Summary
本文介绍了一种用于体外超声检查的定制机器人机械手的设计与实现。该系统具有五自由度, 采用3d 打印制造的轻质接头和用于安全管理的机械离合器。
Abstract
由于具有高精度、灵活性和可重复性的潜力, 可以采用自跟踪机器人系统来辅助实时超声的采集。然而, 为体外超声设计的机器人数量有限, 已成功转化为临床应用。在这项研究中, 我们的目标是建立一个定制的机器人机械手, 用于体外超声检查, 它是轻量级的, 占地面积小。该机器人由五个特殊形状的链接和定制的探头操作关节机制组成, 以冗余的自由度覆盖必要的运动范围, 以确保患者的安全。强调机械安全与离合器机制, 以限制适用于患者的力量。通过设计, 机械手的总重量小于2公斤, 机械手的长度约为 2 5 厘米。该设计已经实现, 并进行了模拟, 幻影和志愿者的研究, 以验证运动范围, 使微调的能力, 机械可靠性, 和离合器的安全运行。本文详细介绍了定制机器人超声机械手的设计与实现, 并说明了设计和组装方法。介绍了该系统的设计特点和临床应用经验。结果表明, 目前提出的机器人机械手符合体外超声检查定制系统的要求, 具有很大的临床应用潜力。
Introduction
体外机器人超声 (us) 系统是指利用机器人系统持有和操作美国探测器进行外部检查的配置, 包括用于心脏、血管、产科和一般腹部成像1.使用这种机器人系统的动机是手动持有和操纵美国探测器的挑战, 例如, 寻找临床成像方案所要求的美国标准观点的挑战, 以及重复劳损2的风险, 3,4, 以及美国筛选计划的需要, 例如, 要求有经验的超声师是现场5,6。自20世纪90年代以来, 随着早期工作 1、7、8的回顾, 推出了几个美国机器人系统, 重点关注不同的功能和目标解剖, 以改善美国的不同方面考试 (例如, 远程远程操作9,10,11,12, 以及机器人操作员的互动和自动控制)13, 14. 除了用于诊断目的的美国机器人系统外, priester 等人总结的用于治疗的机器人高强度聚焦超声系统也得到了广泛的调查.1、与近期一些作品1 5日、1 6日报告最新进展情况。
尽管美国的几个机器人系统已经开发出相对可靠的控制和临床操作技术, 但只有少数系统被成功地转化为临床用途, 例如商业上可用的远程超声系统17. 一个可能的原因是, 从患者和超声人的角度来看, 在临床环境中工作的大型工业机器人的接受程度很低。此外, 在安全管理方面, 大多数现有的美国机器人依靠力传感器来监测和控制对美国探测器施加的压力, 而更基本的被动限制力的机械安全机制通常是不存在的.这也可能引起人们的关切, 因为机器人操作的安全性将完全取决于电气系统和软件逻辑。
随着3d 打印技术的最新发展, 具有定制接头机构的特殊形状塑料连接可以为开发定制的医疗机器人提供新的机会。精心设计的轻质部件, 外观紧凑, 可提高临床接受度。专门为美国的检查, 一个定制的医疗机器人旨在转化为临床使用应该是紧凑的, 有足够的自由度 (dof) 和运动范围, 以涵盖扫描感兴趣的区域;例如, 腹部表面, 包括腹部的顶部和两侧。此外, 在试图优化美国观点时, 机器人还应该纳入在当地对美国探测器进行微调的能力。这通常包括探头在一定范围内的倾斜运动, 正如 essomba等人所建议的那样。18和 bassit19。为进一步解决安全问题, 预计该系统应具有独立于电气系统和软件逻辑的被动机械安全功能。
本文介绍了一种5自由度灵巧机械手的详细设计和装配方法, 该机械手是一种体外机器人美国系统的关键部件。该机械手由几个轻量级的3d 打印链接, 定制的关节机构, 和一个内置的安全离合器。dof 的具体安排为探头调整提供了充分的灵活性, 允许在小范围内轻松、安全地操作, 而不会与患者发生碰撞。拟议的多自由度机械手的目的是作为与患者接触的主要组件, 它可以简单地连接到任何常规的3自由度全球定位机制, 形成一个完整的美国机器人与完全活跃的 dof 执行美国扫描。
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Protocol
1. 每个链路、端向执行器和附加组件的准备
