Waiting
Login processing...

Trial ends in Request Full Access Tell Your Colleague About Jove
JoVE Journal Bioengineering
Click here for the English version

Bioengineering

Narin Doku Manipülasyon için Özelleştirilebilir Yumuşak Robotik Pnömatik Tutucu Cihazlar Rod tabanlı Fabrikasyon

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

Yumuşak robotlar robotik toplum içinde büyük bir araştırma ilgi uyandırmıştır ve böyle yapılandırılmamış ortamlarda 1 ve 2 tutmasında dalgalı hareketin gibi farklı fonksiyonel görevler kullanılmaktadır. Esas olarak yumuşak elastomerik malzemelerden oluşur ve bu, bellekli alaşımdan (SMA) şekil elektro polimer (DAP), ya da basınçlı akışkan 3 farklı malzemelerin kullanımı ile farklı uyarı teknikleri ile kontrol edilir. elektrostatik kuvvetler aktif suşlar üretmek ve böylelikle harekete geçirilmesini üretir için uyaran bir diferansiyel gerilimine dayanan EAP'ler fonksiyonu. SMAS kendine özgü şekil hafıza etkisi sıcaklık değişikliği üzerine faz dönüşümleri sırasında kuvvet nesil dayalı istenen tahriki üretmek için konuşlanmıştır. Son olarak, sıkıştırılmış sıvı harekete tekniği yumuşak aktüatörler içinde sertlik farkı ikna etmek için basit bir tasarım stratejisi kolaylaştırır, daha uyumlu bölgeler gibi şişirmek olacakbasınçlandırma üzerine. Yumuşak robotlar özellikle hassas nesneler söz konusu uygulamalarda, geleneksel sabit robotların uygulamalarını genişletmek için tasarlanmıştır. Özellikle, bu yazıda, biz hassas cerrahi manipülasyon için yumuşak robotik tutucular geliştirme konusunda benzersiz bir yaklaşım sunuyoruz.

Cerrahi tutma gibi karaciğer, jinekolojik, ürolojik, ve sinir onarım ameliyatları 4, 5 gibi birçok cerrahi girişimler rol oynayan önemli bir yönüdür. Genellikle bu tür kolaylaştırmak amacıyla forseps ve laparoskopik graspers gibi sert, çelik doku kavrama araçları tarafından yapılır geleneksel kavrama araçları temas 6 noktalarında yumuşak dokuda yüksek stres konsantrasyon alanları neden olabilir metalden yapılmış gibi gözlem, eksizyon, anastomoz prosedürleri, vb Ancak, son derece dikkatli gereklidir. Doku zararların şiddetine bağlı olarak, ağrı gibi çeşitli komplikasyonlar, patolojik yara dokusu formation ve hatta kalıcı sakatlık, neden olabilir. Bir önceki çalışmada periferik sinir cerrahisinde komplikasyon oranı% 3 7 olduğunu bildirdi. Bu nedenle, güvenli uyumlu tutuş sağlayan yumuşak kavrama kavramı narin cerrahi manipülasyon için umut verici bir aday olabilir.

Burada, 3D baskı ve özelleştirilebilir esnek robot pnömatik tutucular imal etmek için, bir çubuk bazlı yaklaşım benimsemiştir modifiye yumuşak litografi teknikleri, bir arada sunuyoruz. Sıkıştırılmış sıvı harekete dayalı yumuşak robotların geleneksel üretim tekniği kanalları 8 mühür o ve bir sızdırmazlık süreci üzerine basılmış pnömatik kanallı bir kalıp gerektirir. Ancak, kanal tıkanıklığı kolayca mühürleme işlemi gerçekleşebilir küçük pnömatik kanalları ihtiyaç minyatür yumuşak robotlar için mümkün değildir. Geleneksel tekniği için kaplanmış bir tabaka bağlanması ile yapılabilir pnömatik kanal sızdırmazlık gerektirir. Bu nedenle, Labir bağlama katmanı minik kanallar içine dökmek ve bu kanalları tıkayabilir başlangıçta hizmet veren elastomer malzemenin Yer. Yapının ortasına pnömatik kanal konum ve geleneksel teknikler kullanılarak bir bölme bileşeni bağlamak da mümkün değildir. Önerilen yöntem, bir hava ile dolu odacığı kullanılarak çubuklara bağlanmış minyatür pnömatik kanal oluşturulmasını sağlar ve küçük kanalların sızdırmazlık gerektirmez. Buna ek olarak, pnömatik kanallarına bağlı olan odacık sıkıştırılmış sıvı çalıştırılması için dış hava kaynağı gerektirmeyen bir hava kaynağı olarak hizmet etmektedir. Bu kılavuzunu ve böylece kullanıcılara kıskaç ile başvuran bu kuvvet miktarını kontrol seçeneği sağlayan, sürükleyici bileşeni harekete geçirmek için bölme sıkıştırma kolaylaştırarak robotik kontrol modları sağlar. Bu yaklaşım, son derece özelleştirilebilir ve bu tip bir tekli ya da Mu sahip kıskaçlar gibi yumuşak kıskaç tasarımlarında çeşitli imal etmek için de kullanılabilirhareketlendirilebilen kollarını ltiple.

