Summary
Dieses Papier stellt die Konzeption und Umsetzung eines maßgeschneiderten robotic Manipulator für extra körperliche Ultraschalluntersuchung. Das System besitzt fünf Freiheitsgrade mit leichten Gelenke von 3D-Druck und einer mechanischen Kupplung für Sicherheitsmanagement gemacht.
Abstract
Mit dem Potential für hohe Präzision, Geschicklichkeit und Wiederholbarkeit kann selbst verfolgte Robot-System eingesetzt werden, um den Erwerb von Echtzeit-Ultraschall zu unterstützen. Begrenzte Anzahl von Robotern für extra körperliche Ultraschall entwickelt haben jedoch klinische Anwendung erfolgreich übersetzt worden. In dieser Studie wollen wir einen maßgeschneiderten robotic Manipulator für extra körperliche Ultraschalluntersuchung zu bauen, die ist leicht und hat einen geringen Platzbedarf. Der Roboter bilden fünf speziell geformten Links und maßgeschneiderte gemeinsame Mechanismen für die Sonde Manipulation, zur Deckung der notwendigen Bewegungsfreiheit mit redundante Freiheitsgrade um die Sicherheit des Patienten zu gewährleisten. Die mechanische Sicherheit wird mit einer Kupplung Mechanismus, um die Krafteinwirkung auf Patienten zu beschränken betont. Durch das Design das Gesamtgewicht des Manipulators ist weniger als 2 kg und die Länge des Manipulators ist ca. 25 cm. Das Design wurde umgesetzt, und Simulation, phantom und freiwilligen Studien wurden durchgeführt, um die Bewegungsfreiheit, die Fähigkeit, den sicheren Betrieb der Kupplung, Feineinstellungen und mechanische Zuverlässigkeit zu überprüfen. Dieses Papier beschreibt die Gestaltung und Umsetzung von maßgeschneiderten Roboter Ultraschall-Manipulator mit der Konstruktion und Montage Methoden dargestellt. Testergebnisse zum Nachweis der Konstruktionsmerkmale und klinische Erfahrung im Umgang mit dem System werden vorgestellt. Es wird festgestellt, dass der aktuelle vorgeschlagene robotische Manipulator die Anforderungen als ein maßgeschneidertes System für extra körperliche Ultraschalluntersuchung erfüllt und hat ein großes Potenzial in der klinischen Anwendung umgesetzt werden.
Introduction
Eine extra körperliche Roboter (US)-Ultraschallsystem bezieht sich auf die Konfiguration, bei der ein Robot-System genutzt wird, um zu halten und manipulieren von einer US-Sonde für externe Prüfungen, einschließlich seiner Verwendung in der Herz-, Gefäß-, geburtshilflichen und allgemeine abdominale Bildgebung1 . Die Verwendung von einem Robotersystem ist motiviert durch die Herausforderungen der manuell holding und Manipulation einer US-Sonde, zum Beispiel die Herausforderung des Findens US Standardansichten geforderte klinische Bildgebung Protokolle und das Risiko für sich wiederholende Belastung Verletzung2, 3,4, und auch von den Bedürfnissen der uns screening-Programme, zum Beispiel die Forderung nach erfahren Ultraschalldiagnostiker zu vor-Ort-5,6. Mit Betonung auf unterschiedliche Funktionalitäten und Ziel Anatomien wurden mehrere US-Robotersysteme, wie in früheren Werken1,7,8, überprüft seit den 1990er Jahren, um verschiedene Aspekte der US zu verbessern eingeführt Prüfung (z.B., Fernverkehr Teleoperation9,10,11,12, als auch Roboter-Betreiber Interaktion und automatische Steuerung)13, 14. neben der US-Robotersysteme zu diagnostischen Zwecken eingesetzt, konzentriert Roboter Hochleistungs-(HIFU) Ultraschallsysteme für therapeutische Zwecke weit untersucht worden sind, wie durch Priester Et Al. zusammengefasst 1, mit einige aktuelle Werke15,16 der neuesten Entwicklung berichten.
