Summary
이 문서는 설계 및 여분 물질적인 초음파 검사에 대 한 맞춤형된 로봇 조작자의 구현 소개합니다. 시스템 3D 인쇄 및 안전 관리에 대 한 기계적인 클러치에 의해 가벼운 관절 5 자유도 있다.
Abstract
높은 정밀도, 손 재주, 및 반복성에 대 한 가능성, 자기 추적된 로봇 시스템 실시간 초음파의 수집을 지원 하기 위해 사용할 수 있습니다. 그러나, 여분 물질적인 초음파를 위한 로봇의 제한 된 숫자는 임상 사용에 성공적으로 번역 되었습니다. 이 연구에서 우리는 경량 이며 소형 풋프린트는 여분 물질적인 초음파 검사에 대 한 맞춤형된 로봇 조작자를 구축 하고자 합니다. 로봇 5 특수 모양의 링크 및 프로브 조작, 환자의 안전을 보장 하기 위해 중복의 자유도와 모션의 필요한 범위를 커버 하는 주문 품 공동 메커니즘에 의해 형성 된다. 기계 안전은 환자에 게 적용 되는 힘을 제한 하는 클러치 메커니즘으로 강조 됩니다. 디자인, 결과로 조작자의 총 무게 미만 2 k g 이며 조작자의 길이 약 25cm. 디자인 구현 및 시뮬레이션, 팬텀, 그리고 자원 봉사 연구, 모션, 미세 조정, 기계적 안정성 및 클러치의 안전 작동을 할 수 있는 능력의 범위를 확인 하기 위해 수행 되었습니다. 이 문서는 일러스트 디자인 및 어셈블리 방법 설계 및 구현 맞춤형된 로봇 초음파 조작자의을 자세히 설명 합니다. 디자인 기능 및 임상 경험의 시스템을 사용 하 여 테스트 결과 표시 됩니다. 그것은 현재 제안 된 로봇 조작 여분 물질적인 초음파 검사에 대 한 맞춤된 시스템으로 요구 사항을 충족 하 고 임상 사용으로 번역 될 큰 잠재력을가지고 체결 됩니다.
Introduction
여분 물질적인 로봇 초음파 (미국) 시스템 이란 로봇 시스템 보유 하 고 조작 하는 심장, 혈관, 산부인과, 및 일반적인 복 부 영상1에에서 그것의 사용을 포함 하 여 외부 시험에 대 한 미국 조사 활용을 구성 하 . 로봇 시스템의 사용은 동기 수동으로 누른 미국 조사, 임상 영상 프로토콜 및 반복 스트레인 부상2의 위험에 필요한 표준 미국 보기를 찾는 도전 예를 들어, 조작의 전에 의해 3,4, 또한 우리 프로그램 심사 요구, 예를 들어, 요구 경험 될 현장5,6sonographers. 다른 기능 및 대상 anatomies에 중점, 함께 여러 로봇 미국 시스템 이전 작품1,7,의8, 검토 도입 되었습니다 미국의 다양 한 측면을 개선 하기 위해 1990 년대부터 시험 (예를 들어, 장거리 teleoperation9,10,,1112로 로봇 연산자 상호 작용 및 자동 제어)13, 14. 로봇 미국 시스템 진단 목적을 위해 사용 뿐만 아니라 로봇 고 강도 집중 초음파 (장내) 시스템 위한 성직자 외 에 의해 요약 된 것 처럼 치료 목적으로 광범위 하 게 조사 되었습니다 1, 일부 최근 작품15,16 최신 진행 상황을 보고.
그들 중 몇 가지 상용 텔 레-초음파 시스템 등 임상 사용에 성공적으로 번역 되어 있지만 여러 로봇 미국 시스템 제어 및 임상 작업에 대 한 상대적으로 안정적인 기술로 개발 되었습니다, 17. 한 가지 가능한 이유는 대형 산업 찾고 로봇 환자와 sonographers의 관점에서 임상 환경에서 작업에 대 한 수용의 낮은 수준. 또한, 안전 관리, 기존 미국 로봇의 대부분 의존 힘 센서 모니터링 하 고 힘을 수 동적으로 제한 하려면 기본적인 기계적인 안전 메커니즘은 일반적으로 사용할 수 없습니다 하는 동안 미국 조사에 적용 되는 압력 제어 . 로봇 작업의 안전 순전히 전기 시스템 및 소프트웨어 논리에 의존 하 게 될 것 이라고 임상 사용으로 번역할 때 문제가 발생할 수 있습니다.