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Protocol

Not: Pnömatik kanallarına bağlı olan odacık bileşenini kalıplamak, gömülü pnömatik kanalları kavrayıcı kol bileşenleri kalıplama: tüm yumuşak pnömatik tutucu üç adım içeren bir imalat işlemi ve ardından özel bir 3D basılmış kalıplar içine silikon bazlı elastomerik karışımlar, döküm ile imal edilmiştir ve hava ile dolu bölme bileşeni mühürleme.

Elastomerler 1. Hazırlık

  1. Bir tartı ölçekte karıştırıcı bir kap koyunuz ve dara. Bölüm A dökün ve bir 1 kap içinde silikon bazlı elastomerin B: 1 ağırlık oranında.
  2. konteyner kapağı ve toplam ağırlığını ölçün.
  3. Bir santrifüj mikser içine konteyner ve malzeme yerleştirin. Adım 1.2 ölçülen ağırlık mikserde ağırlık dengesini ayarlayın.
  4. 30 saniye için, sırasıyla 2000 rpm ve 2.200 rpm karıştırma ve hava alma modu ayarlayın. üniforma kürlenme elde etmek için iyice elastomer parçaları karıştırın.
le "> 2. Kalıp Tasarımı ve Üretimi

Not: kalıp geometrisi farklı uygulamalar için özel gereksinimlerine bağlı olarak değişecektir. Aşağıdaki adımlar kalıp odası ve tutucu bileşeni oluşturmak için gerekli olan CAD yazılımı genel anahtar adımları göstermektedir.

  1. bilgisayar destekli tasarım (CAD) yazılımı kullanılarak kalıp ve sızdırmazlık kalıp tasarlayın. Bu yazıda kullanılan kalıpların geometrisi ve özel boyutlar için Bkz: Şekil 1.
    1. dış sınır kutu tasarımı
      1. Üst düzlem üzerinde sağ tıklayın ve üst düzleme normalleştirmek için düğmeye "Normal" seçeneğini tıklayın.
      2. Bir "Sketch" penceresini açmak için sol üst köşedeki "Kroki" üzerine tıklayın. Ardından, bölme bileşeninin bir dikdörtgen taban çizmek için araç çubuğunun sol üst köşesindeki "Sketch" butonuna tıklayın.
      3. sk tanımlamak için, "Sketch" düğmesinin yanında bulunan "Akıllı Boyut" özelliği, üzerine tıklayınetch boyutlar. Kroki tam olarak tanımlanmış (yani, tüm çizim çizgilerde siyah olmak) ve bittiğinde kroki çıkmak olduğundan emin olun.
      4. "Özellikler" penceresinde tıklayın. Ardından, Y-yönünde seçilen konturları a'ya "Ekstrüde Patron / Base" özelliği tıklayın.
      5. kroki uçağı önceden seçmek için modelin üst yüzeyi üzerine tıklayın. Bir dikdörtgen çizin ve 2.1.1.2 ve 2.1.1.3'de açıklandığı gibi boyutlarını tanımlar.
      6. "Özellikler" penceresinde tıklayın. Sonra, elastomerler (Şekil 2A) dökümü için bir boşluk kesti a'ya "Ekstrüde Cut" özelliği tıklayın. Duvar kalınlığı 2,5 mm olduğundan emin olun.
    2. iç odasının tasarımı
      1. Açılış alanının Y-yönünde yüzeyde sağ tıklayın. Sonra, o yüzeye normalleştirmek "için Normal" seçeneğini tıklayın.
      2. adımlarda 2.1.1.2 ve tarif edildiği gibi Sonraki, oda bileşeni için bir dikdörtgen çizmek için "Sketch" penceresinde tıklayın2.1.1.3.
      3. "Özellikler" penceresinde tıklayın. Ardından, Y-yönünde (Şekil 2B) odacık bileşeni a'ya "Ekstrüde Patron / Base" özelliği tıklayın.
        Not: Adım 2.1.1.6 yılında kesim derinliği bu ekstrüde tabanı göre 2,5 mm daha büyüktür.
    3. kıskaç bileşenin Tasarım
      1. tutucu bileşeni için kroki uçağı önceden seçmek için negatif X-doğrultusunda modelin yüzeyinde tıklayın. adımlar 2.1.1.2 ve 2.1.1.3 de açıklandığı gibi "Sketch" penceresinde bir dikdörtgen oluşturun.
      2. "Özellikler" penceresinde tıklayın. Sonra, negatif X-doğrultusunda seçilen konturu a'ya "Ekstrüde Patron / Base" özelliği tıklayın.
      3. kroki uçağı önceden seçmek için kıskaç bileşenin üst yüzeyi üzerine tıklayın. Boyutları tam olarak tanımlandığı zaman adımlarda açıklanan 2.1.1.2 olarak kroki "Sketch" penceresi (Şekil 2C) içinde kıskacın bir şekil oluşturmak ve çıkınd 2.1.1.3.
      4. "Özellikler" penceresinde tıklayın. Ardından, tutucu bileşeni elastomer döküm için bir boşluğu kesmek için "Ekstrüde Cut" üzerine tıklayın. Duvar kalınlığı 2,5 mm olduğundan emin olun.
    4. odası ve kıskaç arasındaki bağlantı tasarımı
      1. 2.1.1.2 ve 2.1.1.3'de tarif edildiği gibi odası parçasının üst yüzeyi üzerinde "Çizim" penceresinde bir dikdörtgen oluşturur.
      2. "Özellikler" penceresinde tıklayın. Sonra, oda ve kavrama bileşenleri (Şekil 2B) arasında bir bağlantı oluşturmak için "Ekstrüde Cut" üzerine tıklayın.
    5. pnömatik kanalların Tasarımı
      1. adımda 2.1.1.2 ve 2.1.1.3 tarif edildiği gibi pozitif X-doğrultusunda odası parçanın yüzeyinde 1.5 mm çapında daire oluşturur.
      2. "Özellikler" penceresinde tıklayın. Ardından, filmaşin yerleştirme (Şekil 2E) için kanallar oluşturmak için "Ekstrüde Cut" üzerine tıklayın. hol sağlamakes tutucu bileşeni kesti değildir.
  2. Ayrı bir CAD dosyasında kıskacın odası bileşeninin dış boyutlarından daha büyük 1 mm uzunluk ve genişliği olan bir boşluğun bir sızdırmazlık kalıp çizin. Not: duvar kalınlığı 2.5 mm dir.
    1. açıklanan adımlar 2.1.1.2 ve 2.1.1.3 olarak üst düzlemde bir dikdörtgen oluşturmak için "Sketch" penceresinde tıklayın.
    2. "Özellikler" penceresinde tıklayın. Ardından, Y-yönünde seçilen konturları a'ya "Ekstrüde Patron / Base" özelliği tıklayın.
    3. kroki uçağı önceden seçmek için modelin üst yüzünde tıklayın. Bir dikdörtgen çizin ve adım 2.1.1.2 ve 2.1.1.3) 'de açıklandığı gibi boyutlarını tanımlar.
    4. "Özellikler" penceresinde tıklayın. Ardından, elastomer döküm için bir boşluğu kesip a'ya "Ekstrüde Cut" özelliği tıklayın. Duvar kalınlığı 2,5 mm olduğundan emin olun.
  3. 3D baskı için bir .STL dosyası olarak her kalıp parçası kaydedin. 30 mikron çözünürlükte 3D yazıcıya .STL dosyasını yükleyin ve kalıp parçaları 9 yazdırın.
  4. kalıp parçaları üzerinde herhangi bir destek malzemesini çıkarın ve su ile kalıp parçaları yıkayın.

