Summary
Dette papiret introduserer utforming og gjennomføring av en skreddersydd robot manipulator for ekstra kroppslige ultralyd undersøkelse. Systemet har fem grader av frihet med lette skjøter laget av 3D-utskrift og en mekanisk clutch for administrasjon av sikkerhet.
Abstract
Med potensial for høy presisjon og behendighet repeterbarhet, kan en selvstendig spores robot-system være ansatt å hjelpe oppkjøpet av sanntids ultralyd. Imidlertid er begrenset antall roboter designet for ekstra kroppslige ultralyd ble oversatt til klinisk bruk. I denne studien har vi som mål å bygge en skreddersydd robot manipulator for ekstra kroppslige ultralyd undersøkelse, som er lette og har en liten plass. Roboten er dannet av fem spesielt formet koblinger og skreddersydde felles mekanismer for sonden manipulasjon, å dekke de nødvendige bevegelsesutslag med redundant grader av frihet å sikre pasientens sikkerhet. Mekanisk sikkerhet er understreket med en clutch mekanisme, begrense kraften til pasienter. Som følge av design, totalvekt manipulatoren er mindre enn 2 kg og manipulatoren er ca 25 cm. Utformingen er implementert, og simulering, phantom og frivillige studier er utført, for å validere bevegelsesområdet, muligheten til å foreta finjusteringer, mekanisk pålitelighet og sikker drift av clutch. Dette papiret detaljer design og implementering av skreddersydde robot ultralyd manipulator, med design og montering metoder illustrert. Testing resultater å vise design funksjoner og klinisk erfaring ved bruk av systemet presenteres. Det er konkludert med at gjeldende foreslåtte robot manipulatoren oppfyller kravene som skreddersydde system for ekstra kroppslige ultralyd undersøkelse og har stor muligheter å bli oversatt til klinisk bruk.
Introduction
En ekstra kroppslige robot ultralyd (USA) system refererer til konfigurasjonen som en robot-system er benyttet for å holde og manipulere en US undersøke for eksterne undersøkelser, inkludert bruken i hjerte, vaskulær, obstetrikk og generell abdominal bildebehandling1 . Bruk av slike a robotic systemet er motivert av utfordringer manuelt holder og manipulere en amerikansk sonde, for eksempel utfordringen med å finne USA-standardvisninger som kreves av kliniske tenkelig protokoller og risikoen for repeterende belastning skade2, 3,4, og også av behovene til oss screening programmer, for eksempel behovet for erfarne sonographers å være på stedet5,6. Med vektlegging på ulike funksjonaliteter og målet anatomi, har flere robotic amerikanske systemer, som omtalt i tidligere works1,7,8, innført siden 1990 å forbedre ulike aspekter av USA eksamen (f.eks, langdistanse teleoperation9,10,11,12, samt robot-operatør og automatisk)13, 14. i tillegg til den robot USA som brukes for diagnoseformål, robot høyintensiv fokusert ultralyd (HIFU) systemer for behandling formål er mye gransket som oppsummert av Priester et al. 1, med noen nylige arbeider15,16 rapportering den nyeste utviklingen.
Selv om flere robotic amerikanske systemer er utviklet med relativt pålitelig teknologi for kontroll og klinisk drift, er bare noen få av dem vellykket oversatt til klinisk bruk, for eksempel en kommersielt tilgjengelig tele-ultralyd 17. en mulig årsak er lavt nivå av aksept for store industrielle utseende roboter jobber i et klinisk miljø, fra synspunkt av både pasienter og sonographers. I tillegg for sikkerhetsledelse stole fleste eksisterende amerikanske robotene på kraft sensorer for å overvåke og kontrollere brukt press på amerikanske sonde, mens mer grunnleggende mekanisk sikkerhetsmekanismer å begrense styrken passivt ikke er vanligvis tilgjengelig . Dette kan også forårsake bekymringer når oversette til klinisk bruk som sikkerhet for robot operasjon ville være rent avhengig av elektriske systemer og programvare logikk.