3D의 최근 발전 기술, 특수 주문 품 공동 메커니즘 플라스틱 링크 모양 인쇄 개발 맞춤된 의료 로봇을 위한 새로운 기회를 제공할 수 있습니다. 컴팩트한 외관으로 신중 하 게 설계 된 경량 부품 임상 수용 향상 시킬 수 있습니다. 특히 미국 검사, 임상 사용으로 번역 되 고 겨냥 하는 맞춤된 의료 로봇 해야 충분 한 자유도 (DOFs) 검사;의 관심 영역을 커버 하는 운동의 범위와 소형 예를 들어 복 부 표면, 위쪽과 배꼽의 양쪽 모두를 포함 하 여. 또한, 로봇 또한 미국 보기를 최적화 하려고 할 때 로컬 영역에서 미국 탐사선의 정밀한 조정을 수행 하는 기능을 통합 해야 합니다. 이 일반적으로 포함 하는 Essomba 그 외 여러분 에 의해 제안으로 일정 범위 내에서 조사의 틸팅 움직임 18 그리고 Bassit19. 추가 안전 문제를 해결 하려면 시스템 전기 시스템 및 소프트웨어 논리는 수동 기계 안전 기능을가지고 있어야 한다고 예상 된다.
이 문서에서 우리는 여분 물질적인 로봇 미국 시스템의 핵심 구성 요소로 사용 되는 5-DOF 교묘한 로봇 조작의 상세 설계 및 조립 방법 제시. 여러 경량 3D 인쇄 링크, 주문 품 공동 메커니즘 및 내장 안전 클러치 조작자에 의하여 이루어져 있다. DOFs의 특정 배열 프로브 조정, 환자와 충돌 하지 않고 작은 영역에 간편 하 고 안전한 작업을 허용에 대 한 완전 한 유연성을 제공 합니다. 제안 된 멀티-DOF 조작 완전히 활성화 DOFs 미국 검색을 수행 하는 완전 한 미국 로봇을 형성 하기 위하여 모든 기존의 3-DOF 글로벌 위치 지정 메커니즘 환자와 접촉 하는 주요 구성 요소를 간단 하 게 장착할 수 대로 작동을 목표로 하고있다.
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Protocol
1. 각 링크의 준비 끝-효과 기, 및 추가 구성 요소
- 아크릴로 니트 릴 부 타 디 엔 스 티 렌 (ABS) 플라스틱, polylactic 산 (PLA) 플라스틱 또는 나일론, 3D 인쇄를 사용 하 여 그림 1에서 같이 모든 링크 (L0L1, L2, L3, L4) 및 엔드-이펙터를 인쇄 서비스입니다. 사용 합니다. STL 파일을 인쇄할 때 보충 자료 제공.
참고: 모양 및 각 부품의 규모 변화 만들 수 있습니다 기반으로 제공 된 파일에. 엔드 이펙터의 내부 프로필 다른 미국 프로브에 맞게 변경할 수 있습니다. - 3 차원 인쇄 서비스를 사용 하 여 나일론에 그림 2 와 같이 모든 필요한 추가 구성 요소를 인쇄 합니다. 필요한 수의 각 구성 요소에 대 한 테이블의 자료 를 참조 하십시오. 사용 합니다. STL 파일을 인쇄할 때 보충 자료 제공.
- 필요한 경우 도구를 연마와 모든 인쇄 된 플라스틱 부품을 폴란드어. 필요한 경우, 3D 인쇄에서 남아 있는 지원 자료를 제거 합니다.
참고: 제공 된 엔드-이펙터 디자인에서 몇 가지 구조 여기 보고 프로토콜의 일부가 힘 센서 이며 어셈블리에 대 한 사용 되지 않습니다. 힘 센서 디자인 개념은 이전 작업20;에서 보고 되었다 따라서,이 문서에 적용 되지 않습니다.
2입니다. 공동 1의 조립
참고: 공동 1 (J1)의 조립은 그림 3에 기반.
- 4 개의 작은, 기어 스테퍼 모터를 배치 (20 치아와 스퍼 기어 연결) L0 의 장착 구멍에 나사로 탑재.
- L0 의 베어링 하우징으로 두 37 m m OD 베어링을 놓고 L1의 육각 키에 120-치 박차 장치 (A 타입)을 확보 합니다.
- 박차 장치, 구동에 4 개의 작은 운전 평 기어와 큰, L0 축 구멍에 L1 에 샤프트를 삽입 하 고 확보 하 고 유지 샤프트 샤프트 칼라를 조립.
3입니다. 공동 2의 어셈블리
참고: 공동 2 (J2)의 조립은 그림 4에 기반.
