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Engineering

डिजाइन और अतिरिक्त साकार अल्ट्रासाउंड के लिए एक Bespoke रोबोट जोड़तोड़ के कार्यांवयन

Published: January 7, 2019 doi: 10.3791/58811
Automatic Translation
1, 1, 1, 2, 3, 3, 3, 1, 4, 2, 1
1School of Biomedical Engineering & Imaging Sciences, King's College London, 2Xtronics Ltd, 3Department of Informatics, King's College London, 4Faculty of Science & Engineering, Queen Mary University of London

Summary

इस कागज के डिजाइन और अतिरिक्त साकार अल्ट्रासाउंड परीक्षा के लिए एक bespoke रोबोट जोड़तोड़ के कार्यांवयन का परिचय । प्रणाली 3 डी प्रिंटिंग और सुरक्षा प्रबंधन के लिए एक यांत्रिक क्लच द्वारा किए गए हल्के जोड़ों के साथ स्वतंत्रता के पांच डिग्री है ।

Abstract

उच्च परिशुद्धता, निपुणता, और दोहराव के लिए क्षमता के साथ, एक आत्म ट्रैक रोबोट प्रणाली वास्तविक समय अल्ट्रासाउंड के अधिग्रहण की सहायता करने के लिए नियोजित किया जा सकता है । हालांकि, अतिरिक्त साकार अल्ट्रासाउंड के लिए डिजाइन रोबोटों की सीमित संख्या सफलतापूर्वक नैदानिक उपयोग में अनुवाद किया गया है । इस अध्ययन में, हम अतिरिक्त-साकार अल्ट्रासाउंड परीक्षा, जो हल्के है और एक छोटे पदचिह्न है के लिए एक bespoke रोबोट जोड़तोड़ बनाने का लक्ष्य है । रोबोट पांच विशेष रूप से आकार का लिंक और कस्टम द्वारा गठित जांच हेरफेर के लिए संयुक्त तंत्र बनाया है, के लिए स्वतंत्रता के निरर्थक डिग्री के साथ गति की आवश्यक सीमा को कवर करने के लिए रोगी की सुरक्षा सुनिश्चित करते हैं । यांत्रिक सुरक्षा के लिए एक क्लच तंत्र पर बल दिया जाता है, रोगियों के लिए लागू बल सीमित करने के लिए. डिजाइन के परिणामस्वरूप, जोड़ तोड़ के कुल वजन 2 किलो से कम है और जोड़ तोड़ की लंबाई के बारे में 25 सेमी है । डिजाइन लागू किया गया है, और सिमुलेशन, प्रेत, और स्वयंसेवक अध्ययन किया गया है, गति की सीमा को मांय करने के लिए, ठीक समायोजन, यांत्रिक विश्वसनीयता बनाने की क्षमता है, और क्लच के सुरक्षित संचालन । इस पत्र का विवरण डिजाइन और bespoke रोबोट अल्ट्रासाउंड जोड़तोड़ के कार्यांवयन, डिजाइन और विधानसभा के तरीके सचित्र के साथ । परीक्षण के लिए डिजाइन सुविधाओं और प्रणाली का उपयोग कर के नैदानिक अनुभव प्रदर्शित करने के लिए परिणाम प्रस्तुत कर रहे हैं । यह निष्कर्ष निकाला है कि वर्तमान प्रस्तावित रोबोटिक जोड़तोड़ अतिरिक्त साकार अल्ट्रासाउंड परीक्षा के लिए एक bespoke प्रणाली के रूप में आवश्यकताओं को पूरा करती है और नैदानिक उपयोग में अनुवाद किया जा करने के लिए महान क्षमता है ।

Introduction

एक अतिरिक्त साकार रोबोट अल्ट्रासाउंड (अमेरिका) प्रणाली विंयास जिसमें एक रोबोट प्रणाली को पकड़ और बाहरी परीक्षाओं के लिए एक अमेरिकी जांच हृदय, संवहनी, प्रसूति, और सामांय उदर इमेजिंग 1 में इसके उपयोग सहित, हेरफेर का उपयोग किया जाता है को संदर्भित करता है . इस तरह के एक रोबोट प्रणाली का उपयोग मैंयुअल रूप से पकड़े और एक अमेरिकी जांच जोड़ तोड़ की चुनौतियों से प्रेरित है, उदाहरण के लिए, मानक अमेरिका नैदानिक इमेजिंग प्रोटोकॉल द्वारा आवश्यक विचार और दोहराव तनाव चोट2के जोखिम को खोजने की चुनौती, 3,4, और भी अमेरिका स्क्रीनिंग कार्यक्रम की जरूरतों के द्वारा, उदाहरण के लिए, अनुभव sonographers के लिए आवश्यकता पर साइट5,6। विभिंन कार्यक्षमताओं और लक्ष्य anatomies पर emphases के साथ, कई रोबोट अमेरिकी प्रणालियों, पहले काम करता है1,7,8में की समीक्षा के रूप में, 1990 के दशक के बाद से शुरू किया गया है, हम में से विभिंन पहलुओं में सुधार परीक्षा (जैसे, लंबी दूरी teleoperation9,10,11,12, के रूप में के रूप में अच्छी तरह से रोबोट ऑपरेटर संपर्क और स्वत: नियंत्रण)13, 14. रोबोट अमेरिका नैदानिक प्रयोजनों के लिए इस्तेमाल किया प्रणालियों के अलावा, रोबोट उच्च तीव्रता ध्यान केंद्रित अल्ट्रासाउंड (HIFU) प्रणालियों उपचार प्रयोजनों के लिए व्यापक रूप से पुजारी एट अल द्वारा संक्षेप के रूप में जांच की गई है । 1, हाल के कुछ काम करता है15के साथ,16 नवीनतम प्रगति की रिपोर्टिंग ।

