Summary
Deze paper introduceert het ontwerp en de uitvoering van een op maat gemaakte robot manipulator voor extra lichamelijke echografie onderzoek. Het systeem heeft vijf graden van vrijheid met lichtgewicht gewrichten gemaakt door 3D printen en een mechanische koppeling voor veiligheidsbeheer.
Abstract
Met de mogelijkheden voor hoge precisie, beweeglijkheid en herhaalbaarheid, kan een zelf bijgehouden robotic systeem worden gebruikt om te helpen het verwerven van real-time echografie. Echter zijn beperkt aantal robots ontworpen voor extra lichamelijke echografie met succes vertaald in klinisch gebruik. In deze studie willen we het bouwen van een op maat gemaakte robot manipulator voor extra lichamelijke echografie onderzoek, dat is lichtgewicht en heeft een kleine voetafdruk. De robot wordt gevormd door vijf speciaal gevormde links en op maat gemaakte gemeenschappelijke mechanismen voor de manipulatie van de sonde, ter dekking van de noodzakelijke bereik van de beweging met redundante vrijheidsgraden om de veiligheid van de patiënt te waarborgen. De mechanische veiligheid wordt benadrukt met een koppeling mechanisme, tot het beperken van de kracht toegepast op patiënten. Als gevolg van het ontwerp, het totale gewicht van de manipulator is minder dan 2 kg en de lengte van de manipulator is ongeveer 25 cm. Het ontwerp heeft gelegd, en simulatie, phantom vrijwilliger studies zijn uitgevoerd, voor het valideren van het bereik van de beweging, de mogelijkheid om nauwkeurige wijzigingen, mechanische betrouwbaarheid en de veilige exploitatie van de koppeling. Dit document gedetailleerd het ontwerp en de uitvoering van de op maat gemaakte robotic echografie manipulator, met de constructie- en montage methoden geïllustreerd. Testresultaten om aan te tonen de ontwerpfuncties en klinische ervaring van het gebruik van het systeem worden gepresenteerd. Geconcludeerd wordt dat de huidige voorgestelde robot manipulator voldoet aan de vereisten als een op maat gemaakte systeem voor extra lichamelijke echografie onderzoek en heeft een groot potentieel in klinische gebruik worden vertaald.
Introduction
Een extra lichamelijke robotic echografie (VS)-systeem verwijst naar de configuratie waarin een robot-systeem wordt gebruikt om te houden en manipuleren van een Amerikaanse sonde voor externe onderzoeken, met inbegrip van het gebruik ervan in de cardiale, vasculaire, verloskundige en algemene-abdominale imaging1 . Het gebruik van een dergelijk robotic systeem is gemotiveerd door de uitdagingen van handmatig holding en manipuleren van een Amerikaanse sonde, bijvoorbeeld, de uitdaging van het vinden van de standaardweergaven van de VS vereist door klinische beeldvorming protocollen en het risico van repetitive strain injury2, 3,4, en ook door de behoeften van ons screening programma's, bijvoorbeeld de eis voor ervaren sonographers om te worden on-site5,6. Met accenten op verschillende functionaliteiten en doel anatomie, verschillende Amerikaanse Robotsystemen, zoals herzien in eerdere werken1,7,8, bijgekomen sinds de jaren 1990, om verschillende aspecten van VS onderzoek (b.v., over lange afstanden teleoperation9,10,11,12, evenals robot-operator interactie en automatische controle)13, 14. naast de Amerikaanse Robotsystemen gebruikt voor diagnostische doeleinden, gericht robotic hoge-intensiteit ultrageluid (HIFU) systemen voor behandeling doeleinden grote schaal onderzocht zijn zoals samengevat door Priester et al. 1, met enkele recente werken15,16 rapportage van de laatste vorderingen.
