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Bioengineering

a base de varilla de fabricación de dispositivos robóticos adaptables pinza neumática suaves para la manipulación del tejido delicado

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

Introduction

Robots suaves han despertado gran interés en la investigación dentro de la comunidad de la robótica y se han utilizado en diferentes tareas funcionales, tales como la locomoción ondulatoria en entornos no estructurados 1 y 2 de agarre. Ellos se componen principalmente de materiales elastoméricos suaves y controlados por diferentes técnicas de actuación a través de la utilización de diferentes materiales tales como polímero electroactivo (EAP), la forma de aleación de memoria (SMA), o fluido comprimido 3. función EAPs basado en un voltaje diferencial que induce fuerzas electrostáticas para producir cepas activas y de ese modo genera accionamiento. El efecto de memoria de forma peculiar de la SMA se despliega para generar el accionamiento deseado basado en la generación de la fuerza durante las transformaciones de fase en el cambio en la temperatura. Por último, la técnica de accionamiento fluido comprimido facilita una estrategia de diseño simple para inducir la diferencia de rigidez en los actuadores suaves, de forma que las regiones más compatibles se inflaránsobre presurización. robots suaves están diseñados para ampliar las aplicaciones de robots duros tradicionales, especialmente en aplicaciones en las que están implicados los objetos delicados. En particular, en este trabajo, presentamos nuestro enfoque único en el desarrollo de pinzas robóticas suaves para la manipulación quirúrgica delicada.

Sujeción de aplicaciones quirúrgicas es un aspecto importante implicado en muchos procedimientos quirúrgicos, tales como hepático, ginecológica, urológica, y el nervio cirugías de reparación de 4, 5. Se lleva a cabo típicamente por, herramientas rígidas de agarre de tejido de acero tales como los fórceps y pinzas laparoscópicas para el propósito de facilitar observación, la escisión, procedimientos de anastomosis, etc. Sin embargo, se requiere extremo cuidado ya que las herramientas de sujeción convencionales están hechas de metal que pueden causar zonas de alta concentración de tensión en el tejido blando en los puntos de contacto 6. Dependiendo de la gravedad de los daños tisulares, diversas complicaciones, como el dolor, la cicatriz patológica del tejido formación, e incluso incapacidad permanente, pueden resultar. Un estudio previo reportó que la tasa de complicaciones en la cirugía de nervios periféricos fue del 3% 7. Por lo tanto, el concepto de agarre suave que puede proporcionar un agarre seguro compatible puede ser un candidato prometedor para la manipulación quirúrgica delicada.

A continuación, presentamos una combinación de técnicas de litografía blanda modificados, que adoptaron un enfoque basado en la barra, para fabricar pinzas neumáticas robóticos suaves adaptables 3D-impresión y. Técnica de fabricación tradicional de robots blandos a base de accionamiento de fluido comprimido requiere un molde con canales neumáticos impresas en él y un proceso de sellado para sellar los canales 8. Sin embargo, no es factible para robots suaves miniaturizados que necesitan pequeños canales neumáticos donde la oclusión de canales puede suceder fácilmente en el proceso de sellado. La técnica tradicional requiere el sellado de los canales neumáticos que ser hecho por unión de una capa de sellado revestido a ella. Por lo tanto, el layer de material elastomérico que sirve inicialmente como una capa de unión puede derramarse en los pequeños canales y ocluir esos canales. Tampoco es posible colocar los canales neumáticos en el centro de la estructura y conectarse a un componente de la cámara usando técnicas convencionales. El enfoque propuesto permite la creación de canales neumáticos miniaturizados conectados a una cámara usando barras llenas de aire y no requiere sellado de los pequeños canales. Además, la cámara conectada a los canales neumáticos sirven como una fuente de aire que no requiere fuentes de aire externas para el accionamiento de fluido comprimido. Se permite que tanto los modos de control robóticos facilitando la cámara de compresión para accionar el componente de agarre, proporcionando así a los usuarios la opción de controlar la cantidad de fuerza que están aplicando a través de la pinza manual y. Este enfoque es altamente adaptable y se puede utilizar para fabricar varios tipos de diseños de agarre blandos, tales como pinzas con simple o multiple brazos accionables.