Obwohl mehrere US-Robotersysteme mit relativ zuverlässige Technologien zur Steuerung und klinischen Betrieb entwickelt wurden, sind nur wenige von ihnen erfolgreich in klinischen Gebrauch, wie ein handelsüblicher Tele-Ultraschallsystem übersetzt worden 17. eine mögliche Ursache ist die geringe Akzeptanz für große industrielle aussehende Roboter in einem klinischen Umfeld, aus der Sicht der Patienten und Ultraschalldiagnostiker. Darüber hinaus verlassen sich für Sicherheitsmanagement, die Mehrheit der bestehenden US-Roboter auf Kraft-Sensoren zur Überwachung und Kontrolle den angewandte Druck auf die US-Sonde während grundlegendere mechanische Sicherheitsmechanismen, die Kraft passiv beschränken in der Regel nicht verfügbar sind . Dies kann auch Bedenken führen, wenn die Übersetzung in klinischen Gebrauch wie die Betriebssicherheit Roboter rein abhängig von elektrischen Systemen und Software-Logik wäre.
Die neuen Zuführungen von 3D könnte Drucktechniken, speziell geformten Kunststoff Links mit maßgeschneiderten gemeinsame Mechanismen eine neue Chance für die Entwicklung maßgeschneiderter Medizinroboter bieten. Sorgfältig gestaltete Leichtbauteile mit eine kompakte Erscheinung könnte klinische Akzeptanz verbessern. Ein maßgeschneiderter medizinische Roboter übersetzt klinischen Einsatz abzielen sollten speziell für US-Prüfung kompakt, mit genügend Freiheitsgrade (Freiheitsgrade) und Beweglichkeit des Interessenbereichs eines Scans decken; zum Beispiel die Abdominal-Oberfläche, einschließlich oben und seitlich des Bauches. Darüber hinaus sollte der Roboter auch Feineinstellungen der US-Sonde in ein lokales durchzuführen, wenn Sie versuchen, eine US-Ansicht optimieren integrieren. Dies umfasst in der Regel Kipp Bewegungen der Sonde innerhalb eines bestimmten Bereichs, wie von internationaler Et Al. vorgeschlagen 18 und Bassit19. Um weiter die Sicherheitsbedenken auszuräumen, wird erwartet, dass das System passive mechanische Sicherheits-Features haben sollte, die unabhängig von elektrischen Systemen und Software-Logik sind.
In diesem Papier stellen wir die detaillierte Planung und Montage-Methode eines 5-DOF geschickt robotic Manipulator, die als zentraler Bestandteil eine extra körperliche Robot US-System verwendet wird. Der Manipulator besteht aus mehreren leichte 3D druckbare Links, maßgeschneiderte gemeinsame Mechanismen und eine integrierte Sicherheits-Rutschkupplung. Die spezifische Anordnung der die Freiheitsgrade bietet volle Flexibilität für Anpassungen der Sonde, ermöglicht einfachen und sicheren Betrieb auf kleinem Raum ohne Kollision mit dem Patienten. Der vorgeschlagene Multi-DOF-Manipulator will als die wichtigste Komponente, die in Kontakt mit Patienten und es ist einfach konventionellen 3-DOF globale Positionierung Mechanismus bilden einen komplette US-Roboter mit vollaktives Freiheitsgrade um einen US-Scan durchführen befestigt werden kann.
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Protocol
1. Vorbereitung der einzelnen Links Effektor und Zusatzkomponenten
- Alle Links (L0, L1, L2, L3und L4) und der Effektor zu drucken, wie in Abbildung 1dargestellt mit Acrylnitril-Butadien-Styrol (ABS) Kunststoff, sauren Polymilchsäure (PLA)-Kunststoff oder Nylon, mit einem 3D-Druck Service. Verwendung der. STL-Dateien zur Verfügung gestellt in den Ergänzenden Materialien beim Drucken.
Hinweis: Änderungen in Form und Größe der einzelnen Teile können basierend auf der bereitgestellten Dateien vorgenommen werden. Das Innenprofil des Endeffektors-kann an verschiedene US-Sonden angepasst werden. - Drucken Sie die erforderlichen zusätzlichen Komponenten wie in Abbildung 2 gezeigt, aus Nylon, mit einem 3D-Druck-Service. Beziehen sich auf die Tabelle der Materialien für die erforderliche Anzahl der einzelnen Komponenten. Verwendung der. STL-Dateien zur Verfügung gestellt in den Ergänzenden Materialien beim Drucken.