Hoewel verschillende robotic Amerikaanse systemen zijn ontwikkeld met relatief betrouwbare technologieën voor controle en klinische werking, zijn slechts een paar van hen met succes vertaald in klinische gebruik, zoals een commercieel beschikbare tele-echografie-systeem 17. een mogelijke reden is het lage niveau van acceptatie voor groot-formaat industrieel ogende robots werken in een klinische omgeving, vanuit het oogpunt van zowel de patiënten als de sonographers. Bovendien, voor de veiligheid van het beheer afhankelijk de meerderheid van de bestaande Amerikaanse robots krachtsensors voor bewaking en beheersing van de toegepaste druk om de Amerikaanse sonde, terwijl de meer fundamentele mechanische veiligheidsmechanismen te beperken de kracht passief zijn meestal niet beschikbaar . Ook hierdoor kan zorgen bij het vertalen in klinisch gebruik, zoals de veiligheid van robot operatie zou puur afhankelijk van elektrische systemen en software logica.
Met de recente ontwikkelingen op het gebied van 3D kan printing technieken, speciaal gevormde kunststof koppelingen met op maat gemaakte gemeenschappelijke mechanismen bieden een nieuwe kans voor ontwikkelen op maat gemaakte medische robots. Klinische aanvaarding kunnen worden verbeterd door zorgvuldig ontworpen lichtgewicht onderdelen met een compacte vormgeving. Speciaal voor Amerikaanse onderzoek moet een op maat gemaakte medische robot gericht vertaald in klinische gebruik compact, met voldoende vrijheidsgraden (DOFs) en het bereik van de beweging voor de regio van belang voor een scan; bijvoorbeeld, de abdominale oppervlakte, met inbegrip van zowel de boven- en de zijden van de buik. Bovendien moet de robot ook de mogelijkheid voor het uitvoeren van fijne aanpassingen van de Amerikaanse sonde in een local area, wanneer het proberen om een Amerikaanse weergave optimaliseren opnemen. Dit omvat meestal kantelbare bewegingen van de sonde binnen een bepaald bereik, zoals voorgesteld door Essomba et al. 18 en19van de bassin. Om verder aan de bezorgdheid over de veiligheid, verwacht wordt dat het systeem moet hebben passieve mechanische veiligheidsfuncties die onafhankelijk zijn van de elektrische systemen en software logica.
In deze paper presenteren we de gedetailleerde constructie- en montage methode van een 5-DOF vingervlugge robot manipulator, die wordt gebruikt als de belangrijkste component van een extra lichamelijke robotic Amerikaanse systeem. De manipulator bestaat uit verschillende lichtgewicht 3D-printbaar koppelingen, op maat gemaakte gemeenschappelijke mechanismen en een ingebouwde veiligheid-koppeling. De specifieke regeling van de DOFs biedt volledige flexibiliteit voor aanpassingen van de sonde, waardoor gemakkelijk en veilig in een klein gebied zonder botsen met de patiënt. De voorgestelde multi-DOF manipulator wil werken als de belangrijkste component die contact met patiënten en het kan gewoon worden aangesloten op een conventionele 3-DOF global positioning mechanisme om te vormen van een volledige Amerikaanse robot met volledig actieve DOFs voor het uitvoeren van een scan van de VS.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Protocol
1. bereiding van elke koppeling einde-effector en aanvullende onderdelen
- Alle links (L0, L1, L2, L-3en L4) en de einde-effector afdrukken zoals weergegeven in Figuur 1, met acrylonitril butadieen styreen (ABS) kunststof, polylactic acid (PLA) plastic of nylon, met behulp van een 3D-printing dienst. Gebruik de. STL-bestanden die worden geleverd in de Aanvullende materialen bij het afdrukken.
Opmerking: Wijzigingen in de vorm en de omvang van elk onderdeel kunnen worden aangebracht op basis op de meegeleverde bestanden. De innerlijke Profiel van de einde-effector kan aanpassen aan verschillende Amerikaanse sondes worden gewijzigd. - Alle het vereist extra componenten worden afgedrukt zoals afgebeeld in Figuur 2 in nylon, met behulp van een 3D-afdrukservice. Verwijzen naar de Tabel van materialen voor het vereiste aantal van elk onderdeel. Gebruik de. STL-bestanden die worden geleverd in de Aanvullende materialen bij het afdrukken.
