Introduction
Мягкие роботы вызвали большой исследовательский интерес в сообществе робототехники и они были использованы в различных функциональных задач , таких как волнообразного локомоции неструктурированных средах 1 и 2 зажимными. Они в основном состоят из мягких эластомерных материалов и под контролем различных методов приведения в действие посредством использования различных материалов , таких как Электроактивный полимер (EAP), форма сплава с эффектом памяти (SMA), или сжатой текучей среды 3. Функция EAPs на основе дифференциального напряжения, которое вызывает электростатические силы для получения активных штаммов и тем самым создает срабатывание. Специфический эффект памяти форма СМА развернут для создания желаемого приведения в действие, основанный на генерации силы в процессе фазовых превращений, происходящих при изменении температуры. И, наконец, сжатый метод жидкость приведение в действие облегчает простую стратегию проектирования, чтобы вызвать разницу жесткость в мягких исполнительных механизмов, таким образом, что более совместимые регионы будут раздуватьна наддувом. Мягкие роботы предназначены для расширения использования традиционных жестких роботов, особенно в приложениях, где участвуют чувствительные объекты. В частности, в этой статье мы представляем наш уникальный подход к разработке мягких роботизированных манипуляторов для тонких хирургических манипуляций.
Хирургический захватный является важным аспектом участвует во многих хирургических процедур , таких как печеночная, гинекологических, урологических и нервных ремонт хирургических операций 4, 5. Это , как правило , выполняется с помощью жестких, инструментов захватных стальной ткани , такой как щипцы и лапароскопических захваты с целью содействия наблюдение, иссечение, процедуры анастомоза и т.д. Тем не менее, крайняя осторожность требуется как обычные инструменты захвата сделаны из металла , что может привести к концентрации областей высокого напряжения в мягких тканях в точках контакта 6. В зависимости от тяжести повреждений ткани, различные осложнения, такие как боль, патологическая ткань шрама еможет привести к ormation, и даже постоянную инвалидность,. Предшествующая исследование показало , что частота осложнений в периферической нервной хирургии составила 3% 7. Таким образом, концепция мягкого захвата, что может обеспечить безопасную совместимый захват может быть перспективным кандидатом для деликатной хирургических манипуляций.
Здесь мы представляем сочетание 3D-печати и модифицированных методов мягкой литографии, которая приняла подход стержневой основе, для изготовления мягких настраиваемых роботизированные пневматических манипуляторов. Традиционная технология изготовления мягких роботов на основе сжатого приведения жидкости требует формы с пневматическими каналами , напечатанными на нем и процесса герметизации для герметизации каналов 8. Тем не менее, это не представляется возможным для миниатюрных мягких роботов, которые необходимы небольшие пневматические каналы, где закупорка каналов может легко произойти в процессе герметизации. Традиционный метод требует герметизации пневматических каналов, чтобы быть сделано путем склеивания с покрытием, герметизирующий слой к нему. Следовательно, лаЕр эластомерного материала, который изначально служит связующий слой может пролиться в крошечные каналы и закупоривают эти каналы. Кроме того, не представляется возможным расположить пневматические каналы в середине структуры и подключить к компоненту камеры с использованием обычных способов. Предложенный подход позволяет создавать миниатюризованных пневматических каналов, подключенных к заполненные воздухом в камере с помощью стержней и не требует герметизации крошечных каналов. Кроме того, камера соединена с пневматическими каналами служить в качестве источника воздуха, который не требует внешних источников воздуха для сжатого приведения в действие жидкости. Это позволяет как роботизированные режимы управления путем облегчения камеры сжатия для приведения в действие захватывающую компонента, тем самым предоставляя пользователям возможность контролировать количество силы, которые они применяют через грейфером руководство и. Этот подход является легко настраиваемым и может быть использовано для изготовления различных типов мягких конструкций захватных таких как захватами с одинарным или мюltiple приводимый оружие.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Protocol
Примечание: Все мягкие пневматические захваты были изготовлены методом литья на основе силикона эластомерных смесей в индивидуальные 3D печатных форм, которые следуют процесс изготовления, включающий три этапа: литье компонентов захватами руку с внедренными пневматическими каналами, молдинг компонент камеру, соединенную с пневматическими каналами и герметизации камеры компонент, заполненный воздухом.