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Protocol

Nota: Todas las pinzas neumáticas blandos fueron fabricados por colada mezclas de elastómeros a base de silicona en moldes 3D-impresos personalizados, que siguieron un proceso de fabricación que comprende tres pasos: el moldeo de componentes de agarre de mano dura con los canales neumáticos incrustadas, moldeando componente cámara conectada a los canales de neumáticos , y sellar el componente de cámara llena de aire.

1. Preparación de los elastómeros

  1. Colocar un recipiente para el mezclador en una balanza y tarar. Verter las partes A y B del elastómero a base de silicona en el recipiente con una relación 1: 1 en peso.
  2. Cubrir el recipiente y medir el peso total.
  3. Colocar el recipiente y el material en un mezclador centrífugo. Ajustar el equilibrio de peso en la mesa de mezclas para el peso medido en el paso 1.2.
  4. Ponga los modos de mezcla y de desaireación a 2.000 rpm y 2.200 rpm durante 30 segundos. Mezclar los componentes de elastómero a fondo para conseguir el curado uniforme.
Le "> 2. Diseño y realización de moldes

Nota: La geometría del molde puede variar dependiendo de los requisitos específicos para diferentes aplicaciones. Los pasos siguientes ilustran pasos clave generales en el software de CAD que se requieren para crear el componente de cámara y de agarre del molde.