- Pools alle gedrukte kunststof onderdelen met het polijsten van hulpmiddelen indien nodig. Indien nodig links van 3D printing, ondersteunende materialen verwijderen.
Opmerking: Sommige structuren in het geleverde eind-effector ontwerp zijn voor een kracht sensor, die geen onderdeel van het protocol hier gemeld is en zal niet worden gebruikt voor de montage. Het ontwerpconcept van kracht sensor is gemeld in vorige werk20; het valt dus niet in dit document.
2. vergadering van gezamenlijke 1
Opmerking: De vergadering van de gezamenlijke 1 lid J1, is gebaseerd op Figuur 3.
- Plaats van de vier kleine, topactueel stappenmotoren (met 20-tanden spur gears verbonden) in de holten van de montage van L0 en monteer ze met schroeven.
- Plaats de twee 37 mm OD lagers in de ombouw van de invloed van L0 en de 120-tanden spur versnelling (Type A) op de sleutel van de zeshoek van L1veilig.
- Steek de schacht op L1 in het gat van de schacht op L0 met de vier kleine drijvende spur gears en het grote spur-versnelling, gedreven en monteren van de kraag van de schacht te beveiligen en het behouden van de schacht.
3. assemblage van gezamenlijke 2
Opmerking: De vergadering van de gezamenlijke 2 (J2) is gebaseerd op Figuur 4.
- Plaats van de vier kleine, topactueel stappenmotoren (met 20-tanden spur gears verbonden) in de holten van de montage van L1 en monteer ze met schroeven.
- Sluit de twee 120-tanden spur gears (Type B) aan op de twee 37 mm OD lagers en de positie die hen in de holten van de versnelling van L1, met de 120-tanden spur versnelling (Type B) die zich bezighouden met de 20-tanden spur gears gemonteerd op de motoren. Schroef los en de motor opnieuw schroef als nodig zijn om de eenvoudige positionering van de twee 120-tanden type B spur versnelling.
- L1 en L2 uitlijnen en de peiling en de bal-voorjaar paren in de gaten van de koppeling in L2invoegen. Met de twee ronde koppeling covers uitlijnen en duwen de lente in het mechanisme van de koppeling voor vooraf te worden geladen, plaatst u een M6 bout in de opnameboringen L1 of L2.
- Draai de vergadering naar de andere kant en herhaal stap 3.3 voor deze kant. Beveilig de vergadering door een moer aansluiten met de M6 bout.
4. vergadering van gezamenlijke 3
Opmerking: De vergadering van de gezamenlijke 3 (J3) is gebaseerd op Figuur 5.
- Plaats de twee kleine, topactueel stappenmotoren (met 20-tanden spur gears verbonden) in de holten van de montage van L2 en monteer ze met schroeven.
- Plaats van de 37 mm OD gezien in de behuizing van de invloed van de 120-tanden spur versnelling (Type C) en plaats van de 32 mm OD gezien in de behuizing van de invloed van L3.
- De grote spur-versnelling in het sleutelgat van de zeshoek L3 veilig (extra schroeven kunnen worden gebruikt indien nodig) en de schacht op L2 invoegen in de opnameboringen over de grote spur gear en L3, met de kleine en de grote spur gears bezig.
5. assemblage van het rijden mechanisme voor gezamenlijke 4
Opmerking: De vergadering van de gezamenlijke 4 (J4) is gebaseerd op Figuur 6.
- Plaats de twee kleine, topactueel stappenmotoren in de holten van de montage van L3 en bevestig ze met schroeven. Plaats de 8 mm OD lagers in de ombouw van de invloed van L4.
- Monteer de 20-tanden lange uitloper versnelling op de twee kleine stappenmotoren.
6. montage van de gedreven mechanisme voor gezamenlijke 4 en 5 van de gemeenschappelijke
Opmerking: De vergadering van de gezamenlijke 4 (J4) is gebaseerd op Figuur 6 en gezamenlijke 5 (J5) is gebaseerd op Figuur 7.
