Summary
Cet article présente la conception et la mise en œuvre d’un manipulateur robotisé sur mesure pour l’examen échographique extracorporelle. Le système comporte cinq degrés de liberté avec articulations légères faites par impression 3D et un embrayage mécanique pour la gestion de la sécurité.
Abstract
Avec un potentiel de haute précision, dextérité et répétabilité, un système robotique autonome sur chenilles peut être employé pour aider à l’acquisition de l’échographie en temps réel. Cependant, un nombre limité de robots conçus pour Extracorporels échographie ont été avec succès traduit en usage clinique. Dans cette étude, nous voulons construire un manipulateur robotisé sur mesure pour l’examen échographique extracorporelle, qui est léger et a un faible encombrement. Le robot est formé par cinq liens spécialement formés et des mécanismes communs pour la manipulation de la sonde, afin de couvrir l’éventail nécessaire de mouvement avec redondants de degrés de liberté pour assurer la sécurité du patient. La sécurité mécanique est soulignée par un mécanisme d’embrayage, de limiter la force appliquée aux patients. À la suite de la conception, le poids total du manipulateur est inférieur à 2 kg, et la longueur du manipulateur est d’environ 25 cm. Le design a été mis en place et la simulation, études de fantômes et bénévoles ont été effectuées, afin de valider l’amplitude de mouvement, la capacité de faire des réglages fins, fiabilité mécanique et la sécurité de fonctionnement de l’embrayage. Ce livre présente en détail la conception et la mise en œuvre du manipulateur ultrasons robotisée sur mesure, avec les méthodes de conception et d’assemblage illustrés. Les résultats des tests pour démontrer les caractéristiques de conception et l’expérience clinique d’utilisation du système sont présentés. Il est conclu que le manipulateur robotisé proposé actuel répond aux exigences tant qu’un système sur mesure pour l’examen échographique extracorporelle et possède un grand potentiel à traduire en pratique clinique.
Introduction
Un système à ultrasons robotisée extracorporelle (US) se réfère à la configuration dans laquelle un système robotique sert à tenir et à manipuler une sonde US pour les examens externes, y compris son utilisation en imagerie abdominale cardiaque, vasculaire, obstétrique et générale1 . L’utilisation d’un tel système robotisé est motivée par les défis de tenir manuellement et de manipuler une sonde américaine, par exemple, la difficulté de trouver des vues d’US standard requis par les protocoles d’imagerie cliniques et le risque de microtraumatismes blessures2, 3,4, et également par les besoins de nous des programmes de dépistage, par exemple, l’exigence de connu en échographie pour être sur place5,6. Avec des accents sur les différentes fonctionnalités et anatomies cible, plusieurs systèmes robotiques d’US, révisée dans les œuvres antérieures1,7,8, ont été introduites depuis les années 1990, afin d’améliorer les différents aspects des États-Unis examen (par exemple, sur de longues distances de téléopération9,10,11,12, ainsi que robot-opérateur interaction et contrôle automatique)13, 14. outre les systèmes américains de robotique utilisés à des fins diagnostiques, robotique intense axée systèmes à ultrasons (HIFU) pour fins de traitement ont été largement étudiés tels que résumés par Priester et al. 1, avec quelques récentes œuvres15,16 , les dernières avancées de la déclaration.
Bien que plusieurs systèmes robotiques d’US ont été développés avec des technologies relativement fiables pour le contrôle et l’utilisation clinique, seuls quelques-uns d'entre eux ont été traduits avec succès en pratique clinique, tel qu’un système de télé-échographie disponibles dans le commerce 17. une raison possible est le faible niveau d’acceptation pour grande taille prospectifs industrial robots travaillant dans un environnement clinique, du point de vue des patients et des échographistes. En outre, pour la gestion de la sécurité, la majorité des robots américains existants s’appuient sur des capteurs de force pour surveiller et contrôler la pression appliquée à la sonde américaine, tandis que les mécanismes de sécurité mécanique plus fondamentaux pour limiter la force passive ne sont habituellement pas disponibles . Cela peut aussi causer des inquiétudes lors de la traduction en pratique clinique, comme la sécurité de fonctionnement du robot dépendrait purement logiciel logique et de systèmes électriques.