  1. Diseñar los moldes y moldes de sellado utilizando el software de diseño (CAD) asistido por ordenador. Véase la Figura 1 para la geometría y específicos dimensiones de los moldes utilizados en este manuscrito.
    1. Diseño del cuadro de límite exterior
      1. Haga clic derecho en el plano superior y haga clic en "Normal a" botón para normalizar al plano superior.
      2. Haga clic en "Esbozo" en la esquina superior izquierda para abrir una ventana "Boceto". A continuación, haga clic en el botón "Boceto" en la esquina superior izquierda de la barra de herramientas para dibujar una base rectangular de componente cámara.
      3. Haga clic en la función "Cota inteligente", que se encuentra al lado del botón "Boceto", para definir skdimensiones de grabado. Asegúrese de que el croquis está completamente definido (es decir, todas las líneas de dibujo se convierten en negro) y salir del boceto cuando haya terminado.
      4. Haga clic en la ventana de "Características". A continuación, haga clic en "/ Extruir saliente Base" característica para la extrusión de perfiles seleccionados en la dirección y.
      5. Haga clic en la superficie superior del modelo de preseleccionar el plano de croquis. Dibuje un rectángulo y definir las dimensiones como se describe en 2.1.1.2 y 2.1.1.3.
      6. Haga clic en la ventana de "Características". A continuación, haga clic en la función de "corte extruido" para extruir cortar una cavidad para la fundición de elastómeros (Figura 2A). Asegúrese de que el espesor de la pared es de 2,5 mm.
    2. Diseño de la cámara interior
      1. Haga clic en la superficie en la dirección Y del área de abertura. A continuación, haga clic en "Normal a" normalizar a esa superficie.
      2. A continuación, haga clic en la ventana "Boceto" para dibujar un rectángulo para el componente de cámara tal como se describe en los pasos 2.1.1.2 y2.1.1.3.
      3. Haga clic en la ventana de "Características". A continuación, haga clic en "/ Extruir saliente Base" característica para extruir el componente de cámara en la dirección Y (Figura 2B).
        Nota: La profundidad del corte en el paso 2.1.1.6 es 2,5 mm mayor que esta base extruido.
    3. Diseño del componente de agarre
      1. Haga clic en la superficie del modelo en negativo dirección X para preseleccionar el plano de boceto para el componente de agarre. Crear un rectángulo en la ventana "Boceto" tal como se describe en los pasos 2.1.1.2 y 2.1.1.3.
      2. Haga clic en la ventana de "Características". A continuación, haga clic en "/ Extruir saliente Base" característica para extruir el contorno seleccionado en la dirección X negativa.
      3. Haga clic en la superficie superior del componente de agarre para preseleccionar el plano de croquis. Crear una forma de pinza en el "Esbozo" ventana (Figura 2C) y salir del boceto cuando las dimensiones se encuentran completamente definidos como se describe en los pasos 2.1.1.2 unad 2.1.1.3.
      4. Haga clic en la ventana de "Características". A continuación, haga clic en "corte extruido" para cortar una cavidad para la fundición de elastómeros en el componente de agarre. Asegúrese de que el espesor de la pared es de 2,5 mm.
    4. Ejecución de la conexión entre la cámara y la pinza
      1. Crear un rectángulo en la ventana "Boceto" en la superficie superior de la pieza de cámara como se describe en 2.1.1.2 y 2.1.1.3.
      2. Haga clic en la ventana de "Características". A continuación, haga clic en "corte extruido" para crear una conexión entre los componentes de la cámara y la pinza (Figura 2D).
    5. Diseño de los canales neumáticos
      1. Crear 1,5 mm círculos de diámetro en la superficie de la pieza de cámara en la dirección X positiva como se describe en los pasos 2.1.1.2 y 2.1.1.3.
      2. Haga clic en la ventana de "Características". A continuación, haga clic en "corte extruido" para crear canales para la inserción de varillas de alambre (Figura 2E). Asegúrese de que el holES no se cortan a través del componente de agarre.
  2. En un archivo CAD separada, dibujar un molde de sellado con una cavidad de longitud y anchura que son de 1 mm mayor que las dimensiones exteriores de la cámara de componente de la pinza. Nota: El espesor de la pared es de 2,5 mm.
    1. Haga clic en la ventana "Boceto" para crear un rectángulo en el plano superior como pasos descritos 2.1.1.2 y 2.1.1.3.
    2. Haga clic en la ventana de "Características". A continuación, haga clic en "/ Extruir saliente Base" característica para la extrusión de perfiles seleccionados en la dirección y.
    3. Haga clic en la cara superior del modelo de preseleccionar el plano de croquis. Dibuje un rectángulo y definir las dimensiones como se describe en los pasos 2.1.1.2 y 2.1.1.3).
    4. Haga clic en la ventana de "Características". A continuación, haga clic en la función de "corte extruido" para extruir cortar una cavidad para la fundición de elastómeros. Asegúrese de que el espesor de la pared es de 2,5 mm.
  3. Guardar cada pieza de molde como un archivo STL para la impresión 3D. Cargar el archivo STL en la impresora 3D con una resolución de 30 micras e imprimir las piezas de molde 9.
  4. Eliminar cualquier material de apoyo en las piezas del molde y lavar las piezas del molde con agua.

3. suave simple / doble-accionables Pinzas brazo neumático

  1. Moldear componentes de agarre de mano dura con canales neumáticos integrados
    1. Inserte dos cámaras de bloques 3D-impreso en el lado izquierdo y derecho del componente de cámara (Figura 3A) con el fin de generar una cámara sellada con canales neumáticos conectados a él.
    2. Inserte dos varillas de alambre de titanio de 1,5 mm de diámetro a través de la cámara, manteniendo una distancia de 2 mm de las puntas de las pinzas para crear los canales neumáticos (Figura 3A). Nota: Utilice una barra de alambre para la pinza de un solo accionable-brazo.
    3. Verter la mezcla de elastómero en el molde para llenar completamente el componente de agarre.
    4. Asegúrese de que no hay burbujas de aire visibles presentes.
    5. Place el molde en el horno para el curado a 60 ° C durante 10 min. Una vez que se cura elastómero, retirar el molde del horno.
  2. componente cámara de moldeo conectada a los canales neumáticos
    1. Tire de los hilos de máquina y las dos cámaras de bloques fuera del molde.
    2. Colocar una pinza-bloque impreso-3D en la parte superior del componente de agarre con el fin de crear la cámara (Figura 3B). Introducir las varillas de alambre para bloquear los agujeros en la pared del molde.
    3. Verter la mezcla de elastómero en el molde para llenar la parte restante del componente de cámara y asegurar que no haya burbujas de aire atrapadas visibles en el molde.
    4. Curar la parte a una temperatura de 60 ° C durante 10 min. Retire el molde del horno una vez que se cura elastómero.
    5. Retire la pinza-bloque y desmoldar la pinza completamente curado con estructura de cámara.
  3. Sellado de la componente de cámara llena de aire
    1. Verter la mezcla en el molde elastomérico de sellado ycurarla a 60 ° C durante 10 min.
    2. Cepillo de una capa de material elastomérico sobre los curados 2,5 mm capa de sellado. Coloque la pinza curado con estructura de cámara en la parte superior de la capa de sellado revestido y unir las dos piezas juntas (Figura 3C).
    3. Posteriormente, curar toda la estructura completamente a 60 ° C durante 15 min.
    4. Desmoldar el dispositivo robótico de agarre suave totalmente curado.