हालांकि कई रोबोट अमेरिका प्रणालियों नियंत्रण और नैदानिक आपरेशन के लिए अपेक्षाकृत विश्वसनीय प्रौद्योगिकियों के साथ विकसित किया गया है, उनमें से केवल कुछ सफलतापूर्वक नैदानिक उपयोग में अनुवाद किया गया है, जैसे एक व्यावसायिक रूप से उपलब्ध टेली-अल्ट्रासाउंड प्रणाली 17. एक संभावित कारण बड़े आकार के औद्योगिक के लिए स्वीकृति के निंन स्तर पर एक नैदानिक वातावरण में काम कर रहे रोबोट, दोनों रोगियों और sonographers के दृष्टिकोण से है । इसके अतिरिक्त, सुरक्षा प्रबंधन के लिए, मौजूदा अमेरिका रोबोटों के बहुमत पर नजर रखने और अमेरिका की जांच करने के लिए लागू दबाव को नियंत्रित करने के लिए बल सेंसर पर भरोसा करते हैं, जबकि अधिक मौलिक यांत्रिक सुरक्षा तंत्र निष्क्रिय बल को सीमित करने के लिए आमतौर पर उपलब्ध नहीं है . यह भी चिंता का कारण हो सकता है जब नैदानिक उपयोग में अनुवाद के रूप में रोबोट आपरेशन की सुरक्षा पूरी तरह से विद्युत प्रणालियों और सॉफ्टवेयर तर्क पर निर्भर करेगा ।

3 डी मुद्रण तकनीकों की हाल ही में प्रगति के साथ, विशेष रूप से कस्टम के साथ आकार का प्लास्टिक लिंक बनाया संयुक्त तंत्र bespoke चिकित्सा रोबोटों के विकास के लिए एक नया अवसर प्रदान कर सकता है । ध्यान से एक कॉंपैक्ट उपस्थिति के साथ हल्के घटकों डिजाइन नैदानिक स्वीकृति में सुधार सकता है । विशेष रूप से अमेरिका के लिए परीक्षा, एक bespoke चिकित्सा नैदानिक उपयोग में अनुवाद किया जा रहा है के उद्देश्य से रोबोट कॉंपैक्ट होना चाहिए, स्वतंत्रता के पर्याप्त डिग्री (DOFs) और गति की सीमा के साथ एक स्कैन के हित के क्षेत्र को कवर; उदाहरण के लिए, पेट के ऊपर और दोनों किनारों सहित उदर की सतह । इसके अतिरिक्त, रोबोट भी एक स्थानीय क्षेत्र में अमेरिका की जांच के ठीक समायोजन करने की क्षमता को शामिल करना चाहिए, जब एक अमेरिकी देखने के अनुकूलन की कोशिश कर रहा । यह आमतौर पर एक निश्चित सीमा के भीतर जांच के झुकाव आंदोलनों भी शामिल है, के रूप में Essomba एट अल द्वारा सुझाव दिया । 18 और Bassit19. आगे सुरक्षा चिंताओं को संबोधित करने के लिए, यह उम्मीद है कि प्रणाली निष्क्रिय यांत्रिक सुरक्षा सुविधाओं जो विद्युत प्रणालियों और सॉफ्टवेयर तर्क से स्वतंत्र हैं होना चाहिए.

इस पत्र में, हम विस्तृत डिजाइन और एक 5-DOF निपुण रोबोट जोड़तोड़, जो एक अतिरिक्त साकार रोबोट अमेरिका प्रणाली के प्रमुख घटक के रूप में प्रयोग किया जाता है की विधानसभा विधि प्रस्तुत करते हैं । जोड़तोड़ कई हल्के 3 डी मुद्रण योग्य लिंक, कस्टम बनाया संयुक्त तंत्र, और एक निर्मित सुरक्षा क्लच में शामिल हैं । DOFs की विशिष्ट व्यवस्था जांच समायोजन के लिए पूर्ण लचीलापन प्रदान करता है, रोगी के साथ टकराने के बिना एक छोटे क्षेत्र में आसान और सुरक्षित संचालन की अनुमति । प्रस्तावित बहु DOF जोड़तोड़ मुख्य घटक है कि रोगियों के साथ संपर्क में है के रूप में काम करना है और यह बस किसी भी पारंपरिक 3-DOF वैश्विक पोजीशनिंग तंत्र को पूरी तरह से सक्रिय DOFs के साथ एक पूरा अमेरिका रोबोट फार्म के लिए एक अमेरिकी स्कैन करने के लिए संलग्न किया जा सकता है ।

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Protocol

1. प्रत्येक लिंक, अंत-प्रभाव, और अतिरिक्त घटकों की तैयारी

  1. प्रिंट सभी लिंक (एल0, एल1, एल2, एल3, और एल4) और अंत-प्रभाव के रूप में चित्रा 1में दिखाया गया है, acrylonitrile ब्यूटाडाइन styrene (ABS) प्लास्टिक, polylactic एसिड (पीएलए) प्लास्टिक, या नायलॉन के साथ, एक 3d मुद्रण का उपयोग सेवा. का उपयोग करें । STL जब मुद्रण पूरक सामग्री में प्रदान की गई फ़ाइलें ।
    नोट: प्रत्येक भाग के आकार और स्केल में परिवर्तन प्रदान की गई फ़ाइलों के आधार पर किए जा सकते हैं । अंत-प्रभाव के भीतरी प्रोफ़ाइल अलग अमेरिकी जांच फिट करने के लिए बदला जा सकता है ।
  2. एक 3d मुद्रण सेवा का उपयोग कर, नायलॉन में चित्र 2 में दिखाए गए के रूप में सभी आवश्यक अतिरिक्त घटक मुद्रित करें । प्रत्येक घटक की आवश्यक संख्या के लिए सामग्री तालिका का संदर्भ लें । का उपयोग करें । STL जब मुद्रण पूरक सामग्री में प्रदान की गई फ़ाइलें ।
  3. पॉलिश उपकरण चमकाने के साथ सभी मुद्रित प्लास्टिक भागों यदि आवश्यक हो । यदि आवश्यक हो, तो 3d प्रिंटिंग से छोड़ी गई कोई भी सहायक सामग्री निकालें ।
    नोट: प्रदान की अंत-प्रभाव डिजाइन में कुछ संरचनाओं एक बल संवेदक, जो प्रोटोकॉल का एक हिस्सा नहीं है के लिए कर रहे है यहां की सूचना दी और विधानसभा के लिए इस्तेमाल नहीं किया जाएगा । बल संवेदक डिजाइन अवधारणा पिछले काम20में सूचित किया गया है; इस प्रकार, यह इस पत्र में शामिल नहीं है ।

