Summary
Dette papir introducerer udformning og gennemførelse af en skræddersyet robot manipulator for ekstra legemlige ultralydsundersøgelse. Systemet har fem grader af frihed med letvægts leddene foretaget af 3D udskrivning og en mekanisk kobling for sikkerhedsledelse.
Abstract
Med potentiale for høj præcision, smidighed og repeterbarhed, kan en selvstændig sporede robotic system være ansat til at hjælpe erhvervelse af real-time ultralyd. Dog er begrænset antal robotter designet til ekstra legemlige ultralyd blevet korrekt oversat til klinisk brug. I denne undersøgelse, vi sigter mod at bygge en skræddersyet robot manipulator for ekstra legemlige ultralydsundersøgelse, som er let og har en lille fodaftryk. Robotten er dannet af fem specielt formede links og skræddersyede fælles mekanismer for sonden manipulation, at dække den nødvendige vifte af bevægelse med redundante frihedsgrader til at sikre patientens sikkerhed. Mekanisk sikkerhed er understreget med en kobling mekanisme, til at begrænse den kraft, patienter. Design, den samlede vægt af manipulatoren er mindre end 2 kg og længden af manipulatoren er omkring 25 cm. Designet er blevet gennemført, og simulation, phantom, og frivillige undersøgelser er blevet udført, for at validere vifte af bevægelse, mulighed for at foretage finjusteringer, mekaniske pålidelighed og sikker drift af koblingen. Dette papir beskriver design og implementering af skræddersyede robot ultralyd manipulator, med design og montage metoder illustreret. Test resultater at vise designfunktioner og klinisk erfaring med at bruge systemet er præsenteret. Det konkluderes, at den nuværende foreslåede robot manipulator opfylder kravene som et skræddersyet system for ekstra legemlige ultralydsundersøgelse og har et stort potentiale til at blive oversat til klinisk brug.
Introduction
En ekstra legemlige robot ultralyd (USA) system refererer til konfigurationen i som en robot system er udnyttet til at holde og manipulere en amerikanske sonde til eksterne undersøgelser, herunder dens anvendelse i hjerte, kar, obstetrisk og generelle abdominal imaging1 . Brugen af et sådant robotic system er motiveret af udfordringer manuelt holding og manipulere en amerikanske sonde, for eksempel, udfordringen at finde standard amerikanske synspunkter kræves af kliniske imaging protokoller og risikoen for gentagne pres skade2, 3,4, og også af os screening programmer behov for eksempelvis kravet om oplevet sonographers for at være på stedet5,6. Med vægt på forskellige funktionaliteter og target anatomiske, er flere amerikanske robotsystemer som gennemgået i tidligere værker1,7,8, blevet indført siden 1990 ' erne, at forbedre forskellige aspekter af amerikanske eksamen (fx, langdistance teleoperation9,10,11,12, samt robot-operatør interaktion og automatisk kontrol)13, 14. ud over de amerikanske robotsystemer bruges til diagnosticeringsformål, robot højintensive fokuseret ultralyd (HIFU) systemer for behandling formål har været bredt undersøgte som sammenfattet af Priester et al. 1, med nogle nyere værker15,16 rapportering de seneste fremskridt.
Selvom flere amerikanske robotsystemer er blevet udviklet med forholdsvis pålidelig teknologi til kontrol og kliniske drift, er kun et par af dem blevet korrekt oversat til klinisk brug, såsom et kommercielt tilgængelige tele-ultralyd system 17. en mulig årsag er det lave niveau af accept for store industrielle udseende robotter arbejder i et klinisk miljø, fra både patienter og sonographers. Derudover for sikkerhedsledelse stole fleste af de eksisterende amerikanske robotter på force sensorer til at overvåge og kontrollere de anvendte tryk til amerikanske sonden, mens mere grundlæggende mekanisk sikkerhedsmekanismer til at begrænse kraften passivt ikke er normalt tilgængelig . Dette kan også forårsage bekymringer, når oversætte til klinisk brug som robot flyvesikkerheden ville være rent afhængig af elektriske systemer og software logik.