Avec les progrès récents de la 3D printing techniques, spécialement en forme de liens en plastique avec des mécanismes conjoints pourrait fournir une nouvelle opportunité pour développer des robots médicaux sur mesure. Conçu avec soin les composants légers avec un aspect compact pourraient améliorer l’acceptation clinique. Spécialement pour examen aux États-Unis, un robot médical sur mesure visant à être traduit en utilisation clinique doit être compact, avec suffisamment de degrés de liberté (DOFs) et amplitude de mouvement pour couvrir la région d’intérêt d’un scan ; par exemple, la surface abdominale, incluant aussi bien le dessus et les côtés du ventre. En outre, le robot doit également intégrer la possibilité d’effectuer des réglages fins de la sonde américaine dans une zone locale, en essayant d’optimiser un avis des États-Unis. Cela inclut normalement les mouvements pendulaires de la sonde dans une plage spécifique, tel que suggéré par Essomba et al. 18 et19de la Serena. Pour plus amples aux préoccupations de sécurité, il est prévu que le système doit avoir des caractéristiques mécaniques de sécurité passive qui sont indépendantes des systèmes électriques et de la logique du logiciel.
Dans cet article, nous présentons la méthode détaillée de conception et l’assemblage d’un manipulateur de robot agile 5-DOF, qui est utilisé comme l’élément clé d’un système d’US robotic Extracorporels. Le manipulateur se compose de plusieurs liens 3D-printable légers, des mécanismes conjoints sur mesure et un limiteur de couple intégré. La disposition spécifique des DOFs offre une flexibilité totale pour les ajustements de la sonde, ce qui permet des opérations faciles et en toute sécuritées dans une petite zone sans entrer en collision avec le patient. Le manipulateur de multi-DOF proposée vise à travailler comme le composant principal qui est en contact avec les patients et il peut être simplement attaché à n’importe quel mécanisme de positionnement mondial classiques 3-DOF pour former un robot américain complet avec DOFs pleinement actives pour effectuer une analyse de l’US.
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Protocol
1. la préparation de chaque lien, effecteur et composants supplémentaires
- Imprimer tous les liens (L0, L1, L2, L-3et L4) et l’effecteur, comme illustré à la Figure 1, avec plastique d’acrylonitrile butadiène styrène (ABS), le polylactique acide (PLA) plastique ou en nylon, à l’aide d’une impression 3D service. Utilisation du. Fichiers STL fournies dans les Documents complémentaires lors de l’impression.
NOTE : Changements dans la forme et l’échelle de chaque partie peuvent être pris en fonction sur les fichiers fournis. Profilé à l’intérieur de l’effecteur peut être modifié pour s’adapter à différentes sondes US. - Imprimer tous les composants requis supplémentaires, comme illustré à la Figure 2 en nylon, à l’aide d’un service d’impression 3D. Se référer à la Table des matières pour le nombre requis de chaque composant. Utilisation du. Fichiers STL fournies dans les Documents complémentaires lors de l’impression.
- Polir toutes les pièces en plastique imprimés avec outils de polissage si nécessaire. Enlevez tout à gauche de l’impression 3D, documents à l’appui si nécessaire.
Remarque : Certaines structures dans la conception de l’effecteur fournies sont pour un capteur de force, qui ne fait pas partie du protocole rapporté ici et ne serviront pas à l’Assemblée. Le concept de design de capteur de force a été signalé dans les précédents travaux20; ainsi, il n’est pas couvert dans le présent document.
2. assemblage du conjoint 1
NOTE : L’Assemblée de mixte 1 (J1) repose sur la Figure 3.
- Placez les quatre petites, engrenages moteurs (avec 20 dents droites attachés) dans les cavités de montage de L0 et fixez-les avec des vis.
- Placez les deux roulements de OD 37 mm dans les paliers de L0 et fixer la Couronne 120-dents (Type A) sur la clé à six pans creux de L1.
- Insérez l’axe sur L1 dans le trou de l’axe sur L0 avec les quatre droites conduites petits et les grands, piloté par denture engagé et assembler le collier d’arbre pour sécuriser et de conserver l’arbre.