- Polieren Sie die gedruckten Kunststoffteile mit Polierwerkzeuge bei Bedarf. Entfernen Sie jede unterstützenden Materialien aus dem 3D-Druck, Links ggf..
Hinweis: Einige Strukturen in das mitgelieferte Effektor-Design sind für einen Kraftsensor, der nicht Teil des Protokolls berichtet hier ist und nicht für die Montage verwendet werden. Das Kraft-Sensor-Design-Konzept wurde in früheren Arbeiten20beschrieben; so fällt es nicht in diesem Papier.
2. Montage des gemeinsamen 1
Hinweis: Die Montage der gemeinsamen 1 (J1) basiert auf Abbildung 3.
- Legen Sie die vier kleinen, Getriebemotoren Schrittmotoren (mit 20 Zähnen geradverzahnte Kegelräder angebracht) in die Hohlräume der Montage L0 und mit Schrauben montieren.
- Legen Sie die beiden 37 mm OD Lager in die Lagergehäuse L0 und sichern Sie 120 Zähne Hauptzahnrad (Typ A) auf den Sechskant-Schlüssel des L1zu.
- Setzen Sie die Welle auf L1 in der Welle Bohrung L0 mit vier kleinen treibenden Stirnräder und das große getrieben Stirnradgetriebe engagiert, und montieren Sie den Wellenbund zu sichern und die Welle zu behalten.
3. Zusammenbau des Gelenk 2
Hinweis: Die Montage des gemeinsamen 2 (J2) basiert auf Abbildung 4.
- Legen Sie die vier kleinen, Getriebemotoren Schrittmotoren (mit 20 Zähnen geradverzahnte Kegelräder angebracht) in die Hohlräume der Montage der L1 und mit Schrauben montieren.
- Legen Sie die zwei 120-Zähne-Stirnräder (Typ B) auf die zwei 37 mm OD Lager und Position, die sie in die Ausrüstung Hohlräume der L1, mit dem 120-Zähne Hauptzahnrad (Typ B) mit 20-Zähne-Stirnräder engagiert an den Motoren montiert. Schrauben Sie und wieder Schrauben Sie den Motor bei Bedarf zu ermöglichen die einfache Positionierung der zwei 120-Zähne-Typ-B-Stirnradgetriebe.
- Richten Sie L1 und L2 aus und stecken Sie das Lager und die Kugel-Feder-Paare in der Kupplung Löcher in L2. Legen Sie mit zwei Runden Kupplung Abdeckungen ausrichten und der Kupplung-Mechanismus für die Vorspannung die Feder einschieben eine M6-Schraube in die Bohrungen von L1 und L2.
- Drehen Sie die Assembly auf die andere Seite und wiederholen Sie die Schritte in 3.3 für diese Seite. Sichern Sie die Montage durch das Anbringen einer Mutter, die M6 Schraube.
4. Montage der gemeinsamen 3
Hinweis: Die Montage der gemeinsamen 3 (J3) basiert auf Abbildung 5.
- Legen Sie die zwei kleinen, Getriebemotoren Schrittmotoren (mit 20 Zähnen geradverzahnte Kegelräder angebracht) in die Hohlräume der Montage der L2 und mit Schrauben montieren.
- Die 37 mm OD Lager in das Lagergehäuse des 120-Zähne Hauptzahnrad (Typ C) legen Sie und Lager in das Lagergehäuse L332 mm AUßENDURCHMESSER.
- Befestigen Sie das große Stirnrad in das Sechseck Schlüsselloch L3 (zusätzliche Schrauben können verwendet werden, wenn nötig) und setzen Sie die Welle auf L2 in die Bohrungen auf dem großen Stirnrad und L3, mit den kleinen und den großen Stirnräder engagiert.
5. Montage des fahren Mechanismus der gemeinsamen 4
Hinweis: Die Montage der gemeinsamen 4 (J4) basiert auf Abbildung 6.
- Legen Sie die zwei kleinen, Getriebemotoren Schrittmotoren in die Hohlräume der Montage der L3 und mit Schrauben montieren. Legen Sie die 8 mm OD Lager in die Lagergehäuse L4.
- Montieren Sie das 20-Zähne lange Hauptzahnrad auf die zwei kleinen Schrittmotoren.