Med de seneste fremskridt i 3D kunne udskrivning teknikker, specielt formet plast links med skræddersyede fælles mekanismer give nye muligheder for udvikle skræddersyede medicinske robotter. Omhyggeligt designet lightweight komponenter med en kompakt udseende kunne forbedre kliniske accept. Specielt til amerikanske undersøgelse, bør en skræddersyet medicinsk robot sigter mod at blive oversat til klinisk brug være kompakt, med nok grader af frihed (DOFs) og vifte af bevægelse til at dække det pågældende område af en scanning; for eksempel, abdominal overfladen, herunder både toppen og siderne af bugen. Derudover bør robotten også omfatte evnen til at udføre fine justeringer af amerikanske sonden i et lokalområde, når de forsøger at optimere amerikanske udsigt. Dette omfatter normalt vippe bevægelser af sonden inden for et bestemt interval, som foreslået af Essomba et al. 18 og Bassit19. Yderligere tage sikkerheden alvorligt, forventes det, at systemet skal have passive mekaniske sikkerhedsfunktioner, som er uafhængige af elektriske systemer og software logik.
I dette papir præsenterer vi den detaljerede design og forsamling metode af en behændig robot manipulator 5-DOF, der bruges som en væsentlig del af en ekstra legemlige robot amerikanske system. Manipulatoren består af flere letvægts 3D-printable links, custom-made fælles mekanismer, og en indbygget sikkerhed kobling. Den særlige arrangement af DOFs giver fuld fleksibilitet for sonden justeringer, giver mulighed for nem og sikker drift i et lille område uden kolliderede med patienten. Den foreslåede multi-DOF manipulator sigter mod at arbejde som den vigtigste komponent, som er i kontakt med patienter og det kan blot knyttet til nogen konventionel 3-DOF global positionering mekanisme til at danne en komplet amerikansk robot med fuldt aktiv DOFs til at udføre en amerikanske scanning.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Protocol
1. forberedelse af hver Link, ende-effektor og yderligere komponenter
- Udskrive alle links (L0, L1, L2, L3og L4) og ende-effektor som vist i figur 1, med acrylonitril butadien styren (ABS) plast, polylactic syre (PLA) plast eller nylon, ved hjælp af en 3D-udskrivning service. Brug den. STL-filer leveres i Supplerende materialer , når du udskriver.
Bemærk: Ændringer i form og omfang af hver del kan gøres baseret på de angivne filer. Den indre profil af ende-effektor kan ændres til at passe forskellige amerikanske sonder. - Udskrive alle de påkrævede yderligere komponenter, som vist i figur 2 i nylon, ved hjælp af en 3D-udskrivning service. Henvises til Tabel af materialer til det krævede antal hver komponent. Brug den. STL-filer leveres i Supplerende materialer , når du udskriver.
- Polsk alle trykte plastdele med polering værktøjer, hvis nødvendigt. Fjerne eventuelle supplerende materialer tilbage fra 3D udskrivning, hvis det er nødvendigt.
Bemærk: Nogle strukturer i den medfølgende ende-effektor design er for en kraft sensor, der ikke er en del af protokollen rapporteret her og vil ikke blive brugt til forsamlingen. Force sensor designkoncept er blevet rapporteret i tidligere arbejde20; Det er således ikke dækket i dette papir.
2. montering af fælles 1
Bemærk: Samling af fælles 1 (J1) er baseret på figur 3.
- Placer de fire små, gearet steppermotorer (med 20-tænder spur gears knyttet) til montering hulrum i L0 og montere dem med skruer.
- Placer to 37 mm OD lejerne i lejehuse L0 og sikre 120-tænder spur gear (Type A) på sekskant nøgle af L1.
- Indsæt aksel L1 i skaft hul på L0 med fire små drivende spur gear og de store, drevet spur gear engageret, og samle akslen kraven for at sikre og fastholde akslen.