1. Получение эластомеры
- Поместите контейнер для смесителя на весах и тарирование его. Налейте части А и В силиконовой основе эластомера в контейнере с весовом соотношении 1: 1.
- Закройте контейнер и измеряют общий вес.
- Поместите контейнер и материал в центробежном смесителе. Отрегулируйте баланс веса на смесителе к массе, измеренной на шаге 1.2.
- Установите перемешивание и деаэрация режимов до 2000 оборотов в минуту и 2200 оборотов в минуту, соответственно в течение 30 сек. Смешайте эластомерных компонентов тщательно, чтобы достичь равномерного отверждения.
Примечание: Геометрия пресс-формы будет варьироваться в зависимости от конкретных требований в отношении различных применений. Следующие шаги иллюстрируют общие ключевые этапы программного обеспечения САПР, которые необходимы для создания компонента камеры и захватного формы.
- Проектирование пресс-форм и герметизации с помощью формы разработки программного обеспечения автоматизированного (САПР). На рисунке 1 геометрии и конкретных размеров пресс - форм , используемых в этой рукописи.
- Дизайн внешней границы коробки
- Щелкните правой кнопкой мыши на верхней плоскости и нажмите на кнопку "Normal", чтобы кнопку, чтобы нормализовать к верхней плоскости.
- Нажмите на кнопку "Эскиз" в верхнем левом углу, чтобы открыть окно "Эскиз". Затем нажмите на кнопку "Эскиз" в верхнем левом углу панели инструментов, чтобы нарисовать прямоугольную основу камеры компонента.
- Нажмите на функцию «Смарт измерение», которая находится рядом с кнопкой "Эскиз", чтобы определить кктравлени размеры. Убедитесь в том, что эскиз полностью определена (т.е. все рисование линий становятся черными) и выйти из эскиза , когда сделано.
- Нажмите на окно "Свойства". Затем нажмите на "/ Экструдированный Boss Base", чтобы выдавить выбранные контуры в Y-направлении.
- Нажмите на верхнюю поверхность модели, чтобы предварительно выбрать плоскость эскиза. Эскиз прямоугольник и определить размеры, как описано в 2.1.1.2 и 2.1.1.3.
- Нажмите на окно "Свойства". Затем нажмите на функцию "Экструдированный Cut" выдавливать вырезать полость для литья эластомеры (рисунок 2А). Убедитесь в том, что толщина стенки составляет 2,5 мм.
- Конструкция внутренней камеры
- Щелкните правой кнопкой мыши на поверхности на Y-направлении площади отверстия. Затем нажмите на кнопку "Normal, чтобы" нормализовать к этой поверхности.
- Затем нажмите на окно "Эскиз", чтобы нарисовать прямоугольник для камеры компонента, как описано в пунктах 2.1.1.2 и2.1.1.3.
- Нажмите на окно "Свойства". Затем нажмите на "/ Экструдированный Boss Base", чтобы выдавить компонент камеры в Y-направлении (рис 2В).
Примечание: Глубина разреза на этапе 2.1.1.6 составляет 2,5 мм больше, чем эта экструдированной основы.
- Дизайн компонента с захватами
- Нажмите на поверхности модели в отрицательном направлении Х, чтобы предварительно выбрать плоскость эскиза для захватывающего компонента. Создайте прямоугольник в окне "Эскиз", как описано в шагах 2.1.1.2 и 2.1.1.3.
- Нажмите на окно "Свойства". Затем нажмите на "/ Экструдированный Boss Base", чтобы выдавить выбранный контур в отрицательном направлении Х.
- Нажмите на верхней поверхности компонента с захватами для предварительного отбора на плоскость эскиза. Создайте форму захвата в "Эскиз" окно (рисунок 2С) и выхода из эскиза , когда размеры полностью определены , как описано в шагах 2.1.1.2d 2.1.1.3.
- Нажмите на окно "Свойства". Затем нажмите на кнопку "Экструдированный Cut", чтобы вырезать полость для литья эластомеров в компоненте с захватами. Убедитесь в том, что толщина стенки составляет 2,5 мм.
- Конструкция соединения между камерой и грейфером
- Создайте прямоугольник в окне "Эскиз" на верхней поверхности камеры части, как описано в 2.1.1.2 и 2.1.1.3.