- Plaats de gedreven 144 tanden konische tandwielen op de extrusie van L4.
- Plaats de twee kleine, topactueel stappenmotoren (haakse tandwielen verbonden met 18-tanden) in de holten van de montage van L4 en monteer ze met schroeven. Ten slotte, steek de M5 schacht in het gat van de schacht van L3 en L4 nadat de twee links worden uitgelijnd. Gebouwd in gedreven versnelling structuren op L4 wedstrijden met de 20 tanden lange uitloper versnelling zorgen.
- Invoegen van de einde-effector in de spiebaan van de grote konische tandwielen en verticaal plaatsen de einde-effector met de einde-effector kraag geschroefd op het.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Representative Results
Naar aanleiding van het protocol is het resulterende systeem een robot manipulator met vijf speciaal gevormde links (L0 tot en met L4) en vijf kwamen gewrichten (J-1 tot en met J5) verplaatsen, bedrijf en lokaal kantelen een Amerikaanse sonde (Figuur 8). Het bovenste rotatie gewricht (J1), met versnelling mechanismen bediend door vier motoren, kunt draaien de volgende structuren 360 °, zodat de Amerikaanse sonde te wijzen naar verschillende zijden van het scangebied, zoals de bovenkant, de bodem en de zijkanten van de buik. Het belangrijkste kantelbare gewricht (J2), wordt met versnelling mechanismen bediend door vier motoren, gebruikt om te kantelen naar beneden van de sonde te passen met het oppervlak van het scangebied. Zoals deze gezamenlijke ook cruciaal voor het beheer van de kracht is, was een mechanische koppeling met ballen, veren en detent gaten opgenomen. De laatste drie orthogonale kwamen gewrichten (J3J4en J5), met een versnelling mechanismen bediend door elke, twee motoren worden gebruikt om te controleren de kantelbare en axiale rotatie van de sonde, waardoor fijne aanpassingen van de sonde in een local area. Het laatste kwamen gewricht, J5, kunt ook de montage van een Amerikaanse sonde in een speciaal gevormde eind-effector. Het totale gewicht en de lengte van de voorgestelde robot manipulator, dat de enige structuur meestal bovenop het lichaam van de patiënt is, zijn minder dan 2 kg en 25 cm. De resulterende ontwerp is zodanig dat een groot aantal posities van de sonde kan worden bereikt met slechts kleine bewegingen van de resterende globale positionering mechanisme bij het gebruik van de voorgestelde robotic VS manipulator. Gezien alleen de voorgestelde manipulator afkan, de sonde kan worden gedraaid axiaal om elke hoek, gekanteld te volgen van een oppervlak schuin tussen 0° en 110° met het horizontale vlak in elke richting, en gepositioneerd binnen een cirkel met een diameter van 360 mm. Daarnaast de kwamen gewrichten J3 en J4 bieden een kantelbare hoek, in twee richtingen, in het bereik van-180 ° tot 180 ° en -30 ° tot 45 °, die wordt gebruikt voor lokale fijne aanpassingen van de Amerikaanse sonde. Het bereik van bewegingen en kantelbare hoeken voldoen aan de vereiste marges voor het verkrijgen van een ideale akoestische venster voor Amerikaanse onderzoeken zoals voorgesteld door Essomba et al. 18 en19van de bassin. De technische details van de voorgestelde robot manipulator zijn samengevat in Tabel van materialen (Denavit-Hartenberg parameters en gemeenschappelijke specificaties), op basis van de coördinaat definities weergegeven in Figuur 8. De geschatte kosten van het systeem is 500 GBP, gebaseerd op de huidige fabricagemethode, onderdelen en materialen.