Med den nylige fremskritt 3D kan utskrift teknikker, spesielt formet plast koblinger med skreddersydde felles mekanismer gi en ny mulighet for utvikle skreddersydde medisinsk roboter. Nøye utformet komponenter med en kompakt utseende kan forbedre klinisk aksept. Spesielt for amerikanske eksamen, bør en skreddersydd medisinsk robot rettet oversatt til klinisk bruk være kompakt, med nok frihetsgrader (DOFs) og bevegelse å dekke regionen rundt en skanning; for eksempel abdominal overflaten, inkludert både toppen og siden av magen. I tillegg bør roboten også innlemme utøve finjusteringer av amerikanske sonde i et lokalt område, når du prøver å optimalisere en amerikansk visning. Dette inkluderer vanligvis tilting bevegelser av sonden innenfor et bestemt område, som foreslått av Essomba et al. 18 og Bassit19. For å ytterligere adresse sikkerhet bekymringer, forventes det at systemet skal ha passive mekanisk sikkerhetsfunksjoner som er uavhengig av elektriske systemer og programvare logikk.
I dette papiret presentere vi detaljert design og montering metoden av en 5-DOF fingernem robot manipulator, som brukes som nøkkelen komponenten av en ekstra kroppslige robot amerikanske systemet. Manipulatoren består av flere lett 3D-printable koblinger, skreddersydde felles mekanismer og en innebygd sikkerhetskobling. Bestemt ordningen med DOFs gir full fleksibilitet for sonden justeringer, tillater enkel og sikker drift i et lite område uten å kollidere med pasienten. Foreslåtte multi-DOF manipulatoren skal fungere som den viktigste komponenten som er i kontakt med pasienter og det kan knyttes bare til noen konvensjonelle 3-DOF globale posisjonering mekanisme til en komplett amerikansk robot med fullt aktive DOFs å utføre en USA-skanning.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Protocol
1. utarbeidelse av hver Link, End-effektor og tilleggskomponenter
- Skrive ut alle koblingene (L0L1, L2, L3og L4) og slutten-effektor som vist i figur 1, med akrylonitril butadien styren (ABS) plast, polylactic syre (PLA) plast eller nylon, bruke en 3D-utskrift tjenesten. Bruk den. STL-filer som leveres i Supplerende materiale ved utskrift.
Merk: I form og omfanget av hver del kan endringer basert på de angitte filene. Indre profilen til slutten-effektor kan endres for å passe ulike amerikanske sonder. - Skriv ut alle nødvendige tilleggskomponentene som vist i figur 2 i nylon, bruker en 3D-utskrift. Se Tabellen for materiale for det nødvendige antallet hver komponent. Bruk den. STL-filer som leveres i Supplerende materiale ved utskrift.
- Polsk alle utskrevne plast deler med polering verktøy hvis nødvendig. Fjern alt støttemateriale igjen fra 3D-utskrift, om nødvendig.
Merk: Noen strukturer i angitte slutten-effektor design for en kraft-sensor, som ikke er en del av protokollen rapporterte her og vil ikke bli brukt for montering. Force sensor design-konseptet har blitt rapportert i forrige arbeid20; Således, det dekkes ikke i denne artikkelen.
2. montering av felles 1
Merk: Montering av felles 1 (J1) er basert på Figur 3.
- Plasser de fire små, rettet stepper motorene (med 20-tenner spur tannhjul festet) inn i montering hulrom L0 og Monter dem med skruer.
- Plasser to 37 mm OD lagrene i de bærende hus L0 og sikre 120 tenner spur utstyret (Type A) på sekskantnøkkelen L1.
- Inn på akselen på L-1 aksel hull i L0 med fire små kjøring spur tannhjul og de store, drevet spur gear engasjert, og montere skaftet kragen for sikre og beholde akselen.
3. montering av felles 2
Merk: Montering av felles 2 (J2) er basert på Figur 4.
- Plasser de fire små, rettet stepper motorene (med 20-tenner spur tannhjul festet) inn i montering hulrom i L-1 og Monter dem med skruer.
- Fest to 120-tenner spur girene (Type B) til de to 37 mm OD kulelager og posisjon dem inn i utstyret hulrom i L1, med 120 tenner spur utstyret (Type B) med 20-tenner spur girene montert på motorene. Løsne og skru re motoren om nødvendig å la enkel posisjonering av to 120-tenner type-B spur utstyr.
- Juster L1 og L2 og inn peiling og ballen våren parene clutch hullene i L2. Med to runde clutch dekker justere og skyve våren i clutch mekanisme for preloading, setter du inn en M6 bolt i kjeder av L-1 og L2.
- Rotere samlingen til den andre siden, og Gjenta trinnene i 3.3 for denne siden. Sikre forsamlingen ved å feste en mutter til M6 bolten.
4. montering av felles 3
Merk: Montering av felles 3 (J3) er basert på figur 5.
- Plasser de to små, rettet stepper motorene (med 20-tenner spur tannhjul festet) inn i montering hulrom L2 og montere dem med skruer.
