Waiting
Login processing...

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

Engineering

설계 및 구현 맞춤형된 로봇 조작 여분 물질적인 초음파에 대 한

Published: January 7, 2019 doi: 10.3791/58811

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 작품1,7,8, 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 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.

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Protocol

1. 각 링크의 준비 끝-효과 기, 및 추가 구성 요소

  1. 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.
  2. 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.
  3. 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.

  1. 4 개의 작은, 기어 스테퍼 모터를 배치 (20 치아와 스퍼 기어 연결) L0 의 장착 구멍에 나사로 탑재.
  2. L0 의 베어링 하우징으로 두 37 m m OD 베어링을 놓고 L1의 육각 키에 120-치 박차 장치 (A 타입)을 확보 합니다.
  3. 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.

  1. 4 개의 작은, 기어 스테퍼 모터를 배치 (20 치아와 스퍼 기어 연결) L1 의 장착 구멍에 나사로 탑재.
  2. 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.
  3. 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.
  4. 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.

  1. 두 개의 작은, 기어 스테퍼 모터를 배치 (20 치아와 스퍼 기어 연결) L2 의 장착 구멍에 나사로 탑재.
  2. 120-치 박차 장치 (C)의 베어링 하우징으로 베어링 37 m m OD 놓고 32 m m OD L3의 베어링 하우징으로 베어링을 배치 합니다.
  3. 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.

  1. L3 의 장착 구멍에 두 개의 작은, 기어 스테퍼 모터를 놓고 나사 탑재 합니다. L4의 베어링 하우징으로 8 m m OD 베어링을 놓습니다.
  2. 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.

  1. L4의 압출에 구동된 144 치아 베벨 기어를 위치.
  2. 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.
  3. 대형 베벨 기어 키웨이에 엔드 이펙터를 삽입 하 고 수직으로 그것에 망 엔드 이펙터 칼라와 엔드-이펙터 위치.

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

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.

Figure 1
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.

Figure 2
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.

Figure 3
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.

Figure 4
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.

Figure 5
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.

Figure 6
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.

Figure 7
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.

Figure 8
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.

Figure 9
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.

Figure 10
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.

Figure 11
그림 11: 미국 로봇 기술된 프로토콜을 사용 하 여 구현. () 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. 

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

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.

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

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

DOWNLOAD MATERIALS LIST

References

  1. 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).
  2. 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).
  3. Jakes, C. Sonographers and Occupational Overuse Syndrome: Cause, Effect, and Solutions. Journal of Diagnostic Medical Sonography. 17 (6), 312-320 (2001).
  4. 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).
  5. 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).
  6. Shah, S., et al. Perceived barriers in the use of ultrasound in developing countries. Critical Ultrasound Journal. 7 (1), 28 (2015).
  7. 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).
  8. 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).
  9. 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).
  10. Arbeille, P., et al. Use of a robotic arm to perform remote abdominal telesonography. American Journal of Roentgenology. 188 (4), W317-W322 (2007).
  11. Arbeille, P., et al. Fetal tele‐echography using a robotic arm and a satellite link. Ultrasound in Obstetrics & Gynecology. 26 (3), 221-226 (2005).
  12. 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).
  13. 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).
  14. 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).
  15. 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).
  16. 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).
  17. AdEchoTech. MELODY, a remote, robotic ultrasound solution. , Available from: http://www.adechotech.com/products/ (2018).
  18. 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).
  19. Bassit, L. A. Structure mécanique à modules sphériques optimisées pour un robot médical de télé-échographie mobile. , Université d’Orléans. France. PhD thesis (2005).
  20. Noh, Y., et al. Multi-Axis force/torque sensor based on Simply-Supported beam and optoelectronics. Sensors. 16 (11), 1936 (1936).
  21. 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).
  22. Maplesoft. Translational Detent – MapleSim Help. , Available from: https://www.maplesoft.com/support/help/MapleSim/view.aspx?path=DrivelineComponentLibrary/translationalDetent (2018).

Tags

공학 문제점 143 의료 로봇 로봇 초음파 여분 물질적인 초음파 로봇 디자인 메커니즘 디자인 연계 및 조작자 로봇 안전 3D 인쇄 신속한 프로토 타입
설계 및 구현 맞춤형된 로봇 조작 여분 물질적인 초음파에 대 한
Play Video
PDF DOI DOWNLOAD MATERIALS LIST

Cite this Article

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).

Less
Copy Citation Download Citation Reprints and Permissions
View Video

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

Waiting X
Simple Hit Counter