3. montering af fælles 2
Bemærk: Samling af fælles 2 (J2) er baseret på figur 4.
- Placer de fire små, gearet steppermotorer (med 20-tænder spur gears knyttet) til montering hulrum i L1 og montere dem med skruer.
- Fastgør de to 120-tænder spur gears (Type B) to 37 mm OD lejer og position dem ind i gear hulrum af L1, med 120-tænder spur gear (Type B) deltager med 20-tænder spur gear monteret på motorerne. Skru og igen skrue motoren, hvis det er nødvendigt at give mulighed for nem positionering af to 120-tænder type-B spur gear.
- Juster L1 og L2 og indsætte lejet og bold-foråret par i kobling hullerne i L2. Med de to runde kobling dækker justering og skubbe foråret til kobling mekanisme til forudindlæsning, skal du indsætte en M6 bolt i boringer L1 og L2.
- Rotere forsamling til anden siden og Gentag trin i 3.3 for denne side. Sikre forsamlingen ved at knytte en møtrik til M6 bolt.
4. montering af fælles 3
Bemærk: Samling af fælles 3 (J3) er baseret på figur 5.
- Placere de to små, gearet steppermotorer (med 20-tænder spur gears vedlagt) ind i montering hulrum i L2 og montere dem med skruer.
- Placer den 37 mm OD forsynet med ind i lejet huset af 120-tænder spur gear (Type C) og placere 32 mm OD forsynet med ind i lejet huset af L3.
- Sikre den store spur-gear i hexagon Nøglehullet L3 (ekstra skruer kan anvendes, hvis det er nødvendigt) og indsætte aksel L2 i boringer på store spur-gear og L3, med lille og de store spur gears engageret.
5. montering af den køre mekanisme for fælles 4
Bemærk: Samling af fælles 4 (J4) er baseret på figur 6.
- Placer de to små, gearet steppermotorer i montering hulrum i L3 og montere dem med skruer. Læg 8 mm OD lejer i lejehuse L4.
- Montere 20-tænder lang spur gear på de to små steppermotorer.
6. montering af den drevne mekanisme for fælles 4 og fælles 5
Bemærk: Samling af fælles 4 (J4) er baseret på figur 6 og fælles 5 (J5) er baseret på figur 7.
- Placer den drevet 144 tænder snekkegear på ekstrudering af L4.
- Placere de to små, gearet steppermotorer (med 18-tænder facet gears vedlagt) ind i montering hulrum af L4 og montere dem med skruer. Endelig, indsætte M5 akslen i skaft hul af L3 og L4 , når de to links er justeret. Sikre den indbyggede i drevet gear strukturer på L4 kampe med 20 tænder lang spur gear.
