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Bioengineering

Fabricação baseada em vara de customizáveis ​​macias robóticos pneumáticas Gripper Aparelhos para a manipulação de tecidos delicados

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

Robôs moles têm suscitado grande interesse de pesquisa dentro da comunidade robótica e eles têm sido usados ​​em diferentes tarefas funcionais, tais como locomoção ondulatória em ambientes não estruturados 1 e agarrando 2. Eles são principalmente compostas de materiais elastoméricos macios e controlada por diferentes técnicas de accionamento, através da utilização de diferentes materiais, tais como polímero electroactivo (PAA), a forma de liga com memória (SMA), ou fluido comprimido 3. função PAA com base numa tensão diferencial que induz forças electrostáticas para produzir estirpes activas e, assim, gera accionamento. O efeito de memória de forma peculiar da LMF é implantado para gerar a actuação desejada com base na geração de força durante a transformações de fases após a mudança na temperatura. Por último, a técnica de atuação fluido comprimido facilita uma estratégia de design simples para induzir a diferença rigidez nos atuadores moles, de tal forma que as regiões mais complacentes irá inflarmediante pressurização. robôs macias são concebidos para ampliar as aplicações de robôs rígidos tradicionais, especialmente em aplicações em que os objectos delicados estão envolvidos. Particularmente, neste artigo, apresentamos nossa abordagem única no desenvolvimento de garras robóticas flexíveis para manipulação cirúrgica delicada.

De aperto cirúrgica é um aspecto importante envolvido em muitos procedimentos cirúrgicos, tais como hepático, ginecológica, urológica, e nervo cirurgias de reparação de 4, 5. Ele é tipicamente realizada por rígidas, as ferramentas de aperto de tecido de aço, tais como os fórceps e pinças laparoscópicas para o propósito de facilitar observação, a excisão, procedimentos de anastomose, etc. no entanto, extrema cautela é necessária como as ferramentas de aperto convencionais são feitos de metal que podem causar áreas de concentração alta tensão nos tecidos moles, nos pontos de contato 6. Dependendo da gravidade dos danos de tecidos, várias complicações, tais como a dor, cicatriz de tecido patológica formação, e até mesmo incapacidade permanente, pode resultar. Um estudo anterior relatou que a taxa de complicações na cirurgia do nervo periférico foi de 3% 7. Portanto, o conceito de aperto suave que pode ter uma aderência segura compatível pode ser um candidato promissor para a manipulação cirúrgica delicada.

Aqui, apresentamos uma combinação de técnicas de litografia suave modificados, que adoptaram uma abordagem baseada na vara, para fabricar garras pneumáticas robóticos suaves personalizável 3D-impressão e. Técnica de fabricação tradicional de robôs moles com base na atuação fluido comprimido requer um molde com canais pneumáticos impressos nele e em um processo de vedação para selar os canais 8. No entanto, não é viável para os robôs miniaturizados macios que necessitam de pequenos canais de pneumáticos em que a oclusão dos canais pode facilmente acontecer no processo de selagem. A técnica tradicional requer a vedação dos canais pneumicos para ser feito ligando uma camada de selagem revestidos a ele. Assim, o Layer de material elastomérico, que inicialmente serve como uma camada de ligação seja derramado sobre os pequenos canais e os canais ocluir. Também não é possível posicionar os canais pneumicos no meio da estrutura e ligar a um componente de câmara usando técnicas convencionais. A abordagem proposta permite a criação de canais pneumicos miniaturizados ligado a uma câmara de hastes utilizando cheias de ar, e não necessita de vedação dos canais minúsculos. Além disso, a câmara ligada aos canais pneumicos servir como uma fonte de ar, que não requer fontes de ar externo para a actuação de fluido comprimido. Ele permite que tanto o manual e modos de controlo robótico através da facilitação da câmara de compressão para accionar o componente de aperto, proporcionando assim aos utilizadores a possibilidade de controlar a quantidade de força que estão a aplicar através da pinça. Esta abordagem é altamente personalizada e pode ser utilizada para fabricar vários tipos de desenhos de garra macios, tais como pinças com único ou multiple braços accion�eis.

