोग के लिए फिर से नसबंदी के लिए कोई जरूरत नहीं है कि के लिए तैयार कर रहे हैं। हैंडलिंग उपकरण sterilizable कर रहे हैं और मुलायम रोबोट grippers आसानी से डाला जा सकता से पहले शल्य हेरफेर किया जाता है। इन नरम वायवीय शल्य ग्रिपर उपकरणों के डिजाइन और आगे विभिन्न मनोरंजक आवश्यकताओं के अनुरूप करने के लिए एक एकल हैंडलिंग उपकरण में अलग डिवाइस डिजाइन की अंतर-बदलते अनुमति देते हैं।

हालांकि, इस तकनीक में कुछ सीमाओं में देखा जाना चाहिए। सबसे पहले, दो अलग अलग प्रक्रियाओं मनोरंजक घटकों और कक्ष घटकों के निर्माण की साँस चैनलों और चैम्बर घटक एक साथ कनेक्ट करने के लिए आवश्यक हैं, और एक सील प्रक्रिया चैम्बर के लिए आवश्यक है। हालांकि यह ne को हटाबाहरी हवा के सूत्रों के एड, यह नरम रोबोट grippers कास्टिंग में समय बढ़ जाती है। दूसरा, अधिकतम दबाव है कि साँस चैनलों के लिए लागू किया जा सकता elastomer के गुणों द्वारा सीमित था। बड़ी compressive बलों फाइबर के साथ एक stiffer इलास्टोमेर इलास्टोमेर का उपयोग कर या को मजबूत वायवीय चैनलों का टूटना को रोकने के लिए द्वारा उत्पन्न किया जा सकता है। उदाहरण के लिए, रेशम फाइबर, जो व्यापक रूप से उनके biocompatibility और उत्कृष्ट यांत्रिक गुणों के कारण एक शल्य सिवनी सामग्री या scaffolds के रूप में इस्तेमाल कर रहे हैं, मुलायम grippers 18 सुदृढ़ करने के लिए इस्तेमाल किया जा सकता है। विभिन्न अनुप्रयोगों पर निर्भर करता है, उच्च कठोरता के साथ इलास्टोमेर आज्ञाकारी और सुरक्षित पकड़ के बीच संतुलन सुनिश्चित करने की जरूरत है। इसके अतिरिक्त, एक शिकायत मनोरंजक और प्रस्तावित ग्रिपर की चिकनी सतह संपर्क फिसलन के कारण हो सकता है। हालांकि, अनुकूलनीय से संपर्क करें, सिलिकॉन रबर के प्रमुख आंतरिक गुणों में से एक, ग्रिपर वस्तु की सतह समोच्च के अनुरूप करने की अनुमति दी। हमविश्वास है कि इस अनुकूलनशीलता परोक्ष रूप से मनोरंजक की स्थिरता में सुधार। पर इस तरह के संपर्क सतह में दांत डिजाइन के रूप में शामिल पकड़ संपर्क सतहों, संशोधन, स्थिर पकड़ती है प्रदान करने में सहायता कर सकते हैं। अन्त में, तीन या अधिक हथियार 15-17 के साथ अन्य नरम grippers की तुलना में स्थिरता के संदर्भ में प्रस्तावित दो-जावेद रोबोट ग्रिपर की चपेट प्रदर्शन कम अनुकूल हैं।

इस तकनीक को उच्च स्केलेबल, जिससे विभिन्न मुलायम रोबोट जैसे औद्योगिक विधानसभा लाइनों में हाथ grippers रूप में शल्य चिकित्सा grippers, बड़े पैमाने पर करने के लिए, के रूप में छोटे पैमाने पर, से लेकर grippers, गढ़े जा सकता है। विशेष रूप से, विभिन्न grippers molds के डिजाइन पर आधारित अनुकूलित किया जा सकता है। उदाहरण के लिए, एक संकर तंत्रिका ग्रिपर कि दोनों नरम मनोरंजक घटक और एक कठोर तंत्रिका हुक प्रतिकर्षक जोड़ती शल्य हेरफेर में उपयोग के लिए प्रस्तावित किया जा सकता है। मुलायम मनोरंजक घटक एक आयताकार आवरण में रखा जाता है और यह टिप की गिरफ्तारी के पास बढ़ जाएगाजब दबाव चैनल के लिए लागू किया जाता है हुक प्रतिकर्षक पर तंत्रिका के आयोजन के लिए ईए। यह जबड़े ग्रिपर का उपयोग कर के रूप में जबड़े वस्तुओं जावक पुश करने के लिए जो लोभी में कुछ कठिनाई बना हुआ करते हैं जब वे बंद करते हैं, के लिए एक आम सीमा tackles। जबकि मुलायम जबड़े grippers ही पकड़ और वस्तुओं है कि किसी भी सतहों के साथ संपर्क में पहले से ही नहीं हैं उठा सकता है यह, नसों स्कूप और फिर एक शिकायत पकड़ प्रदान करने के लिए उपयोगी हो जाएगा।

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Disclosures

लेखकों के पास खुलासे के लिए कुछ भी नहीं है।

Acknowledgments

अनुसंधान आर-397-000-204-133 (सिंगापुर युवा अन्वेषक पुरस्कार के राष्ट्रीय विश्वविद्यालय) द्वारा समर्थित किया गया।

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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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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