- Plasser 37 mm OD bærer i bærende bolig av 120 tenner spur utstyr (Type C) og plassere 32 mm OD bærer i bærende bolig L3.
- Sikre stor spur utstyret i sekskant nøkkelhullet L3 (ekstra skruer kan brukes om nødvendig) og inn på akselen på L-2 kjeder på store spur utstyr og L3, med små og store spur girene engasjert.
5. montering av kjøring mekanismen for felles 4
Merk: Montering av felles 4 (J4) er basert på figur 6.
- Plasser de to små, rettet stepper motorene inn i montering hulrom i L3 og montere dem med skruer. Plass 8 mm OD lagrene i de bærende hus L4.
- Montere 20 tenner lang spur utstyret på de to små stepper motorene.
6. montering av drevet mekanismen for felles 4 og felles 5
Merk: Montering av felles 4 (J4) er basert på figur 6 og felles 5 (J5) er basert på figur 7.
- Plasser drevet 144 tenner skråkant utstyret på byggesystemer L4.
- Plasser de to små, rettet stepper motorene (med 18-tenner skråkant tannhjul festet) inn i montering hulrom i L4 og Monter dem med skruer. Til slutt inn M5 akselen aksel hullet L3 og L4 etter to linker er justert. Sikre bygget i drevet utstyr strukturer på L4 kamper med 20 tenner lang spur utstyret.
- Slutten-effektor inn kilespor av store skråkant utstyr og loddrett posisjon slutten-effektor med slutten-effektor kragen skrus på den.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Representative Results
Etter protokollen er resulterende systemet en robot manipulator med fem spesielt formet koblinger (L0 L4) og fem revolute ledd (J1 til J5) for å flytte, holde, og lokalt vippe en amerikansk sonde (Figur 8). Topp rotasjon felles (J-1), med utstyr mekanismer actuated av fire motorer, kan rotere følgende strukturer 360 °, å tillate amerikanske sonden å peke mot ulike sider av skanneområdet, som topp, bunn og sidene av magen. Den viktigste tilting felles (J2), brukes med utstyr mekanismer actuated av fire motorer, til å vippe ned sonden å justere med overflaten av skanneområdet. Denne felles er også avgjørende for salgsstyrken, ble en mekanisk clutch med baller, fjærer og detent hull innlemmet. Tre siste ortogonale revolute leddene (J3, J4og J5), med utstyr mekanismer actuated av to motorer hver, brukes til å kontrollere tilting og aksial rotasjon av sonden, slik at finjusteringer av sonden i et lokalt område. Siste revolute felles, J5, tillater også montering av en amerikansk sonde i en spesielt formet slutten-effektor. Totalvekt og lengden på den foreslåtte robot manipulatoren, som er den eneste strukturen vanligvis på pasientens kropp, er mindre enn 2 kg og 25 cm. Den resulterende designen er slik at en rekke sonde posisjoner kan nås med bare små bevegelser av de gjenværende globale posisjonering mekanisme ved den foreslåtte robot amerikanske manipulatoren. Vurderer bare den foreslåtte manipulatoren på egen hånd, kan sonden roteres aksialt til enhver vinkel, skrå for å følge en overflate vinkel mellom 0° og 110° til horisontalt i alle retninger, og plassert i en sirkel med diameter på 360 mm. i tillegg til revolute ledd J3 og J4 gir en tilting vinkel, i to retninger, av-180 ° til 180 ° og 30 ° til 45 °, som brukes for lokale finjusteringer av amerikanske sonden. Av bevegelser og tilting vinkler oppfyller de nødvendige områdene for å få et perfekt akustisk vindu for amerikanske eksamen som foreslått av Essomba et al. 18 og Bassit19. De tekniske detaljene for den foreslåtte robot manipulatoren oppsummeres i Tabellen for materiale (Denavit-Hartenberg parametere og felles spesifikasjoner), basert på koordinatdefinisjoner som vist i Figur 8. De beregnede kostnadene for systemet er 500 GBP, basert på gjeldende produksjon metoden, komponenter og materialer.