- 4 개의 작은, 기어 스테퍼 모터를 배치 (20 치아와 스퍼 기어 연결) L1 의 장착 구멍에 나사로 탑재.
- 두 37 m m OD 베어링 및 위치 L1, 120-치 평 기어 (B 타입)의 20-치 평 기어와 약혼 기어 구멍으로는 모터에 장착 된 두 개의 120-치 평 기어 (B 타입)를 연결 합니다. 나사 하 고 2 개의 120이 B 타입 박차 장치의 쉬운 위치 수 있도록 필요한 경우 다시 모터를 나사.
- L1 과 L2 를 맞춥니다 고 L2에 클러치 구멍에 베어링과 볼 봄 쌍을 삽입 합니다. 정렬 하 고 미리 불러오기에 대 한 클러치 메커니즘으로 봄을 밀어 두 라운드 클러치 커버, L1 과 L2의 구멍에 M6 볼트를 삽입 합니다.
- 다른 쪽으로 어셈블리를 회전 하 고이 측면에 대 한 3.3 단계를 반복 합니다. M6 볼트에 너트를 부착 하 여 어셈블리를 보안.
4입니다. 공동 3의 조립
참고: 공동 3 (제3)의 조립은 그림 5에 기반.
- 두 개의 작은, 기어 스테퍼 모터를 배치 (20 치아와 스퍼 기어 연결) L2 의 장착 구멍에 나사로 탑재.
- 120-치 박차 장치 (C)의 베어링 하우징으로 베어링 37 m m OD 놓고 32 m m OD L3의 베어링 하우징으로 베어링을 배치 합니다.
- L3 의 육각 구멍에 큰 박차 장치 확보 (추가 나사 사용할 수 있습니다 필요한 경우) 큰 박차 장치에 L3, 작은와 큰 평 기어 약혼 보어에 L2 에 샤프트를 삽입 하 고.
5. 공동 4의 운전 메커니즘의 조립
참고: 공동 4 (J4)의 조립은 그림 6에 기반.
- L3 의 장착 구멍에 두 개의 작은, 기어 스테퍼 모터를 놓고 나사 탑재 합니다. L4의 베어링 하우징으로 8 m m OD 베어링을 놓습니다.
- 두 개의 작은 스테퍼 모터에 20-치 긴 박차 장치를 탑재 합니다.
6. 공동 4와 공동 5의 구동된 메커니즘의 조립
참고: 공동 4 (J4)의 조립은 그림 6 기반 이며 공동 5 (J5)는 그림 7에.
- L4의 압출에 구동된 144 치아 베벨 기어를 위치.
- 두 개의 작은, 기어 스테퍼 모터를 배치 (18-치아와 베벨 기어 연결) L4 의 장착 구멍에 나사로 탑재. 마지막으로, 삽입 M5 샤프트 L3 , L4 의 축 구멍 두 개의 링크는 정렬 후. 20 치아 긴 박차 기어와 일치 하는 L4 에서 구동된 기어 구조에 내장 된 확인 합니다.
- 대형 베벨 기어 키웨이에 엔드 이펙터를 삽입 하 고 수직으로 그것에 망 엔드 이펙터 칼라와 엔드-이펙터 위치.
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Representative Results
프로토콜, 다음 결과 시스템이입니다 5 특수 모양의 링크 (L0 L4)와 5 개의 revolute 관절 (J1 J5) 로봇 조작 이동 누른 로컬 기울이기 미국 프로브 (그림 8). 최고 회전 조인트 (J1), 4 개의 모터에 의해 작동 하는 기어 메커니즘 회전할 수는 다음 구조를 위쪽, 아래쪽, 및 복 부의 측면 같은 스캐닝 영역의 다른 측면으로 미국 프로브 수 있도록 360 °. 주요 틸팅 공동 (J2), 4 개의 모터에 의해 작동 하는 기어 메커니즘 검색 영역의 표면 정렬에 프로브 아래로 기울기 사용 됩니다. 이 공동 힘 관리에 중요 한도, 공, 봄, 및 회전 구멍으로 기계식 클러치 통합 되었다. 마지막 3 개의 직교 revolute 관절 (J3, 제4및 J5), 각각, 2 개의 모터에 의해 작동 하는 기어 메커니즘은 프로브, 프로브는 지역에서의 미세 조정 허용의 틸팅 및 축 회전을 제어 하는 데 사용 됩니다. 