3. montage du conjoint 2
Remarque : L’Assemblée mixte 2 (J2) repose sur la Figure 4.
- Placez les quatre petites, engrenages moteurs (avec 20 dents droites attachés) dans les cavités de montage de L1 et fixez-les avec des vis.
- Fixer les deux 120-dents droites (Type B) sur les deux roulements de 37 mm OD et position dans les cavités de gear L1, avec la denture frontale 120-dents (Type B) engagées avec les droites de 20 dents monté sur les moteurs. Dévisser et revisser le moteur si nécessaire pour permettre le positionnement facile de la denture frontale deux 120-dents de type B.
- Alignez L1 et L2 et insérer le roulement et les paires de boule-printemps dans les trous de l’embrayage en L2. Avec les couvercles d’embrayage rond deux alignant et en poussant au printemps dans le mécanisme d’embrayage pour le préchargement, insérez un boulon M6 dans les trous de L1 et L2.
- Pivoter l’ensemble de l’autre côté et répétez les étapes en 3.3 pour ce côté. Fixer l’ensemble en attachant un écrou sur le boulon M6.
4. montage de la commune 3
NOTE : L’Assemblée de la commune 3 (J3) est basée sur la Figure 5.
- Placez les deux moteurs de petits, engrenages, moteurs pas à pas (avec 20 dents droites attachés) dans les cavités de montage de L2 et fixez-les avec des vis.
- Placer l’OD de 37 mm billes dans le carter de roulement de la denture frontale 120-dents (Type C) et le 32 mm OD billes dans le carter de roulement de L3.
- Sécuriser la grande couronne dans la serrure de l’hexagone de L3 (vis supplémentaires peuvent être utilisés si nécessaire) et introduisez la tige sur L2 dans les trous sur le grand pignon et L3, avec les petits et les grands pignons droits engagés.
5. montage du mécanisme de conduite de 4 mixte
Remarque : L’Assemblée du 4 mixte (J4) repose sur la Figure 6.
- Placez les deux moteurs de petits, engrenages, moteurs pas à pas dans les cavités de montage de L3 et fixez-les avec des vis. Placez les roulements d’OD de 8 mm dans les paliers de L4.
- Monter le pignon 20 dents longue sur les deux petits moteurs.
6. montage du mécanisme moteur mixte 4 et 5 communes
Remarque : L’Assemblée du 4 mixte (J4) repose sur la Figure 6 et 5 communes (J5) repose sur la Figure 7.
- La position du conduit de 144 dents pignon sur l’extrusion de L4.
- Placez les deux moteurs de petits, engrenages, moteurs pas à pas (avec 18-dents en biseau engrenages attachés) dans les cavités de montage de L4 et fixez-les avec des vis. Enfin, planter l’arbre de M5 dans le trou de l’arbre des L3 L4 , après que les deux liens sont alignés. Assurer la construction dans les structures de l’engrenage entraînée sur L4 matches avec le pignon de 20 dents longues.
- Insérez l’effecteur dans la rainure de clavette du grand pignon conique et positionner verticalement l’effecteur avec le collier d’effecteur vissé sur elle.