4. La inserción de Soft robótico neumático Pinza de dispositivos en herramienta de manipulación

  1. Diseñar las herramientas de manipulación como se describe en el archivo suplementario 1, utilizando el software de CAD y guardarla en el archivo STL. Véanse las Figuras 4 y 5 para las dimensiones de las herramientas.
  2. Cargar el archivo STL en la impresora 3D e imprimir las piezas de molde 9.
    Nota: Todas las etapas de impresión para la herramienta de manipulación manual de control, la tapa rectangular, y el pistón móvil (Figura 4) se pueden completar en 3 h 48 min. El prInting tiempo para la fabricación de la herramienta y la tapa rectangular de manejo de control robótico (Figura 5) es de 1 h 56 min. Ver archivo Suplementario 2 para obtener instrucciones de funcionamiento de la impresora 3D.
  3. Despegar cualquier material de apoyo en las herramientas después de que se complete la impresión. Luego, lave las herramientas con agua.
  4. Inserte la pinza en el manual del útil de manipulación de control (Figura 4A) y cubrir el área de abertura con una tapa rectangular móvil (Figura 4B).
  5. Inserte un pistón móvil (Figura 4C) para facilitar la compresión de la cámara.
  6. Inserte la pinza y el actuador lineal en la herramienta de manipulación robótica de control (Figura 5A). Nota: El actuador lineal reemplaza el pistón móvil en el modo de control manual para la compresión de la cámara.
  7. Cubrir el área de abertura con una tapa rectangular móvil (Figura 5B).

5. Las evaluaciones y el agarre a la compresión de prueba

  1. Evaluarla funcionalidad de la pinza suave mediante la realización de pruebas de agarre con un cable de puente.
    1. Ponga un puente sobre la mesa.
    2. Ajustar la pinza de modo que el alambre está entre de los dos brazos de agarre.
    3. Mueva el pistón móvil para comprimir la cámara con el fin de accionar los brazos de sujeción para sujetar el cable.
      Nota: Sólo la herramienta de control de manejo manual se utiliza en la manifestación de agarre.
    4. Sostener y mover el cable a una caja situada a 20 cm de distancia de la ubicación original del alambre.
  2. Coloque una resistencia de detección de fuerza calibrada entre las dos mordazas de la pinza. Asegúrese de que el agarre mordazas de agarre en el área de detección. Nota: El diámetro de la zona de detección es de 14.7 mm.
  3. Comprimir la cámara para accionar los brazos de sujeción para sujetar en la resistencia de detección de fuerza.
  4. Medir las fuerzas de compresión máximo agarre que los accionable de brazo simple y doble con accionamiento de brazo pinzas neumáticas suave puedan generar como se describe en el 10.
    Nota: Los valores de lectura se mostrarán en un ordenador portátil. Las fuerzas máximas de compresión agarre se miden en el punto de máxima presión que los canales neumáticos pueden soportar.
  5. Recortar las mordazas de agarre elastoméricas individuales a partir de un estudio doble-brazo accionable pinza neumática suave.
  6. Inserte las puntas de las pinzas neumáticas en los canales de las mordazas de agarre elastoméricas.
  7. Coloque una resistencia de detección de fuerza calibrada entre las dos mordazas de la pinza.
  8. Medir las fuerzas de compresión generadas por 10 fórceps y pinzas impregnados de elastómero durante una cirugía de los nervios simulada realizada por un neurocirujano.
    Nota: El neurocirujano aplica una fuerza que es similar a lo que se aplica normalmente durante la cirugía real en la resistencia de detección de fuerza.
  9. La media de los datos obtenidos a partir de cinco ensayos en cada prueba.