3. Yumuşak Tek / Çift çalıştırılabilen Kol Pnömatik Gripperler

  1. Gömülü pnömatik kanalları ile kavrayıcı kol bileşenleri kalıp
    1. Buna bağlı pnömatik kanalları kapalı bir bölmeyi oluşturmak için sol ve oda bileşen (Şekil 3A) sağ tarafında iki 3B baskılı odası-blok yerleştirin.
    2. Pnömatik kanalları (Şekil 3A) oluşturmak için kıskaç ipuçları 2 mm mesafe tutarak, haznesinden iki adet 1,5 mm çaplı titanyum tel çubuklar yerleştirin. Not: Tek çalıştırılabilen-kol kıskaç için bir filmaşin kullanın.
    3. tamamen tutucu bileşeni doldurmak için kalıp içine elastomer karışımı dökün.
    4. hiçbir görünür hava kabarcığı mevcut olduğundan emin olun.
    5. Plac10 dakika boyunca 60 ° C 'de kür için fırına e kalıp. elastomer tedavi edildikten sonra, fırından kalıp çıkarmak.
  2. pnömatik kanallara bağlı döküm haznesi bileşeni
    1. kalıptan dışarı filmaşin ve iki odacıklı-blok çekin.
    2. Bölmeyi (Şekil 3B) oluşturmak için kancalı komponentin üzerine 3D-baskılı kavrayıcı-blok yerleştirin. kalıp duvar deliklerini tel çubuklar yerleştirin.
    3. kamara bileşeninin kalan kısmını doldurmak ve kalıp içinde sıkışıp hiçbir görünür hava kabarcığı olmadığından emin olmak için kalıp içine elastomer karışımı dökün.
    4. 10 dakika süre ile 60 ° C arasında bir sıcaklıkta bir kısmını Cure. elastomer kürünü kez fırından kalıp çıkarmak.
    5. kıskaç-blok çıkarın ve oda yapısı ile tamamen tedavi kıskacı çıkarılmasına.
  3. hava ile dolu bölme bileşeni Sızdırmazlık
    1. sızdırmazlık kalıp içine elastomer karışımı dökün ve10 dakika boyunca 60 ° C 'de tedavi.
    2. tabaka sızdırmazlık tedavi 2.5 mm bir elastomerik madde tabakası fırça. Kaplanmış bir tabakanın üzerine odası yapısı ile tedavi tutucu yerleştirin ve birlikte (Şekil 3C), iki adet bağ.
    3. Daha sonra, 15 dakika boyunca 60 ° C'de tam olarak tüm yapıyı tedavi.
    4. tam kürünü yumuşak robot tutucu cihaz Çekiç yerine.