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Representative Results
Suite au protocole, le système qui en résulte est un manipulateur robotisé avec cinq liens formes spéciale (L0 L4) et cinq articulations revolute (J1 J5) pour déplacer, tenant et l’inclinaison localement une sonde US (Figure 8). Le joint de rotation supérieure (J1), avec des mécanismes d’engrenages actionnés par quatre moteurs, peut tourner 360 °, pour permettre à la sonde américaine doivent être dirigées vers des deux côtés de la zone de lecture optique, tels que le haut, bas et des côtés de l’abdomen de structures de ce qui suit. L’articulation principale inclinable (J2), avec des mécanismes d’engrenages actionnés par quatre moteurs, sert à incliner vers le bas de la sonde afin de l’harmoniser avec la surface de la zone de lecture optique. Comme cette articulation est également cruciale pour la gestion de la force, un embrayage mécanique avec ballons, ressorts, trous de détente a été constituée. Les trois derniers de joints revolute orthogonales (J3J4et J5), avec engins mécanismes actionnés par deux moteurs de chacun, sont utilisés pour contrôler la rotation axiale et inclinable de la sonde, ce qui permet un réglage de la sonde dans une localité. L’articulation revolute dernier, J5, permet également le montage d’une sonde américaine dans un forme spéciale effecteur. Le poids total et la longueur du manipulateur robotisé proposé, qui est la seule structure habituellement sur le dessus de l’organisme du patient, sont à moins de 2 kg et 25 cm. La conception résultante est telle qu’une large gamme de postes de la sonde peut être atteint avec seulement de petits mouvements du mécanisme de positionnement lors de l’utilisation proposé manipulateur robotisé US global restant. Si l'on considère seulement le manipulateur proposé sur ses propres, la sonde peut être pivotée axialement à n’importe quel angle, incliné pour suivre une surface inclinée de 0° à 110° à l’horizontale dans toutes les directions et placé dans un cercle d’un diamètre de 360 mm. en outre, la Revolute articulations J3 et J4 offrent un angle de déviation, dans deux directions, dans les gammes de-180 ° à 180 ° et -30 ° à 45 °, qui est utilisé pour des réglages fins locales de la sonde américaine. Les gammes des mouvements et des débattements angulaires respecter l’écart nécessaire pour obtenir une fenêtre acoustique idéale pour les examens américains tel que suggéré par Essomba et al. 18 et19de la Serena. Les détails techniques du manipulateur robotisé proposé sont résumés dans la Table des matières (paramètres de Denavit-Hartenberg et spécifications communes), basées sur les définitions coordonnées illustrées à la Figure 8. Le coût estimé du système est 500 GBP, basé sur la méthode de fabrication actuelle, composants et matériaux.
À titre d’exemple utilisé dans la présente recherche, nous avons utilisé un système de positionnement global qui a un joint revolute (R1) avec un mécanisme en chaîne pour la rotation complète du bras et un bar à deux bras-basé de définir des mécanismes de liaison parallèle (R-2 et R3) avec engrenage disques (Figure 9). Ce mécanisme 3-DOF travaillera avec le manipulateur propose 5-DOF pour former un système complet d’US robotique. Basé sur le manipulateur robotisé proposé et l’exemple option utilisée dans cette recherche de positionnement global, la Figure 10 illustre un exemple de simulation du robot en positions autour d’un fantôme abdominale, montrant qu’elle est en mesure d’atteindre les deux côtés de l’abdomen et des positions sur le dessus. La conception des joints redondants dans le système, en particulier les configurations de J1 et J2, permet de basculer la sonde aux grands angles avec la plupart des structures mécaniques toujours rester loin du corps du patient, comme peut être observé dans Figure 10. Par conséquent, avec les joints des trois derniers (J3J4et J5) spécifiés pour tourner dans des secteurs limités pour un réglage d’inclinaison, collision est évitée entre les pièces mobiles du robot et le corps du patient.
Avec l’électronique et le système de commande de moteur stepper classique développé, des expériences ont été réalisées pour tester la force de sortie et valider l’amplitude attendue du mouvement. L’appareil de contrôle actuel est une boîte avec des microcontrôleurs, chauffeurs stepper, alimentation et régulateurs et autres composants électroniques support inclus. La taille globale du boîtier de commande a 40 cm de long, 23 cm de largeur et 12 cm de profondeur. Basé sur les tests répétés du système, la force maximale, le manipulateur robotisé capable actuellement d’exercer est définie à 27 N avant que l’embrayage de sécurité mécanique est déclenché, spécifiant la sortie forcer la portée du système proposé doit être 0 - 27 N. Avec la configuration de l’embrayage mécanique, il a été vérifié par des tests répétés que dans la position par défaut, lorsque l’embrayage est prise, les boules sont partiellement dans les trous de détente de L1. Par conséquent, les mouvements des engrenages-driven, grands éperon actionnent L2. Toutefois, lorsqu’une force excessive est exercée à l’effecteur, l’embrayage se désengage, avec les boules se déplaçant par les orifices de détente de L1.