- 使用3d 打印, 使用丙烯腈丁苯 (abs) 塑料、聚乳酸(pla) 塑料或尼龙,打印所有链接 (l 0、l 1、l 2、l 3 和 l 4) 和末端执行器, 如图 1所示服务。使用。打印时补充材料中提供的 stl 文件。
注: 可以根据提供的文件更改每个部件的形状和比例。端部效应器的内部轮廓可以改变, 以适应不同的美国探头。 - 使用3d 打印服务打印所有必需的附加组件, 如尼龙中的图 2所示。有关每个组件所需的数量, 请参阅材料表。使用。打印时补充材料中提供的 stl 文件。
- 必要时使用抛光工具对所有印刷塑料部件进行抛光。如有必要, 删除3d 打印中留下的任何辅助材料。
注: 所提供的末端执行器设计中的某些结构用于力传感器, 该传感器不是此处报告的协议的一部分, 不会用于装配。力传感器的设计概念已在以往的工作20中报道;因此, 本文不涉及此问题。
2. 联合会议1
注: 接头 1 (j1) 的组装基于图 3。
- 将四个小的齿轮步进电机 (连接了20齿直齿齿轮) 放入 l 0 的安装腔,并用螺丝安装它们。
- 将两个 37 mm od 轴承放入 l0 的轴承座, 并将120齿直齿齿轮 (a 型) 固定在 l1的六边形键上。
- 将 l-1 上的轴插入 l0上的轴孔, 并安装四个小驱动直齿齿轮和安装的大型驱动直齿齿轮, 并组装轴领以固定和保留轴。
3. 联合会议2
注: 接头 2 (j2) 的组装基于图 4。
- 将四个小的齿轮步进电机 (连接了20齿直齿齿轮) 放入 l-1 的安装腔中 , 然后用螺丝安装它们。
- 将两个120齿直齿齿轮 (b 型) 连接到两个37毫米 od 轴承上, 并将其放置在 l1 的齿轮腔中, 120 齿直齿齿轮 (b 型) 与安装在电机上的20齿直齿齿轮啮合。如有必要, 拧下电机并重新拧紧电机, 以便轻松定位两个120齿 b 型直齿齿轮。
- 将 l1和 l2对齐, 并将轴承和球弹簧对插入 l2中的离合器孔。两个圆形离合器盖将弹簧对准并推入离合器机构进行预紧, 将 m6 螺栓插入 l1 和 l2 的孔中.
- 将组件旋转到另一侧, 并在此一侧重复3.3 中的步骤。通过将螺母连接到 m6 螺栓来固定组件。
4. 联合会议3
注: 接头 3 (j3) 的组装基于图 5。
- 将两个小的齿轮步进电机 (连接了20齿直齿齿轮) 放入 l-2 的安装腔,然后用螺丝安装它们。
- 将 37 mm od 轴承放入120齿直齿齿轮 (c 型) 的轴承座, 并将 32 mm od 轴承放入l3的轴承座。
- 将大直齿齿轮固定到 l3 的六边形锁孔中 (如有必要, 可以使用额外的螺丝), 并将l2上的轴插入大直齿齿轮和 l3上的孔中, 接合小齿轮和大直齿齿轮。
5. 联合驱动机制的组装4
注: 接头 4 (j4) 的组装基于图 6。
- 将两个小的、有齿轮的步进电机放入 l3 的安装腔中, 然后用螺丝安装。将 8 mm od 轴承放入 l4的轴承座。
- 将20齿的长直齿齿轮安装到两个小型步进电机上。
6. 联合4和关节驱动机制的组装5
注: 联合 4 (j4) 的组装基于图 6 , 接头 5 (j5) 基于图 7。
- 将驱动的144齿锥齿轮放置在 l4 的挤出上。
- 将两个小的齿轮步进电机 (连接了18齿锥齿轮) 放入 l4 的安装腔中, 然后用螺丝安装它们。最后, 将 m5 轴插入 l 3 和 l4的轴孔, 然后对齐两个链。确保在 l4上内置的驱动齿轮结构与20齿长直齿齿轮匹配。
- 将末端效应器插入大型锥齿轮的键脱通道中, 并将末端效应器垂直定位, 端部执行器项圈拧紧在其上。
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Representative Results