2. संयुक्त के विधानसभा 1

नोट: 1 संयुक्त के विधानसभा (1 जे) चित्रा 3पर आधारित है ।

  1. एल0 के बढ़ते गुहाओं में चार छोटे, गियर stepper मोटर्स (20 के साथ-दांत प्रेरणा गियर संलग्न) प्लेस और शिकंजा के साथ उन्हें माउंट.
  2. एल0 के असर आवासों में २ ३७ मिमी आयुध डिपो बीयरिंग प्लेस और १२०-दांत प्रेरणा गियर (प्रकार एक) एल1के षट्कोण कुंजी पर सुरक्षित ।
  3. 0 पर शाफ्ट छेद में एल1 पर दस्ता संमिलित करें चार छोटे ड्राइविंग प्रेरणा गियर और बड़े, संचालित प्रेरणा गियर के साथ, और शाफ्ट कॉलर को इकट्ठा करने के लिए सुरक्षित और शाफ्ट बनाए रखने के साथ ।

3. संयुक्त 2 के विधानसभा

नोट: संयुक्त 2 (जम्मू2) के विधानसभा चित्रा 4पर आधारित है ।

  1. चार छोटे, गियर stepper मोटर्स (20 के साथ-दांत प्रेरणा गियर संलग्न) एल1 के बढ़ते गुहाओं में जगह है और उंहें शिकंजा के साथ माउंट ।
  2. २ १२०-दांत प्रेरणा गियर (प्रकार बी) के लिए २ ३७ मिमी आयुध डिपो बीयरिंगों और एल1के गियर गुहाओं में उन्हें स्थिति, १२०-दांत प्रेरणा गियर (प्रकार बी) के साथ लगे 20-दांत प्रेरणा गियर मोटर्स पर घुड़सवार के साथ संलग्न । unscrew और फिर से मोटर पेंच अगर आवश्यक २ १२०-दांत प्रकार बी के आसान स्थिति की अनुमति के लिए गियर ।
  3. l1 और l2 को संरेखित करें और असर और बॉल-स्प्रिंग पेयर्स को l2में क्लच होल में डालें । दो गोल क्लच के साथ संरेखित और स्प्रिंग को आगे बढ़ाने के लिए क्लच तंत्र में धकेलने के साथ, एल1 और एल2के बोर में एक M6 बोल्ट डालें ।
  4. दूसरे पक्ष के लिए विधानसभा घुमाएँ और इस पक्ष के लिए ३.३ में कदम दोहराएं । M6 बोल्ट के लिए एक अखरोट संलग्न द्वारा विधानसभा सुरक्षित ।

4. संयुक्त 3 विधानसभा

नोट: संयुक्त 3 (जम्मू3) के विधानसभा चित्रा 5पर आधारित है ।

  1. दो छोटे, गियर स्टेपर मोटर्स (20 के साथ-दांत प्रेरणा गियर्स संलग्न) एल2 के बढ़ते गुहाओं में जगह है और उंहें शिकंजा के साथ माउंट ।
  2. १२०-दांत प्रेरणा गियर (प्रकार सी) के असर आवास में ३७ मिमी आयुध डिपो असर प्लेस और एल3के असर आवास में ३२ मिमी आयुध डिपो असर जगह है ।
  3. एल3 के षट्कोण कीहोल में बड़े प्रेरणा गियर सुरक्षित (अतिरिक्त शिकंजा यदि आवश्यक हो तो इस्तेमाल किया जा सकता है) और एल2 पर बड़ा प्रेरणा गियर और एल पर शाफ्ट डालें3, छोटे और बड़े प्रेरणा गियर लगे के साथ ।

5. संयुक्त 4 के ड्राइविंग तंत्र की सभा

नोट: संयुक्त 4 (जे4) के विधानसभा चित्रा 6पर आधारित है ।

  1. एल3 के बढ़ते गुहाओं में दो छोटे, गियर stepper मोटर्स प्लेस और शिकंजा के साथ उन्हें माउंट. एल4के असर आवास में 8 मिमी आयुध डिपो बीयरिंग प्लेस ।
  2. दो छोटे stepper मोटर्स पर 20-दांत लंबे प्रेरणा गियर माउंट.

6. संयुक्त 4 और संयुक्त 5 के संचालित तंत्र की विधानसभा

नोट: जॉइंट 4 (j4) का असेंबली फिगर 6 और ज्वाइंट 5 (j5) के आधार पर फिगर 7पर बेस्ड है ।

  1. एल4के बाहर निकालना पर संचालित १४४ दांत बेवल गियर स्थिति ।
  2. एल4 के बढ़ते गुहाओं में (18-दांत बेवल गियर संलग्न के साथ) दो छोटे, गियर वाले stepper मोटर्स प्लेस और उंहें शिकंजा के साथ माउंट । अंत में, दो लिंक के बाद एल3 और एल4 के शाफ्ट होल में M5 दस्ता संमिलित करें । एल पर संचालित गियर संरचनाओं में निर्मित सुनिश्चित करें4 20 दांत लंबे प्रेरणा गियर के साथ मेल खाता है ।
  3. बड़े बेवल गियर के keyway में एंड-इफेक्टर डालें, एंड-इफेक्टर कॉलर के साथ अंत-प्रभाव को अनुलंब स्थिति में उस पर बँधा होता है.