Taşıma Aracı içine Yumuşak Robotik Pnömatik Tutucu Cihaz 4. yerleştirilmesi

  1. CAD yazılımı kullanarak Ltd. dosyasında 1 de tarif edildiği gibi işleme araçları Tasarım ve .STL dosyasına kaydedebilirsiniz. Araçları boyutları için Şekil 4 ve 5 Bkz.
  2. 3D yazıcıya .STL dosyasını yükleyin ve kalıp parçaları 9 yazdırın.
    Not: manuel kontrol taşıma aracı, dikdörtgen kap ve hareketli piston (Şekil 4) Tüm baskı adımlar 3 saat 48 dakika içinde tamamlanabilir. PR(Şekil 5) aracı ve dikdörtgen kap ele robotik kontrol imal edilmesi için inting süresi 1 saat 56 dakikadır. 3D yazıcı talimatta için ek dosya 2 bakın.
  3. Yazdırma tamamlandığında araçları üzerinde herhangi bir destek malzemesi soyulabilir. Daha sonra, su ile araçları yıkayın.
  4. Manuel kontrol taşıma aracı (Şekil 4A) içine kıskacı takın ve hareketli bir dikdörtgen kap (Şekil 4B) ile açılış alanı kapsayacak.
  5. Odası sıkıştırma kolaylaştırmak için hareket edebilen bir piston (Şekil 4C) yerleştirin.
  6. Robotik kontrol taşıma aracı (Şekil 5A) içine kıskacı ve lineer aktüatör yerleştirin. Not: doğrusal aktüatör odası sıkıştırma manuel kontrol modunda hareketli pistonu değiştirir.
  7. Hareketli dikdörtgen kap (Şekil 5B) ile açılış alanı kapsayacak.

5. Değerlendirme ve Kavrama Basınç Testi

  1. DeğerlendirmekBir tel ile kavrama testleri yaparak yumuşak kıskacın işlevselliği.
    1. Masanın üzerinde bir köprü teli yerleştirin.
    2. tel iki kıskaç kolları arasında olacak şekilde kıskacı ayarlayın.
    3. tel tutmak için mandal kolları çalıştırılması amacıyla bölme sıkıştırmak için hareketli piston hareket ettirin.
      Not: Yalnızca manuel kontrol taşıma aracı kavrama gösteri kullanılır.
    4. Tutun ve telin özgün konumundan 20 cm bulunan bir kutuya teli hareket ettirin.
  2. kıskacın iki çene arasına bir kalibre kuvvet algılama direnci yerleştirin. Algılama alanında tutucu çeneleri kavrama sağlar. Not: Algılama alanı çapı 14.7 mm.
  3. kuvvet algılama direncinde kavrama tutucu kolları harekete geçirmek için odasına sıkıştırın.
  4. 10 anlatıldığı gibi yumuşak tek çalıştırılabilen-kol ve çift çalıştırılabilen-kol pnömatik tutucular oluşturabilir maksimum kavrama sıkıştırma kuvvetlerini ölçmek.
    Not: okuma değerleri laptop görüntülenir. maksimum kavrama basınç kuvvetleri pnömatik kanallar dayanabileceği maksimum basınç noktasında ölçülür.
  5. Yumuşak çift çalıştırılabilen-kol pnömatik kavrayıcı bireysel elastomerik tutma çeneleri kesip.
  6. Elastomerik kavrama çenelerinin pnömatik kanal içine forseps ipuçları takın.
  7. forseps iki çene arasına bir kalibre kuvvet algılama direnci yerleştirin.
  8. Bir beyin cerrahı tarafından yapılan bir simüle sinir cerrahisi sırasında elastomer kaplamalı forseps ve forseps tarafından oluşturulan basınç kuvvetleri 10 ölçün.
    Not: beyin cerrahı o normalde kuvvet algılama direnci gerçek ameliyat sırasında geçerli ne benzer bir kuvvet uygular.
  9. Her testte beş çalışmalarda elde edilen verilerin ortalamasını.