마지막 revolute 합동, J5, 또한 특별히 모양의 엔드 이펙터에 미국 프로브 장착을 수 있습니다. 총 무게와 환자의 몸 위에 일반적으로 유일한 구조는, 제안 된 로봇 조작자의 길이 2 kg 및 25 cm 있습니다. 결과 디자인은 그런 다양 한 프로브 위치 나머지 제안 된 로봇 미국 퓰 레이 터를 사용 하는 경우 메커니즘을 위치 글로벌의 작은 움직임으로 도달 될 수 있다. 그냥 제안된 조작 자체에, 고려 프로브 축방향 표면 어떤 방향에 수평으로 110 ° 0 ° 사이의 각도 하 고 또한, 직경의 360 m m. 원 안에 위치 따라 기울이면 어떤 각도를 회전할 수 있는 revolute 관절 J3 와 J4 180 ° 및 45 °, 미국 조사의 지역 미세 조정에 사용 되는-30 °-180 °의 범위에서 2 개의 방향에서 기울이기 각도 제공 합니다. 움직임과 기울기 각도의 범위 Essomba 그 외 여러분 에 의해 제안으로 미국 시험에 대 한 이상적인 음향 창을 위한 필요한 범위 충족 18 그리고 Bassit19. 제안 된 로봇 조작의 기술적인 세부 사항 재료의 테이블 (Denavit-Hartenberg 매개 변수 및 공동 사양), 그림 8에 표시 된 좌표 정의에 따라 요약 되어 있습니다. 시스템의 예상된 비용은 현재 제조 방법, 구성 요소 및 재료에 따라 500 파운드입니다.
이 연구에 사용 된 예를 들어, 우리는 글로벌 포지셔닝 시스템 revolute 공동 (R1) 체인 메커니즘 완전 한 회전을 위한 팔 그리고 2 바 arm 기반 설정 병렬 링크 메커니즘 (R2 와 R3)와 고용 웜 기어 드라이브를 (그림 9). 이 3-DOF 메커니즘 완전 한 로봇 미국 시스템을 형성 하기 위하여 제안 된 5-DOF 조작 작동 합니다. 제안 된 로봇 조작 및 예제 글로벌 포지셔닝이 연구에 사용 하는 옵션에 따라 그림 10 에서는 로봇의 시뮬레이션 예 복 부 팬텀 주위에 위치 양쪽 모두 주위에 도달할 수 다는 것을 보여주는 복 부와 위에 위치의 범위. 시스템, 특히 J1 과 J2의 구성에서에서 중복 관절의 디자인 수 있습니다 여전히 환자의 몸, 에서 관찰 될 수 있다로 빠지지 기계 구조물의 대부분과 함께 큰 각도에 프로브를 기울이기 그림 10. 따라서, 마지막 3 개의 관절 (J3, 제4및 J5) 미세 틸팅 조정에 대 한 제한 된 범위 내에서 회전을 지정, 충돌 피 한다 로봇의 움직이는 부분와 환자의 몸 사이.
전자와 기존의 스테퍼 모터 제어 시스템 개발, 실험 출력 힘을 테스트 하 고 모션의 예상된 범위 유효성 검사를 수행 되었습니다. 현재 제어 장치는 마이크로컨트롤러, 스테퍼 모터 드라이버, 레 귤 레이 터, 전원 공급 장치 및 포함 된 다른 지원 전자 부품 상자입니다. 컨트롤 상자의 전체 크기 이며 길이 40 m, 23cm, 폭 12 cm 깊은. 시스템의 반복 테스트에 따라, 로봇 조작 현재 발휘할 수 있는 최대 힘은 설정 27 N 기계적인 안전 클러치 트리거되기 전에 강제로 지정 하는 출력 범위 0-제안된 시스템의 27 명. 기계적인 클러치의 구성, 그것은 기본 위치에 때 클러치, 볼은 부분적으로 L1의 걸쇠 구멍에 반복 테스트 하 여 확인 했습니다. 따라서, 제어, 큰 박차 기어의 움직임 L2작용. 그러나 때 과도 한 힘은 엔드 이펙터에 발휘 된다, 클러치는 전투 이탈, L1의 걸쇠 구멍에 밖으로 이동 하는 배 짱과.