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Protocol

Nota: Todas as pinças pneumáticas macios foram fabricados por vazamento misturas elastoméricas à base de silicone em moldes impresso-3D personalizados, que se seguiu um processo de fabricação que compreende três etapas: moldagem de componentes pinça de braço com canais pneumáticos incorporadas, moldando componente câmara ligadas aos canais pneumáticos , e selando o componente câmara cheia de ar.

1. Preparação de Elastómeros

  1. Coloque um recipiente para o misturador em uma escala de pesagem e rasgou-lo. Pour partes A e B do elastómero à base de silicone no recipiente com uma proporção de 1: 1 em peso.
  2. Cobrir o recipiente e medir o peso total.
  3. Colocar o recipiente e o material num misturador centrífugo. Ajustar o equilíbrio de peso sobre o misturador para o peso medido no passo 1.2.
  4. Definir a mistura e aeração de-modos a 2.000 rpm e 2.200 rpm, respectivamente, para 30 seg. Misturar os componentes elastoméricos cuidadosamente para conseguir a cura uniforme.
le "> 2. Mold Design e Produção

Nota: A geometria do molde irá variar dependendo das exigências específicas para diferentes aplicações. Os seguintes passos ilustram passos-chave gerais no software CAD que são necessários para criar o componente de câmara e garra do molde.

  1. Projetar os moldes e mofo vedação usando software assistida por computador (CAD). Veja a Figura 1 para as dimensões da geometria e específicas dos moldes utilizados neste manuscrito.
    1. Estrutura da caixa limite do exterior
      1. Clique com o botão direito do mouse no plano superior e clique em "Normal para" botão para normalizar ao plano superior.
      2. Clique em "Sketch" no canto superior esquerdo para abrir uma janela "Sketch". Em seguida, clique no botão "Sketch" no canto superior esquerdo da barra de ferramentas para desenhar uma base retangular do componente de câmara.
      3. Clique no recurso "Smart Dimension", que está localizado ao lado do botão "Esboço", para definir skdimensões etch. Certifique-se de que o esboço está totalmente definido (ou seja, todas as linhas de desenho tornam-se preto) e sair do esboço quando terminar.
      4. Clique na janela "Recursos". Em seguida, clique na opção "ressalto extrudado / Base" para expulsar contornos selecionados no Y-direção.
      5. Clique na superfície superior do modelo para pré-selecionar o plano de rascunho. Esboçar um retângulo e definir as dimensões conforme descrito em 2.1.1.2 e 2.1.1.3.
      6. Clique na janela "Recursos". Em seguida, clique na opção "Corte extrudado" para expulsar cortar uma cavidade para a fundição de elastômeros (Figura 2A). Certifique-se que a espessura da parede é de 2,5 mm.
    2. Projeto da câmara interna
      1. Clique com o botão direito do mouse sobre a superfície na direção Y da área de abertura. Em seguida, clique em "Normal para" normalizar a essa superfície.
      2. Em seguida, clique na janela "Esboço" para desenhar um retângulo para o componente câmara conforme descrito nas etapas 2.1.1.2 e2.1.1.3.
      3. Clique na janela "Recursos". Em seguida, clique na opção "ressalto extrudado / Base" para expulsar o componente de câmara na direção Y (Figura 2B).
        Nota: A profundidade do corte no passo 2.1.1.6 é 2,5 mm maior do que esta base de extrusão.
    3. Projeto do componente pinça
      1. Clique na superfície do modelo no X-direção negativa para pré-seleccionar o plano de rascunho para o componente pinça. Crie um retângulo na janela "Esboço", como descrito nas etapas 2.1.1.2 e 2.1.1.3.
      2. Clique na janela "Recursos". Em seguida, clique na opção "ressalto extrudado / Base" para expulsar o contorno selecionado no X-direção negativa.
      3. Clique na superfície superior do componente pinça para pré-seleccionar o plano de rascunho. Criar uma forma de pinça na "esboço" janela (Figura 2C) e sair do esboço, quando as dimensões está totalmente definidos como descrito nos passos 2.1.1.2 umd 2.1.1.3.
      4. Clique na janela "Recursos". Em seguida, clique em "corte extrudado" para cortar uma cavidade para a fundição de elastômeros no componente de pinça. Certifique-se que a espessura da parede é de 2,5 mm.
    4. Execução de ligação entre a câmara e pinça
      1. Criar um rectângulo na janela "esboço" na superfície superior da peça de câmara tal como descrito em 2.1.1.2 e 2.1.1.3.
      2. Clique na janela "Recursos". Em seguida, clique em "corte extrudado" para criar uma conexão entre os componentes da câmara e pinças (Figura 2D).
    5. Desenho dos canais pneumicos
      1. Criar círculos 1,5 mm de diâmetro sobre a superfície da peça de câmara na direcção X positivo tal como descrito nos passos 2.1.1.2 e 2.1.1.3.
      2. Clique na janela "Recursos". Em seguida, clique em "corte extrudado" para criar canais de fio-máquina de inserção (Figura 2E). Garantir a holes não são cortados através do componente pinça.
  2. Em um arquivo CAD separada, desenhe um molde de selagem com uma cavidade de comprimento e largura que estão 1 mm maiores do que as dimensões exteriores do componente câmara da pinça. Nota: A espessura da parede é de 2,5 mm.
    1. Clique na janela "esboço" para criar um retângulo no plano superior como passos descritos 2.1.1.2 e 2.1.1.3.
    2. Clique na janela "Recursos". Em seguida, clique na opção "ressalto extrudado / Base" para expulsar contornos selecionados no Y-direção.
    3. Clique na face superior do modelo para pré-selecionar o plano de rascunho. Esboçar um retângulo e definir as dimensões conforme descrito nas etapas 2.1.1.2 e 2.1.1.3).
    4. Clique na janela "Recursos". Em seguida, clique na opção "Corte extrudado" para expulsar cortar uma cavidade para a fundição de elastômeros. Certifique-se que a espessura da parede é de 2,5 mm.
  3. Salve cada peça de molde como um arquivo STL para a impressão 3D. Carregar o arquivo STL na impressora 3D com resolução de 30 mm e imprimir as peças do molde 9.
  4. Remova qualquer material de apoio sobre as peças do molde e lavar as peças do molde com água.