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Representative Results

Los dispositivos de agarre neumáticos robóticos suaves eran capaces de recoger objetos con dimensiones de hasta 1,2 mm de diámetro (Figura 6). La fuerza máxima de agarre a la compresión generada por el simple accionable-brazo y doble accionable-brazo dispositivos de pinzado blandos fueron 0,27 ± 0,07 N y 0,79 ± 0,14 N, respectivamente, en comparación con 1,71 ± 0,16 N y 2,61 ± 0,22 N fuerzas de compresión en cirugía simulada por las pinzas de elastómero recubierto y sin recubrir por pinzas (Figura 7). Las fuerzas de agarre pueden variar dependiendo de la geometría de las pinzas y el tamaño de los canales neumáticos. las propiedades del material del elastómero determinar la presión máxima que los canales neumáticos pueden soportar, que a su vez afectará a las fuerzas de agarre. La técnica propuesta (Figura 3) demuestra que una creación de bajo costo de pinza neumática suave en el tiempo de fabricación rápida es posible, unad la funcionalidad de tales pinzas se evaluó en este estudio. Usando la técnica descrita, la fabricación de diferentes diseños de agarre para diferentes aplicaciones se puede lograr mediante el diseño de moldes para la fundición correspondientes del elastómero.

Estos resultados mostraron que agarre compatible, sin la introducción de una tensión excesiva en el objeto que se agarra, se puede lograr con la técnica de fabricación propuesto. La adaptabilidad de los brazos de sujeción suave permitió a los brazos para adaptarse al contorno de superficie del objeto. Sin embargo, es necesario garantizar que un agarre seguro no se ve comprometida cuando se consigue un agarre compatible. Un apretón que es a la vez la empresa y compatible es esencial para el agarre de aplicaciones especialmente en la cirugía. El resultado puede ser analizada aún más mediante la realización de ensayos piloto de ratón para evaluar el rendimiento de agarre suave en la celebración de los nervios del ratón y para examinar la extensión del daño hecho al nervio cuandoel dispositivo de agarre suave se utiliza en comparación a cuando se utilizan los fórceps.

Figura 1
Dibujos Figura 1. CAD en 2D de los moldes utilizados para la fabricación de la estructura de la parte superior de los dispositivos de agarre neumático robóticos blandos elastoméricos: (A) accionable doble brazo, y (B) de un solo accionable-brazo (todas las dimensiones son en mm). El espesor de la pared es de 2,5 mm para todos los moldes. Por favor, haga clic aquí para ver una versión más grande de esta figura.

Figura 2
Figura 2. Creación del molde en CAD. (A) Extrusión cortar una cavidad para la fundición de elastómeros. (B) Crear un componente de la cámara en el molre. (C) Crear una cavidad para la fundición de elastómeros para el componente de agarre. (D) Extrusión cortar una conexión entre la cámara y el componente de agarre. (E) Extrusión cortó dos agujeros para sujetar las varillas de alambre para crear canales de neumáticos. Por favor, haga clic aquí para ver una versión más grande de esta figura.

figura 3
Figura 3. Proceso de fabricación de la doble-brazo accionable suave pinza neumática. (A) Colocar dos cámaras de bloques e insertar dos varillas de alambre para crear canales de neumáticos que están conectados a una cámara. Verter elastómero en el molde y curar completamente el componente de agarre. (B) Retire las varillas de alambre y de cámara-bloques y poner una pinza-bloque en la parte superior del componente de agarre para conformare cámara. Verter elastómero en el molde para hacer que el componente de cámara. (C) Bond la estructura de agarre y la capa de 2,5 mm en conjunto para crear una cámara llena de aire sellada. Por favor, haga clic aquí para ver una versión más grande de esta figura.