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Representative Results

Yumuşak robotik pnömatik tutucu cihazlar çapa kadar 1.2 mm boyutlarında (Şekil 6) ile nesneleri toplayıp yeteneğine idi. 1.71 ± 0.16 N ve 2.61 ± 0.22 N basınç kuvvetlerinde kıyasla maksimum kavrama basınç kuvveti tek hareketlendirilebilen-kol tarafından oluşturulan ve hareketlendirilebilen-kol çift-yumuşak kavrama cihazları, 0.79 ± 0.14 N sırasıyla 0.27 ± 0.07 N ve vardı elastomer kaplamalı forseps ve kaplanmamış forseps (Şekil 7) tarafından simüle cerrahisi. tutma kuvvetleri tutucu geometrisi ve pnömatik kanal büyüklüğüne bağlı olarak değişebilir. elastomerin malzeme özellikleri pnömatik kanallar da kavrama kuvvetleri etkileyecek olan, dayanabileceği maksimum basıncı belirleyecektir. Önerilen teknik (Şekil 3) hızlı imalat zamanında yumuşak pnömatik kavrayıcı bir düşük maliyetli oluşturma, bir mümkün olduğunu gösteriyord gibi tutucu işlevselliği Bu çalışmada değerlendirilmiştir. tarif edilen teknik kullanılarak, çeşitli uygulamalar için, farklı kanca tasarımları üretim elastomer dökümü için karşılık gelen kalıpların tasarımı gerçekleştirilebilir.

Bu sonuçlar, uygun kavrama, kavranan nesneye aşırı stres giriş olmadan, önerilen üretim tekniği ile elde edilebilir olduğunu göstermiştir. Yumuşak kavrama kollarının uyum kolları objenin yüzey konturuna uygun bırakıldı. Ancak, bir uyumlu kavrama elde edildiğinde güvenli kavrama tehlikeye atılmamasını sağlamak için gereklidir. sağlam ve uyumlu hem de bir kavrama, özellikle cerrahi uygulamalar kavrama için gereklidir. Sonuç daha da farenin sinir tutarak yumuşak kıskacın performansını değerlendirmek için ve sinir zaman yapılan hasarın boyutunu incelemek için bir pilot fare denemeler yaparak analiz edilebilirYumuşak kavrama forseps kullanıldığında karşılaştırıldığında kullanılır.

Şekil 1
Elastomerik yumuşak robotik pnömatik kavrama cihazlarının üst yapının imal için kullanılan kalıpların Şekil 1. 2D CAD çizimleri: (A) çift çalıştırılabilen kol ve (B) tek hareketlendirilebilen-kol (tüm ölçüler mm olarak vardır). Duvar kalınlığı tüm kalıplar için 2.5 mm. Bu rakamın büyük halini görmek için lütfen buraya tıklayınız.

şekil 2
Şekil 2. CAD kalıp oluşturma. (A) Extrude elastomerler döküm için bir boşluk kesti. (B) mol bir odacık bileşeni oluşturmad. (C), kanca bileşeni için elastomerler döküm için bir boşluk oluşturur. (D) Ekstrüzyon odası ve tutucu bileşeni arasında bir bağlantıyı kesmek. (E) Extrude pnömatik kanalları oluşturmak için filmaşin tutan iki delik kesti. Bu rakamın büyük halini görmek için lütfen buraya tıklayınız.

Şekil 3,
Yumuşak çift çalıştırılabilen-kol pnömatik kıskacın Şekil 3. Üretim süreci. (A) iki odacıklı-blok yerleştirin ve bir odasına bağlı pnömatik kanalları oluşturmak için iki filmaşin yerleştirin. kalıba elastomer dökün ve tamamen sürükleyici bileşeni tedavi. (B) filmaşin ve oda-blokları kaldırmak ve creat kavrama bileşeninin üstüne bir kıskaç-blok koymakE odası. kamara bileşeni yapmak için kalıp içine elastomer dökün. (C) Tahvil kavrama yapısı ve 2,5 mm katman birlikte mühürlü bir hava dolu haznesi oluşturmak için. Bu rakamın büyük halini görmek için lütfen buraya tıklayınız.

Şekil 4,
Şekil odası sıkıştırma kolaylaştırmak için manuel kontrol modu için taşıma araçları 4. 2D CAD çizimleri (A) Taşıma aracı, (B) dikdörtgen kapak, ve (C) hareketli piston (tüm ölçüler mm olan ve ölçek 2:. 3 ) belirtilmediği sürece. Bu rakamın büyük halini görmek için lütfen buraya tıklayınız.


Odacık sıkıştırma kolaylaştırmak için robotik kontrol modunda kullanım araçlarının Şekil 5. 2D CAD çizimleri (A) Taşıma aracı ve (B) dikdörtgen kapak (tüm ölçüler mm olan ve ölçek 2: belirtilmediği sürece 3).. Tıklayınız burada bu rakamın daha büyük bir versiyonunu görmek için.

Şekil 6,
Önerilen kıskaç cihazlarının testlerini kavrama Şekil 6. değerlendirilmesi. (Sağda) üzerine yumuşak robotik (A) fotoğrafları tek çalıştırılabilen-kol, ve (B) (solda) önce çift çalıştırılabilen-kol pnömatik tutucu cihazlar ve sürükleyici 1.2 mm çapında tel.