- Indsætter kilegang af den store snekkegear ende-effektor og lodret position ende-effektor med ende-effektor kraven skrues på det.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Representative Results
Efter protokollen er den resulterende system en robot manipulator med fem specielt formede links (L0 -L4) og fem revolute leddene (J1 J5) til at flytte, holding og lokalt vippe en amerikanske sonde (figur 8). Den øverste rotation fælles (J1), med gear mekanismer aktiveres af fire motorer, kan rotere følgende strukturer 360 °, for at tillade amerikanske sonden pege mod forskellige sider af scanningsområdet som toppen, bunden og siderne af maven. Den vigtigste vippe fælles (J2), der med gear mekanismer aktiveres af fire motorer, bruges til at vippe ned sonde til at justere det med overfladen af scanningsområdet. Denne fælles er også afgørende for kraft ledelsen, var en mekanisk kobling med bolde, fjedre og udløser huller indføjet. Sidste tre ortogonale revolute leddene (J3, J4, og J5), med gear mekanismer aktiveres af to motorer hver, der bruges til at styre vippe og aksial rotation af sonden, så fine justeringer af sonden i et lokalområde. Den sidste revolute fælles, Jørgensen5, giver også mulighed for montering af en amerikansk sonden i en specielt formede ende-effektor. Den samlede vægt og længde af den foreslåede robot manipulator, som er den eneste struktur normalt oven på patientens krop, er mindre end 2 kg og 25 cm. Den resulterende design er sådan, at en lang række sonde positioner kan nås med kun små bevægelser af de resterende globale positionering mekanisme, når du bruger den foreslåede robot amerikanske manipulator. Overvejer lige de foreslåede manipulator på sin egen, kan sonden drejes aksialt til enhver vinkel, på skrå for at følge en overflade vinklet mellem 0° og 110° med vandret i enhver retning, og placeret i en cirkel med en diameter på 360 mm. Derudover den revolute leddene Jørgensen3 og J4 giver en vippe vinkel i to retninger, i intervaller på-180 ° til 180 ° og -30 ° til 45 °, som bruges til lokale fine justeringer af amerikanske sonden. Værdiskalaer for bevægelser og vippe vinkler opfylder de nødvendige områder for at opnå en ideel akustiske vindue til amerikanske undersøgelser som foreslået af Essomba et al. 18 og Bassit19. De tekniske detaljer i den foreslåede robot manipulator er sammenfattet i Tabel af materialer (Denavit-Hartenberg parametre og fælles specifikationer), baseret på at koordinere definitioner, vist i figur 8. De anslåede omkostninger ved systemet er 500 GBP, baseret på den aktuelle fremstillingsmetoden, komponenter og materialer.
Som eksempel anvendes i denne forskning, ansat vi en global positioning system som har en revolute fælles (R1) med en kæde mekanisme for roterende den komplette arm og to-bar arm-baserede sæt af parallelle link mekanismer (R2 og R3) med orm-gear drev (figur 9). Denne 3-DOF mekanisme vil arbejde med den foreslåede 5-DOF manipulator til at danne en komplet robot amerikanske system. Baseret på den foreslåede robot manipulator og eksemplet med global positionering indstilling, der bruges til denne forskning, viser figur 10 en simulation eksempel på robotten i holdninger omkring en abdominal phantom, viser, at det er stand til at nå rundt om begge sider af maven og en række stillinger på toppen. Udformningen af redundante leddene i systemet, især konfigurationerne af J1 og J2, giver vippe sonde til store vinkler med de fleste af de mekaniske strukturer stadig opholder sig væk fra patientens krop, som kan iagttages i Figur 10. Derfor, med de tre sidste led (J3, J4og J5) angivet til at rotere inden for begrænsede områder for vippe finjusteringer, sammenstød undgås mellem de bevægelige dele af robotten og patientens krop.
Med elektronik og konventionelle stepper motorisk kontrolsystem udviklet, er eksperimenter blevet udført for at teste den arbejdsydelse kraft og validere de forventede vifte af bevægelse. Nuværende styreenheden er en box med microcontrollers, stepper motor drivere, strømforsyning og regulatorer og andre understøttende elektroniske komponenter inkluderet. Den samlede størrelse af kontrolboksen er 40 cm lang, 23 cm lang og 12 cm dybt. Baseret på den gentagne afprøvning af systemet, den maksimale kraft, som den robot manipulator kan i øjeblikket udøve er indstillet til 27 Nielsen før mekanisk sikkerhed kobling udløses, angive output tvinge vifte af den foreslåede ordning skal være 0 - 27 N. Med konfigurationen af den mekaniske kobling, blev det bekræftet ved gentagne afprøvning at i standard position, når koblingen er engageret, boldene er delvist i udløser huller af L1. Derfor, bevægelser af drevet, store spur gears betjene Larsen2. Men når overdreven kraft er udøvet på udgangen-effektor, koblingen er frakoblet, med bolde bevæger sig ud af udløser hullerne af L1.