자료 테이블에 에서 보고 된 각 관절의 운동 범위 또한 반복적으로 테스트 되었고 검증. 로봇 조작자의 신뢰할 수 있는 작업 시간의 긴 기간 동안 태아 팬텀에 광범위 하 게 테스트 되었고 지속적으로 내부 건강 한 지원자 (그림 11)의 복 부 검사와 확인. 연구는 지역 윤리 위원회에 의해 승인 되었다. 지금까지 로봇 조작자를 사용 하 여 일반적인 복 부 초음파 검사에 대 한 20 자원 봉사 검사 성공적으로 수행 되었습니다 주로 안정성과 기계적인 디자인의 타당성을 평가 하는 로봇의 기본 소프트웨어 제어. 로봇 조작자의 현재 디자인 필요한 힘에 필요한 운동 범위를 도달할 수 있다 그리고 미국의 소형 작업에 비슷한 이미지를 충분히 정밀한 조정을 제공 한다 유령 및 자원 봉사 연구에서 종결 되었다 복 부 영상에 대 한 조사입니다. 이러한 모든 검사에 대 한 안전 관심사 또는 불편 한 감정을 자원 봉사자에 의해 보고 되었다. 모터, 메커니즘 및 전력 레벨의 기계적인 비율의 선택 그들은 대통령된 힘 생성 되는 경우 지연의 결과로 동시에 환자의 몸에 프로브의 안정적인 움직임을 보장 되도록 확인 되었습니다. 이 자원 봉사 연구와 임상 증거는 로봇의 사용에 대 한 자세한 내용은 별도로 표시 됩니다.
그림 1: 컴퓨터 지원 설계 (CAD) 드로잉 (L0L1,L2, L3, L4) 모든 링크와 엔드-이펙터의. 각 링크의 모양은 참조 3D 제공 된를 사용 하 여 인쇄 하는 경우 표시 됩니다. STL 파일입니다. 엔드 이펙터 미국 프로브는 어셈블리에 포함 된 그림입니다. 이 그림의 더 큰 버전을 보려면 여기를 클릭 하십시오.
그림 2: CAD 필요한 추가 구성의 드로잉. 각 부품의 모양은 참조 3D 제공 된를 사용 하 여 인쇄 하는 경우 표시 됩니다. STL 파일입니다. 구성 요소에는 박차 및 다른 크기에 베벨 기어, 샤프트 칼라, 클러치 커버, 그리고 엔드-이펙터 칼라 포함 됩니다. 이 그림의 더 큰 버전을 보려면 여기를 클릭 하십시오.
그림 3: J1에 대 한 어셈블리 명령어. 필요한 링크, 모터, 기어 및 베어링 함께 표시 됩니다, 일부 구조는 어셈블리를 설명 하기 위해 투명 하 게 변경. 이 그림의 더 큰 버전을 보려면 여기를 클릭 하십시오.
그림 4: J2에 대 한 어셈블리 명령어. 필요한 링크, 모터, 기어, 볼 봄 쌍 및 베어링 함께 표시 됩니다, 일부 구조는 어셈블리를 설명 하기 위해 투명 하 게 변경. 이 그림의 더 큰 버전을 보려면 여기를 클릭 하십시오.
그림 5: J3에 대 한 어셈블리 명령어. 필요한 링크, 모터, 기어 및 베어링 어셈블리를 설명 하기 위해 두 개의 관점 보기 함께 표시 됩니다. 이 그림의 더 큰 버전을 보려면 여기를 클릭 하십시오.
그림 6: J4에 대 한 어셈블리 지시. 필요한 링크, 모터, 기어 및 베어링 함께 표시 됩니다, 표시 된 조립된 J4 메커니즘. 이 그림의 더 큰 버전을 보려면 여기를 클릭 하십시오.
그림 7: J5에 대 한 어셈블리 명령어. 필요한 링크 및 엔드-이펙터, 모터 및 기어 함께 표시 됩니다, 일부 구조는 어셈블리를 설명 하기 위해 투명 하 게 변경. 이 그림의 더 큰 버전을 보려면 여기를 클릭 하십시오.
그림 8: 미국 프로브를 잡고 엔드-이펙터와 함께 제안 된 5-DOF 로봇 조작자의 요약. 각 관절의 좌표 정 및 조립된 퓰 레이 터의 전체 크기는 표시 됩니다. 이 그림의 더 큰 버전을 보려면 여기를 클릭 하십시오.
그림 9: CAD 글로벌 포지셔닝 장치 예의 드로잉. 이 arm 기반 장치는 테스트를 위해 제안 된 로봇 조작자를 사용 하는 데 사용 됩니다. 표기법 및 주요 치수는 도면에 표시 됩니다. 이 그림의 더 큰 버전을 보려면 여기를 클릭 하십시오.
그림 10: 팬텀 주위에 4 개의 다른 스캔 자세의 운동학 시뮬레이션. 이 일반적인 복 부 미국 검사에 대 한 모션의 적절 한 범위를 보여 줍니다. 이 그림의 더 큰 버전을 보려면 여기를 클릭 하십시오.