İki farklı yumuşak robotik pnömatik tutucu cihazlar tarafından oluşturulan Şekil 7. Tutma basınç kuvvetleri ve kavrama basınç testinde iki (elastomer kaplanmış ve kaplanmamış) forseps. Direnç algılama bir kuvvet iki kıskaç / forseps çene ve arasına yerleştirildi her testte algılama alanında tutucu / forseps çene kavrama. Hata çubukları, standart sapmayı temsil ederler.

Şekil 8,
Yumuşak robotik kanca pnömatik kıskacın üst yapının imal için kullanılan kalıpların Şekil 8. 2D CAD çizimleri. Pnömatik kanal yakın kanca kavrama bileşeninin alt yüzeyine konumlandırılmış ve basınçlandırma üzerine yukarı viraj olacak.

taşıma araçlarının Ek dosya 1. Tasarım. CAD yazılımı dahil taşıma araçlarının tasarımı Kademeli ayrıntılar. Bu dosyayı indirmek için tıklayınız.

Ek dosya 2. 3D yazıcı kullanım kılavuzu. Bu kullanım kılavuzu, yazıcıyı kullanma ile ilgili yönergeler sağlar. Bu dosyayı indirmek için tıklayınız.

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Discussion

Biz başarıyla elastomer kaplamalı forseps ipuçları ve forseps daha kavranan nesne üzerinde çok daha düşük sıkıştırma kuvvetlerini sarf nesnelerin uyumlu kavrama izin yumuşak robotik pnömatik tutucu cihazlar, uygulanan olduğunu ortaya koymuştur. Forseps periferik sinir onarım sırasında sinirler manipülasyon için gerekli bir araç 11, 12 ameliyatları olduğunu. Ancak, metalik yapısı aşırı kavrama güçleri ve çevre dokulara arızi hasarlara yol açtığı sinir hasarı önlemek için cerrahlar gelen kullanımı son derece dikkatli gerekli. hasarın şiddetine bağlı olarak, kan pıhtılaşması ve hatta kalıcı sakatlık gibi ciddi olanlar, için ağrı gibi daha az şiddetli olanlardan, arasında değişen çeşitli komplikasyonlar, neden olabilir. Cerrahi müdahale sırasında sinir dokularının tesadüfi zarar görmesini önlemek için gereğini göz önüne alındığında, bizim ön bulgular bu yumuşak robotik pnömatik tutucu cihazlar için potansiyel uygun adaylar olduklarını göstermektediruyumlu tutuş elde etmek için yeteneği sağlayarak hassas doku manipülasyonu sırasında geçerli forseps tamamlayan. Yumuşak kıskaç üretiminde kullanılan silikon bazlı elastomer sahip 0.8 x 10 5, yumuşak deforme olabilir kaslar ile karşılaştırılabilir olduğunu ve 13 dokular Pa, 14. Bu nedenle, doku hasarı riskini azaltacaktır karşılaştırıldığında bir Young modülü onun muadili sert tutucu için.

Tüm adımlar tarif edilen, en kritik adım işlemi sertleşmeden önce kalan hava kabarcıklarının kalıp tasarımı, eleme, pnömatik kanal yerleştirme ve hava bölmesinin sızdırmazlık vardır. Pnömatik kanallar düşük basınçlarda kırılmasını aktüatörü önlemek için kıskacın dış duvara çok yakın bir konuma sahip olması gerekir. Herhangi bir hava kabarcığı ve böylece sonuçta kıskacın performansını artırmak, potansiyel başarısızlık noktaları kaldıracak bu kadar sertleşmeden önce ortadan kaldırılmalıdır.tutucu yapı sızıntı olmadan havayı depolamak mümkün olan kapalı bir bölme oluşturmak için sızdırmazlık tabakası iyi bağlanmış olmalıdır.

Çeşitli üretim teknikleri de uygulamaları 15-17 kavrama için yumuşak mikro-aktüatörler inşa etmek için önerilmiştir. Örneğin, Lu & Kim 15 yumuşak litografi süreci üç aşamada yapılan bir microhand önerdi. Bu durumda, microhand nispeten küçük nesneleri işlemek mümkün ancak harici bir basınçlı azot silindir, çalıştırma için gereklidir. Daha yakın zamanda, Rateni ve ark., 16, yumuşak parmakları 3D baskılı kalıplarda silikon döküm yapılmıştır yumuşak bir kablo güdümlü robot kıskacı geliştirdi. Yerine kıskaç kolun ortasında pnömatik kanalları sahip, robotik tutucu parmağı bağlı kablolar ile bir servo motor ile çalıştırılan edildi. BREGER ve ark., 17 ardışık fotolitografi pr ile yapılan bir öz-katlama yumuşak Mikro tutucular önerdikapsayabilecektir. ilgili üretim süreci ve kontrol şemaları, pahalı ve karmaşıktır. Diğer tarafta, önerilen üretim işlemi basit, düşük maliyetli ve kalıp ve taşıma araçları 3 boyutlu baskı için zamanı dahil, 4 saat içinde tamamlanabilir. Yumuşak kavrama, düşük bileşen maliyeti, su geçirmez ve aşındırıcı olarak büyüleyici özelliklere sahiptir. Yumuşak kıskaç kontrolünde etkili minimum karmaşıklık çeşitli kıstırma uygulamalarda kullanılmak üzere ve kullanıcıların kabul izin verdi.