Vifte af bevægelse af hvert fælles rapporteret i Tabel af materialer blev gentagne gange testet og godkendt. Den robot manipulator pålidelige arbejde over en lang periode har været grundigt testet på en føtal phantom og løbende kontrolleret med abdominal scanninger af interne raske frivillige (Figur 11). Undersøgelsen blev godkendt af det lokale etiske udvalg. Hidtil har er 20 frivillige scanninger for generelle abdominal ultralyd undersøgelser ved hjælp af en robot manipulator blevet med held udført med grundlæggende software kontrol af robotten, hovedsageligt til at evaluere pålideligheden og gennemførligheden af den mekaniske design. Det konkluderedes fra fantom og frivillige undersøgelser, at den nuværende udformning af den robot manipulator kan nå den krævede bevægelsesområde på den nødvendige kraft, og giver nok finjustering for at få billeder svarende til den håndholdte operation af amerikanske sonden for abdominal billeddannelse. For alle disse scanninger, blev ingen sikkerhed bekymringer eller ubehagelige følelser rapporteret af frivillige. Udvælgelse af motorer, mekanisk nøgletal mekanismer og magt niveauer er blevet bekræftet, således at de sikrer pålidelig flytning af sonde på patientens krop, samtidig med at den resulterer i skred, hvis excessed styrker er genereret. Yderligere oplysninger om denne igangværende frivillige undersøgelse og kliniske beviser for brug af robotten vil blive præsenteret særskilt.
Figur 1: computerstøttet design (CAD) tegning af alle links (L0, L1,L2, L3og L4) og ende-effektor. Form af hvert link er vist for reference, når 3D udskrivning ved hjælp af den medfølgende. STL-filer. Ende-effektor er illustreret med en amerikansk sonde inkluderet i forsamlingen. Venligst klik her for at se en større version af dette tal.
Figur 2: CAD-tegning af de nødvendige ekstra komponenter. Form af hver komponent er vist for reference, når 3D udskrivning ved hjælp af den medfølgende. STL-filer. Komponenterne, der omfatter ansporing og facet gear i forskellige størrelser, en akslen kraven, en kobling cover og en ende-effektor krave. Venligst klik her for at se en større version af dette tal.
Figur 3: montage instruktion til J1. Nødvendige links, motorer, gear og lejer er vist med nogle strukturer ændret til gennemsigtig til at illustrere forsamlingen. Venligst klik her for at se en større version af dette tal.
Fig. 4: montage instruktion for J2. Nødvendige links, motorer, gear, bold-foråret par og lejer er vist med nogle strukturer ændret til gennemsigtig til at illustrere forsamlingen. Venligst klik her for at se en større version af dette tal.
Figur 5: montering instruktion for J3. Nødvendige links, motorer, gear og lejer er vist med to Perspektivvisninger til at illustrere forsamlingen. Venligst klik her for at se en større version af dette tal.
Figur 6: Montage instruktion for Jørgensen4. Kræves links, motorer, gear og lejer vises med de forsamlede Jørgensen4 mekanisme er angivet. Venligst klik her for at se en større version af dette tal.
Figur 7: montage instruktion for J5. Kræves link og ende-effektor, motorer og gear er vist med nogle strukturer ændret til gennemsigtig til at illustrere forsamlingen. Venligst klik her for at se en større version af dette tal.
Figur 8: Resumé af den foreslåede 5-DOF robot manipulator med ende-effektor holding en amerikanske sonde. Koordinere definitionen af hvert fælles og den samlede størrelse af de forsamlede manipulator er angivet. Venligst klik her for at se en større version af dette tal.
Figur 9: CAD-tegning for eksempel global positioning device. Denne arm-baserede enhed bruges til at arbejde med den foreslåede robot manipulator til test. Notationer og de vigtigste dimensioner er vist i tegningen. Venligst klik her for at se en større version af dette tal.
Figur 10: kinematiske simulering af fire forskellige scanning stillinger omkring phantom. Dette viser en passende vifte af bevægelse for en typisk abdominal amerikanske scanning. Venligst klik her for at se en større version af dette tal.