Eksempel brukt i denne forskningen ansatt vi et globalt posisjoneringssystem som har en revolute felles (R1) med en kjede mekanisme for roterende hele armen og en to-bar arm-basert på parallell link mekanismer (R2 og R3) med orm-gear stasjoner (figur 9). Denne 3-DOF mekanismen fungerer med foreslåtte 5-DOF manipulatoren å danne et komplett robot amerikanske system. Basert på den foreslåtte robot manipulatoren og eksempel global posisjonering alternativ som brukes for denne forskningen, viser Figur 10 en simulering eksempel på roboten i posisjoner rundt en abdominal phantom, viser at det er kjøpedyktig rekkevidde rundt begge sider magen og en rekke stillinger på toppen. Utformingen av overflødig leddene i systemet, spesielt konfigurasjonene av J1 og J2, lar vippe sonden til store vinkler med de fleste av mekanisk strukturer fortsatt bor borte fra pasientens kropp, som kan observeres i Figur 10. Derfor med tre siste leddene (J3, J4og J5) angitt rotere i begrensede områder for tilting finjusteringer, unngås kollisjon mellom bevegelige deler roboten og pasientens kropp.
Med elektronikk og det konvensjonelle stepper motor styringssystemet utviklet, er eksperimenter utført for å teste ut kraften og validerer forventet bevegelse. Gjeldende kontrollenhet er en boks med mikrokontrollere, stepper motor drivere, strømforsyning og regulatorer og andre støtte elektroniske komponenter inkludert. Størrelsen på kontrollboksen er 40 cm lang, 23 cm bred og 12 cm dyp. Basert på gjentatte testing av systemet, maksimal kraften som robotic manipulatoren nå utøver er satt til 27 N før den mekaniske sikkerhetskobling utløses, angir resultatet tvinge rekke foreslåtte systemet å være 0 - 27 N. Med konfigurasjonen av mekanisk clutch, ble det bekreftet av gjentatte testing som i standard-posisjonen, når clutchen er i bruk, ballene er delvis i detent hullene av L-1. Derfor betjene bevegelser av sporen drevet, store L2. Men når overdreven kraften virker på slutten-effektor, er clutch fri, med ballene flytte ut av detent hullene L1.
Virkeområdet for hvert ledd i Tabellen for materiale ble også gjentatte ganger testet og godkjent. Pålitelig arbeider av robot manipulatoren over lang tid er grundig testet på en fosterets phantom og kontinuerlig bekreftet med abdominal skanninger av interne friske frivillige (Figur 11). Studien ble godkjent av den lokale etikk. Så langt, har 20 frivillige avsøker for generelle abdominal ultralyd undersøkelser med robot manipulatoren blitt utført med enkel programvarekontroll av roboten, hovedsakelig for å vurdere driftsikkerheten og muligheten for mekanisk design. Det ble konkludert med fra phantom og frivillige studiene at det gjeldende designet for robotic manipulatoren kan nå nødvendig bevegelse rekkevidde på den nødvendige kraften, og gir nok finjustering å få bilder ligner på håndholdt driften av USA s├╕k abdominal bildebehandling. For alle disse skanner, ble ingen sikkerhet bekymringer eller ubehagelige følelser rapportert av frivillige. Utvalget av motorer, mekanisk prosenter mekanismer og strømnivå er bekreftet slik at de sikre pålitelig bevegelsen av sonden på pasientens kropp, mens på samme tid som resulterer i glidning hvis excessed krefter er generert. Videre detaljer om denne pågående frivillig studier og klinisk bevis for bruk av robot vil bli presentert separat.
Figur 1: dataassistert konstruksjon (CAD) tegning av alle koblingene (L0L1,L2, L3og L4) og slutten-effektor. Formen på hver kobling vises referanse når 3D utskrift via det forsynt. STL-filer. Slutten-effektor er illustrert med en amerikansk sonde i samlingen. Klikk her for å se en større versjon av dette tallet.
Figur 2: CAD-tegning av de nødvendige tilleggskomponentene. Formen på hver komponent vises referanse når 3D utskrift via det forsynt. STL-filer. Komponenter inkluderer anspore og skråkant tannhjul i forskjellige størrelser, en skaftet kragen, en clutch cover og en slutt-effektor krage. Klikk her for å se en større versjon av dette tallet.
Figur 3: samlingen instruksjoner for J1. Den nødvendige koblinger, motorer, tannhjul og lagrene er vist, med noen strukturer til gjennomsiktig å illustrere forsamlingen. Klikk her for å se en større versjon av dette tallet.
Figur 4: montering instruksjon for J2. Den nødvendig koblinger, motorer, tannhjul, ball-våren par og kulelager vises, med noen strukturer til gjennomsiktig å illustrere forsamlingen. Klikk her for å se en større versjon av dette tallet.