- Нажмите на окно "Свойства". Затем нажмите на кнопку "Экструдированный Cut" , чтобы создать соединение между камерой и захватами компонентами (рис 2D).
- Конструкция пневматических каналов
- Создание кругов диаметром 1,5 мм на поверхности камеры части в положительном направлении оси х, как описано в шагах 2.1.1.2 и 2.1.1.3.
- Нажмите на окно "Свойства". Затем нажмите на кнопку "Экструдированный Cut" , чтобы создать каналы для катанки вставки (рис 2E). Обеспечение HolES не прорезал компонента с захватами.
- Дизайн внешней границы коробки
- В отдельном файле САПР, нарисовать уплотнительную форму с полостью, длины и ширины, которые равны 1 мм больше, чем наружные размеры камеры компонента захватного устройства. Примечание: Толщина стенки 2,5 мм.
- Нажмите на окно "Эскиз", чтобы создать прямоугольник на верхней плоскости, как описано шаги 2.1.1.2 и 2.1.1.3.
- Нажмите на окно "Свойства". Затем нажмите на "/ Экструдированный Boss Base", чтобы выдавить выбранные контуры в Y-направлении.
- Нажмите на верхней грани модели, чтобы предварительно выбрать плоскость эскиза. Эскиз прямоугольник и определить размеры, как описано в пунктах 2.1.1.2 и 2.1.1.3).
- Нажмите на окно "Свойства". Затем нажмите на функцию "Экструдированный Cut" выдавливать вырезать полость для литья эластомеров. Убедитесь в том, что толщина стенки составляет 2,5 мм.
- Сохраните каждый кусок плесени как .stl файл для 3D печати. Загрузите файл .stl в 3D - принтер с разрешением 30 мкм и печати частей пресс - формы 9.
- Удалите материал носителя на кусочки плесени и мыть кусочки плесени с водой.
3. Мягкая Single / Double-приводимый Arm Пневматические захваты
- Молдинг компоненты захватами-Arm со встроенными пневматическими каналами
- Вставьте два 3D-напечатанный камерные блоки на левой и правой стороне компонента камеры (рис 3 , а ) , с тем , чтобы генерировать герметичную камеру с пневматическими каналами , подключенных к нему.
- Вставьте два 1,5 мм диаметра титана катанки через камеру, держа на расстоянии 2 мм от концов захватных для создания пневматических каналов (Рисунок 3А). Примечание: Используйте одну катанку для одного приводимого-рычага захвата.
- Налейте эластомерна смесь в пресс-форму, чтобы полностью заполнить компонент захватного.
- Убедитесь, что нет видимых пузырьков воздуха присутствует.
- Placе пресс-формы в печи для отверждения при 60 ° С в течение 10 мин. После того, как эластомер вылечить, удалить плесень из духовки.
- Molding компонент камеру, соединенную с пневматическими каналами
- Потяните катанки и две камерные блоки из пресс-формы.
- Поместите 3D-печатное захватного-блока на верхней части компонента с захватами для того , чтобы создать камеру (фигура 3В). Вставьте провод стержней, чтобы заблокировать отверстия в стенке формы.
- Налейте эластомерна смесь в пресс-форму, чтобы заполнить остальную часть камеры компонента и гарантировать, что нет никаких видимых пузырьков воздуха, заключенные в пресс-форме.
- Отверждение часть при температуре 60 ° С в течение 10 мин. Снимите форму из духовки, как только эластомер отверждают.
- Снимите захватный-блок и полностью выемки отвержденного захват со структурой камеры.
- Уплотнение камеры компонент, заполненный воздухом
- Налейте эластомерной смеси в пресс-форму и уплотнительнойвылечить его при температуре 60 ° С в течение 10 мин.
- Кисть слой эластомерного материала на отвержденных 2,5 мм свариваемый слой. Поместите отвержденного захват со структурой камеры на верхней части покрытого герметизирующего слоя и скрепления двух частей вместе (рис 3C).
- Впоследствии, вылечить всю структуру полностью при температуре 60 ° С в течение 15 мин.
- Полностью выемки вылечил мягкий роботизированного устройства захватного.
4. Введение Soft Роботизированная Пневматический Gripper устройство в Handling инструмент
- Разработка инструментов обработки, как описано в Дополнительной файл 1, используя программное обеспечение САПР и сохранить его в файле .stl. См 4 и 5 для размеров инструментов.