Figur 11: gennemført amerikanske robot ved hjælp af den beskrevne protokol. (en) den robot manipulator med eksemplet med global positionering mekanisme. (b) kliniske brug af den foreslåede robot manipulator på en patients abdominale område. Venligst klik her for at se en større version af dette tal.
Tabel af materialer: tekniske detaljer i den foreslåede robot manipulator, herunder Denavit - Hartenberg parametre og de fælles specifikationer. Venligst klik her for at se en større version af dette tal.
Supplerende filer. 3D printable STL-filer. Venligst klik her for at downloade denne fil.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Discussion
I modsætning til mange andre industrielle robotter, der er blevet oversat til medicinske anvendelser, var den foreslåede robot manipulator beskrevet i protokollen specielt designet til amerikanske undersøgelser efter kliniske krav for vifte af bevægelse, anvendelse af kraft og sikkerhedsstyring. Letvægts robot manipulatoren, selv har en bred vifte af bevægelser tilstrækkelig for de fleste ekstra legemlige amerikanske scanning, uden behov for store bevægelser af den globale positionering mekanisme. Som den nærmeste mekaniske struktur til patienten, er de foreslåede links også specielt formet til at være væk fra patienten. Med de fleste DOFs indlejret i en kompakt manipulator, kan robot amerikanske scanning ved hjælp af denne enhed gøres på en intuitiv måde menneskelige drift uden nødvendighed af optog en stor plads. På grund af alle disse funktioner forventer vi, at systemet produceret følgende til protokollen kunne opnå accept fra klinikere og patienter, der er ved at blive valideret med igangværende frivillige undersøgelse. Med den foreslåede robot manipulator, kan forskellige konventionelle arkitekturer for global positionering bruges baseret på de krav, som en opsats eller loft montering designs. Et eksempel global positioning device blev brugt i denne hvidbog for at aktivere test af det foreslåede robot manipulator.
Den nuværende protokol tyder på, at alle links kan udskrives ved hjælp af ABS eller PLA plast eller nylon, baseret på tilgængeligheden af den lokale 3D-trykketjenesten, mens ved hjælp af nylon udskriver er foretrukne i almindelighed som følge af nylon's materielle styrke. Vigtigere er, som anført i protokollen, skal de yderligere komponenter, især redskaber, udskrives med nylon eller et andet stærkt materiale at sikre pålideligheden af systemet. Som ny 3D-udskrivning materialer introduceres, kunne brugen af materialer ændres. Den nuværende protokol beskæftiger en ende-effektor specielt designet til en bestemt amerikanske sonde, med sondens 3D figur scannet af en CT imaging system til at bistå design af den indre profil af ende-effektor. Når manipulatoren bruges med andre amerikanske sonder med forskellige figurer, er det vigtigt at sikre, at den indre profil af ende-effektor omdesignet tæt match med den udvendige profil af amerikanske sonden, for at garantere sikker besiddelse af sonden. 3D form og profil af sonden kunne også hentes fra andre typer af 3D scanning. Derudover skal det bemærkes, at nogle af de designdetaljer er beskrevet i protokollen, som nøjagtige former og dimensioner, aksel størrelser, montering keyways, skruer og brug af lejer, kunne ændres. Af samme grund er nogle af detaljerne ikke fastsat når de er naturligvis baseret på fælles viden om mekaniske design.