3. Macio Single / Double-accion�eis Grippers Arm pneumáticas

  1. Moldagem componentes pinça de braço com canais pneumáticos embutidos
    1. Inserir dois blocos câmara de impresso-3D do lado esquerdo e do lado direito do componente de câmara (Figura 3A), de modo a gerar uma câmara selada com canais pneumáticos ligados ao mesmo.
    2. Inserir duas hastes mm de diâmetro 1,5 arame de titânio através da câmara, mantendo uma distância de 2 mm da pontas de pinça para criar os canais pneumicos (Figura 3A). Nota: Use um fio-máquina para a pinça-actuado de braço único.
    3. Verter a mistura elastomérica para dentro do molde para preencher completamente o componente de preensão.
    4. Verifique se não há bolhas de ar visíveis presente.
    5. Place o molde no forno para curar a 60 ° C durante 10 min. Uma vez elastómero é curado, remover o molde do forno.
  2. componente câmara de moldagem ligado aos canais pneumicos
    1. Puxe os fios-máquina e os dois blocos de câmara fora do molde.
    2. Coloque uma pinça-bloco-impresso 3D no topo do componente de preensão, a fim de criar a câmara (Figura 3B). Inserir as barras de arame para bloquear os furos na parede do molde.
    3. Verter a mistura elastomérica para dentro do molde para preencher a parte restante do componente câmara e assegurar que não há bolhas de ar aprisionadas visíveis no molde.
    4. Curar a parte a uma temperatura de 60 ° C durante 10 min. Retirar o molde do forno, uma vez elastómero é curado.
    5. Retire a pinça-bloco e desmoldar a pinça totalmente curada com estrutura de câmara.
  3. A selagem do componente de câmara cheia de ar
    1. Despeje a mistura elastomérica no molde vedação ecurá-la a 60 ° C durante 10 min.
    2. Escova de uma camada de material elastomérico sobre as curados com 2,5 mm de camada de vedação. Coloque a pinça curada com estrutura de câmara no topo da camada de vedação revestido e ligar as duas peças em conjunto (Figura 3C).
    3. Subsequentemente, toda a estrutura curar completamente a 60 ° C durante 15 min.
    4. Desmoldar o dispositivo de pinça robótico macia totalmente curado.