Figura 4
Figura 4. Los dibujos CAD en 2D de las herramientas de manipulación para el modo de control manual para facilitar la compresión de la cámara (A) Manejo de herramientas, (B) Tapa rectangular, y (C) de pistón móvil (todas las dimensiones están en mm y la escala es de 2: 3. salvo que se especifique). Haga clic aquí para ver una versión más grande de esta figura.


Figura 5. dibujos CAD en 2D de las herramientas de manipulación para el modo de control robótico para facilitar la compresión de la cámara (A) herramienta de manipulación, y (B) de tapa rectangular (todas las dimensiones están en mm y la escala es de 2: 3 salvo que se especifique).. Por favor, haga clic aquí para ver una versión más grande de esta figura.

Figura 6
Figura 6. Evaluación de agarre pruebas de los dispositivos de agarre propuestas. Las fotografías de la robótica blanda (A) de un solo brazo, accionable-y (B) accionable doble-brazo dispositivos de agarre neumático antes (izquierda) y sobre (derecha) agarrando el alambre de 1,2 mm de diámetro.


Figura 7. Grip fuerzas de compresión generadas por los dos dispositivos de agarre diferentes suaves robóticos neumáticos, y las dos pinzas (elastómero recubierto y sin recubrir) en la prueba de compresión agarre. Se colocó una fuerza de detección de resistencia entre las dos mordazas de la pinza / fórceps y la pinza / fórceps mordazas de agarre en el área de detección en cada prueba. Las barras de error representan la desviación estándar.

Figura 8
Dibujos Figura 8. CAD en 2D de los moldes utilizados para la fabricación de la estructura superior del gancho robótico pinza neumática suave. El canal neumático se coloca más cerca de la superficie inferior del componente de gancho de agarre y que se doblan hacia arriba sobre presurización.

archivo adicional 1. Diseño de las herramientas de manipulación. Gradual detalles sobre el diseño de las herramientas de manipulación que participan en el software de CAD. Haga clic aquí para descargar este archivo.

2. suplementario Disposición impresora 3D guía del usuario. Esta guía de usuario proporciona instrucciones para operar la impresora. Por favor, haga clic aquí para descargar este archivo.

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Discussion

Hemos demostrado con éxito que los dispositivos de agarre suave neumática robóticos permiten agarre compatible de objetos, que ejercen fuerzas de compresión mucho más bajos en el objeto que se agarra de los fórceps y pinzas consejos impregnados de elastómero ejercidas. Fórceps es una herramienta esencial para la manipulación de los nervios durante la reparación de nervios periféricos cirugías de 11, 12. Sin embargo, su estructura metálica requiere extremo cuidado en el uso de los cirujanos con el fin de evitar daños en los nervios causados ​​por las fuerzas de sujeción excesivas y los daños incidentales a los tejidos circundantes. Dependiendo de la gravedad de los daños, varias complicaciones que van desde los menos graves, como el dolor, a los graves, como coágulos de sangre e incluso la incapacidad permanente, pueden resultar. Considerando la necesidad de evitar el daño accidental de los tejidos nerviosos durante la manipulación quirúrgica, nuestros resultados preliminares indican que estos dispositivos de agarre neumáticos robóticos suaves son posibles candidatos adecuados paracomplementando unas pinzas de corriente durante la manipulación de los tejidos delicados, proporcionando la capacidad de lograr agarre compatible. El elastómero basado en silicona que se utiliza en la fabricación de la pinza suave tiene un módulo de 0,8 x 10 5 Pa, que es comparable a las de los músculos humanos deformables suaves y tejidos 13, 14. Por lo tanto, se reducirá el riesgo de daños en los tejidos en comparación de Young a sus pinzas rígidas de contrapartida.