Als voorbeeld gebruikt in dit onderzoek, werken we een mondiale positiebepalingssysteem die heeft een kwamen gewricht (R1) met een ketting-mechanisme voor de volledige roterende arm en een twee-bar arm gebaseerde ingesteld voor parallelle koppeling mechanismen (R2 en R3) met wormwiel stations (Figuur 9). Dit 3-DOF mechanisme werkt met de voorgestelde 5-DOF manipulator te vormen een compleet systeem voor Robotsystemen vs. Op basis van het voorbeeld van de globale positionering optie gebruikt voor dit onderzoek en de voorgestelde robot manipulator, Figuur 10 ziet u een voorbeeld van de simulatie van de robot in posities rond een abdominale phantom, waaruit blijkt dat het kunnen bereiken rond beide zijden van de buik en een scala aan posities op de top. Het ontwerp van de redundante gewrichten in het systeem, met name de configuraties van J1 en J2, laat de sonde te grote hoeken kantelen met de meeste van de mechanische structuren nog steeds weg lichaam van de patiënt, zoals kan worden waargenomen in te blijven Figuur 10. Bijgevolg, met de laatste drie gewrichten (J3J4en J5) opgegeven om te draaien binnen de beperkte marges voor fijne kantelbare aanpassingen, botsing wordt voorkomen tussen de bewegende delen van de robot en lichaam van de patiënt.
Met de elektronica en de conventionele stepper motorische controlesysteem ontwikkeld, zijn experimenten uitgevoerd om te testen van de kracht van de output en valideren van de verwachte bereik van de beweging. De huidige controle-eenheid is een doos met microcontrollers, stepper motor stuurprogramma's, voeding en regelgevers en andere ondersteunende elektronische onderdelen opgenomen. De totale omvang van de control box is 40 cm lang, 23 cm breed en 12 cm diep. Op basis van de herhaalde testen van het systeem, de maximale kracht die de robot manipulator kan momenteel uitoefenen ligt tot en met 27 N voordat de mechanische veiligheid-koppeling wordt geactiveerd, geven de output dwingen bereik van het voorgestelde systeem 0 - 27 N. Met de configuratie van de mechanische koppeling, werd het gecontroleerd door herhaalde testen in de standaardpositie, wanneer de koppeling is ingeschakeld, de ballen gedeeltelijk in de gaten detent van L1 zijn. Dus, de bewegingen van de gedreven, grote spur gears actuate L2. Echter wanneer de bovenmatige kracht wordt uitgeoefend op de einde-effector, wordt de koppeling ontkoppeld, met de ballen uit de detent gaten van L1verplaatsen.
Het bereik van de beweging van elk gewricht gemeld in de Tabel van de materialen was ook herhaaldelijk getest en gevalideerd. De betrouwbare werking van de robot manipulator gedurende een lange periode van tijd is uitgebreid getest op een foetale phantom en continu gecontroleerd met abdominale scans van interne gezonde vrijwilligers (Figuur 11). De studie werd goedgekeurd door de lokale ethische commissie. 20 vrijwilligers scans voor algemene-abdominale echografie onderzoeken met behulp van de robot manipulator zijn tot nu toe met succes uitgevoerd met de basissoftware controle van de robot, voornamelijk om de betrouwbaarheid en de haalbaarheid van het mechanische ontwerp. Van de phantom ' en ' vrijwilligerswerk studies werd geconcludeerd dat het huidige ontwerp van de robot manipulator het bereik van de vereiste verkeer op de vereiste kracht kan bereiken, en biedt genoeg fijnafstelling om te halen beelden vergelijkbaar met de hand-held werking van de VS sonde voor abdominale imaging. Voor al deze scans, waren geen bezorgdheid over de veiligheid of onaangename gevoelens gevonden door de vrijwilligers. De selectie van motoren, mechanische ratio's van mechanismen en machtsniveaus zijn geverifieerd, zodanig dat zij leiden tot de betrouwbare beweging van de sonde op lichaam van de patiënt, terwijl op hetzelfde moment wat resulteert in vertraging als excessed krachten worden gegenereerd. Verdere details van deze gaande vrijwilliger studie en klinisch bewijs voor het gebruik van de robot zal afzonderlijk worden gepresenteerd.