4. Inserção de macio Robotic pneumático Gripper dispositivo em ferramenta de manuseio

  1. Projetar as ferramentas de manipulação, conforme descrito no arquivo Suplementar 1 utilizando software CAD e guardá-lo em um arquivo STL. Veja as figuras 4 e 5 para as dimensões das ferramentas.
  2. Carregar o arquivo STL na impressora 3D e imprimir as peças do molde 9.
    Nota: Todos os passos de impressão para ferramenta manual de manipulação de controle, cap rectangular e pistão móvel (Figura 4) pode ser concluído dentro de 3 h 48 min. o prtempo inting para fabricar o controlo robótico ferramenta e tampa rectangular de manuseamento (Figura 5) é de 1 h 56 min. Ver imagem Suplementar 2 para instruções de operação da impressora 3D.
  3. Descolar qualquer material de apoio sobre as ferramentas depois que a impressão seja concluída. Em seguida, lavar as ferramentas com água.
  4. Inserir o dispositivo de preensão para o controlo manual do instrumento de manuseamento (Figura 4A) e cobrir a área de abertura com um tampão móvel rectangular (Figura 4B).
  5. Inserir um pistão móvel (Figura 4C) para facilitar a câmara de compressão.
  6. Inserir a pinça e do atuador linear para a robótica ferramenta de manipulação de controlo (Figura 5A). Nota: O atuador linear substitui o pistão móvel no modo de controle manual para câmara de compressão.
  7. Cobrir a área de abertura com um tampão móvel rectangular (Figura 5B).

5. As avaliações e aderência Teste compressão

  1. Avaliea funcionalidade do dispositivo de preensão macio através da realização de testes de agarrar com um fio de ligação.
    1. Coloque um fio de ponte sobre a mesa.
    2. Ajustar o dispositivo de preensão de modo a que o fio está entre os dois braços de pinça.
    3. Mover o pistão móvel para comprimir a câmara, a fim de accionar as pinças para segurar o fio.
      Nota: Somente a ferramenta manipulação de controlo manual é usado na demonstração emocionante.
    4. Segurar e mover o fio para uma caixa localizada a 20 cm de distância do local original do fio.
  2. Coloque uma resistência de detecção de força calibrada entre as duas maxilas da pinça. Assegurar a aderência maxilas de garra na área de detecção. Nota: O diâmetro da área de leitura é de 14,7 mm.
  3. Comprime-se a câmara para accionar os bras de pin para agarrar sobre a resistência de detecção de força.
  4. Medir as forças máxima aderência à compressão que os-actuado de braço único e duplo actuado-braço pinças pneumáticas suaves poderia gerar como descrito no 10.
    Nota: Os valores de leitura será apresentada em um laptop. As forças máximas aperto compressão são medidos no ponto de pressão máxima que os canais pneumáticos pode suportar.
  5. Cortar as mandíbulas de aperto elastoméricos individuais a partir de uma pinça pneumática de duplo actuado-braço macio.
  6. Inserir a pinça dicas para os canais pneumáticos das maxilas de aperto elastoméricos.
  7. Coloque uma resistência de detecção de força calibrada entre as duas maxilas da pinça.
  8. Medem-se as forças de compressão 10 gerados por fórceps e fórceps revestidos de elastómero durante uma cirurgia simulada nervo conduzida por um neurocirurgiăo.
    Nota: O neurocirurgiăo aplica uma força que é semelhante ao que normalmente se aplica durante a cirurgia real sobre a resistência de detecção de força.
  9. Calcular a média dos dados obtidos a partir de cinco ensaios em cada teste.