- Загрузите файл .stl в 3D - принтера и печати частей пресс - формы 9.
Примечание: Все печатные шаги для ручного инструмента обработки, управления прямоугольной крышкой и подвижным поршнем (рисунок 4) может быть завершена в течение 3 ч 48 мин. Пиарinting время для изготовления роботизированный инструмент управления и прямоугольный колпачок обработки (рисунок 5) 1 час 56 мин. См Дополнительный файл 2 для 3D-инструкции по эксплуатации принтера. - Лупиться любой материал носителя на инструментах после завершения печати. Затем промойте инструменты водой.
- Вставьте захват в ручной инструмент обработки управления (рисунок 4A) и покрывают площадь отверстия с подвижной прямоугольной крышкой (рис 4В).
- Вставьте подвижный поршень (рис 4C) для облегчения камеры сжатия.
- Вставьте захват и линейный привод в роботизированный инструмент обработки управления (рисунок 5А). Примечание: линейный привод заменяет подвижный поршень в режиме ручного управления для камеры сжатия.
- Накройте площадь отверстия с подвижной прямоугольной крышкой (рис 5B).
5. Оценка и сжатие испытания на сжатие
- оцениватьфункциональность мягкого захвата, выполняя сцепные тесты с перемычкой.
- Установите перемычку на столе.
- Отрегулируйте захват таким образом, что проволока находится в промежутках между двумя захватами оружия.
- Перемещение подвижный поршень для сжатия в камеру для того, чтобы привести в действие захватные руки, чтобы удерживать провод.
Примечание: только инструмент ручного управления обработки используется в захватываемого демонстрации. - Удержание и переместите провод к коробке, расположенной на 20 см от исходного расположения провода.
- Поместите калиброванный силы чувствительный резистор между двумя челюстей захвата. Убедитесь, что захват губок на чувствительной области. Примечание: Диаметр чувствительной области составляет 14,7 мм.
- Сжать камеры для приведения в действие захватывающего руки для захвата от силы измерительного резистора.
- Измерьте максимальные силы сцепления при сжатии , что мягкие одного приводимого-рук и двойного приводимый-рукоятки пневматические захваты могут генерировать , как описано в 10,
Примечание: Значения считывания будут отображаться на ноутбуке. Максимальные силы сцепления при сжатии измеряют в точке максимального давления, что пневматические каналы могут выдержать. - Вырежьте отдельные эластомерные челюсти сцепные из мягкой двойной приводимый рукавов пневматического захвата.
- Вставьте щипцов концы в пневматических каналах эластомерных челюстей захвата.
- Поместите калиброванный силы чувствительный резистор между двумя челюстями пинцетом.
- Мера сжимающие усилия 10 , сгенерированные эластомерных покрытием щипцов и щипцов во время имитации операции нерва , проведенного нейрохирурга.
Примечание: Нейрохирург применяет силу, подобно тому, что он обычно применяется во время фактической операции по отряду чувствительного резистора. - Среднее значение на основании данных, полученных от пяти испытаний в каждом тесте.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Representative Results
Мягкие роботизированные пневматические устройства захватами были способны улавливать объекты с размерами до 1,2 мм в диаметре (рисунок 6). Максимальное сцепление сжимающая сила, генерируемая одинарном приводимой-руку, и дважды приводимой вооружиться мягкие захватные устройства были 0,27 ± 0,07 N и 0,79 ± 0,14 Н соответственно, по сравнению с 1,71 ± 0,16 N и 2,61 ± 0,22 Н сжимающих сил в моделируемой операции по пинцета эластомерных покрытием и без покрытия щипцов (рисунок 7). Хват силы могут варьироваться в зависимости от геометрии захватных и размера пневматических каналов. Свойства материала Эластомер будет определять максимальное давление, что пневматические каналы могут выдержать, что, в свою очередь, влияет на сцепные силы. Предложенная методика (Рисунок 3) показывает , что создание недорогой мягкой пневматической грейфером в быстрое время изготовления является это возможно,d функциональность таких захватами была оценена в данном исследовании. Используя методику, описанную, изготовление различных конструкций захватных для различных применений может быть достигнуто путем разработки соответствующих форм для литья эластомера.