L’amplitude de mouvement de chaque articulation a signalé dans la Table des matières a été également plusieurs fois testé et validé. Le fonctionnement fiable du manipulateur robotisé sur une longue période de temps a été testé sur un fantôme foetal et continuellement vérifié avec des scans abdominales des volontaires en bonne santé internes (Figure 11). L’étude a été approuvée par le Comité d’éthique local. Jusqu’ici, 20 bénévoles scans pour les échographies abdominales générales en utilisant le robot manipulateur ont été effectués avec succès avec le contrôle du logiciel de base du robot, notamment d’évaluer la fiabilité et la faisabilité de la conception mécanique. Il a été conclu des études fantômes et bénévoles que la conception actuelle du robot manipulateur peut atteindre la plage de mouvement nécessaire à la force requise et fournit suffisamment réglage fin pour obtenir des images similaires à l’opération à main des États-Unis sonde d’imagerie abdominale. Pour tous ces scans, aucun problèmes de sécurité ou sentiments inconfortables n’étaient signalés par les bénévoles. Le choix des moteurs, des rapports mécaniques des mécanismes et des niveaux de puissance ont été vérifiées, tels qu’ils assurent le mouvement fiable de la sonde sur le corps du patient, tout en même temps résultant en glissement si excessed forces sont générés. Plus de détails sur cette étude bénévole en cours et les preuves cliniques pour l’utilisation du robot seront présentés séparément.
Figure 1 : conception assistée par ordinateur (CAO), dessin de tous les liens (L0, L1,L2, L-3et L4) et de l’effecteur. La forme de chaque lien est affichée comme référence pour 3D impression à l’aide de la fournie. Fichiers STL. L’effecteur est illustrée par une sonde américaine incluse dans l’assembly. S’il vous plaît cliquez ici pour visionner une version agrandie de cette figure.
Figure 2 : dessin de composants supplémentaires requis CAD. La forme de chaque composant est montrée comme référence pour 3D impression à l’aide de la fournie. Fichiers STL. Les composants incluent épi et pignons coniques dans différentes tailles, un collier d’arbre, un carter d’embrayage et un collier d’effecteur. S’il vous plaît cliquez ici pour visionner une version agrandie de cette figure.
Figure 3 : notice de montage pour J1. Les liens requis, moteurs, engrenages et roulements sont affichés, avec certaines structures changés en transparent pour illustrer l’Assemblée. S’il vous plaît cliquez ici pour visionner une version agrandie de cette figure.
Figure 4 : notice de montage pour J2. Les liens requis, moteurs, engrenages, paires de boule-printemps et roulements sont affichés, avec certaines structures changés en transparent pour illustrer l’Assemblée. S’il vous plaît cliquez ici pour visionner une version agrandie de cette figure.
Figure 5 : notice de montage pour J3. Les liens requis, moteurs, engrenages et roulements sont affichés avec deux vues en perspective pour illustrer l’Assemblée. S’il vous plaît cliquez ici pour visionner une version agrandie de cette figure.
Figure 6 : Les instructions de montage pour J4. Les liens requis, moteurs, engrenages et roulements sont indiquées, avec le mécanisme de4 J assemblé a indiqué. S’il vous plaît cliquez ici pour visionner une version agrandie de cette figure.
Figure 7 : notice de montage pour J5. Le lien requis et effecteur, moteurs et engrenages sont affichés, avec certaines structures changés en transparent pour illustrer l’Assemblée. S’il vous plaît cliquez ici pour visionner une version agrandie de cette figure.
Figure 8 : sommaire du manipulateur robotisé 5-DOF proposée avec l’effecteur tenant une sonde US. La définition coordonnée de chaque articulation et la taille globale du manipulateur assemblé sont indiqués. S’il vous plaît cliquez ici pour visionner une version agrandie de cette figure.
Figure 9 : dessin de l’exemple de dispositif de positionnement global CAD. Ce dispositif axée sur les bras est utilisé pour travailler avec le manipulateur robotisé proposé pour les essais. Les notations et les dimensions principales sont indiquées dans le dessin. S’il vous plaît cliquez ici pour visionner une version agrandie de cette figure.
Figure 10 : simulation cinématique de quatre différentes postures balayage autour le fantôme. Cela démontre une gamme adéquate de motion pour un balayage d’US abdominale typique. S’il vous plaît cliquez ici pour visionner une version agrandie de cette figure.