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Representative Results

Os dispositivos de pinça pneumática robóticos macios eram capazes de pegar objetos com dimensões de até 1,2 mm de diâmetro (Figura 6). A força de aperto máxima à compressão geradas pela actuao de braço único, e de actuação por duplo-braço dispositivos de preensão moles foram de 0,27 ± 0,07 N e 0,79 ± 0,14 N, respectivamente, em comparação com 1,71 ± 0,16 N e 2,61 ± 0,22 N forças compressivas em cirurgia simulada pelos fórceps revestidos de elastómero e por uma pinça não revestidos (figura 7). As forças de aderência pode variar em função da geometria das garras e o tamanho dos canais pneumicos. Propriedades do material de elastómero vai determinar a pressão máxima que os canais pneumicos podem suportar, o que por sua vez irá afectar as forças de aperto. A técnica proposta (Figura 3) demonstra que uma criação de baixo custo da pinça pneumática suave no tempo de fabricação rápida é possível, umad a funcionalidade de tais pinças foi avaliado neste estudo. Usando a técnica descrita, o fabrico de diferentes modelos de garra para diversas aplicações pode ser conseguido através da concepção de moldes correspondentes para a fundição do elastómero.

Estes resultados mostraram que preensão compatível, sem a introdução de tensões excessivas para o objecto agarrado, é realizável com a técnica de fabricação proposto. A adaptabilidade dos braços de preensão moles permitiu que os braços para se conformar ao contorno da superfície do objecto. No entanto, é necessário assegurar que agarrar seguro não fica comprometida quando um aperto conforme seja alcançado. Um aperto que é ao mesmo tempo a empresa e compatível é essencial para prender aplicações especialmente em cirurgia. O resultado pode ser ainda analisada através da realização de ensaios de rato piloto para avaliar o desempenho de garra macia na realização de nervo do mouse e para examinar a extensão dos danos feitos ao nervo quandoo dispositivo de preensão macio é utilizado, em comparação com quando as pinças são utilizadas.

figura 1
Desenhos Figura 1. 2D CAD de os moldes usados ​​para fabricar a estrutura de topo dos dispositivos de preensão pneumáticas robóticos elastoméricos macios: (A) duas vezes actuável-braço, e (B) de um único braço accionável-(todas as dimensões em milímetros). A espessura da parede é de 2,5 mm para todos os moldes. Por favor clique aqui para ver uma versão maior desta figura.

Figura 2
Figura 2. Criando o molde em CAD. (A) Extrusão cortar uma cavidade para a fundição de elastômeros. (B) Criar um componente câmara na mold. (C) Criar uma cavidade para a fundição de elastômeros para o componente pinça. (D) Extrusão cortar uma ligação entre a câmara e um componente pinça. (E) Extrusão cortar dois buracos para manter as barras de arame para criar canais de pneumáticos. Por favor clique aqui para ver uma versão maior desta figura.

Figura 3
Figura 3. Processo de Fabricação da pinça pneumática de duplo actuado-braço macio. (A) Coloque dois câmara de blocos e insira duas barras de arame para criar canais de pneumáticos que estão conectados a uma câmara. Pour elastómero para dentro do molde e curar completamente o componente de aperto. (B) Retire as hastes de arame e câmara de blocos e colocar uma pinça-bloco em cima do componente de aperto que serve para criare de câmara. Despeje elastômero no molde para fazer o componente de câmara. (C) James Bond a estrutura garra e camada de 2,5 milímetros em conjunto para criar uma câmara cheia de ar selado. Por favor clique aqui para ver uma versão maior desta figura.