Эти результаты показали, что соответствует захватный, без введения чрезмерного напряжения к захваченной объекта, достижима с предлагаемой технологии изготовления. Адаптивность мягких захватов оружия разрешено оружие, чтобы соответствовать поверхности контура объекта. Тем не менее, необходимо, чтобы гарантировать, что надежный захват не будет нарушена, если податливого сцепление достигается. Захват, который является одновременно твердым и совместимым имеет важное значение для захвата приложений, особенно в хирургии. Результаты могут быть дополнительно проанализированы путем проведения испытаний пилот мыши, чтобы оценить производительность мягкого захвата в проведении нерв мыши и изучить степень повреждения, сделанное к нерву когда этомягкий захватное используется, по сравнению с тем, когда используются пинцет.
Рисунок 1. 2D САПР чертежей пресс - форм , используемых для изготовления верхнего строения эластомерных мягких робототехнических устройств пневматического захватных: (A) дважды приводимое-руки, и (б) одно- приводимое-кронштейн (все размеры даны в мм). Толщина стенки составляет 2,5 мм для всех форм. Пожалуйста , нажмите здесь , чтобы посмотреть увеличенную версию этой фигуры.
Рисунок 2. Создание пресс - формы в CAD. (A) Выдавливание вырезать полость для литья эластомеров. (B) Создание компонента камеры в мольd. (C) Создайте полость для литья эластомеры для захватывающего компонента. (D) Выдавливание разрезал соединение между камерой и захватами компонентом. (E) Выдавливание вырезать два отверстия для проведения катанка для создания пневматических каналов. Пожалуйста , нажмите здесь , чтобы посмотреть увеличенную версию этой фигуры.
Рисунок 3. Процесс изготовления мягкой двойной приводимый рукавов пневматического захвата. (А) Поместите две камерные блоки и вставить два катанка для создания пневматических каналов, которые подключены к камере. Налейте эластомер в пресс-форму и полностью вылечить компонент захватный. (B) Удалите катанки и камерные блоки и поставить захватный-блок на верхней части компонента захватывающего создающихэлектронной камеры. Налейте эластомер в пресс-форму, чтобы сделать компонент камеры. (C) Бонд захватное структура и 2,5 мм слой вместе , чтобы создать герметичную камеру заполненные воздухом. Пожалуйста , нажмите здесь , чтобы посмотреть увеличенную версию этой фигуры.
Рисунок 4. 2D CAD чертежи инструментов обработки для режима ручного управления для облегчения камеры сжатия (A) Подъемно - инструмент, (B) прямоугольная крышка, и (С) подвижный поршень (все размеры в мм и масштаб 2: 3 . если не указано). Пожалуйста , нажмите здесь , чтобы посмотреть увеличенную версию этой фигуры.
Рисунок 5. 2D CAD чертежи инструментов обработки для режима роботизированного управления для облегчения камеры сжатия (A) Погрузочно - разгрузочные работы инструмента, и (B) прямоугольная крышка (все размеры в мм и масштаб 2: 3 , если не указано).. Пожалуйста , нажмите здесь , чтобы посмотреть большую версию этой фигуры.
Рисунок 6. Оценка захватывающих испытаний предлагаемых захватных устройств. Фотографии мягкого роботизированной (А) с одним приводимый рукавами и (B) дважды приводимый-рычаг пневматического захватного устройства до (слева) и после (справа) , охватившего 1,2 мм диаметр проволоки.
Рисунок 7. зажимные силы сжатия , порожденные двумя различными мягкими роботизированных пневматических устройств захвата, и два ( с эластомерной покрытием и без покрытия) пинцетом в тесте на сжатие захвата. Сила зондирования резистор был помещен между двумя челюстями захватных / щипцов и тому захватами / щипцы губки захватывали на чувствительной области в каждом тесте. Столбики ошибок обозначают стандартное отклонение.
Рисунок 8. 2D САПР чертежей пресс - форм , используемых для изготовления верхнего строения мягкого роботизированный крюком пневматического захватного устройства. Пневматический канал расположен ближе к нижней поверхности детали крюка захватного и он будет изгибаться вверх от избыточного давления.
Дополнительный файл 1. Проектирование инструментов обработки. Поэтапное подробности о конструкции обработки инструментов , участвующих в программе CAD. Пожалуйста , нажмите здесь , чтобы загрузить этот файл.