6. Montage des angetriebenen Mechanismus der gemeinsamen 4 und gemeinsame 5
Hinweis: Die Montage der gemeinsamen 4 (J4) basiert auf Abbildung 6 und gemeinsame 5 (J5) basiert auf Abbildung 7.
- Positionieren Sie das angetriebene 144 Zähne Kegelrad auf die Extrusion von L4.
- Legen Sie die zwei kleinen, Getriebemotoren Schrittmotoren (mit 18 Zähnen bevel Gears angebracht) in die Hohlräume der Montage der L4 und mit Schrauben montieren. Schließlich stecken Sie die M5-Welle in die Welle Bohrung L3 und L4 , nachdem die beiden Links ausgerichtet sind. Stellen Sie sicher die eingebaute im Antriebsrad Strukturen auf L4 Spiele mit 20 Zähne lange Stirnrad.
- Legen Sie den Effektor in die Keilnut des großen Kegelrad und vertikal positionieren Sie der Effektor mit dem Effektor Kragen es aufgeschraubt.
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Representative Results
Im Anschluss an das Protokoll ist das resultierende System eine robotic Manipulator mit fünf speziell geformten Links (L0 L4) und fünf drehbar Gelenke (J1 bis J-5) zum verschieben, halten und lokal Kippen einer US-Sonde (Abbildung 8). Top Rotation Joint (J1), mit Getriebe betätigt durch vier Motoren drehen kann folgende Strukturen 360°, um die US-Sonde darauf auf verschiedenen Seiten des Scanbereichs, wie oben, unten und seitlich des Bauches zu ermöglichen. Die wichtigsten Kipp Gelenk (J-2), dient mit Getriebe betätigt durch vier Motoren, neigen sich die Sonde um sie an die Oberfläche des Scanbereichs auszurichten. Da dieses Gelenk auch entscheidend für die Kraft-Management ist, wurde eine mechanische Kupplung mit Kugeln, Federn und Arretierung Löcher eingearbeitet. Die letzten drei orthogonalen drehbar Gelenke (J3J4und J-5), mit Getriebe betätigt durch jeweils zwei Motoren dienen zur Steuerung der kippbaren und axialen Rotation der Sonde, so dass Feineinstellungen der Sonde in ein lokales. Das letzte drehbar Gelenk, J5, ermöglicht auch die Montage einer US-Sonde in einem speziell geformten Endeffektor. Das Gesamtgewicht und die Länge der vorgeschlagenen robotic Manipulator, ist die einzige Struktur in der Regel auf den Körper des Patienten sind weniger als 2 kg und 25 cm. Das resultierende Design ist so, dass eine Vielzahl der Sonde Positionen mit nur kleinen Bewegungen der verbleibenden globale Positionierung Mechanismus bei der Verwendung des vorgeschlagenen Roboter US-Manipulators erreicht werden kann. Betrachtet man nur die vorgeschlagenen Manipulator eigenständig, kann die Sonde axial in einem beliebigen Winkel geneigt, um eine Fläche zwischen 0 ° und 110 ° zur horizontalen in eine beliebige Richtung abgewinkelt und positioniert in einem Kreis mit einem Durchmesser von 360 mm. Darüber hinaus folgen gedreht werden die drehbar Gelenke J3 und J-4 bieten einen Neigungswinkel, in zwei Richtungen, in die Bereiche der-180 °, 180 ° und -30° bis 45 °, die für lokale Feineinstellungen der US-Sonde verwendet wird. Das reicht von Bewegungen und kippbare Winkel treffen die erforderlichen reicht für den Erhalt einer ideale akustische Fensters für US-Untersuchungen wie internationaler Et al. 18 und Bassit19. Die technischen Details der vorgeschlagenen robotic Manipulator werden in Tabelle der Materialien (Denavit-Hartenberg-Parameter und gemeinsame Spezifikationen), basierend auf den Koordinaten Definitionen, die in Abbildung 8gezeigten zusammengefasst. Die geschätzten Kosten des Systems sind 500 GBP, basierend auf der aktuellen Fertigungsverfahren, Komponenten und Materialien.