Figura 4
Figura 4. desenhos CAD 2D das ferramentas de manipulação para o modo de controle manual para facilitar a câmara de compressão (A) ferramenta de manuseio, (B) tampa rectangular, e (C) pistão móvel (todas as dimensões estão em mm e a escala é de 2: 3. a menos que especificado). por favor clique aqui para ver uma versão maior desta figura.


Figura 5. desenhos CAD 2D das ferramentas de manipulação para o modo de controle robótico para facilitar a câmara de compressão (A) ferramenta de manipulação, e (b) tampão rectangular (todas as dimensões estão em mm e a escala é de 2: 3 a menos que especificado).. Por favor clique aqui para ver uma versão maior desta figura.

Figura 6
Figura 6. Avaliação de prender os testes dos dispositivos de garra propostas. Fotografias da macio robótico (A)-actuado de braço único, e (b)-actuado de braço duplo dispositivos de pinça pneumática antes (à esquerda) e em cima (à direita) segurando a fio de diâmetro 1,2 mm.


Figura 7. aperto forças de compressão geradas pelos dois dispositivos de preensão diferentes moles robóticos pneumáticos, e as duas pinças (revestidos de elastómero e não revestidos) em ensaio de compressão aperto. Uma força de resistência de detecção foi colocado entre as duas maxilas da pinça / fórceps e o pinça aperto / fórceps maxilas na área de detecção, em cada teste. As barras de erro representam o desvio padrão.

Figura 8
8. desenhos Figura 2D CAD de os moldes usados ​​para fabricar a estrutura de topo do dispositivo de preensão pneumáticas gancho robótico suave. O canal pneumático está posicionado mais próximo da superfície inferior do componente em gancho de preensão e que irá dobrar para cima sobre pressurização.

arquivo complementar 1. Projeto das ferramentas de manipulação. detalhes Stepwise sobre o design das ferramentas de manipulação envolvidas no software CAD. Por favor clique aqui para baixar esse arquivo.

Guia do usuário suplementar arquivo 2. impressora 3D. Este guia do usuário fornece instruções para a operação da impressora. Por favor clique aqui para baixar esse arquivo.

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Discussion

Temos demonstrado com sucesso que os dispositivos de pinça pneumática robóticos suaves permitidos emocionante compatível de objetos, que exerceram forças de compressão muito mais baixos no objeto de agarrados do que os fórceps dicas e fórceps revestidos de elastómero exercida. Pinça é uma ferramenta essencial para a manipulação de nervos durante a reparação de nervos periféricos cirurgias 11, 12. No entanto, a sua estrutura metálica necessária extrema cautela no uso dos cirurgiões, a fim de evitar danos nos nervos causados ​​por forças de aperto excessiva e os danos acidentais para os tecidos circundantes. Dependendo da gravidade dos danos, várias complicações que vão desde as menos graves, tais como a dor, a mais graves, tais como a formação de coágulos de sangue e mesmo deficiência permanente, pode resultar. Considerando a necessidade de evitar danos acidentais de tecidos nervosos durante a manipulação cirúrgica, os nossos resultados preliminares indicam que estes dispositivos de pinça pneumática robóticos moles são potenciais candidatos adequados paracomplementando uma pinça de corrente durante a manipulação de tecidos delicados, fornecendo a capacidade de conseguir aderência compatível. O elastómero à base de silicone utilizado na fabricação da pinça macio tem módulo de 0,8 x 10 5 Pa, que é comparável às dos músculos humanos deformáveis ​​moles e tecidos 13, 14. Por conseguinte, ele vai reduzir os riscos de danos nos tecidos em comparação com um de Young para as suas garras rígidas contrapartida.

De todos os passos descritos, as etapas mais críticas são o posicionamento do canal de pneumáticos no desenho do molde, a eliminação das bolhas de ar presas antes do processo de cura, e a vedação da câmara de ar. Os canais pneumicos não deve ser posicionado muito perto da parede exterior do dispositivo de preensão, a fim de impedir que o actuador de ruptura a baixas pressões. Quaisquer bolhas de ar aprisionadas deve ser eliminado antes da cura, como isso vai remover potenciais pontos de falha, assim, em última análise, melhorar o desempenho do dispositivo de preensão.A estrutura de preensão deve ser ligado assim que a camada de vedação para criar uma câmara fechada que é capaz de armazenar o ar, sem fugas.