Figure 11 : mise en œuvre de robot US en utilisant le protocole décrit. (a) le manipulateur robotisé avec l’exemple de mécanisme de positionnement global. (b) cliniques utilisent du manipulateur robotisé proposé sur la région abdominale du patient. S’il vous plaît cliquez ici pour visionner une version agrandie de cette figure.
Table des matières : les détails techniques du manipulateur robotisé proposé, y compris le Denavit - Hartenberg paramètres et le cahier des charges communs. S’il vous plaît cliquez ici pour visionner une version agrandie de cette figure.
Fichiers supplémentaire. 3D fichiers STL imprimables. S’il vous plaît cliquez ici pour télécharger ce fichier.
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Discussion
Contrairement à nombreux autres robots industriels qui ont été traduits dans des applications médicales, le manipulateur robotisé proposé décrit dans le protocole a été spécialement conçu pour les examens aux États-Unis selon les exigences cliniques pour l’amplitude de mouvement, application de la force et la gestion de la sécurité. Le manipulateur robotisé léger lui-même dispose d’un large éventail de mouvements suffisantes pour la plupart Extracorporels US numérisation, sans nécessiter de grands mouvements de la mécanisme de positionnement mondial. Comme la structure mécanique plus proche du patient, les liens proposés sont également spécialement en forme d’être loin de la patiente. Avec la plupart DOFs intégrés dans un compact manipulateur, robotique US numérisation à l’aide de ce dispositif peut être fait de manière intuitive similaire à une opération humaine sans la nécessité d’un grand espace d’occupation. En raison de toutes ces caractéristiques, nous attendons que le système produit suivant que le protocole pourrait obtenir l’acceptation de cliniciens et les patients, qui est en cours de validation avec l’étude de bénévole en cours. Avec le manipulateur robotisé proposé, différentes architectures classiques pour un positionnement global peuvent être utilisés basé sur l’exigence particulière, telle qu’un portique ou les dessins de montage au plafond. Un dispositif de positionnement global exemple a été utilisé dans cet article pour permettre les essais du manipulateur robotisé proposé.
Le protocole actuel suggère que tous les liens peuvent être imprimés à l’aide d’ABS ou plastiques PLA ou nylon, basée sur la disponibilité du service d’impression 3D local, tandis que l’utilisation du nylon imprime est en général préférable en raison de la force matérielle de nylon. Ce qui est important, comme indiqué dans le protocole, les composants supplémentaires, en particulier les engrenages, doivent être imprimés avec le nylon ou d’un autre matériau solide pour assurer la fiabilité du système. Comme les nouveaux matériaux d’impression 3D sont introduits, l’utilisation de matériaux peut être altérée. Le protocole actuel emploie un effecteur spécialement conçu pour une sonde américaine particulière, avec la forme 3D de la sonde, scanné par un CT, système d’imagerie afin d’aider à la conception du profilé à l’intérieur de l’effecteur. Lorsque le manipulateur est utilisé avec d’autres Américains des sondes avec des formes différentes, il est important de veiller à ce que le profilé à l’intérieur de l’effecteur est modifiée pour correspondre étroitement au profil externe de la sonde américaine, afin de garantir l’exploitation sécuritaire de la sonde. La forme 3D et le profil de la sonde pourraient aussi provenir d’autres types de numérisation 3D. En outre, il est à noter que certains détails conception décrites dans le protocole, tels que les formes exactes et dimensions, tailles de l’arbre, rainures de clavette de montage, vis et utilisation de roulements, pourraient être modifié. Pour la même raison, certains détails ne sont pas fournies lorsqu’elles sont évidemment fondées sur une connaissance commune de conception mécanique.