Als Beispiel verwendet in dieser Forschung beschäftigten wir ein globales positioning System hat ein drehbar Gelenk (R1) mit einem Kettenmechanismus zum Drehen der komplette arm und Arm-basierte zwei-Bar set parallel Link Mechanismen (R2 und R3) mit Schneckengetriebe Laufwerke (Abbildung 9). Dieser 3-DOF-Mechanismus funktioniert mit dem vorgeschlagenen 5-DOF-Manipulator, eine komplette Robotersystem US zu bilden. Basierend auf den vorgeschlagenen robotic Manipulator und das Beispiel GPS Option für diese Forschung verwendet, zeigt Abbildung 10 ein Beispiel des Roboters in Positionen um ein Abdominal-Phantom zeigt, dass es in der Lage, um beide Seiten zu erreichen den Bauch und eine Reihe von Positionen an der Spitze. Das Design der redundanten Verbindungen im System, besonders die Konfigurationen von J-1 und J-2, ermöglicht Kippen der Sonde zu großen Winkeln mit die meisten mechanischen Strukturen noch Fernbleiben von den Körper des Patienten, wie in beobachtet werden können Abbildung 10. Infolgedessen wird mit den letzten drei Gelenken (J3J4und J-5) angegeben, in begrenzten Bereichen für kippbare Feineinstellungen zu drehen, Kollision zwischen den beweglichen Teilen des Roboters und den Körper des Patienten vermieden.
Mit der Elektronik und der herkömmlichen Stepper motor Steuerung entwickelt wurden Experimente durchgeführt, um die Ausgangskraft testen und validieren des erwarteten Bereichs der Bewegung. Die aktuelle Steuerung ist eine Box mit Mikrocontrollern, Stepper motor Treiber, Netzteil und Regulierungsbehörden und andere unterstützenden elektronische Komponenten enthalten. Die Gesamtgröße des Steuergeräts ist 40 cm lang, 23 cm breit und 12 cm tief. Basierend auf der wiederholten Tests des Systems, die maximale Kraft, die der robotische Manipulator derzeit ausüben kann, befindet sich 27 N bevor die mechanische Sicherheitskupplung ausgelöst wird, angeben des Ausgangs zwingen, Auswahl des vorgeschlagenen Systems 0 - 27 N. Mit der Konfiguration der mechanischen Kupplung wurde durch wiederholte Tests überprüft, dass in der Standardposition während des Kuppelns die Kugeln teilweise in die Arretierung Löcher L1sind. Daher, betätigen die Bewegungen der angetriebenen, große Stirnräder L2. Jedoch wenn übermäßige Kraft auf den Endeffektor ausgeübt wird, ist die Kupplung, mit den Kugeln bewegen sich aus der Arretierung Löcher L1ausgekuppelt.
Der Bewegungsumfang der jedes Gelenk in Table of Materials gemeldet wurde auch immer wieder getestet und validiert. Das zuverlässige Funktionieren des robotic Manipulators über einen langen Zeitraum hinweg wurde auf eine fetale Phantom ausgiebig getestet und kontinuierlich mit abdominalen Scans der internen gesunden Probanden (Abbildung 11) verifiziert. Die Studie wurde von der lokalen Ethikkommission genehmigt. Bisher wurden 20 Freiwilligen Scans für allgemeine abdominale Ultraschalluntersuchungen mit der Roboter-Manipulator mit der Basis-Software-Steuerung des Roboters, hauptsächlich zur Bewertung der Zuverlässigkeit und Machbarkeit der mechanischen Konstruktion erfolgreich durchgeführt. Es wurde aus den phantom und freiwilligen Studien festgestellt, dass das aktuelle Design des Roboter-Manipulators der erforderlichen Bewegungsbereich an die benötigte Kraft erreichen und genügend Feinjustierung bietet um Bilder ähnlich wie bei den handgeführten Betrieb der USA zu erhalten Sonde für abdominale Bildgebung. Für alle diese Scans wurden keine Sicherheitsbedenken oder unangenehme Gefühle von den Freiwilligen gemeldet. Die Auswahl an Motoren, mechanische Verhältnisse der Mechanismen und Leistungsstufen überprüft worden, dass sie gewährleisten die zuverlässige Bewegung der Sonde auf den Körper des Patienten, während zur gleichen Zeit was zu rutschen, wenn excessed Kräfte erzeugt werden. Weitere Einzelheiten zu diesem laufend freiwillige Studie und klinische Evidenz für den Einsatz des Roboters werden separat vorgestellt.