Várias técnicas de fabricação também têm sido propostos para construir micro-actuadores suaves para agarrar aplicações 15-17. Por exemplo, Lu & Kim 15 propôs uma microhand feito com três etapas do processo de litografia macia. Neste caso, o microhand é capaz de manipular objectos relativamente pequenos, mas um cilindro de azoto comprimido externo é exigido para o seu accionamento. Mais recentemente, Rateni et al., 16 desenvolvido um dispositivo de preensão robótico-driven cabo flexível em que os dedos moles foram feitos por vazamento em moldes de silicone-impressos em 3D. Em vez de ter canais pneumicos no meio do braço de preensão, o elemento de preensão robótico foi accionado por um servomotor com cabos ligados ao dedo. Breger et al. 17 propuseram uma auto-dobrar microgrippers macios feitos com pr fotolitografia sequencialocesso. Os esquemas de controlo de processo de fabrico e envolvidas são caras e complexas. Por outro lado, o processo de fabricação proposto é simples, de baixo custo, e pode ser completado dentro de 4 horas, incluindo o tempo para a impressão em 3D dos moldes e ferramentas de manuseamento. A garra macio possui propriedades fascinantes, tais como baixo custo de componentes, resistente à água e não-corrosivo. A complexidade mínimo envolvido no controlo da pinça suave permitiu que fosse usada em várias aplicações de aperto e ser facilmente adoptadas pelos utilizadores.

O processo de fabricação descrito neste estudo envolveu principalmente a tecnologia de impressão 3-D e uma abordagem baseada haste para criar canais de pneumáticos. Isso mostra a possibilidade de criar projetos customizáveis ​​pinças, variando o projeto do molde. Um dispositivo de preensão pneumática suave gancho robótico foi feita usando um molde modificado com um componente gancho de preensão e um componente de câmara (Figura 8). Ele demonstrou que a ca projeto pinçan ser facilmente modificada e fabricada a baixo custo. O uso da vara para criar canais pneumicos permitiu a fabricação de pinças robóticos moles miniaturizados. Foi demonstrado que esta abordagem é adequada para a criação de robôs moles miniaturizar a fim de prevenir a oclusão dos pequenos canais pneumático durante o processo de vedação realizada no processo de fabricação convencional de robôs moles. No entanto, em alguns casos, quando um novo molde marca é usado pela primeira vez para a fundição do elastómero, a superfície exterior do dispositivo de preensão curado pode tornar-se pegajosa. Se isto ocorre, o dispositivo de preensão deve ser colocado no interior do forno para cura adicional até que a viscosidade da superfície é ido. Além disso, deve ser tomado cuidado para assegurar que a vedação é bem e a parede de câmara inferior não tem bolhas. Note-se que a região em que existem dois buracos que passam através da parede, que se destinam à inserção das barras de arame, tem maior probabilidade de conter bolhas de ar aprisionadas, em comparação com o outro Regíons. Uma camada adicional de material elastomérico pode ser aplicado usando uma escova sobre as bordas da camada de vedação e a parede de fundo, a fim de melhorar a robustez do dispositivo de preensão.