按照该协议, 生成的系统是一个机器人机械手, 具有五个特殊形状的连接 (l0至 l4) 和五个旋转接头 (j1 至 j5), 用于移动、保持和局部倾斜美国探头 (图 8). 顶部旋转接头 (j1), 齿轮机构由四个电机驱动, 可以360°旋转以下结构, 使美国探头指向扫描区域的不同侧面, 如顶部、底部和腹部两侧。主倾斜接头 (j2), 齿轮机构由四个电机驱动, 用于倾斜探头, 使其与扫描区域的表面对齐。由于这种接头对力管理也至关重要, 因此采用了带球、弹簧和锁孔的机械离合器。最后三个正交旋转接头 (j3、j4 和j5),每个齿轮机构由两个电机驱动, 用于控制探头的倾斜和轴向旋转, 允许在局部区域对探头进行微调。最后一个旋转接头 j5 也允许将美国探头安装在一个特殊形状的末端效应器中。拟议的机器人机械手的总重量和长度不到2公斤和 2 5 厘米, 这是通常在患者身体上方的唯一结构。由此产生的设计是这样的, 在使用拟议的美国机器人机械手时, 只需剩余的全球定位机构的小动作, 就能到达大范围的探头位置。考虑到所建议的机械手本身, 探头可以轴向旋转到任何角度, 倾斜到任何方向的水平方向在0°和110°之间的表面, 并定位在直径为360毫米的圆圈内。旋转接头 j3和 j4在-180°至180°和-30°至45°的范围内提供一个倾斜角度, 用于美国探头的局部微调。根据 essomba 等人的建议, 运动范围和倾斜角度满足获得美国考试理想声学窗口所需的范围.18和 bassit19。根据图 8所示的坐标定义, 材料表(denavit-hartenberg 参数和接头规格) 总结了所建议的机器人机械手的技术细节。根据目前的制造方法、部件和材料, 该系统的估计成本为500英镑。
作为本研究中使用的一个例子, 我们采用了一个全球定位系统, 该系统具有一个旋转全臂的链路机构和一套基于双杆臂的平行链接机构 (r2和 r3)。蜗轮驱动 (图 9)。这种3自由度机构将与拟议的5自由度机械手一起工作, 形成一个完整的机器人美国系统。基于所提出的机器人机械手和用于本研究的全球定位选项,图 10显示了机器人在腹部幻影周围位置的模拟示例, 表明它能够到达两侧腹部和一系列的位置在上面。系统中冗余接头的设计, 特别是j1和 j2的配置, 允许将探头倾斜到大角度, 大多数机械结构仍然远离患者的身体, 可以在图 10。因此, 由于最后三个关节 (j3、j4和 j5)指定在有限范围内旋转, 以进行精细的倾斜调整, 因此避免了机器人运动部位与患者身体之间的碰撞。
随着电子和传统步进电机控制系统的开发, 进行了输出力测试和预期运动范围的验证实验。电流控制单元是一个装有微控制器、步进电机驱动器、电源和调节器以及包括其他配套电子元件的盒子。控制箱的整体尺寸为40厘米长, 23 厘米宽, 12 厘米深。在对系统进行反复测试的基础上, 在触发机械安全离合器之前, 机器人机械手目前可以施加的最大力设置为 27n, 指定所提出的系统的输出力范围为0-27n。通过对机械离合器的配置, 通过反复试验验证, 在默认位置, 当离合器接合时, 球体部分处于l1的固定孔中。因此, 驱动的、大的直齿齿轮的运动驱动l2。但是, 当在末端执行器施加过大的力时, 离合器就会脱离, 球就会从 l1 的固定孔中移出。
材料表中报告的每个关节的运动范围也经过反复测试和验证。机器人机械手在很长一段时间内的可靠工作已在胎儿幻影上进行了广泛的测试, 并通过内部健康志愿者的腹部扫描进行了持续验证 (图 11)。这项研究得到了当地道德委员会的批准。到目前为止, 机器人机器人的基本软件控制已经成功地完成了20次用机器人进行普通腹部超声检查的志愿者扫描, 主要是为了评价机械设计的可靠性和可行性。从幻影和志愿者的研究中得出结论, 机器人机械手目前的设计可以达到所需的运动范围, 达到所需的力, 并提供足够的精细调整, 以获得类似于美国手持操作的图像腹部成像探头。对于所有这些扫描, 志愿者们都没有报告安全问题或不舒服的感觉。电机的选择、机械比和功率水平都经过了验证, 以确保探头在患者身上的可靠运动, 同时如果产生多余的力, 则会导致滑移。这项正在进行的志愿者研究的更多细节和使用机器人的临床证据将单独介绍。
图 1: 所有链路 (l0、l1、l2、l3和 l4) 和末端效应器的计算机辅助设计 (cad) 绘图.使用所提供的3d 打印时, 将显示每个链接的形状以供参考。stl 文件。末端执行器用包含在组件中的美国探头进行了说明。请点击这里查看此图的较大版本.