Figuur 1: Computer aided design (CAD) tekening van alle koppelingen (L0, L1,L2, L-3en L4) en de einde-effector. De vorm van elke link weergegeven voor referentie bij het 3D printen met behulp van de meegeleverde. STL-bestanden. De einde-effector is geïllustreerd met een sonde van de VS in de vergadering opgenomen. Klik hier voor een grotere versie van dit cijfer.
Figuur 2: CAD-tekening van de vereiste extra onderdelen. De vorm van elk onderdeel weergegeven voor referentie bij het 3D printen met behulp van de meegeleverde. STL-bestanden. De componenten bevatten uitloper en schuine kant gears in verschillende maten, een schacht kraag, een koppeling cover en een eind-effector kraag. Klik hier voor een grotere versie van dit cijfer.
Figuur 3: Montage instructie voor J1. De vereiste koppelingen, motoren, tandwielen en lagers worden weergegeven, met sommige structuren gewijzigd in transparante ter illustratie van de vergadering. Klik hier voor een grotere versie van dit cijfer.
Figuur 4: Montage instructie voor J2. De vereiste koppelingen, motoren, tandwielen, bal-voorjaar paren en lagers worden weergegeven, met sommige structuren gewijzigd in transparante ter illustratie van de vergadering. Klik hier voor een grotere versie van dit cijfer.
Figuur 5: Montage instructie voor J3. De vereiste koppelingen, motoren, tandwielen en lagers worden weergegeven met twee perspectief weergaven ter illustratie van de vergadering. Klik hier voor een grotere versie van dit cijfer.
Figuur 6: Montage instructie voor J4. De vereiste koppelingen, motoren, tandwielen en lagers worden weergegeven, met de geassembleerde J4 mechanisme aangegeven. Klik hier voor een grotere versie van dit cijfer.
Figuur 7: Montage instructie voor J5. De vereiste koppeling en einde-effector, motoren en vistuig worden weergegeven, met sommige structuren gewijzigd in transparante ter illustratie van de vergadering. Klik hier voor een grotere versie van dit cijfer.
Figuur 8: samenvatting van de voorgestelde 5-DOF robot manipulator met de einde-effector houden een Amerikaanse sonde. De coördinaat definitie van elk gewricht en de totale omvang van de geassembleerde manipulator worden vermeld. Klik hier voor een grotere versie van dit cijfer.
Figuur 9: CAD-tekening van het globale positionering apparaat voorbeeld. Dit wapen-gebaseerde apparaat wordt gebruikt om te werken met de voorgestelde robot manipulator voor het testen. De notaties en de belangrijkste afmetingen worden weergegeven in de tekening. Klik hier voor een grotere versie van dit cijfer.
Figuur 10: kinematische simulatie van vier verschillende scannen houdingen rond de phantom. Hieruit blijkt een voldoende bereik van de beweging voor een typische abdominale VS scan. Klik hier voor een grotere versie van dit cijfer.
Figuur 11: Amerikaanse robot met behulp van de beschreven protocol geïmplementeerd. (een) de robot manipulator met het voorbeeld globale positionering mechanisme. (b) klinische gebruik van het voorgestelde robot manipulator op een patiënt buikstreek. Klik hier voor een grotere versie van dit cijfer.
Tabel van materialen: technische details van de voorgestelde robot manipulator, met inbegrip van de Denavit - Hartenberg parameters en de gemeenschappelijke specificaties. Klik hier voor een grotere versie van dit cijfer.