A única característica da técnica proposta é incorporar a idéia de imprimir um componente de câmara sobre o molde para criar uma câmara cheia de ar para atuação. O componente câmara nos dispositivos de preensão robóticos moles permite que a força de compressão de aperto ser controlada através da compressão da câmara. Em comparação com as fontes de ar externas, tais como bombas portáteis, que são amplamente adoptadas para utilização para os robôs moles, o modo manual de controlo é obtida com a presença do componente de câmara. É especialmente importante para a manipulação cirúrgica, onde os cirurgiões preferem ser realmente capaz de sentir e controlar a quantidade de força que estão a aplicar. A vantagem do componente câmara é que também permitiu o modo automático de controlo através da incorporação de um linearactuador para as ferramentas de manipulação. Portanto, tanto o modo manual e automático de controlo pode ser feito com o componente de câmara ligadas aos canais pneumáticos para actuação. Estas pinças robóticos moles destacáveis ​​de baixo custo são concebidos para uma única utilização, o que significa que não há necessidade de re-esterilização para o uso repetido. As ferramentas de manipulação são esterilizáveis ​​e as pinças robóticos moles pode ser inserido facilmente antes da manipulação cirúrgica é realizada. Os desenhos destes dispositivos pinças cirúrgicas pneumáticos macios permitir ainda mais a inter-troca de diferentes modelos de dispositivos em uma única ferramenta de manipulação para atender às diferentes necessidades de aperto.

No entanto, esta técnica tem de ser visto em algumas limitações. Em primeiro lugar, são necessários dois procedimentos separados para fabricar os componentes de agarrar e os componentes da câmara para ligar os canais de pneumáticos e componente câmara em conjunto, e um processo de vedação é necessária para a câmara. Embora ele remove o neEd de fontes externas de ar, aumenta o tempo de fundição as pinças robóticos moles. Em segundo lugar, a pressão máxima que pode ser aplicada aos canais pneumicos foi limitada pelas propriedades do elastómero. Forças de compressão maiores podem ser gerados usando um elastómero mais duro ou reforçar o elastómero com fibras para evitar a ruptura dos canais pneumicos. Por exemplo, as fibras de seda, que são amplamente utilizados como um material de sutura cirúrgica ou andaimes devido à sua biocompatibilidade e excelentes propriedades mecânicas, podem ser usados ​​para reforçar as pinças 18 moles. Depende das diferentes aplicações, é necessário elastômero com maior rigidez para garantir o equilíbrio entre aderência compatível e seguro. Além disso, um emocionante compatível e superfície de contato suave da pinça proposta pode causar o deslizamento de ocorrer. No entanto, o contacto adaptável, uma das principais propriedades intrínsecas de borracha de silicone, permitiu que o dispositivo de preensão para se conformar ao contorno da superfície do objecto. NósAcreditamos que esta adaptabilidade melhora indiretamente a estabilidade da emocionante. Modificação nas superfícies de contato de aderência, como incorporando design dentes na superfície de contato, pode auxiliar no fornecimento de apertos estáveis. Por último, quando comparado com outras pinças moles com três ou mais braços 15-17, os desempenhos de aderência do dispositivo de preensão de duas mandíbulas robótico proposta em termos de estabilidade são menos favoráveis.

Esta técnica é altamente escalável, através do qual várias garras robóticas suaves que variam de pequena escala, tais como pinças cirúrgicas, a grande escala, tais como pinças mão em linhas de montagem industriais, podem ser fabricados. Em particular, várias pinças pode ser personalizado baseado no desenho dos moldes. Por exemplo, um dispositivo de preensão do nervo híbrido que combina tanto o componente de aperto suave e um afastador gancho nervo rígida pode ser proposto para uso em manipulação cirúrgica. O componente de aperto suave é envolto em uma caixa rectangular e vai inflar perto do ar pontaEA para a realização do nervo sobre o afastador gancho quando a pressão é aplicada ao canal. Ele aborda uma limitação comum para a utilização de mandíbulas pinça como as mandíbulas tendem a empurrar objetos para fora quando eles fecham, o que coloca certa dificuldade em compreender. Será útil para recolher os nervos e, em seguida, fornecer um aperto compatível, enquanto as pinças maxilas macias só poderia agarrar e pegar objetos que já não estão em contacto com qualquer superfície.

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Disclosures

Os autores não têm nada para revelar.

Acknowledgments

A pesquisa foi apoiada por R-397-000-204-133 (Universidade Nacional de Singapura 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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Fabricação baseada em vara de customizáveis ​​macias robóticos pneumáticas Gripper Aparelhos para a manipulação de tecidos delicados
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Low, J. H., Yeow, C. H. Rod-based… More

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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