Den nuværende design har en passiv mekanisk kobling, som kan justeres og bruges til at begrænse den maksimale kraft, til patienten. Dette er en sikkerhedsfunktion, der ikke stole på nogen elektriske systemer eller software logik, som garanterer grundlæggende sikkerhed ved hjælp af en robot for os undersøgelser. Det udløsende punkt var sæt baseret på området fra tidligere målinger21 af den lodrette kraft af menneskelige aktører patienterne under normale amerikanske scanninger, samt lignende resultater er rapporteret fra den eksisterende litteratur18, begge hvilket tyder på, at den maksimale lodrette kraft normalt ikke overstiger 20 N. Dette blev behandlet som en forudsætning, at udløser kraften af koblingen skal være mere end 20 N med nogle given kvoter. Udløse kraft kan tilpasses ved at ændre antallet af bold-foråret par, foråret konstant, størrelsen af udløser hullerne og forudindlæsning af springs22. En potentiel ændring af designet protokollen hertil er at ændre antallet af huller i tænderne til at holde bolden-foråret par i L2. I praksis, når du bruger det foreslåede system, den korrekte arbejde af koblingen let kan verificeres ved manuelt roterende kobling joint og have kobling disengage og re-engagere før enhver robot amerikanske undersøgelse udføres. I den nuværende protokol anvendes sikkerhed koblingen kun til J2 som denne fælles skal afpasse sonde med overfladen af maven og kan bruges direkte til at begrænse den lodrette kraft, som den amerikanske sonden udøver på patienten. Med et lignende koncept, kan en sikkerhed kobling også gennemføres for Jørgensen1 spur gear, der sikrer sikkerheden af J1 roterende bevægelse af følgende strukturer. Dette opfattes ikke som en vigtig sikkerhedsfunktion i den nuværende protokol, men kunne være en potentiel ændring for en færdiggjort version. Tre sidste led, Jørgensen3, J4og Jørgensen5, bruges til fine justeringer af sondens orientering. Kinematically, de er ikke bruges til at generere nogen overdreven kraft og sandsynligvis ikke kolliderer med nogen hindring. For at minimere størrelsen og vægten af den foreslåede manipulator, er en sikkerhed mekanisk kobling ikke foreslået for disse tre led i enhver ændring af protokollen.
Efter den protokol, der er præsenteret her for at bygge den foreslåede manipulator for os undersøgelser, samme pålideligheden af det mekaniske system, de samme intervaller af bevægelse, lignende vægte af den hele manipulator, og et tilsvarende niveau for udløsning kraft af koblingen er forventet som er rapporteret i dette papir. Dog repeterbarheden og nøjagtigheden af satserne og repeterbarhed af det præcise udløsende gældende niveau for den mekaniske kobling, ville i høj grad afhænge 3D-print og montering nøjagtighed i forhold til CAD-design. Dette kan ikke garanteres for den nuværende prototype som en lab-baserede low-end 3D-udskrivning service blev anvendt til fremstilling og forsamlingen var gennemstegt manuelt med henblik på indledende prototyping. Det forventes at en industriel plan af produktions- og samlingsspecifikationer efter design-protokollen ville resultere i god repeterbarhed og høj præcision, selv om dette ikke er i øjeblikket vores mål, før systemet er lavet til et endeligt produkt for kliniske forsøg. Test af ydeevne ville også kræve en særskilt protokol, som indeholder kinematiske modellering, en robot kontrol metode, bevægelsessporing og kalibrering metoder, og er således ikke inkluderet i den nuværende papir. Tilsvarende bestemmes kontrol præcision og svar af den foreslåede manipulator af motorisk kontrol metode, robot kontrol algoritme og kommunikation mellem manipulatoren elektronik og kontrol interface. Da disse ligger uden for formålet med den nuværende protokol om at indføre det nye mekaniske design og kan gennemføres ved hjælp af mange eksisterende arkitekturer, findes nærmere oplysninger ikke i dette papir.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Disclosures
Forfatterne har ikke noget at oplyse.
Acknowledgments
Dette arbejde blev støttet af Wellcome Trust IEH Award [102431] og af Wellcome/EPSRC Centre for Medical Engineering [WT203148/Z/16/Z]. Forfatterne anerkender finansiel støtte fra Department of Health via det nationale Institut for sundhed Research (NIHR) omfattende Biomedical Research Centre award til Guy's & St. Thomas' NHS Foundation Trust i partnerskab med King's College London og King's 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
- 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).