Figur 5: samlingen instruksjoner for J3. Den nødvendige koblinger, motorer, tannhjul og lagrene vises med to perspektiv utsikt å illustrere forsamlingen. Klikk her for å se en større versjon av dette tallet.
Figur 6: Samlingen instruksjoner for J4. Den nødvendige koblinger, motorer, tannhjul og lagrene er vist, med sammensatte J4 mekanisme angitt. Klikk her for å se en større versjon av dette tallet.
Figur 7: samlingen instruksjoner for J5. Den nødvendige koblingen og slutten-effektor motorer og tannhjul vises, med noen strukturer til gjennomsiktig å illustrere forsamlingen. Klikk her for å se en større versjon av dette tallet.
Figur 8: Sammendrag av foreslåtte 5-DOF robot manipulatoren med slutten-effektor holder en amerikansk sonde. Koordinere definisjonen av hver joint og størrelsen på den sammensatte manipulatoren angis. Klikk her for å se en større versjon av dette tallet.
Figur 9: CAD-tegning av eksemplet globale posisjonering enheten. Arm-baserte enheten brukes til å arbeide med den foreslåtte robot manipulatoren for testing. Merknader og de viktigste dimensjonene vises i tegningen. Klikk her for å se en større versjon av dette tallet.
Figur 10: Kinematisk simulering av fire ulike skanning stillinger rundt phantom. Dette viser en tilstrekkelig bevegelsesutslag for et typisk abdominal amerikanske søk. Klikk her for å se en større versjon av dette tallet.
Figur 11: implementert amerikanske roboten bruker beskrevet protokollen. (en) robot manipulatoren med eksempel global posisjonering mekanisme. (b) klinisk bruk av den foreslåtte robot manipulatoren på pasientens mageområdet. Klikk her for å se en større versjon av dette tallet.
Tabell for materiale: tekniske detaljer om den foreslåtte robot manipulatoren, inkludert Denavit - Hartenberg parametere og felles spesifikasjoner. Klikk her for å se en større versjon av dette tallet.
Supplerende filer. 3D utskrivbar STL-filer. Klikk her for å laste ned denne filen.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Discussion
I motsetning til mange andre industrielle roboter som har blitt oversatt til medisinske anvendelser, var foreslåtte robot manipulatoren beskrevet i protokollen spesielt designet for amerikanske eksamen etter kliniske behov for omfanget av bevegelse, Bruk av makt, og sikkerhetsledelse. Lett robot manipulatoren selv har et bredt spekter av bevegelser tilstrekkelig for de fleste ekstra kroppslige amerikanske skanning, uten behov for store bevegelser av globale posisjonering mekanismen. Som nærmeste mekanisk strukturen til pasienten, er foreslåtte koblingene også spesielt formet å være borte fra pasienten. Med de fleste DOFs innebygd i en kompakt manipulator, kan robot amerikanske skanning ved hjelp av denne enheten gjøres på en intuitiv måte ligner på menneskelig drift uten nødvendigheten av har en stor plass. På grunn av alle disse funksjonene forventer vi at systemet produsert følgende protokollen kan få aksept fra leger og pasienter, som valideres med pågående frivillig studien. Med den foreslåtte robot manipulatoren, kan ulike konvensjonelle arkitekturer for global posisjonering brukes basert på bestemt kravet, for eksempel Portal eller tak montering design. En eksempel global posisjonering enhet ble brukt i dette dokumentet aktivere tester av den foreslåtte robot manipulatoren.
Gjeldende protokollen antyder at alle koblingene kan trykkes med ABS eller PLA plast eller nylon, basert på tilgjengeligheten av de lokale 3D-utskrifter tjenesten, mens bruker nylon utskrifter er foretrukket generelt på grunn av nylon materiale styrke. Viktigere, som nevnt i protokollen, skal tilleggskomponenter, spesielt girene, skrives ut med nylon eller en annen sterk materialet for å sikre påliteligheten av systemet. Som introdusert nye 3D-utskrift materialer, kan bruk av materialer endres. Gjeldende protokollen bruker en slutt-effektor spesielt utformet for en bestemt amerikanske sonde, med sondens 3D form skannet av en CT tenkelig system å hjelpe utformingen av indre profilen til slutten-effektor. Når manipulatoren brukes med andre amerikanske sonder i ulike figurer, er det viktig å sikre at indre profilen til slutten-effektor er redesignet for å tett kamp med ytre profilen av amerikanske sonden, garanterer sikker avholdelse av sonden. 3D form og profil av sonden kan også hentes fra andre typer 3D skanning. I tillegg bør det bemerkes at noen av detaljene i designarbeidet beskrevet i protokollen, for eksempel nøyaktige former og dimensjoner, aksel størrelser, montering keyways, skruer og bruk av kulelager, kan endres. Av samme grunn gis noen av detaljene ikke når de er åpenbart basert på felles kunnskap om mekanisk design.