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Representative Results

प्रोटोकॉल के बाद, जिसके परिणामस्वरूप प्रणाली पांच विशेष रूप से आकार के लिंक के साथ एक रोबोट जोड़तोड़ है (एल0 से एल4) और पांच revolute जोड़ों (जे1 से जे5) चलती, धारण करने के लिए, और स्थानीय रूप से एक अमेरिकी जांच झुकाव (8 चित्रा) । शीर्ष रोटेशन संयुक्त (1), गियर चार मोटर्स द्वारा हाथ तंत्र के साथ, निंनलिखित संरचनाओं ३६० ° घुमा सकते हैं, के लिए अमेरिका की जांच की अनुमति के लिए स्कैनिंग क्षेत्र के विभिंन पक्षों की ओर इशारा करते हैं, जैसे ऊपर, नीचे, और पेट के पक्ष । मुख्य झुका संयुक्त (2जे), गियर चार मोटर्स द्वारा हाथ तंत्र के साथ, के लिए नीचे झुकाव जांच के लिए यह स्कैनिंग क्षेत्र की सतह के साथ संरेखित किया जाता है । के रूप में इस संयुक्त भी बल प्रबंधन के लिए महत्वपूर्ण है, गेंदों के साथ एक यांत्रिक क्लच, स्प्रिंग्स, और हवालात छेद शामिल किया गया था । पिछले तीन ओर्थोगोनल revolute जोड़ों (जे3, जंमू4, और जे5), गियर दो मोटर्स प्रत्येक द्वारा हाथ तंत्र के साथ, झुकने और जांच के अक्षीय रोटेशन को नियंत्रित किया जाता है, एक स्थानीय क्षेत्र में जांच के ठीक समायोजन की अनुमति । पिछले revolute संयुक्त, जंमू5, यह भी अनुमति देता है एक विशेष रूप से आकार का अंत-प्रभाव में एक अमेरिकी जांच के बढ़ते । कुल वजन और प्रस्तावित रोबोट जोड़तोड़ है, जो आमतौर पर रोगी के शरीर के शीर्ष पर ही संरचना है की लंबाई, से कम 2 किलो और 25 सेमी कर रहे हैं । परिणामस्वरूप डिजाइन ऐसी है कि जांच पदों की एक बड़ी रेंज शेष वैश्विक स्थिति तंत्र के केवल छोटे आंदोलनों जब प्रस्तावित रोबोट अमेरिका जोड़तोड़ का उपयोग कर के साथ पहुंचा जा सकता है । अपने दम पर सिर्फ प्रस्तावित जोड़तोड़ को ध्यान में रखते हुए, जांच किसी भी कोण से अक्षीय रूप से घुमाया जा सकता है, किसी भी दिशा में क्षैतिज करने के लिए 0 ° और ११० ° के बीच angled एक सतह का पालन झुका, और ३६० मिमी के एक व्यास के साथ एक सर्कल के भीतर तैनात । साथ ही, revolute जोड़ों जंमू3 और जंमू4 एक झुका कोण प्रदान करते हैं, दो दिशाओं में-१८० ° से १८० ° और-30 ° ४५ ° है, जो अमेरिका की जांच के स्थानीय ठीक समायोजन के लिए प्रयोग किया जाता है की पर्वतमाला में । आंदोलनों की पर्वतमाला और झुकाव कोण Essomba एट अल द्वारा सुझाए गए के रूप में अमेरिका परीक्षाओं के लिए एक आदर्श ध्वनिक खिड़की प्राप्त करने के लिए आवश्यक पर्वतमाला को पूरा । 18 और Bassit19. प्रस्तावित रोबोटिक जोड़तोड़ के तकनीकी विवरण सामग्री की तालिका में संक्षेप हैं (Denavit-Hartenberg मापदंडों और संयुक्त विनिर्देशों), चित्रा 8में दिखाया निर्देशांक परिभाषा के आधार पर. प्रणाली की अनुमानित लागत ५०० GBP, वर्तमान विनिर्माण पद्धति, घटकों, और सामग्री पर आधारित है ।

एक इस अनुसंधान में इस्तेमाल उदाहरण के रूप में, हम एक ग्लोबल पोजिशनिंग सिस्टम जो एक revolute संयुक्त (आर1) एक श्रृंखला तंत्र के साथ पूरा हाथ और एक दो बार हाथ घूर्णन समानांतर लिंक तंत्र (आर2 और आर3) के आधार पर सेट के साथ है कार्यरत कृमि गियर ड्राइव (9 अंक) । इस 3-DOF तंत्र प्रस्तावित 5 DOF जोड़तोड़ के साथ काम करने के लिए एक पूरा रोबोट अमेरिका प्रणाली फार्म का होगा । प्रस्तावित रोबोट जोड़तोड़ और उदाहरण के वैश्विक स्थिति इस अनुसंधान के लिए इस्तेमाल विकल्प के आधार पर, 10 चित्रा एक उदर प्रेत के आसपास की स्थिति में रोबोट का अनुकरण उदाहरण से पता चलता है, प्रदर्शन है कि यह दोनों पक्षों के आसपास तक पहुंचने में सक्षम है पेट और शीर्ष पर पदों की एक श्रेणी । प्रणाली में बेमानी जोड़ों के डिजाइन, विशेष रूप से जंमू1 और जंमू2के विंयास, यांत्रिक संरचनाओं के अधिकांश के साथ बड़े कोणों से जांच झुका अभी भी रोगी के शरीर से दूर रहने की अनुमति देता है, के रूप में देखा जा सकता है चित्र 10. नतीजतन, पिछले तीन जोड़ों के साथ (जे3, जंमू4, और जंमू5) ठीक झुकाव समायोजन के लिए सीमित पर्वतमाला के भीतर घुमाने के लिए निर्दिष्ट, टकराव रोबोट के चलती भागों और रोगी के शरीर के बीच बचा है ।

इलेक्ट्रॉनिक्स और पारंपरिक stepper मोटर नियंत्रण प्रणाली विकसित के साथ, प्रयोगों के उत्पादन बल का परीक्षण करने के लिए प्रदर्शन किया गया है और गति की उम्मीद रेंज मान्य. वर्तमान नियंत्रण इकाई microcontrollers, stepper मोटर ड्राइवरों, बिजली की आपूर्ति और नियामकों के साथ एक बॉक्स है, और अन्य समर्थन इलेक्ट्रॉनिक घटक शामिल थे. नियंत्रण बॉक्स के समग्र आकार ४० सेमी लंबे, 23 सेमी चौड़ा है, और 12 सेमी गहरी है । प्रणाली के दोहराया परीक्षण के आधार पर, अधिकतम बल जो रोबोट जोड़तोड़ वर्तमान में लागू कर सकते है के लिए निर्धारित है 27 n करने से पहले यांत्रिक सुरक्षा क्लच शुरू हो गया है, प्रस्तावित प्रणाली के उत्पादन बल रेंज निर्दिष्ट करने के लिए 0-27 एन हो । यांत्रिक क्लच के विन्यास के साथ, यह दोहराया परीक्षण द्वारा सत्यापित किया गया था कि डिफ़ॉल्ट स्थिति में, जब क्लच लगे हुए है, गेंदों आंशिक रूप से एल1के हवालात छेद में हैं. इसलिए, प्रेरित की गतिविधियों, बड़े प्रेरणा गियर एल2अत्यधिक । हालांकि, जब अत्यधिक बल अंत-प्रभाव में लागू होता है, क्लच के साथ संलग्न है, गेंदों एल1की हवालात छेद से बाहर जा रहा है ।