Bu çalışmada açıklanan üretim süreci esas olarak 3-D baskı teknolojisi ve pnömatik kanalları oluşturmak için bir çubuk tabanlı bir yaklaşım içeriyordu. Bu kalıp tasarımı değiştirilerek özelleştirilebilir kıskaç tasarımlar oluşturma olasılığını gösterir. Yumuşak robot kanca pnömatik kavrama bir kanca tutma bileşeni ve bir bölme parçası (Şekil 8) ile birlikte modifiye edilmiş bir kalıp kullanılarak yapıldı. Bu gösterdi ki kanca tasarımı can kolaylıkla değiştirilebilir ve düşük maliyetle imal edilebilir. pnömatik kanalları oluşturmak için çubuk kullanımı minyatür yumuşak robot tutucu yapımını sağladı. Bu yaklaşım, yumuşak robotların geleneksel imalat işleminde gerçekleştirilen mühürleme işlemi esnasında küçük pnömatik kanalların tıkanmasını önlemek için de küçültmek yumuşak robotlar oluşturulması için uygun olduğunu gösterdi. Bununla birlikte, yeni bir kalıp, ilk elastomer döküm için kullanılan bazı durumlarda, tedavi kıskacın dış yüzeyi yapışkan hale gelebilir. Bu durum ortaya çıkarsa yüzeyin yapışkanlık bitene kadar, tutucu ek sertleşmesi için fırın içerisine yerleştirilmelidir. Buna ek olarak, bakım sızdırmazlık iyi olduğunu ve alt odacık duvar kabarcıklar yok olmasını sağlamak için önlemler alınmalıdır. Diğer Reg karşılaştırıldığında tel çubuklar sokulması için amaçlanan duvar içinden geçen iki delik vardır bölgesi, hava kabarcığı ihtiva eden daha yüksek bir olasılık olduğu notiyonları. Elastomerik malzemeden oluşan ek bir katmanı kıskacın dayanıklılığını geliştirmek için, sızdırmaz tabaka ve alt duvar kenarlarının üzerine bir fırça ile tatbik edilebilir.

Önerilen teknik benzersiz özelliği çalıştırma için bir hava dolu bölme oluşturmak için bir kalıp üzerinde bir bölme bileşeninin yazdırma fikrini dahil etmektir. Yumuşak robotik tutucu cihazlarda odası bileşeni kavrama sıkıştırma kuvveti odasının sıkıştırma yoluyla kontrol edilmesini sağlar. Bu yaygın olarak, yumuşak robotlar için kullanım için kabul taşınabilir pompalar gibi dış hava kaynağı, karşılaştırıldığında, kontrol manuel mod odası bileşeninin varlığı ile elde edilebilir. Cerrahların aslında hissediyorum ve uygulamaktayız kuvvet miktarını kontrol edebilmek için tercih cerrahi manipülasyon için özellikle önemlidir. kamara bileşeninin avantajı da doğrusal dahil ederek kontrol otomatik mod izin olduğunutaşıma araçları haline aktüatör. Bu nedenle, kontrol manuel ve otomatik olarak mod, çalıştırma için pnömatik kanallara bağlı odacık bileşeni ile yapılabilir. Bu, düşük maliyetli sökülebilir bir seçenek robot kavrayıcılar tekrar kullanmak için yeniden sterilizasyon için bir ihtiyaç olduğu anlamına gelir, bir kerelik kullanım için tasarlanmıştır. taşıma araçları steril ve cerrahi manipülasyon işlemi yapılmadan önce, yumuşak robot kavrayıcılar kolay sokulabilir. bu yumuşak pnömatik cerrahi kavrama cihazlarının tasarımı daha da farklı bir kavrama gereksinimlerine uyacak şekilde tek bir taşıma aracında farklı cihaz tasarımları arası ayarlanmasına olanak sağlar.