Gjeldende utforming inneholder en passiv mekanisk clutch som kan justeres og brukes til å begrense den maksimale kraften til pasienten. Dette er en sikkerhetsfunksjon som ikke er avhenger av elektriske systemer eller programvare logikk, som garanterer den grunnleggende sikkerheten ved bruk av robot for oss eksamen. Utløsende poenget var basert på området fra tidligere målinger21 loddrett kraften av menneskelig operatører til pasientene under normale amerikanske skanner, samt lignende resultater rapportert av eksisterende litteratur18, begge som tyder på at maksimal loddrett styrken vanligvis ikke overstiger 20 N. Dette ble behandlet som forutsetning at utløse kraft clutch bør være mer enn 20 N med noen gitt kvoter. Mengden utløser kraft kan justeres ved å endre antall ballen våren par, vår konstant, størrelsen på detent hullene og preloading springs22. En potensiell endring av designet protokollen for dette er å endre antall hulrom for å holde ballen våren parene i L2. I praksis, når du bruker foreslåtte systemet, riktig arbeider av clutch bekreftet lett av manuelt rotere clutch felles og ha clutch disengage og re-engasjere seg før noen robot amerikanske eksamen utføres. I gjeldende protokollen brukes bare sikkerhetskobling J2 som denne felles er designet for å sonde med overflaten av magen og kan brukes å begrense den loddrette kraften på pasienten ved amerikanske sonden. Med et lignende konsept, kan en sikkerhetskobling også implementeres for J1 spur utstyr, som vil sikre J1 roterende bevegelse av følgende strukturer. Dette er ikke sett på som en viktig sikkerhetsfunksjon i gjeldende protokollen, men kan være en potensiell endring for en endelige versjonen. De tre siste ledd, J3, J4og J5, brukes for finjusteringer av sondens orientering. Kinematically, de brukes ikke til å generere noen stor kraft og sannsynligvis ikke å kollidere med noen hindring. For å minimere størrelsen og vekten av den foreslåtte manipulatoren, er en mekanisk sikkerhetskobling ikke foreslått for disse tre ledd i enhver endring av protokollen.
Etter protokollen presenteres her for å bygge den foreslåtte manipulatoren for oss undersøkelser, samme pålitelighet av mekaniske system, samme områdene av bevegelse, tilsvarende vekter av hele manipulator, og nivå av utløser kraft av clutch forventet som rapporteres i notatet. Imidlertid avhenger repeterbarhet og nøyaktigheten av bevegelser og repeatability av den eksakte utløsende force nivået av mekanisk clutch, sterkt av 3D-utskrift og montering nøyaktighet i forhold til CAD design. Dette kan ikke garanteres for gjeldende prototypen som en lab-basert low-end 3D-utskrifter tjeneste ble brukt for produksjon og montering ble gjort manuelt for å foreløpig prototyping. Det forventes at et industrielt nivå av produksjons- og følger protokollen design vil resultere i god repeterbarhet og høy nøyaktighet, men dette ikke er for øyeblikket målet før systemet i et sluttprodukt for klinisk studie. Testing av ytelse vil også kreve en egen protokoll, som inkluderer Kinematisk modellering, en robotic kontroll metoden, bevegelse å spore og kalibrering metoder, og er derfor ikke inkludert i dagens papir. Tilsvarende bestemmes kontroll presisjon og svar av den foreslåtte manipulatoren av motorisk kontroll metoden, robot administrere algoritmen og kommunikasjon mellom elektronikken av manipulatoren og kontroll-grensesnitt. Dette er utenfor målet med gjeldende protokollen for å innføre nye mekanisk design og kan implementeres ved hjelp av mange eksisterende arkitekturer, gis ikke detaljene i dette papiret.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Disclosures
Forfatterne ikke avsløre.
Acknowledgments
Dette arbeidet ble støttet av Wellcome Trust IEH prisen [102431] og Wellcome/EPSRC sentrum for medisinsk Engineering [WT203148/Z/16/Z]. Forfatterne bekrefter økonomisk støtte fra Helsedepartementet via National Institute for Health Research (NIHR) omfattende Biomedical Research Centre prisen til guys og St. Thomas' NHS Foundation Trust i samarbeid 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).