Дополнительный файл 2. 3D - принтер руководство пользователя. Данное руководство пользователя содержит инструкции по эксплуатации принтера. Пожалуйста , нажмите здесь , чтобы загрузить этот файл.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Discussion
Мы успешно продемонстрировали, что мягкие роботизированные устройства пневматические захватные позволили совместимый Захватывающее объектов, оказавших значительно меньшие силы сжимающие на захваченной объекта, чем эластомерных покрытием щипцы советы и щипцов, оказываемое. Пинцет является необходимым инструментом для манипулирования нервов во время ремонта периферических нервов хирургий 11, 12. Тем не менее, его металлическая конструкция требует крайней осторожности в использовании от хирургов, чтобы предотвратить повреждение нерва , вызванное чрезмерным сил для захвата и случайного повреждения окружающих тканей. В зависимости от степени повреждения, может привести различные осложнения, начиная от менее серьезных из них, таких как боль, тяжелые из них, таких как сгустки крови и даже постоянной нетрудоспособности,. Принимая во внимание необходимость предотвращения случайного повреждения нервных тканей во время хирургических манипуляций, наши предварительные данные показывают, что эти мягкие роботизированные пневматические устройства захватные являются потенциальными подходящими кандидатами длядополняя текущие щипцов во время манипуляций деликатной ткани, обеспечивая способность достигнуть совместимого сцепления. На основе силикона эластомер используют в изготовлении мягкого захватного имеет модуль Юнга от 0,8 х 10 5 Па, что сравнимо с теми , мягких деформируемых человеческих мышц и тканей , 13, 14. Таким образом, это позволит снизить риск повреждения тканей по сравнению своим коллегой жесткими захватами.
Описываемого все шаги, наиболее важные шаги позиционирование пневматических каналов в конструкции пресс-формы, устранение захваченных пузырьков воздуха до процесса отверждения, а также уплотнение воздушной камеры. Пневматические каналы не должны быть расположены слишком близко к наружной стенке захватного устройства для того, чтобы не допустить привод с разрывания при низких давлениях. Скопившийся воздух, должны быть устранены до отверждения, так как это приведет к удалению потенциальных точек отказа, таким образом, в конечном счете, повышение эффективности захвата.Структура захватное должна быть хорошо приклеена к герметизирующим слоем, чтобы создать закрытую камеру, которая способна хранить воздух без утечки.
Различные способы изготовления также были предложены для создания мягких микро-исполнительные механизмы для захвата приложений 15-17. Например, Лу и Ким 15 предложил microhand сделанный с тремя шагами мягкого процесса литографии. В этом случае microhand способен манипулировать относительно небольшие предметы, но внешний Баллоны азот необходим для его приведения в действие. Совсем недавно, Rateni и др. 16 разработали мягкий кабель управляемой роботизированной эспандер , где мягкие пальцы были сделаны литьем силикон в 3D-печатных форм. Вместо того, чтобы пневматические каналы в середине захватного рычага, роботизированная захватное приводили в действие с помощью серводвигателя с кабелями, подключенными к пальцу. Брегер и др. 17 предложил самости раскладывающейся мягкие microgrippers сделанные с последовательным фотолитографии прocess. Схемы процесса изготовления и контроля, вовлеченные дороги и сложны. С другой стороны, предлагаемый процесс изготовления проста, низкая стоимость и может быть завершена в течение 4 часов, включая время для 3D-печати пресс-форм и инструментов обработки. Мягкий захват обладает завораживающие свойства, такие как низкая стоимость компонентов, водостойкие и неагрессивных. Минимальная сложность участвует в осуществлении контроля мягкого захвата позволило ему быть использованы в различных приложениях и захватных быть легко приняты пользователями.