Abbildung 1: Computer aided Design (CAD) zeichnen alle Links (L0, L1,L2, L3und L4) und der Effektor. Die Form der einzelnen Links ist als Referenz beim Drucken mit der mitgelieferten 3D gezeigt. STL-Dateien. Die Effektor ist illustriert mit einer US-Sonde in der Assembly enthalten. Bitte klicken Sie hier für eine größere Version dieser Figur.
Abbildung 2: CAD-Zeichnung an der erforderlichen Zusatzkomponenten. Die Form der einzelnen Komponenten ist als Referenz beim Drucken mit der mitgelieferten 3D gezeigt. STL-Dateien. Die Komponenten umfassen Sporn und Kegelräder in verschiedenen Größen, einen Wellenbund, ein Kupplungsdeckel und einem Effektor-Kragen. Bitte klicken Sie hier für eine größere Version dieser Figur.
Abbildung 3: Montageanleitung für J-1. Die benötigten Links, Motoren, Zahnräder und Lager sind gezeigt, einige Strukturen geändert, transparent, um die Assembly zu veranschaulichen. Bitte klicken Sie hier für eine größere Version dieser Figur.
Abbildung 4: Montageanleitung für J-2. Die benötigten Links, Motoren, Zahnräder, Kugel-Feder-Paare und Lager werden angezeigt, einige Strukturen geändert, transparent, um die Assembly zu veranschaulichen. Bitte klicken Sie hier für eine größere Version dieser Figur.
Abbildung 5: Montageanleitung für J3. Die benötigten Links, Motoren, Zahnräder und Lager sind mit zwei perspektivische Ansichten gezeigt, um die Assembly zu veranschaulichen. Bitte klicken Sie hier für eine größere Version dieser Figur.
Abbildung 6: Montageanleitung für J-4. Die benötigten Links, Motoren, Zahnräder und Lager werden angezeigt, mit dem montierten J4 Mechanismus angegeben. Bitte klicken Sie hier für eine größere Version dieser Figur.
Abbildung 7: Montageanleitung für J5. Die erforderliche Verknüpfung und Effektor, Motoren und Getriebe werden angezeigt, einige Strukturen geändert, transparent, um die Assembly zu veranschaulichen. Bitte klicken Sie hier für eine größere Version dieser Figur.
Abbildung 8: Zusammenfassung des vorgeschlagenen 5-DOF Roboter Manipulators mit der holding einer US-Sonde Endeffektor. Die Koordinate Definition jedes Gelenk und die Gesamtgröße des montierten Manipulators werden angezeigt. Bitte klicken Sie hier für eine größere Version dieser Figur.
Abbildung 9: CAD-Zeichnung des Beispiels globale Positioniereinrichtung. Diese Arm-basierten Gerät wird verwendet, um mit der vorgeschlagenen robotic Manipulator zu Testzwecken zu arbeiten. Die Bezeichnungen und die Hauptabmessungen sind in der Zeichnung dargestellt. Bitte klicken Sie hier für eine größere Version dieser Figur.
Abbildung 10: kinematische Simulation von vier unterschiedlichen Scan Posen um das Phantom. Dies zeigt eine ausreichende Bewegungsfreiheit für einen typischen Bauch US-Scan. Bitte klicken Sie hier für eine größere Version dieser Figur.
Abbildung 11: US-Roboter mit dem beschriebenen Protokoll implementiert. (ein) der robotic Manipulator mit dem Beispiel globale Positionierung Mechanismus. (b) klinischen Nutzen der vorgeschlagenen robotic Manipulator auf ein Patient Bauchbereich. Bitte klicken Sie hier für eine größere Version dieser Figur.
Tabelle der Materialien: technische Details des geplanten Roboter Manipulators, einschließlich der Denavit - Hartenberg Parametern und die gemeinsame Spezifikationen. Bitte klicken Sie hier für eine größere Version dieser Figur.
Ergänzende Dateien. 3D druckbare STL Dateien. Bitte klicken Sie hier, um diese Datei herunterladen.