그림 11: 미국 로봇 기술된 프로토콜을 사용 하 여 구현. (는) 글로벌 메커니즘 위치 예제 로봇 조작. (b) 임상 환자의 복 부 지역에서 제안 된 로봇 조작자의 사용. 이 그림의 더 큰 버전을 보려면 여기를 클릭 하십시오.
테이블의 재료:는 Denavit를 포함 하 여 제안 된 로봇 조작자의 기술적인 세부 사항 - Hartenberg 매개 변수 및 공동 사양. 이 그림의 더 큰 버전을 보려면 여기를 클릭 하십시오.
보조 파일. 3D 인쇄 STL 파일. 이 파일을 다운로드 하려면 여기를 클릭 하십시오.
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Discussion
많은 다른 산업용 로봇 의료 응용 프로그램에 번역 된, 달리 제안 된 로봇 조작 프로토콜에서 설명 되었다 위해 설계 된, 모션의 범위에 대 한 임상 요구에 따라 미국 시험 힘, 및 안전 관리의 응용 프로그램입니다. 경량 로봇 조작 자체는 대부분 외 물질 미국 스캔, 글로벌 위치 지정 메커니즘의 큰 움직임에 대 한 필요 없이 충분 한 움직임의 넓은 범위를 하고있다. 환자에 게 가장 가까운 기계 구조로 제안 된 링크 또한 특별히 환자 떨어져 형성 된다. 대부분 DOFs 소형 조작에 포함, 함께 로봇 미국 검사이 장치를 사용 하는 큰 공간을 차지 하는 필요 없이 인간의 작업을 유사한 직관적인 방법으로 수행할 수 있습니다. 이러한 모든 기능으로 인해 우리는 시스템 진행 자원 봉사 연구는 유효성이 검사 되는 다음 프로토콜 임상 및 환자에서 수용할 수 있는 생산을 기대 합니다. 제안 된 로봇 조작자와 글로벌 포지셔닝에 대 한 다른 기존 아키텍처 미사일 구조물 또는 천장 장착 디자인 등 특정 요구 사항에 따라 사용할 수 있습니다. 예제 글로벌 포지셔닝 장치 제안된 로봇 조작 기의 테스트를 활성화 하려면이 문서에서 사용 되었다.
현재 프로토콜 ABS를 사용 하 여 모든 링크를 인쇄할 수 있습니다 또는 PLA 플라스틱 또는 나일론, 나일론을 사용 하 여 인쇄 하는 동안 로컬 3D 인쇄 서비스의 가용성에 따라 선호 일반적 예정 이다 나일론의 재료 강도 제안 합니다. 중요 한 것은, 프로토콜에서 설명 했 듯이, 나일론 또는 다른 강한 물자는 시스템의 신뢰성을 보장 하기 위해 추가 구성 요소 특히 기어를 인쇄 한다. 새로운 3D 인쇄 자료 소개는 재료의 사용 변경 될 수 있습니다. 현재 프로토콜 엔드 이펙터 위해 설계 된 특정 미국 프로브, 프로브의 3D 모양 엔드 이펙터의 내부 프로필의 디자인을 지원 하기 위해 CT 이미징 시스템에서 검색을 사용 합니다. 조작자 다른 미국 다른 모양 프로브를 사용 하면 엔드 이펙터의 내부 프로 파일에 대 한 밀접 하 게 일치 미국 탐사선의 외부 프로 파일 조사의 안전 개최를 보장 하기 위하여 재설계 되도록 중요 하다. 3D 모양 및 프로브 프로필 3D 스캐닝의 다른 종류에서 또한 얻을 수 수 있습니다. 또한, 그것은 정확한 모양 및 치수, 등 샤프트 크기, 장착 홈, 나사, 베어링의 사용 프로토콜에 설명 된 설계 내용의 일부 변경 될 수 있습니다 주목 해야한다. 같은 이유로 일부 세부 하지 때 그들은 분명 기계 디자인의 일반적인 지식에 기반으로 제공 됩니다.