सामग्री की तालिका में रिपोर्ट की गई प्रत्येक संयुक्त की गति की सीमा का भी बार ही परीक्षण और सत्यापन किया गया. समय की एक लंबी अवधि में रोबोट जोड़तोड़ के विश्वसनीय काम कर रहा है बड़े पैमाने पर एक भ्रूण प्रेत पर परीक्षण किया गया है और लगातार आंतरिक स्वस्थ स्वयंसेवकों (चित्रा 11) के उदर स्कैन के साथ सत्यापित । इस अध्ययन को स्थानीय एथिक्स कमेटी ने मंजूरी दी थी । अब तक 20 स्वयंसेवी सामांय पेट अल्ट्रासाउंड के लिए स्कैन की परीक्षाओं का उपयोग कर रोबोट के मूल सॉफ्टवेयर नियंत्रण के साथ सफलतापूर्वक किया गया है, मुख्य रूप से विश्वसनीयता और यांत्रिक डिजाइन की व्यवहार्यता का मूल्यांकन करने के लिए । यह प्रेत और स्वयंसेवक अध्ययन से निष्कर्ष निकाला है कि रोबोट जोड़तोड़ के वर्तमान डिजाइन आवश्यक बल पर आवश्यक आंदोलन रेंज तक पहुंच सकते हैं, और पर्याप्त ठीक समायोजन प्रदान करता है हाथ के समान छवियां प्राप्त करने के लिए अमेरिका के आपरेशन आयोजित उदर इमेजिंग के लिए जांच । इन सभी स्कैन के लिए, कोई सुरक्षा चिंताओं या असहज भावनाओं स्वयंसेवकों द्वारा सूचित किया गया । मोटर्स के चयन, तंत्र के यांत्रिक अनुपात, और बिजली के स्तर को इस तरह सत्यापित किया गया है कि वे रोगी के शरीर पर जांच के विश्वसनीय आंदोलन सुनिश्चित करते हैं, जबकि एक ही समय पर फिसलन में जिसके परिणामस्वरूप अगर अतिरिक्त बलों उत्पंन कर रहे हैं । इस पर जा रहे स्वयंसेवक अध्ययन और रोबोट के उपयोग के लिए नैदानिक सबूत के अतिरिक्त विवरण अलग से प्रस्तुत किया जाएगा ।

Figure 1
चित्र 1: कंप्यूटर सहायता प्राप्त डिजाइन (सीएडी) ड्राइंग सभी लिंक (एल0, एल1, l2, एल3, और एल4) और अंत-प्रभाव । प्रत्येक लिंक के आकार संदर्भ के लिए दिखाया गया है जब 3d मुद्रण प्रदान का उपयोग कर । STL फ़ाइलें । अंत-प्रभाव एक अमेरिकी जांच विधानसभा में शामिल के साथ सचित्र है । कृपया यहां क्लिक करें इस आंकड़े का एक बड़ा संस्करण को देखने के लिए ।

Figure 2
चित्रा 2: आवश्यक अतिरिक्त घटकों के सीएडी ड्राइंग । प्रत्येक घटक के आकार के संदर्भ के लिए दिखाया गया है जब 3d मुद्रण प्रदान का उपयोग कर । STL फ़ाइलें । घटकों में शामिल है प्रेरणा और बेवल विभिंन आकारों में गियर, एक शाफ्ट कॉलर, एक क्लच कवर, और एक अंत-प्रभाव कॉलर । कृपया यहां क्लिक करें इस आंकड़े का एक बड़ा संस्करण को देखने के लिए ।

Figure 3
चित्रा 3: जंमू के लिए विधानसभा अनुदेश1। आवश्यक लिंक, मोटर्स, गियर, और बीयरिंग, कुछ संरचनाओं के साथ दिखाया गया है कि विधानसभा वर्णन करने के लिए पारदर्शी बदल दिया है । कृपया यहां क्लिक करें इस आंकड़े का एक बड़ा संस्करण को देखने के लिए ।

Figure 4
चित्रा 4: जंमू2के लिए विधानसभा अनुदेश । आवश्यक लिंक, मोटर्स, गियर, गेंद वसंत जोड़े, और बीयरिंग, कुछ संरचनाओं के साथ दिखाया गया है कि विधानसभा वर्णन करने के लिए पारदर्शी बदल दिया है । कृपया यहां क्लिक करें इस आंकड़े का एक बड़ा संस्करण को देखने के लिए ।

Figure 5
चित्रा 5: जंमू के लिए विधानसभा अनुदेश3। आवश्यक लिंक, मोटर्स, गियर, और बीयरिंग दो परिप्रेक्ष्य विचारों के साथ दिखाया गया है कि विधानसभा वर्णन । कृपया यहां क्लिक करें इस आंकड़े का एक बड़ा संस्करण को देखने के लिए ।

Figure 6
चित्रा 6: जंमू के लिए विधानसभा अनुदेश4। आवश्यक लिंक, मोटर्स, गियर, और बीयरिंग इकट्ठे जे4 तंत्र के साथ दिखाया गया है, संकेत दिया । कृपया यहां क्लिक करें इस आंकड़े का एक बड़ा संस्करण को देखने के लिए ।

Figure 7
चित्रा 7: जंमू के लिए विधानसभा अनुदेश5। आवश्यक लिंक और अंत-प्रभाव, मोटर्स, और गियर, कुछ संरचनाओं के साथ दिखाया गया है कि विधानसभा वर्णन करने के लिए पारदर्शी बदल दिया है । कृपया यहां क्लिक करें इस आंकड़े का एक बड़ा संस्करण को देखने के लिए ।