Aanvullende bestanden. 3D-printbaar STL bestanden. Klik hier om dit bestand te downloaden.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Discussion
In tegenstelling tot vele andere industriële robots die zijn vertaald in medische toepassingen, is de voorgestelde robot manipulator beschreven in het protocol speciaal ontworpen voor de Amerikaanse onderzoeken volgens klinische eisen voor het bereik van de beweging, toepassing van geweld, en de veiligheid van het beheer. De lichtgewicht robot manipulator zelf heeft een breed scala van bewegingen voldoende voor de meeste extra lichamelijke VS scannen, zonder de noodzaak van grote bewegingen van het global positioning mechanisme. Als de dichtstbijzijnde mechanische structuur aan de patiënt, zijn de voorgestelde links ook speciaal gevormd worden uit de buurt van de patiënt. Met de meeste DOFs ingebed in een compacte manipulator, kan robotic VS scannen met behulp van dit apparaat worden gedaan op een intuïtieve manier vergelijkbaar met menselijke bewerking zonder de noodzaak van een grote ruimte te bezetten. Vanwege al deze functies verwachten we dat het systeem waarna die het protocol kan de acceptatie van clinici en patiënten produceerde, wordt gevalideerd met de vrijwilliger studie gaande. Met de voorgestelde robot manipulator, kunnen verschillende conventionele architecturen voor global positionering worden gebruikt op basis van het specifieke voorschrift, zoals een gantry of plafond montage ontwerpen. Een voorbeeld-apparaat op global positioning werd in dit document gebruikt om de tests van de voorgestelde robot manipulator.
Het huidige protocol stelt dat alle koppelingen kunnen worden afgedrukt met behulp van ABS of PLA kunststof of nylon, gebaseerd op de beschikbaarheid van de lokale 3D-printing, terwijl met behulp van de nylon wordt afgedrukt aangewezen in het algemeen te wijten aan nylon van materiële kracht is. Nog belangrijker is, zoals in het protocol, moeten de extra onderdelen, vooral de versnellingen, worden afgedrukt met nylon of een andere sterke materiaal om de betrouwbaarheid van het systeem. Nieuwe 3D-printing materialen zijn ingevoerd, kan het gebruik van materialen kan worden gewijzigd. Het huidige protocol maakt gebruik van een einde-effector specifiek ontworpen voor een bepaalde Amerikaanse sonde, met 3D-vorm van de sonde gescand door een CT imaging systeem bij het ontwerp van het innerlijke Profiel van de einde-effector. Wanneer de manipulator wordt gebruikt met andere Amerikaanse sondes met verschillende vormen, is het belangrijk om ervoor te zorgen dat het innerlijke Profiel van de einde-effector is herontworpen om strak overeenkomen met de buitenste Profiel van de Amerikaanse sonde, teneinde te waarborgen van het veilig houden van de sonde. De 3D-vorm en profiel van de sonde kunnen ook verkregen worden bij andere soorten 3D scannen. Bovendien moet opgemerkt worden dat sommige van de ontwerpdetails beschreven in het protocol, zoals exacte vormen en afmetingen, schacht maten, montage keyways, schroeven en gebruik van lagers, kan worden gewijzigd. Om dezelfde reden, worden enkele van de details niet verstrekt wanneer zij uiteraard gebaseerd zijn op gemeenschappelijke kennis van mechanische ontwerp.