De todos los pasos descritos, los pasos más críticos son el posicionamiento de los canales de neumáticos en el diseño del molde, la eliminación de las burbujas de aire atrapadas antes del proceso de curado, y el sellado de la cámara de aire. Los canales neumáticos no deben colocarse demasiado cerca de la pared externa de la pinza con el fin de evitar que el accionador se rompa a bajas presiones. Cualquier burbuja de aire atrapadas deben ser eliminados antes del curado, ya que esto eliminar posibles puntos de fallo, con lo que en última instancia, mejorar el rendimiento de la pinza.La estructura de agarre debe estar unido bien a la capa de sellado para crear una cámara cerrada que es capaz de almacenar aire sin fugas.

También se han propuesto varias técnicas de fabricación para construir suaves micro-actuadores para el agarre de aplicaciones 15-17. Por ejemplo, Lu & Kim 15 propusieron un microhand hecho con tres pasos del proceso de litografía blanda. En este caso, la microhand es capaz de manipular objetos relativamente pequeños, pero se requiere un cilindro de nitrógeno comprimido externa para su accionamiento. Más recientemente, Rateni et al. 16 desarrollaron una pinza robótica cable guiado suave donde los dedos suaves fueron hechas por colada en moldes de silicona impresos-3D. En vez de tener canales de neumáticos en el medio del brazo de sujeción, la pinza robótica fue accionado por un servomotor con los cables conectados al dedo. Breger et al. 17 propone un auto-plegado micropinzas blandas hechas con pr fotolitografía secuencialoceso. Los esquemas de proceso de fabricación y de control que participan son caros y complejos. Por otro lado, el proceso de fabricación propuesto es sencillo de bajo coste, y se puede completar dentro de 4 horas, incluido el tiempo para la impresión en 3D de los moldes y herramientas de manipulación. El dispositivo de agarre suave que posee las propiedades fascinantes como el bajo coste de los componentes, resistente al agua y resistente a la corrosión. La complejidad mínimos correspondientes en el control de la pinza suave permite que sea utilizado en diversas aplicaciones de agarre y ser adoptada fácilmente por los usuarios.

El proceso de fabricación descrito en el presente estudio incluyó principalmente a la tecnología de impresión 3-D y un enfoque basado en la barra para crear canales neumáticos. Se muestra la posibilidad de la creación de diseños de agarre personalizables variando el diseño del molde. Un gancho robótico pinza neumática suave se hizo utilizando un molde modificado con un componente de ganchos de sujeción y un componente de cámara (Figura 8). Se demostró que la pinza de diseño can ser fácilmente modificado y fabricado a bajo coste. El uso de la barra para crear canales de neumáticos permite la fabricación de pinzas robóticas suaves miniaturizados. Se demostró que este enfoque es adecuado para la creación de miniaturizar robots suaves con el fin de prevenir la oclusión de los pequeños canales neumáticos durante el proceso de sellado llevado a cabo en el proceso de fabricación convencional de robots blandos. Sin embargo, en algunos casos, cuando un nuevo molde se utiliza primero para la colada de elastómero, la superficie exterior de la pinza de curado puede llegar a ser pegajosa. Si esto ocurre, el dispositivo de agarre debe ser colocado en el interior del horno para el curado adicional hasta que la pegajosidad de la superficie se ha ido. Además, se debe tener cuidado para asegurar que el sellado es así y la pared de la cámara inferior no tiene burbujas. Tenga en cuenta que la región en la que hay dos agujeros que pasan a través de la pared, que están destinadas para la inserción de las varillas de alambre, tiene mayor probabilidad de contener burbujas de aire atrapadas en comparación con el otro regiones. Una capa adicional de material elastomérico se puede aplicar con un cepillo sobre los bordes de la capa de sellado y la pared inferior con el fin de mejorar la robustez de la pinza.