La conception actuelle a un embrayage mécanique passif qui peut être adapté et utilisé pour limiter la force maximale exercée sur le patient. Il s’agit d’un dispositif de sécurité qui ne repose pas sur des systèmes électriques ou le logiciel logic, qui garantit la sécurité fondamentale d’utiliser le robot pour nous les examens. Le point de déclenchement était ensemble issu de la gamme de précédentes mesures21 la force verticale appliquée par les opérateurs humains aux patients lors des analyses d’US normales, ainsi que des résultats similaires signalés dans l' existant de la littérature18, les deux qui suggèrent que l’effort vertical maximal ne dépasse généralement pas 20 N. C’était considérée comme la condition sine qua non que la force de détente de l’embrayage devrait être plus de 20 N avec certaines allocations données. Le niveau de déclenchement de force peut être réglé en changeant le nombre de paires de boule-printemps, la constante de ressort, la taille des trous de détente et la précharge des ressorts22. Une modification éventuelle du protocole conçu pour cela est de changer le nombre de cavités pour tenir les paires de boule-printemps en L2. Dans la pratique, lorsque vous utilisez le système proposé, le bon fonctionnement de l’embrayage peut être facilement vérifiée par rotation de l’articulation de l’embrayage et ayant le déverrouillage embrayage manuellement et réenclencher avant tout examen US robotique est effectuée. Dans le protocole actuel, l’embrayage de sécurité s’applique uniquement à J2 que ce joint est conçu pour aligner la sonde avec la surface de l’abdomen et peut être directement utilisé pour limiter la force verticale exercée par la sonde américaine sur le patient. Avec un concept similaire, un embrayage de sécurité peut également être implémenté pour la J1 pignon, qui assurera la sécurité de mouvement rotatif1 J des structures suivantes. Ce n’est pas considéré comme un élément essentiel de sécurité dans le protocole actuel mais pourrait être une modification potentielle pour une version finalisée. Les trois dernières articulations, J3, J4et J5, sont utilisés pour un réglage de l’orientation de la sonde. Cinématiquement, ils ne sont pas utilisés pour générer une force excessive et ne risquent pas d’entrer en collision avec un obstacle. Pour minimiser la taille et le poids du manipulateur proposé, un limiteur de couple mécanique n’est pas suggérée pour ces trois articulations à toute modification du protocole.
Selon le protocole présenté ici pour construire le manipulateur proposé pour nous des examens, la même fiabilité du système mécanique, les mêmes échelles de motion, de poids similaires du tout manipulateur et un niveau semblable de déclencher la force de l’embrayage sont attendus sont indiqués dans ce document. Toutefois, la répétabilité et la précision des mouvements, ainsi que la répétitivité du niveau exact de la force de déclenchement de l’embrayage mécanique, dépendrait fortement sur la 3D-impression et la précision de montage par rapport à la conception CAD. Ce n’est pas garanti pour le prototype actuel comme un service d’impression 3D lab bas de gamme a été utilisé pour la fabrication et l’assemblage se faisait manuellement dans le but de prototypage préliminaire. Il est prévu que l’échelle industrielle de fabrication et d’assemblage suivant le protocole de conception se traduirait par bonne répétabilité et précision élevée, même si ce n’est actuellement pas notre but avant que le système est transformé en un produit final pour l’essai clinique. L’essai de la performance nécessiterait également un protocole distinct, qui comprend la modélisation cinématique, une méthode de contrôle robotique, suivi de mouvement et méthodes d’étalonnage et, par conséquent, ne figure pas dans le document. De même, la précision de contrôle et de la réponse du manipulateur proposé sont déterminés par la méthode de contrôle moteur, algorithme de contrôle de robot et de la communication entre l’électronique du manipulateur et l’interface de contrôle. Puisque ceux-ci sont au-delà de l’objectif du protocole actuel de l’introduction de la nouvelle conception mécanique et peuvent être implémentées à l’aide de nombreuses architectures existantes, les détails ne sont pas fournis dans le présent document.
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Disclosures
Les auteurs n’ont rien à divulguer.
Acknowledgments
Ce travail a été soutenu par le Wellcome Trust IEH Award [102431] et par le Centre Wellcome/EPSRC pour génie médical [WT203148/Z/16/Z]. Les auteurs remercient financièrement par le ministère de la santé par l’intermédiaire du National Institute for Health Research (NIHR) complet Centre de recherches biomédicales prix de Guy et St Thomas' NHS Foundation Trust en partenariat avec le roi de College de Londres et du roi College Hospital NHS Foundation Trust.
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 |
References
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