현재 디자인은 조정 되 고 환자에 게 적용 되는 최대 힘을 제한 하는 데 사용 될 수 있는 수동 기계식 클러치 다. 이것은 전기 시스템에 의존 하지 않는 안전 기능 또는 소프트웨어 논리, 우리는 시험에 대 한 로봇을 사용 하 여 기본적인 안전을 보장. 트리거 포인트는 두 기존 문학18에서 보고 비슷한 결과 뿐만 아니라 이전 측정21 일반 미국 검사, 중 환자를 인간의 연산자에 의해 적용 되는 수직 힘의 범위에 따라 세트 일반적으로 최대 수직 힘 20 명 초과 하지 않는 것이 좋습니다. 이 클러치의 방 아 쇠 힘 이상 20 N 어떤 주어진된 관용 해야 하는 필수로 취급 했다. 힘을 트리거링의 양 공-봄 쌍, 스프링 상수, 멈춤 쇠 구멍의 크기와 스프링스22미리 로드의 수를 변경 하 여 조정할 수 있습니다. 이 대 한 설계 된 프로토콜의 잠재적인 수정 L2에서 공 봄 쌍을 붙 들기를 위한 구멍의 수를 변경 하는. 실제로, 제안 된 시스템을 사용 하는 경우, 클러치의 올바른 작업 함으로써 수동으로 클러치 관절 회전 클러치 disengage 쉽게 확인할 수 있습니다 그리고 어떤 로봇 미국 검사를 수행 하기 전에 다시 참여. 현재 프로토콜 안전 클러치 J2 에 적용만이 복 부의 표면 조사에 맞게 설계 하 고 미국 조사에 의해 환자에가 해지는 수직 힘 제한에 직접 사용할 수 있습니다. 비슷한 개념으로, 안전 클러치도 J1 박차 장치, 다음 구조의 J1 회전 움직임의 안전을 위해 구현할 수 있습니다. 이 현재 프로토콜에 필수 안전 기능으로 볼 수 없습니다 하지만 최종된 버전에 대 한 잠재적인 수정 될 수 있습니다. 마지막 3 개의 관절, J3, 제4및 J5, 프로브의 오리엔테이션의 미세 조정을 위해 사용 됩니다. 운동학, 그들은 어떤 과도 한 힘을 생성 하는 데 사용 되지 않습니다 하 고 어떤 장애물 충돌 가능성이 있습니다. 크기와 제안 된 조작의 무게를 최소화 하기 위해 안전 기계적인 클러치 하지 이러한 3 관절 프로토콜의 수정에 대 한 제안 했다.
우리 시험, 기계 시스템, 모션, 전체 조작의 비슷한 무게와 클러치의 힘을 트리거링의 비슷한 레벨의 동일한 범위의 동일한 신뢰성에 대 한 제안 된 조작자를 만들려고 여기에 제시 된 프로토콜에 따라 예상이 종이에서 보고 됩니다. 그러나, 반복성 및 움직임의 정확도 뿐만 아니라 기계식 클러치의 정확한 트리거 힘 레벨의 반복성 것 이라고 강력 하 게 의존 3D 인쇄, 조립 정확도 CAD 디자인에 비해. 이것은 현재 프로토 타입에 대 한 실험실 기반의 저가형 3D 인쇄 서비스 제조를 위해 사용 되었다 고 어셈블리 예비 프로토 타입을 위해 수동으로 이루어졌다 보장할 수 없습니다. 비록이 현재 우리의 목표 하기 전에 시스템은 임상 시험에 대 한 최종 제품으로 제조 및 어셈블리 디자인 프로토콜을 다음의 산업 수준을 좋은 재현성 및 높은 정확도, 발생할 것으로 예상 된다. 성능 테스트 또한 별도 프로토콜을 운동학 모델링, 로봇 제어 방법, 동작 추적, 및 교정 방법를 포함 하 고, 따라서, 현재 종이에 포함 되지 해야 합니다. 마찬가지로, 제어 정밀도 응답 제안된 퓰 레이 터의 모터 제어 방법, 로봇 제어 알고리즘, 조작자의 전자와 제어 인터페이스 간의 통신에 의해 결정 됩니다. 와이 소개 하는 새로운 기계적인 디자인의 현재 프로토콜의 목표 넘어 많은 기존 아키텍처를 사용 하 여 구현할 수 있습니다, 세부 정보는이 문서에 제공 되지 않습니다.
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Disclosures
저자는 공개 없다.
Acknowledgments
이 작품은 의료 공학 [WT203148/Z/16/Z] Wellcome 신뢰 IEH 수상 [102431] 및 Wellcome/EPSRC 센터에 의해 지원 되었다. 저자 인정 재정 지원을 통해 보건 건강 연구 (NIHR) 종합 생물 의학 연구 센터 수상 남자의 & 세인트 토마스 ' NHS 재단 협력 킹 신뢰의 국립 연구소의 대학 런던 그리고 임금의 대학 병원 NHS 기초 신망.
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
- Priester, A. M., Natarajan, S., Culjat, M. O. Robotic ultrasound systems in medicine. IEEE Transactions on Ultrasonics, Ferroelectrics, and Frequency Control. 60 (3), 507-523 (2013).