La característica única de la técnica propuesta es incorporar la idea de la impresión de un componente en la cámara de molde para crear una cámara llena de aire para el accionamiento. El componente de cámara en los dispositivos de agarre robóticos suaves permite que la fuerza de compresión de agarre para ser controlado a través de la compresión de la cámara. En comparación con las fuentes de aire externos, tales como bombas portátiles, que son ampliamente adoptados para su uso para los robots suaves, el modo manual de control es alcanzable con la presencia del componente de cámara. Es especialmente importante para la manipulación quirúrgica, donde los cirujanos prefieren ser capaz de sentir y controlar la cantidad de fuerza que están aplicando en realidad. La ventaja de la cámara de componente es que también permite que el modo automático de control de la incorporación de un linealactuador en las herramientas de manipulación. Por lo tanto, tanto en el modo manual y automático de control puede ser hecho con el componente de cámara conectada a los canales de neumáticos para el accionamiento. Estas pinzas robóticas suaves desmontables de bajo coste están diseñados para el uso de una sola vez, lo que significa que no hay necesidad de volver a la esterilización para el uso repetido. Las herramientas de manipulación son esterilizables y las pinzas robóticas suaves se pueden insertar fácilmente antes de realizar la manipulación quirúrgica. Los diseños de estos dispositivos de sujeción quirúrgicos neumáticos blandos permiten aún más el inter-cambio de diferentes diseños de dispositivos en una sola herramienta de manipulación para adaptarse a diferentes requisitos de agarre.

Sin embargo, esta técnica tiene que ser visto en pocas limitaciones. En primer lugar, se necesitan dos procedimientos separados para fabricar los componentes de agarre y los componentes de la cámara para conectar los canales de neumáticos y componentes cámara de juntas, y se requiere un proceso de sellado para la cámara. A pesar de que elimina la need de fuentes de aire externos, aumenta el tiempo en la fundición de las pinzas robóticas suaves. En segundo lugar, la presión máxima que se puede aplicar a los canales neumáticos estaba limitada por las propiedades del elastómero. fuerzas de compresión más grandes pueden ser generados mediante el uso de un elastómero más rígido o reforzar el elastómero con las fibras para evitar la ruptura de los canales neumáticos. Por ejemplo, fibras de seda, que son ampliamente utilizados como un material de sutura quirúrgico o andamios debido a su biocompatibilidad y propiedades mecánicas excepcionales, se pueden utilizar para reforzar las pinzas suaves 18. Depende de las diferentes aplicaciones, se necesita elastómero con mayor rigidez para garantizar el equilibrio entre agarre compatible y seguro. Además, un agarre compatible y lisa superficie de contacto de la pinza propuesta pueden causar el deslizamiento que se produzca. Sin embargo, el contacto adaptable, una de las propiedades intrínsecas clave de caucho de silicona, permitió la pinza para adaptarse al contorno de superficie del objeto. Nosotroscree que esta capacidad de adaptación mejora indirectamente la estabilidad de agarre. Modificación de las superficies de contacto de agarre, tales como la incorporación de diseño de los dientes en la superficie de contacto, puede ayudar a proporcionar agarres estables. Por último, en comparación con otras pinzas suaves con tres o más brazos 15-17, las actuaciones de agarre de la pinza robótica de dos mandíbulas propuesta en términos de estabilidad son menos favorables.

Esta técnica es altamente escalable, por lo que varias pinzas robóticas suaves que van desde la pequeña escala, tales como pinzas quirúrgicas, a gran escala, tales como pinzas de mano en líneas de montaje industrial, se pueden fabricar. En particular, varias pinzas pueden ser personalizados basados ​​en el diseño de los moldes. Por ejemplo, una pinza nervio híbrido que combina tanto el componente de agarre suave y un retractor gancho nervio rígido puede ser propuesto para su uso en la manipulación quirúrgica. El componente de agarre suave está encerrado en una carcasa rectangular y se inflará cerca de la punta area para sostener el nervio en el retractor gancho cuando se aplica presión al canal. Se fuerza a una limitación común para el uso de mordazas de agarre como las mandíbulas tienden a empujar objetos hacia afuera cuando se cierran, lo que plantea cierta dificultad para comprender. Será de gran utilidad para recoger los nervios y luego proporcionar un agarre compatible, mientras que las pinzas de mordazas blandas sólo podían agarrar y recoger objetos que no están ya en contacto con ninguna superficie.

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Disclosures

Los autores no tienen nada que revelar.

Acknowledgments

La investigación fue apoyada por R-397-000-204-133 (Universidad Nacional de Singapur 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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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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