Процесс изготовления описан в данном исследовании, в основном участвуют технологии печати 3-D и подход, основанный на стержневой для создания зон регулирования. Это показывает возможность создания настраиваемых конструкций захватных путем изменения конструкции пресс-формы. Мягкий роботизированная крюк пневматический захват был сделан с использованием модифицированной формы с компонентом крюк захвата и компонента камеры (рисунок 8). Он показал, что конструкция ча захватамиN быть легко модифицирована и изготовлена при низкой стоимости. Использование стержня для создания пневматических каналов позволили изготовление миниатюрных мягких роботизированных манипуляторов. Он показал, что этот подход пригоден для создания миниатюризации мягких роботов, с тем, чтобы предотвратить закупорку крошечных пневматических каналов во время процесса герметизации, проводимой в обычном процессе изготовления мягких роботов. Тем не менее, в некоторых случаях, когда совершенно новый пресс-формы сначала используется для отливки эластомера, внешняя поверхность отвержденной грейфером может стать липкой. Если это произойдет, то захват должен быть помещен внутрь печи для дополнительного отверждения до клейкость поверхности не исчезнет. Кроме того, следует соблюдать осторожность, чтобы гарантировать, что запечатывание хорошо, а нижняя стенка камеры не имеет пузырьков. Следует отметить, что область, где есть два отверстия, проходящие через стенку, которые предназначены для вставки катанки, имеет более высокую вероятность содержания ловушке воздушных пузырьков по сравнению с другой регионов. Дополнительный слой из эластомерного материала можно наносить с помощью кисти на края герметизирующего слоя и нижней стенкой для того, чтобы повысить надежность захвата.
Уникальной особенностью предложенного метода является включение идеи печати компонент камеры на пресс-форму, чтобы создать воздушную камеру заполненные для приведения в действие. Компонент камеры в мягких робототехнических устройств захвата позволяет захват сжимающее усилие, чтобы управлять с помощью сжатия камеры. По сравнению с внешними источниками воздуха, такие, как портативные насосы, которые широко применяются для использования для мягких роботов, ручной режим управления достижимо при наличии компонента камеры. Это особенно важно для хирургических манипуляций, где хирурги предпочитают, чтобы быть в состоянии фактически чувствовать и контролировать количество силы, которые они применяют. Преимущество компонента камеры является то, что оно также позволило автоматический режим управления путем включения линейнуюпривод в инструменты обработки. Таким образом, как ручной и автоматический режим управления может быть сделано с компонентом камерой, соединенной с пневматическими каналами для приведения в действие. Эти недорогие съемные мягкие роботизированные захваты предназначены для одноразового использования, а это значит, что нет никакой необходимости в повторной стерилизации для повторного использования. Средства обработки являются стерилизуемых и мягкие роботизированные захватами может быть вставлен легко перед выполнением хирургических манипуляций. Конструкции этих мягких пневматических хирургических устройств захвата позволяют дополнительно Межаме- изменение различных конструкций устройств в одном инструменте обработки для удовлетворения различных требований зажимные.
Тем не менее, этот метод необходимо рассматривать в нескольких ограничений. Во-первых, две отдельные процедуры необходимы для изготовления захватного компоненты и компоненты камеры для подключения пневматических каналов и компонент камеры вместе, и процесс герметизации необходим для камеры. Несмотря на то, что удаляет перед внешних источников воздуха, это увеличивает время в литейном мягкие роботизированных манипуляторов. Во-вторых, максимальное давление, которое может быть применено к каналам пневматическими ограничивалась свойства эластомера. Большие силы сжатия могут быть получены с использованием более жесткая эластомер или армирующий эластомер с волокнами, чтобы предотвратить разрыв пневматических каналов. Например, шелковые волокна, которые широко используются в качестве хирургического шовного материала или каркасы из - за их биосовместимость и отличные механические свойства, могут быть использованы для усиления мягких захватами 18. В зависимости от различных условий применения, эластомер с более высокой жесткостью необходимо для обеспечения баланса между податливыми и надежного захвата. Кроме того, податливый захватный и гладкая поверхность контакта предлагаемого захватного устройства может привести к возникновению проскальзывания. Тем не менее, адаптируемой связаться с одним из ключевых внутренних свойств силиконового каучука, позволило захватами, чтобы соответствовать поверхности контура объекта. Мыполагают, что эта адаптируемость косвенно повышает стабильность захватывания. Модификация на поручне контактных поверхностей, таких как заделка дизайн зубы в контактной поверхности, может помочь в обеспечении стабильных захватами. И наконец, по сравнению с другими мягкими захватами с тремя или более рук 15-17, то сцепление выступления предлагаемого двух челюстью роботизированной грейфером с точки зрения стабильности менее благоприятны.