Figure 8
चित्रा 8: अंतिम-प्रभाव एक अमेरिकी जांच पकड़े के साथ प्रस्तावित 5-DOF रोबोट जोड़तोड़ का सारांश । प्रत्येक संयुक्त और इकट्ठे जोड़तोड़ के समग्र आकार के समंवय परिभाषा संकेत कर रहे हैं । कृपया यहां क्लिक करें इस आंकड़े का एक बड़ा संस्करण को देखने के लिए ।

Figure 9
चित्र 9: उदाहरण ग्लोबल पोजिशनिंग डिवाइस के सीएडी ड्राइंग । इस बांह आधारित डिवाइस के परीक्षण के लिए प्रस्तावित रोबोट जोड़तोड़ के साथ काम किया जाता है । संकेतन और मुख्य आयाम ड्राइंग में दिखाए जाते हैं । कृपया यहां क्लिक करें इस आंकड़े का एक बड़ा संस्करण को देखने के लिए ।

Figure 10
चित्र 10: प्रेत के चारों ओर चार अलग स्कैनिंग मुद्राओं का गाढ़ापन अनुकरण । यह एक ठेठ उदर अमेरिका स्कैन के लिए गति की एक पर्याप्त सीमा को दर्शाता है । कृपया यहां क्लिक करें इस आंकड़े का एक बड़ा संस्करण को देखने के लिए ।

Figure 11
चित्र 11: वर्णित प्रोटोकॉल का उपयोग कर हमें रोबोट कार्यांवित किया । (एक) उदाहरण ग्लोबल पोजिशनिंग तंत्र के साथ रोबोट जोड़तोड़ । (ख) एक रोगी के उदर क्षेत्र पर प्रस्तावित रोबोट जोड़तोड़ के नैदानिक उपयोग । कृपया यहां क्लिक करें इस आंकड़े का एक बड़ा संस्करण को देखने के लिए ।

सामग्री तालिका: Denavit सहित प्रस्तावित रोबोटिक जोड़तोड़ का तकनीकी विवरण - Hartenberg पैरामीटर और संयुक्त विनिर्देशों । कृपया यहां क्लिक करें इस आंकड़े का एक बड़ा संस्करण को देखने के लिए ।

अनुपूरक फ़ाइलें. 3d मुद्रण योग्य STL फ़ाइलें । कृपया यहां क्लिक करें इस फ़ाइल को डाउनलोड करने के लिए । 

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Discussion

कई अंय औद्योगिक रोबोटों कि चिकित्सा अनुप्रयोगों में अनुवाद किया गया है के विपरीत, प्रस्तावित रोबोटिक्स प्रोटोकॉल में वर्णित जोड़तोड़ विशेष रूप से गति की सीमा के लिए नैदानिक आवश्यकताओं के अनुसार अमेरिका की परीक्षा के लिए बनाया गया था, बल के आवेदन, और सुरक्षा प्रबंधन । हल्के रोबोट जोड़तोड़ ही सबसे अतिरिक्त के लिए पर्याप्त आंदोलनों की एक विस्तृत श्रृंखला है-साकार अमेरिका स्कैनिंग, ग्लोबल पोजिशनिंग तंत्र के बड़े आंदोलनों के लिए आवश्यकता के बिना । रोगी को निकटतम यांत्रिक संरचना के रूप में, प्रस्तावित लिंक भी विशेष रूप से रोगी से दूर होने के लिए आकार के होते हैं । सबसे DOFs एक कॉंपैक्ट जोड़तोड़ में एंबेडेड के साथ, रोबोट हमें इस उपकरण का उपयोग कर स्कैनिंग एक सहज ज्ञान युक्त एक बड़ी जगह पर कब्जा की आवश्यकता के बिना मानव ऑपरेशन के समान तरीके से किया जा सकता है । इन सभी सुविधाओं की वजह से, हम उम्मीद करते हैं कि प्रोटोकॉल के बाद उत्पादित प्रणाली चिकित्सकों और रोगियों, जो पर जा रहा स्वयंसेवक अध्ययन के साथ मान्य किया जा रहा है से स्वीकृति प्राप्त कर सकता है. प्रस्तावित रोबोट जोड़तोड़ के साथ, वैश्विक स्थिति के लिए विभिंन पारंपरिक आर्किटेक्चर एक गैन्ट्री या छत बढ़ते डिजाइन के रूप में विशेष आवश्यकता, के आधार पर इस्तेमाल किया जा सकता है । प्रस्तावित रोबोटिक जोड़तोड़ के परीक्षणों को सक्षम करने के लिए इस पेपर में एक उदाहरण ग्लोबल पोजिशनिंग डिवाइस का इस्तेमाल किया गया था ।

वर्तमान प्रोटोकॉल पता चलता है कि सभी लिंक ABS या पीएलए प्लास्टिक या नायलॉन का उपयोग कर मुद्रित किया जा सकता है, स्थानीय 3 डी मुद्रण सेवा की उपलब्धता के आधार पर, जबकि नायलॉन प्रिंट का उपयोग कर सामांय में नायलॉन सामग्री की शक्ति के कारण पसंद है । महत्वपूर्ण बात, के रूप में प्रोटोकॉल में कहा गया है, अतिरिक्त घटक, विशेष रूप से गियर, नायलॉन या एक और मजबूत सामग्री के साथ मुद्रित किया जाना चाहिए प्रणाली की विश्वसनीयता सुनिश्चित करने के लिए । नई 3d मुद्रण सामग्री के रूप में पेश कर रहे हैं, सामग्री का उपयोग बदल सकता है । वर्तमान प्रोटोकॉल एक अंत-प्रभाव विशेष रूप से एक विशेष अमेरिकी जांच के लिए बनाया गया है, जांच के 3 डी एक सीटी इमेजिंग प्रणाली द्वारा स्कैन के लिए अंत-प्रभाव के भीतर के प्रोफ़ाइल के डिजाइन की सहायता आकार के साथ काम करता है । जब जोड़तोड़ अंय हमें विभिंन आकृतियों के साथ जांच के साथ प्रयोग किया जाता है, यह सुनिश्चित करना है कि अंत-प्रभाव के भीतरी प्रोफ़ाइल को कसकर अमेरिका जांच के बाहरी प्रोफ़ाइल के साथ मैच के लिए बदल दिया है, ताकि जांच के सुरक्षित रखने की गारंटी के लिए महत्वपूर्ण है । 3डी शेप और प्रोफाइल की जांच का जिम्मा भी 3डी स्कैनिंग के अन्य प्रकारों से प्राप्त किया जा सकता था । इसके अतिरिक्त, यह ध्यान दिया जाना चाहिए कि डिजाइन विवरण के कुछ इस तरह के सटीक आकार और आयाम, शाफ्ट आकार, बढ़ते keyways, शिकंजा, और बीयरिंग के उपयोग के रूप में प्रोटोकॉल में वर्णित है, बदला जा सकता है । एक ही कारण के लिए, विवरण के कुछ प्रदान नहीं कर रहे है जब वे स्पष्ट रूप से यांत्रिक डिजाइन के सामांय ज्ञान के आधार पर कर रहे हैं ।