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Discussion
Im Gegensatz zu vielen anderen Industrieroboter, die in medizinischen Anwendungen übersetzt wurden, war der vorgeschlagene robotische Manipulator beschrieben im Protokoll speziell für US-Untersuchungen nach klinischen Anforderungen für den Bereich der Bewegung, Anwendung von Kraft und Sicherheitsmanagement. Der leichte robotische Manipulator selbst hat eine Vielzahl von Bewegungen, die ausreichend für die meisten extra körperliche US scannen, ohne die Notwendigkeit für große Bewegungen der globalen Positionierung Mechanismus. Als die nächste mechanische Struktur für den Patienten sind die vorgeschlagenen Links auch speziell geformt, um weg von den Patienten zu sein. Mit den meisten Freiheitsgrade, eingebettet in eine kompakte Manipulator Roboter US-Scannen mit diesem Gerät in einer intuitiven Weise ähnlich wie menschliche Betrieb ohne die Notwendigkeit, einen großen Raum einnehmen erfolgt. Aufgrund all dieser Eigenschaften erwarten wir, dass das System produziert Folgendes, die Protokoll Akzeptanz gewinnen konnten, von Ärzten und Patienten, die mit der laufenden freiwilligen Studie validiert wird. Mit dem vorgeschlagenen robotic Manipulator können verschiedene konventionelle Architekturen für globale Positionierung basierend auf besondere Anforderung, z. B. ein Portal oder Decke montieren Designs verwendet werden. Ein Beispiel globale Positioniereinrichtung war in diesem Papier verwendet, um die Tests der vorgeschlagenen robotic Manipulator zu aktivieren.
Das aktuelle Protokoll legt nahe, dass alle Links mit ABS ausgedruckt werden oder PLA Kunststoff oder Nylon, basierend auf der Verfügbarkeit von lokalen 3D-Druckservice, während mit der Nylon gedruckt bevorzugt im Allgemeinen durch Nylon s Materialstärke wird. Wichtig ist, sollte wie im Protokoll erwähnt, die zusätzlichen Komponenten, vor allem die Zahnräder mit Nylon oder einem anderen starken Material, um die Zuverlässigkeit des Systems ausgedruckt werden. Wenn neue 3D-Druck Materialien eingeführt werden, könnte die Verwendung von Materialien verändert werden. Das aktuelle Protokoll beschäftigt ein Effektor speziell für einen bestimmten US-Sonde mit der Sonde 3D-Form gescannt durch ein CT imaging-System, das Design der das Innenprofil des Endeffektors-zu unterstützen. Wenn der Manipulator mit anderen US-Sonden mit verschiedenen Formen verwendet wird, ist es wichtig, sicherzustellen, dass das Innenprofil des Endeffektors-neu gestaltet wird, um fest mit dem Außenprofil der US-Sonde, übereinstimmen, damit um der sichere Betrieb der Sonde zu gewährleisten. Die 3D-Form und das Profil der Sonde konnte auch von anderen Arten von 3D-Scannen abgerufen werden. Darüber hinaus ist zu beachten, dass einige der Design-Details in das Protokoll, beispielsweise genaue Formen und Abmessungen, Welle Größen Montage Keilnuten, Schrauben und Verwendung von Lagern, beschrieben verändert werden könnte. Aus dem gleichen Grund werden einige Details nicht bereitgestellt, wenn sie offensichtlich auf Allgemeinwissen der mechanischen Konstruktion basieren.