Этот метод отличается высокой масштабируемостью, в результате чего различные мягкие роботизированные захватами, начиная от небольших масштабах, таких как хирургические захватами, в больших масштабах, таких как ручные захватами в промышленных сборочных линиях, могут быть изготовлены. В частности, различные захваты могут быть настроены на основе конструкции пресс-форм. Например, гибридный нерв захватами, который сочетает в себе мягкий компонент захвата и жесткий нерва крюк втягивающим может быть предложен для использования в хирургических манипуляций. Мягкая компонента захватный вмонтировано в прямоугольном корпусе, и он будет раздувать вблизи вершины А.Р.ЭА для удержания нерва на крючок втягивающим, когда давление приложено к каналу. Это решает общее ограничение для использования челюстей захвата, как челюсти, как правило, в них посторонние предметы наружу, когда они закрываются, что создает определенную трудность в понимании. Это будет полезно, чтобы выкопать нервы, а затем обеспечить послушную сцепление, в то время как мягкие губки захватами могли только сцепление и подобрать объекты, которые уже не в контакте с любыми поверхностями.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Disclosures
Авторы не имеют ничего раскрывать.
Acknowledgments
Исследование было поддержано R-397-000-204-133 (Национальный университет Сингапура молодых исследователей 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) |
References
- Tolley, M. T., et al. A resilient, untethered soft robot. Soft Robotics. 1 (3), 213-223 (2014).
- Low, J. H., Delgado-Martinez, I., Yeow, C. H. Customizable soft pneumatic chamber-gripper devices for delicate surgical manipulation. ASME J Med Devices. 8 (4), 044504 (2014).
- Rus, D., Tolley, M. T. Design, fabrication and control of soft robots. Nature. 521, 467-475 (2015).
- Lee, W. J., Chan, C. P., Wang, B. Y. Recent advances in laparoscopic surgery. Asian J Endosc Surg. 6 (1), 1-8 (2013).
- Schoeller, T., Huemer, G. M., Shafighi, M., Gurunluoqlu, R., Wechselberger, G., Piza-Katzer, H. Microsurgical repair of the sural nerve after nerve biopsy to avoid associated sensory morbidity: a preliminary report. Neurosurgery. 54 (4), 897-900 (2004).
- Bamberg, R., Jones, B., Murray, L., Sagstetter, A. Laparoscopic grasper for minimally invasive laparoscopic surgery. , http://homepages.cae.wisc.edu/ ~bme200/grasping_instrument_f06/reports/midsemester_rd.pdf (2006).
- Ducic, I., Hill, L., Maher, P., Al-Attar, A. Perioperative complications in patients undergoing peripheral nerve surgery. Ann Plast Surg. 66 (1), 69-72 (2011).
- Shepherd, R. F., et al. Multigait soft robot. PNAS. 108 (51), 20400-20403 (2011).
- Objet 260 Connex User Guide. , http://www.objet.com (2016).
- Force Sensing Resistor Integration Guide & Evaluation Parts Catalog with Suggested Electrical Interfaces. , https://www.sparkfun.com/datasheets/Sensors/Pressure/fsrguide.pdf (2002).
- Dagum, A. B. Peripheral nerve regeneration, repair, and grafting. J Hand Ther. 11 (2), 111-117 (1998).
- Felippe, M. M., Telles, F. L., Soares, A. C. L., Felippe, F. M. Anastomosis between median nerve and ulnar nerve in the forearm. J Morphol Sci. 29 (1), 23-26 (2012).
- Rus, D., Tolley, M. D. Design, fabrication and control of soft robots. Nature. 521, 467-475 (2015).
- Elango, N., Faudzi, A. A. M. A review article: investigations on soft materials for soft robot manipulations. Int J Adv Manuf Technol. 80 (5), 1027-1037 (2015).
- Lu, Y. W., Kim, C. J. Microhand for biological applications. Appl Phys Lett. 89, 1641011-1641013 (2006).
- Rateni, G., et al. Design and development of a soft robotic gripper for manipulation in minimally invasive surgery: a proof of concept. Meccanica. 50 (11), 2855-2863 (2015).
- Breger, J. C., et al. Self-folding thermo-magnetically responsive soft microgrippers. ACS Appl Mater Inter. 7 (5), 3398-3405 (2015).
- Zafar, M. S., Al-Samadani, K. H. Potential use of natural silk for bio-dental applications. J Taibah Univ Med Sci. 9 (3), 171-177 (2014).