图 2: 所需附加组件的 cad 绘图.使用所提供的3d 打印时, 将显示每个组件的形状以供参考。stl 文件。组件包括不同尺寸的直齿和锥齿轮、轴领、离合器盖和末端效应器领。请点击这里查看此图的较大版本.
图 3: j1 的装配指令.显示了所需的链接、电机、齿轮和轴承, 并将某些结构更改为透明结构以说明组件。请点击这里查看此图的较大版本.
图 4: j2 的装配指令.显示了所需的链接、电机、齿轮、球弹簧对和轴承, 并将某些结构更改为透明结构以说明组件。请点击这里查看此图的较大版本.
图 5: j3 的装配指令.所需的链接、电机、齿轮和轴承显示了两个透视视图, 以说明装配。请点击这里查看此图的较大版本.
图 6: j4 的装配指令。显示所需的连接、电机、齿轮和轴承, 并显示组装的j4机构。请点击这里查看此图的较大版本.
图 7: j5 的装配指令.显示了所需的链路和末端执行器、电机和齿轮, 并将某些结构更改为透明结构以说明组件。请点击这里查看此图的较大版本.
图 8: 建议的5自由度机器人机械手的摘要, 其末端执行器持有美国探头.指出了各关节的坐标定义和装配机械手的整体尺寸。请点击这里查看此图的较大版本.
图 9: 全球定位设备示例的 cad 绘图.该基于臂的装置用于与所提出的机器人机械手进行测试。图形中显示了符号和主要尺寸。请点击这里查看此图的较大版本.
图 10: 幻影周围四种不同扫描姿势的运动学模拟.这表明了一个典型的美国腹部扫描的适当运动范围。请点击这里查看此图的较大版本.
图 11: 使用所述协议实现了美国机器人.(a) 具有全球定位机制实例的机器人机械手。(b) 在病人腹部使用拟议的机器人机械手。请点击这里查看此图的较大版本.
材料表: 拟议的机器人机械手的技术细节, 包括德纳维特-哈滕贝格参数和接头规格.请点击这里查看此图的较大版本.
补充文件. 3d 可打印 stl 文件. 请点击此处下载此文件.