वर्तमान डिजाइन एक निष्क्रिय यांत्रिक क्लच जो समायोजित किया जा सकता है और अधिकतम रोगी के लिए लागू बल सीमित करने के लिए इस्तेमाल किया है । यह एक सुरक्षा सुविधा है कि किसी भी बिजली प्रणालियों या सॉफ्टवेयर तर्क है, जो अमेरिका की परीक्षाओं के लिए रोबोट का उपयोग करने की मौलिक सुरक्षा की गारंटी देता है पर भरोसा नहीं है । ट्रिगरिंग पॉइंट सामान्य यूएस स्कैन के दौरान रोगियों को मानव संचालकों द्वारा लागू किए गए ऊर्ध्वाधर बल के पिछले माप21 से सीमा के आधार पर सेट किया गया था, साथ ही मौजूदा साहित्य18से सूचना के समान परिणाम, दोनों जो सुझाव है कि अधिकतम ऊर्ध्वाधर बल आमतौर पर 20 N से अधिक नहीं है । इस शर्त के रूप में इलाज किया गया है कि क्लच के ट्रिगर बल कुछ दिए गए भत्तों के साथ 20 से अधिक N होना चाहिए । ट्रिगर बल की राशि गेंद की संख्या को बदलने के द्वारा समायोजित किया जा सकता है वसंत जोड़े, वसंत स्थिरांक, हवालात छेद के आकार, और22स्प्रिंग्स की उतराई । इस के लिए डिजाइन प्रोटोकॉल के एक संभावित संशोधन के लिए एल2में गेंद-स्प्रिंग जोड़े पकड़े के लिए गुहाओं की संख्या में परिवर्तन है । व्यवहार में, जब प्रस्तावित प्रणाली का उपयोग कर, क्लच का सही काम कर आसानी से सत्यापित किया जा सकता है मैंयुअल रूप से संयुक्त क्लच घूर्णन और क्लच छुड़ाने और फिर से संलग्न किसी भी रोबोट अमेरिका परीक्षा से पहले किया जाता है । वर्तमान प्रोटोकॉल में, सुरक्षा क्लच केवल जम्मू2 के लिए लागू किया जाता है के रूप में इस संयुक्त पेट की सतह के साथ जांच संरेखित करने के लिए डिज़ाइन किया गया है और सीधे अमेरिकी जांच द्वारा रोगी पर लागू ऊर्ध्वाधर शक्ति को सीमित करने के लिए इस्तेमाल कर सकते हैं । एक ऐसी ही अवधारणा के साथ, एक सुरक्षा क्लच भी जे1 प्रेरणा गियर के लिए लागू किया जा सकता है, जो निंनलिखित संरचनाओं के जंमू1 रोटेशन आंदोलन की सुरक्षा सुनिश्चित करेगा । यह वर्तमान प्रोटोकॉल में एक आवश्यक सुरक्षा सुविधा के रूप में नहीं देखा है, लेकिन एक अंतिम संस्करण के लिए एक संभावित संशोधन हो सकता है । पिछले तीन जोड़ों, जंमू3, जंमू4, और जंमू5, जांच के उंमुखीकरण के ठीक समायोजन के लिए उपयोग किया जाता है । Kinematically, वे किसी भी अत्यधिक बल उत्पन्न करने के लिए इस्तेमाल नहीं कर रहे हैं और किसी भी बाधा के साथ टकराने की संभावना नहीं है. आकार और प्रस्तावित जोड़तोड़ के वजन को कम करने के लिए, एक सुरक्षा यांत्रिक क्लच प्रोटोकॉल के किसी भी संशोधन में इन तीन जोड़ों के लिए सुझाव नहीं दिया है ।

यहां प्रस्तुत प्रोटोकॉल के बाद अमेरिका परीक्षाओं के लिए प्रस्तावित जोड़तोड़ का निर्माण, यांत्रिक प्रणाली के एक ही विश्वसनीयता, गति की ही पर्वतमाला, पूरे जोड़तोड़ के समान वजन, और क्लच की ट्रिगर बल के एक समान स्तर उंमीद के रूप में इस पत्र में सूचित कर रहे हैं । हालांकि, दोहराव और आंदोलनों की सटीकता, के रूप में अच्छी तरह से यांत्रिक क्लच के सटीक ट्रिगर बल के स्तर की पुनरावृत्ति, दृढ़ता से 3 डी मुद्रण और विधानसभा सीएडी डिजाइन की तुलना में सटीकता पर निर्भर करेगा । यह एक प्रयोगशाला के रूप में मौजूदा प्रोटोटाइप के लिए गारंटी नहीं हो सकता आधारित कम अंत 3 डी मुद्रण सेवा के निर्माण के लिए इस्तेमाल किया गया था और विधानसभा मैंयुअल रूप से प्रारंभिक प्रोटोटाइप के प्रयोजन के लिए किया गया था । यह उम्मीद है कि विनिर्माण और विधानसभा के एक औद्योगिक स्तर डिजाइन प्रोटोकॉल के बाद अच्छी पुनरावृत्ति और उच्च सटीकता में परिणाम होगा, हालांकि इस प्रणाली के नैदानिक परीक्षण के लिए एक अंतिम उत्पाद में किया जाता है से पहले इस समय हमारे उद्देश्य नहीं है । प्रदर्शन के परीक्षण भी एक अलग प्रोटोकॉल है, जो गाढ़ापन मॉडलिंग, एक रोबोट नियंत्रण विधि, गति ट्रैकिंग, और अंशांकन तरीकों में शामिल है की आवश्यकता होगी, और है, इस प्रकार, वर्तमान समाचार पत्र में शामिल नहीं है । इसी तरह, नियंत्रण परिशुद्धता और प्रस्तावित जोड़तोड़ की प्रतिक्रिया मोटर नियंत्रण विधि, रोबोट नियंत्रण एल्गोरिथ्म, और जोड़तोड़ और नियंत्रण अंतरफलक के इलेक्ट्रॉनिक्स के बीच संचार द्वारा निर्धारित कर रहे हैं । के रूप में इन नए यांत्रिक डिजाइन शुरू करने के मौजूदा प्रोटोकॉल के उद्देश्य से परे है और कई मौजूदा वास्तुकला का उपयोग कर कार्यांवित किया जा सकता है, इस पत्र में विवरण प्रदान नहीं कर रहे हैं ।