Ancak, bu teknik bir kaç sınırlamalar inceledi gerekmektedir. İlk olarak, iki ayrı işlemler birlikte pnömatik kanalları ve oda bileşeni bağlamak için kavrama parçaları ve oda bileşenlerini imal etmek gereklidir ve bir conta işlem odası için gereklidir. o KD kaldırır rağmendış hava kaynaklarının ed, yumuşak robotik penseleri döküm süresini uzatır. İkinci olarak, pnömatik kanallara uygulanabilir maksimum basınç elastomerin özellikleri ile sınırlı kalmıştır. Daha büyük sıkıştırma kuvvetlerinin pnömatik kanal bozulmasını önlemek için liflerle elastomer sert kauçuk kullanılarak ya da takviye edici ile üretilebilir. Örneğin, yaygın olarak nedeniyle biyolojik uyumluluk ve üstün mekanik özellikler için cerrahi dikiş materyali ya da yapı iskelesi olarak kullanılan ipek lifleri, yumuşak kavrama elemanları 18 güçlendirmek için kullanılabilir. Farklı uygulamalar bağlıdır, yüksek sertliğe sahip elastomer uyumlu ve güvenli bir tutuş arasındaki dengeyi sağlamak için gereklidir. Ayrıca, uyumlu bir kavrama ve önerilen kıskacın pürüzsüz temas yüzeyi kaymayı oluşmasına neden olabilir. Bununla birlikte, uyarlanabilir temas silikon kauçuk temel yapısal özelliklerinden biri, mandal objenin yüzey konturuna uygun izin verdi. BizBu uyum dolaylı kavrama kararlılığını artırır inanıyoruz. Böyle temas yüzeyi içine diş tasarımı birleştiren olarak kavrama temas yüzeyler üzerinde Modifikasyon, istikrarlı kulpları sağlanmasında yardımcı olabilir. Üç veya daha fazla kollar 15-17 ile diğer yumuşak tutucu ile karşılaştırıldığında Son, istikrar açısından önerilen iki çeneli robotik kıskacın kavrama performansları daha az tercih edilir.

Bu teknik örneğin endüstriyel montaj hatlarında el tutucu gibi büyük ölçekli cerrahi kıskaçlar, küçük ölçekli, değişen çeşitli yumuşak robot tutucular, imal edilebilir ve böylece, son derece ölçeklenebilir. Özellikle, çeşitli kıskaçlar kalıp tasarım dayalı özelleştirilebilir. Örneğin, yumuşak bir kavrama bileşen ve bir katı sinir kanca retraktörü hem birleştiren melez sinir kanca cerrahi müdahale kullanım için önerilebilir. Yumuşak kavrama bileşeni dikdörtgen gövde kaplı ve uç ar yakın şişirirBasınç kanalına uygulandığında kanca ekartör üzerinde sinir tutmak için ad. Onlar kapattığınızda çeneler açgözlü belirli zorluk oluşturuyor, dışa nesneleri itmek eğilimi gibi çeneleri kıskacı kullanarak için ortak bir sınırlama ele almaktadır. Yumuşak çeneleri tutucular sadece kavrama ve herhangi yüzeylerle temas zaten olmayan nesneleri almak olabilir oysa, sinirleri kadar kepçe ve sonra uyumlu bir kavrama sağlamak için yararlı olacaktır.

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Disclosures

Yazarlar ifşa hiçbir şey yok.

Acknowledgments

Araştırma R-397-000-204-133 (Singapur Genç Araştırmacı Ödülü Ulusal Üniversitesi) tarafından desteklenmiştir.

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)

DOWNLOAD MATERIALS LIST

References

  1. Tolley, M. T., et al. A resilient, untethered soft robot. Soft Robotics. 1 (3), 213-223 (2014).
  2. 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).
  3. Rus, D., Tolley, M. T. Design, fabrication and control of soft robots. Nature. 521, 467-475 (2015).
  4. Lee, W. J., Chan, C. P., Wang, B. Y. Recent advances in laparoscopic surgery. Asian J Endosc Surg. 6 (1), 1-8 (2013).
  5. 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).
  6. 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).
  7. 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).
  8. Shepherd, R. F., et al. Multigait soft robot. PNAS. 108 (51), 20400-20403 (2011).
  9. Objet 260 Connex User Guide. , http://www.objet.com (2016).
  10. Force Sensing Resistor Integration Guide & Evaluation Parts Catalog with Suggested Electrical Interfaces. , https://www.sparkfun.com/datasheets/Sensors/Pressure/fsrguide.pdf (2002).
  11. Dagum, A. B. Peripheral nerve regeneration, repair, and grafting. J Hand Ther. 11 (2), 111-117 (1998).
  12. 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).
  13. Rus, D., Tolley, M. D. Design, fabrication and control of soft robots. Nature. 521, 467-475 (2015).
  14. 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).
  15. Lu, Y. W., Kim, C. J. Microhand for biological applications. Appl Phys Lett. 89, 1641011-1641013 (2006).
  16. 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).
  17. Breger, J. C., et al. Self-folding thermo-magnetically responsive soft microgrippers. ACS Appl Mater Inter. 7 (5), 3398-3405 (2015).
  18. 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).

Tags

Biyomühendislik Sayı 114 Yumuşak robotik Yumuşak kavrama cihazları 3D baskı Yumuşak litografi Pnömatik kanalları Yumuşak uyumlu sürükleyici Hassas doku manipülasyonu
Narin Doku Manipülasyon için Özelleştirilebilir Yumuşak Robotik Pnömatik Tutucu Cihazlar Rod tabanlı Fabrikasyon
Play Video
PDF DOI DOWNLOAD MATERIALS LIST

Cite this Article

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).

Less
Copy Citation Download Citation Reprints and Permissions
View Video

Get cutting-edge science videos from JoVE sent straight to your inbox every month.

Waiting X
Simple Hit Counter