Het huidige ontwerp heeft een passieve mechanische koppeling die kan worden aangepast en gebruikt voor het beperken van de maximale kracht uitgeoefend op de patiënt. Dit is een veiligheidsvoorziening die niet afhankelijk is van een elektrische systemen of software logica, die de fundamentele veiligheid garandeert van het gebruik van de robot voor ons onderzoek. Het activerende punt was ingesteld op basis van het bereik van eerdere metingen21 van de verticale kracht die door menselijke operatoren aan de patiënten tijdens normale Amerikaanse scans, evenals de vergelijkbare resultaten gemeld uit de bestaande literatuur18, beide die suggereren dat de maximale verticale kracht meestal niet groter is dan 20 N. Dit was de voorwaarde dat de kracht van de trigger van de koppeling meer dan 20 N met enkele gegeven toelagen moet worden gelijkgesteld. Het bedrag van de startconditie van kracht kan worden aangepast door het aantal bal-voorjaar paren, de constante van de lente, de grootte van de gaten detent en de preloading van de veren22te wijzigen. Een mogelijke wijziging van het ontworpen protocol hiervoor is te wijzigen van het aantal gaatjes voor het houden van de bal-voorjaar paren in L2. In de praktijk, bij het gebruik van het voorgestelde systeem, de juiste werking van de koppeling gemakkelijk kan worden gecontroleerd door handmatig draaien van het gewricht van de koppeling en met de koppeling disengage en opnieuw gaan voordat alle robotic Amerikaanse onderzoek is verricht. In het huidige protocol, is de koppeling van de veiligheid alleen toegepast op J2 als dit gezamenlijke is ontworpen om het uitlijnen van de sonde met het oppervlak van de buik en kan direct worden gebruikt voor het beperken van de verticale kracht die uitgeoefend wordt op de patiënt door de Amerikaanse sonde. Met een soortgelijk concept, kan een koppeling van de veiligheid ook worden geïmplementeerd voor de J1 spur versnelling, waardoor de veiligheid van de J1 roterende beweging van de volgende structuren. Dit wordt niet gezien als een functie van de essentiële veiligheidseisen in het huidige protocol, maar zou een mogelijke wijziging voor een gefinaliseerde versie. De laatste drie gewrichten, J3J4en J5, worden gebruikt voor kleine aanpassingen van de sonde de oriëntatie. Kinematically, ze worden niet gebruikt voor het genereren van een buitensporig geweld en meestal geen te botsen met elk obstakel. Om te minimaliseren van de grootte en het gewicht van de voorgestelde manipulator, wordt een mechanische koppeling van veiligheid niet voorgesteld voor deze drie gewrichten in elke wijziging van het protocol.
Het protocol hier gepresenteerd om te bouwen van de voorgestelde manipulator voor ons onderzoeken, de dezelfde betrouwbaarheid van het mechanische systeem, het zelfde bereik van beweging, vergelijkbare gewichten van de hele manipulator, en een soortgelijk niveau van de startconditie kracht van de koppeling volgen verwacht zoals in deze paper worden gemeld. De herhaalbaarheid en de nauwkeurigheid van de bewegingen, alsmede de herhaalbaarheid van de exacte activerende werking niveau van de mechanische koppeling, zou echter sterk afhangen van de 3D-printing en de nauwkeurigheid van de vergadering in vergelijking met de CAD-ontwerpen. Dit kan niet worden gegarandeerd voor de huidige prototype als een lab gebaseerde low-end 3D-afdrukservice werd gebruikt voor de productie en de montage werd handmatig gedaan met het oog op de voorlopige prototyping. Verwacht wordt dat een industriële niveau van productie en assemblage na het ontwerp-protocol leiden goede herhaalbaarheid en hoge nauwkeurigheid tot zou, hoewel dit momenteel niet ons doel is voordat het systeem wordt gemaakt in een eindproduct voor de klinische proef. Het testen van de prestaties zou vereisen ook een afzonderlijk protocol, dat bestaat uit kinematische modellering, een robotachtige beheermethode, volgen van beweging en methoden voor kalibratie, en, dus, niet is opgenomen in het huidige document. Ook worden de precisie van de controle en de reactie van de voorgestelde manipulator bepaald door de motorische controle methode algoritme van de Vermogenssturing van de robot en de communicatie tussen de elektronica van de manipulator en de controle-interface. Omdat deze het doel van het huidige protocol buiten van de invoering van het nieuwe mechanische ontwerp en kunnen worden geïmplementeerd met vele bestaande architecturen, worden details niet verstrekt in dit document.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Disclosures
De auteurs hebben niets te onthullen.
Acknowledgments
Dit werk werd ondersteund door de Wellcome Trust IEH Award [102431] en door de Wellcome/EPSRC centrum voor Medical Engineering [WT203148/Z/16/Z]. De auteurs erkennen financiële steun van het ministerie van volksgezondheid via het National Institute for Health onderzoek (NIHR) uitgebreide Biomedical Research Centre award naar Guy's & St Thomas' NHS Foundation Trust in samenwerking met de koning van College London en 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).