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Disclosures

लेखकों का खुलासा करने के लिए कुछ नहीं है ।

Acknowledgments

यह काम वेलकम ट्रस्ट इएह पुरस्कार [१०२४३१] द्वारा समर्थित किया गया था और वेलकम/EPSRC सेंटर फॉर मेडिकल इंजीनियरिंग [WT203148/z/16/z] द्वारा । लेखक स्वास्थ्य अनुसंधान के लिए राष्ट्रीय संस्थान के माध्यम से स्वास्थ्य विभाग से वित्तीय सहायता स्वीकार करते है (NIHR) व्यापक जैव चिकित्सा अनुसंधान केंद्र लड़के के & सेंट ' थॉमस एन एच एस फाउंडेशन के साथ साझेदारी में ट्रस्ट को पुरस्कार है राजा कॉलेज लंदन और राजा कॉलेज अस्पताल एन एच एस फाउंडेशन ट्रस्ट ।

Materials

Name Company Catalog Number Comments
3D-printed link L0 3D printing service 1 As shown in Figure 1, with the STL file provided
3D-printed link L1 3D printing service 1 As shown in Figure 1, with the STL file provided
3D-printed link L2 3D printing service 1 As shown in Figure 1, with the STL file provided
3D-printed link L3 3D printing service 1 As shown in Figure 1, with the STL file provided
3D-printed link L4 3D printing service 1 As shown in Figure 1, with the STL file provided
3D-printed end-effector 3D printing service 1 As shown in Figure 1, with the STL file provided
20-teeth spur gear 3D printing service 12 0.5 module, 5 mm face width, with mounting keyway, as shown in Figure 2, with the STL file provided
18-teeth bevel gear 3D printing service 2 0.5 module, 5 mm face width, with mounting keyway, as shown in Figure 2, with the STL file provided
120-teeth spur gear (Type A) 3D printing service 1 0.5 module, 6 mm face width, with mounting keyway, bearing housing, and bore, as shown in Figure 2, with the STL file provided
120-teeth spur gear (Type B) 3D printing service 2 0.5 module, 6 mm face width, with detent holes, bearing housing, and bore, as shown in Figure 2, with the STL file provided
120-teeth spur gear (Type C) 3D printing service 1 0.5 module, 6 mm face width, with mounting key, bearing housing, and bore, as shown in Figure 2, with the STL file provided
20-teeth long spur gear 3D printing service 1 0.5 module, 21.5 mm face width, with mounting keyways, as shown in Figure 2, with the STL file provided
144-teeth bevel gear 3D printing service 1 0.5 module, 7 mm face width, with mounting keyways, as shown in Figure 2, with the STL file provided
Bearing (37 mm O.D and 30 mm I.D) Bearing Station Ltd., UK 5 Bearing size and supplier can be varied
Bearing (12 mm O.D and 6 mm I.D) Bearing Station Ltd., UK 2 Bearing size and supplier can be varied
Bearing (32 mm O.D and 25 mm I.D) Bearing Station Ltd., UK 1 Bearing size and supplier can be varied
Bearing (8 mm O.D and 5 mm I.D) Bearing Station Ltd., UK 2 Bearing size and supplier can be varied
Plastic/metal shaft (6 mm O.D, 70 mm long) TR Fastenings Ltd., UK 1 e.g. Could be an M6 bolt and a nut
Plastic/metal shaft (5 mm O.D, 70 mm long) TR Fastenings Ltd., UK 1 e.g. Could be an M5 bolt and a nut
Ball-spring pairs WDS Ltd., UK 4 Numbers of ball-spring pairs could varied to adjust the triggering force of the clutch
Clutch covers 3D printing service 2 104 mm O.D, 5mm face width, 6 mm bore, as shown in Figure 2, with the STL file provided
3D-printed shaft collar 3D printing service 1 35 mm O.D and 30 mm I.D, 8mm face width, as shown in Figure 2, with the STL file provided
3D-printed end-effector collar 3D printing service 1 As shown in Figure 2, with the STL file provided
Small geared stepper motors AOLONG TECHNOLOGY Ltd., China 14 Part number: GM15BYS; Internal gear ratio 232:1 or 150:1, all acceptable

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References

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इंजीनियरिंग मुद्दा १४३ मेडिकल रोबोट रोबोट अल्ट्रासाउंड अतिरिक्त-साकार अल्ट्रासाउंड रोबोट डिजाइन तंत्र डिजाइन लिंकेज और जोड़तोड़ रोबोट सुरक्षा 3 डी मुद्रण रैपिड प्रोटोटाइप
डिजाइन और अतिरिक्त साकार अल्ट्रासाउंड के लिए एक Bespoke रोबोट जोड़तोड़ के कार्यांवयन
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Wang, S., Housden, J., Noh, Y.,… More

Wang, S., Housden, J., Noh, Y., Singh, A., Back, J., Lindenroth, L., Liu, H., Hajnal, J., Althoefer, K., Singh, D., Rhode, K. Design and Implementation of a Bespoke Robotic Manipulator for Extra-corporeal Ultrasound. J. Vis. Exp. (143), e58811, doi:10.3791/58811 (2019).

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