- Magnavita, N., Bevilacqua, L., Mirk, P., Fileni, A., Castellino, N. Work-related musculoskeletal complaints in sonologists. Journal of Occupational and Environmental Medicine. 41 (11), 981-988 (1999).
- Jakes, C. Sonographers and Occupational Overuse Syndrome: Cause, Effect, and Solutions. Journal of Diagnostic Medical Sonography. 17 (6), 312-320 (2001).
- Society of Diagnostic Medical Sonography. Industry Standards for the Prevention of Work-Related Musculoskeletal Disorders in Sonography: Consensus Conference on Work-Related Musculoskeletal Disorders in Sonography. Journal of Diagnostic Medical Sonography. 27 (1), 14-18 (2011).
- LaGrone, L. N., Sadasivam, V., Kushner, A. L., Groen, R. S. A review of training opportunities for ultrasonography in low and middle income countries. Tropical Medicine & International Health. 17 (7), 808-819 (2012).
- Shah, S., et al. Perceived barriers in the use of ultrasound in developing countries. Critical Ultrasound Journal. 7 (1), 28 (2015).
- Swerdlow, D. R., Cleary, K., Wilson, E., Azizi-Koutenaei, B., Monfaredi, R. Robotic Arm–Assisted Sonography: Review of Technical Developments and Potential Clinical Applications. American Journal of Roentgenology. 208 (4), 733-738 (2017).
- Nouaille, L., Laribi, M., Nelson, C., Zeghloul, S., Poisson, G. Review of Kinematics for Minimally Invasive Surgery and Tele-Echography Robots. Journal of Medical Devices. 11 (4), 040802 (2017).
- Georgescu, M., Sacccomandi, A., Baudron, B., Arbeille, P. L. Remote sonography in routine clinical practice between two isolated medical centers and the university hospital using a robotic arm: a 1-year study. Telemedicine and e-Health. 22 (4), 276-281 (2016).
- Arbeille, P., et al. Use of a robotic arm to perform remote abdominal telesonography. American Journal of Roentgenology. 188 (4), W317-W322 (2007).
- Arbeille, P., et al. Fetal tele‐echography using a robotic arm and a satellite link. Ultrasound in Obstetrics & Gynecology. 26 (3), 221-226 (2005).
- Vieyres, P., et al. A tele-operated robotic system for mobile tele-echography: The OTELO project. M-Health: Emerging Mobile Health Systems. Istepanian, R. H., Laxminarayan, S., Pattichis, C. S. , Boston, MA. 461-473 (2006).
- Abolmaesumi, P., Salcudean, S. E., Zhu, W. H., Sirouspour, M. R., DiMaio, S. P. Image-guided control of a robot for medical ultrasound. IEEE Transactions on Robotics and Automation. 18 (1), 11-23 (2002).
- Abolmaesumi, P., Salcudean, S., Zhu, W. Visual servoing for robot-assisted diagnostic ultrasound. Engineering in Medicine and Biology Society, Proceedings of the 22nd Annual International Conference of the IEEE. , Chicago, IL. (2000).
- Menikou, G., Yiallouras, C., Yiannakou, M., Damianou, C. MRI‐guided focused ultrasound robotic system for the treatment of bone cancer. The International Journal of Medical Robotics and Computer Assisted Surgery. 13 (1), e1753 (2017).
- Yiallouras, C., et al. Three-axis MR-conditional robot for high-intensity focused ultrasound for treating prostate diseases transrectally. Journal of Therapeutic Ultrasound. 3 (1), 2 (2015).
- AdEchoTech. MELODY, a remote, robotic ultrasound solution. , Available from: http://www.adechotech.com/products/ (2018).
- Essomba, T., et al. A specific performances comparative study of two spherical robots for tele-echography application. Proceedings of the Institution of Mechanical Engineers, Part C: Journal of Mechanical Engineering Science. 228 (18), 3419-3429 (2014).
- Bassit, L. A. Structure mécanique à modules sphériques optimisées pour un robot médical de télé-échographie mobile. , Université d’Orléans. France. PhD thesis (2005).
- Noh, Y., et al. Multi-Axis force/torque sensor based on Simply-Supported beam and optoelectronics. Sensors. 16 (11), 1936 (1936).
- Noh, Y., et al. An ergonomic handheld ultrasound probe providing contact forces and pose information. Engineering in Medicine and Biology Society, Proceedings of the 37th Annual International Conference of the IEEE. , Milan, Italy. (2015).
- Maplesoft. Translational Detent – MapleSim Help. , Available from: https://www.maplesoft.com/support/help/MapleSim/view.aspx?path=DrivelineComponentLibrary/translationalDetent (2018).