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Discussion
与许多其他工业机器人已被转化为医疗应用不同, 协议中描述的拟议机器人机械手是根据运动范围的临床要求专门为美国考试而设计的,力的应用和安全管理。轻量级机器人机械手本身有一个广泛的运动范围足以满足大多数物质外的美国扫描, 而不需要全球定位机制的大运动。作为最接近患者的机械结构, 建议的环节也是特别形状的, 要远离患者。大多数 dof 嵌入到一个紧凑的机械手, 机器人美国扫描使用此设备可以做一个直观的方式类似于人类操作, 而无需占用一个大的空间。由于所有这些功能, 我们预计按照该协议产生的系统可以获得临床医生和患者的认可, 目前正在进行的志愿者研究正在验证这一点。在提出的机器人机械手中, 可以根据特定的要求使用不同的传统全球定位架构, 例如龙门或天花板安装设计。本文以全球定位装置为例, 对所提出的机器人机械手进行了测试。
目前的协议建议, 所有的链接都可以使用 abs 或 pla 塑料或尼龙打印, 根据当地3d 打印服务的可用性, 而使用尼龙打印是首选, 由于尼龙的材料强度。重要的是, 如协议所述, 附加组件, 特别是齿轮, 应使用尼龙或其他坚固的材料打印, 以确保系统的可靠性。随着新的3d 印刷材料的引入, 材料的使用可能会发生变化。目前的协议采用了专门为特定美国探测器设计的末端执行器, 探头的3d 形状由 ct 成像系统扫描, 以协助设计末端执行器的内部轮廓。当机械手与其他不同形状的美国探头一起使用时, 必须确保末端执行器的内部轮廓与美国探头的外部轮廓紧密匹配, 以保证探头的安全持有。探头的三维形状和轮廓也可以从其他类型的3d 扫描中获得。此外, 需要注意的是, 协议中描述的一些设计细节, 如确切的形状和尺寸、轴尺寸、安装键槽、螺丝和轴承的使用, 都可以改变。出于同样的原因, 当一些细节显然是基于机械设计的常识时, 也没有提供这些细节。
目前的设计有一个被动的机械离合器, 可以调整, 用来限制应用于病人的最大力。这是一个不依赖于任何电气系统或软件逻辑的安全功能, 它保证了在美国考试中使用机器人的基本安全。触发点是根据以前的测量21人类操作人员在正常的美国扫描过程中对患者施加的垂直力的范围以及现有文献18中报告的类似结果确定的, 这两个研究结果都是如此。这表明最大垂直力通常不超过 20 n。这被视为前提, 离合器的触发力应该超过 20 n, 在一些给定的允许。触发力的量可以通过改变球弹簧对的数量、弹簧常数、坑的大小和弹簧的预压22来调整。为此设计的协议的一个潜在修改是改变在l2 中保持球弹簧对的空腔数量。实际上, 在使用所建议的系统时, 通过手动旋转离合器接头并在进行任何机器人美国测试之前让离合器脱离并重新接合, 可以很容易地验证离合器的正确工作。在目前的协议中, 安全离合器只适用于j2,因为这个关节是为了使探头与腹部表面对齐, 可以直接用于限制美国探头对病人施加的垂直力。有了类似的概念, 也可以为 j-1 直齿齿轮实施安全离合器, 这将确保以下结构的 j-1旋转运动的安全性。这并不被视为目前协议中的一个基本安全特征, 但可能是最终版本的潜在修改。最后三个接头, j3、j4和 j5,用于对探头方向进行微调。在运动学上, 它们不被用来产生任何过度的力量, 也不可能与任何障碍碰撞。为了最大限度地减小所提出的机械手的尺寸和重量, 在对协议的任何修改中, 不建议对这三个关节使用安全机械离合器。
按照这里提出的协议, 建立了所提出的美国考试机械手, 相同的可靠性的机械系统, 相同的运动范围, 类似的重量的整个机械手, 和离合器的类似触发力水平预期的, 如本文所报告的。然而, 与 cad 设计相比, 运动的可重复性和准确性, 以及机械离合器精确触发力水平的可重复性, 在很大程度上取决于3d 打印和装配精度。目前的原型无法保证这一点, 因为制造使用了基于实验室的低端3d 打印服务, 并且为了初步原型制作而手动完成了组装。预计按照设计协议进行的制造和组装的工业水平将产生良好的可重复性和高精度, 尽管这目前不是我们的目标, 然后该系统将成为临床试验的最终产品。性能测试还需要一个单独的协议, 其中包括运动学建模、机器人控制方法、运动跟踪和校准方法, 因此不包括在目前的论文中。同样, 该机械手的控制精度和响应也是由电机控制方法、机器人控制算法以及机械手电子与控制接口之间的通信来确定的。由于这些超出了目前引入新机械设计的协议的目的, 可以使用许多现有的架构来实现, 本文没有提供细节。
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Disclosures
作者没有什么可透露的。
Acknowledgments
这项工作得到了 wellcome 信托 ieh 奖 [102431] 和 wellcomeme/epsrc 医疗工程中心 [wt2018八/z/z\ z/z\ z/z] 的支持。作者感谢卫生部通过国家卫生研究所 (nihr) 向盖伊的 & 圣托马斯国家医疗服务体系基金会信托基金颁发的综合生物医学研究中心奖, 并与 king伦敦学院和国王学院医院 nhs 基金会信托基金。
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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