Das aktuelle Design hat eine passive mechanische Kupplung die angepasst werden kann und verwendet, um die maximale Kraft auf den Patienten angewendet zu begrenzen. Dies ist eine Sicherheitsfunktion, die nicht auf alle elektrischen Systeme angewiesen ist oder Softwarelogik, die die grundlegende Sicherheit der Einsatz des Roboters für uns Prüfungen garantiert. Der auslösende Punkt war basiert auf der Range vom vorherigen Messungen21 von der Vertikale Krafteinwirkung menschlichen Operatoren für die Patienten während der normalen US-Scans sowie ähnliche Ergebnisse berichtet aus der vorhandenen Literatur18, beide die deuten darauf hin, dass die maximale vertikale Kraft in der Regel nicht mehr 20 N. Dies wurde als Voraussetzung behandelt, dass der Trigger-Kraft der Kupplung mehr als 20 N mit einigen bestimmten Zertifikaten sein sollte. Die Höhe der Auslösekraft kann durch Ändern der Anzahl der Kugel-Feder-Paare, die Federkonstante, die Größe der Arretierung Löcher und die Vorspannung der Federn22eingestellt werden. Eine mögliche Änderung des gestalteten Protokolls für diese soll die Anzahl der Kavitäten für die Abhaltung der Kugel-Feder-Paare in L2ändern. In der Praxis, wenn Sie das vorgeschlagene System verwenden der korrekte Betrieb der Kupplung kann leicht überprüft werden, indem Sie manuell die Kupplung Joint drehen und die Kupplung Auskuppeln und wieder einrasten, bevor jeder Roboter US-Untersuchung durchgeführt wird. In das aktuelle Protokoll wird die Sicherheitskupplung nur auf J2 angewendet, da dieses Gelenk die Sonde mit der Oberfläche des Bauches zu richten soll und direkt verwendet werden, kann um die vertikale Kraft auf den Patienten durch die US-Sonde zu begrenzen. Mit einem ähnlichen Konzept eine Sicherheitskupplung auch für das J-1 -Hauptzahnrad realisierbar, die die Sicherheit des J-1 -Drehbewegung der folgenden Strukturen. Dies könnte gilt nicht als ein wesentliches Sicherheitsmerkmal in das aktuelle Protokoll aber eine mögliche Änderung für eine endgültige Version. Die letzten drei Gelenke, J3J4und J-5, sind für Feineinstellungen der Sonde Orientierung verwendet. Kinematisch, sie dienen nicht dazu, übermäßige Kraft erzeugen und dürften nicht mit jedes Hindernis zu kollidieren. Zur Minimierung von Größe und Gewicht des vorgeschlagenen Manipulators empfiehlt sich eine mechanische Sicherheitskupplung nicht für diese drei Gelenke in jede Änderung des Protokolls.
Nach dem Protokoll hier vorgestellt, um die vorgeschlagenen Manipulator für uns Untersuchungen, die gleiche Zuverlässigkeit des mechanischen Systems, die gleichen Bereiche der Bewegung, ähnliche Gewichte von der ganzen Manipulator und ein ähnliches Maß an Auslösekraft der Kupplung zu bauen sind erwartet, da in diesem Papier gemeldet werden. Die Reproduzierbarkeit und Genauigkeit der Bewegungen, sowie die Reproduzierbarkeit der genauen auslösenden Kraftniveau der mechanischen Kupplung würde jedoch stark von den 3D-Druck und Montage Genauigkeit im Vergleich zu der CAD-Konstruktion abhängen. Dies kann nicht für den aktuellen Prototypen garantiert werden, da ein Lab-basierten Low-End-3D-Druckservice für die Herstellung verwendet wurde und die Montage manuell zum Zwecke der vorläufigen Prototyping erfolgte. Es wird erwartet, dass gute Wiederholbarkeit und Genauigkeit, industriellem Niveau der Fertigung und Montage nach dem Design-Protokoll führen würde, obwohl es gegenwärtig nicht unser Ziel ist, bevor das System in ein Endprodukt für klinische Prüfung erfolgt. Das Testen der Leistung müssten auch ein separates Protokoll die kinematische Modellierung, eine Robotersteuerung Methode, Motion-tracking und Kalibriermethoden umfasst, und ist somit nicht in das aktuelle Papier enthalten. In ähnlicher Weise die Kontrolle Präzision und Reaktion des vorgeschlagenen Manipulators Motorsteuerung Methode, Roboter-Regelalgorithmus und Kommunikation zwischen der Elektronik des Manipulators und die Bedienoberfläche bestimmt. Da diese über das Ziel des derzeitigen Protokolls der Einführung der neuen mechanischen Design und mit vielen bestehenden Architekturen umgesetzt werden können, sind nicht in diesem Papier Angaben.
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Disclosures
Die Autoren haben nichts preisgeben.
Acknowledgments
Diese Arbeit wurde durch den Wellcome Trust IEH Award [102431] und Wellcome/EPSRC Zentrum für Medical Engineering [WT203148/Z/16/Z] unterstützt. Die Autoren erkennen finanziellen Unterstützung von der Department of Health über das National Institute for Health Research (NIHR) umfassende Biomedical Research Centre Award an Kerls & St Thomas' NHS Foundation Trust in Partnerschaft mit König College in London und Kings 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).
