Summary
Questo documento introduce la progettazione e la realizzazione di un manipolatore robotico su misura per l'esame di ultrasuono extracorporea. Il sistema ha cinque gradi di libertà con leggere giunti realizzati da stampa 3D e una frizione meccanica per la gestione della sicurezza.
Abstract
Con il potenziale di alta precisione, destrezza e ripetibilità, un sistema robotico self-cingolato possa essere impiegato per aiutare l'acquisizione di ultrasuono in tempo reale. Tuttavia, un numero limitato di robot progettati per ultrasuoni extracorporea è stati tradotti con successo in uso clinico. In questo studio, ci proponiamo di costruire un manipolatore robotico su misura per l'esame di ultrasuono extra-corporea, che è leggero e ha un ingombro ridotto. Il robot è formato da cinque collegamenti appositamente sagomati e su misura meccanismi comuni per la manipolazione della sonda, per coprire la gamma necessaria di movimento con gradi di liberta ' ridondante per garantire la sicurezza del paziente. La sicurezza meccanica è data risalto a con un meccanismo a frizione, per limitare la forza applicata ai pazienti. Come risultato, il design, il peso totale del manipolatore è meno di 2 kg e la lunghezza del manipolatore è di circa 25 cm. Il design è stato implementato e simulazione, sono stati effettuati studi di fantasma e di volontariato, per convalidare la gamma di movimento, la possibilità di effettuare regolazioni di precisione, affidabilità meccanica e la sicurezza di funzionamento della frizione. Questa carta i dettagli di progettazione e realizzazione del manipolatore su misura ad ultrasuoni robotizzata, con i metodi di progettazione e assemblaggio illustrati. Risultati della prova per dimostrare le caratteristiche di design e l'esperienza clinica di utilizzo del sistema sono presentati. È concluso che l'attuale manipolatore robotico proposto soddisfa i requisiti come un sistema su misura per l'esame di ultrasuono extracorporea e ha un grande potenziale per essere tradotta in uso clinico.
Introduction
Un sistema a ultrasuoni robotizzato extracorporea (US) si riferisce alla configurazione in cui un sistema robotico è utilizzato per contenere e manipolare una sonda statunitense per esami esterni, tra cui il suo utilizzo nella formazione immagine addominale cardiaca, vascolare, ostetrica e generale1 . L'uso di un tale sistema robotico è motivato dalle sfide del manualmente tenendo e manipolare una sonda degli Stati Uniti, per esempio, la sfida di trovare viste US standard richieste dai protocolli di imaging clinici e il rischio di sforzi ripetuti infortuni2, 3,4, e anche dalle esigenze di noi programmi di screening, per esempio, il requisito per sperimentato ecografisti per essere in loco5,6. Con accentuazioni diverse funzionalità e anatomie destinazione, diversi sistemi robotici US, come Recensito in precedenti opere1,7,8, sono state introdotte dal 1990, per migliorare diversi aspetti degli Stati Uniti esame (ad es., interurbano Teleoperazione9,10,11,12, così come l'interazione robot-operatore e controllo automatico)13, 14. oltre i sistemi robotici US utilizzati per scopi diagnostici, robotica ad alta intensità concentrata sistemi ad ultrasuoni (HIFU) per fini di trattamento ampiamente sono stati studiati come sintetizzato da Priester et al. 1, con alcune recenti opere15,16 , segnalazione degli ultimi progressi.
Anche se diversi sistemi robotici di US sono stati sviluppati con tecnologie relativamente affidabili per controllo e la gestione clinica, solo pochi di loro sono state tradotte correttamente in uso clinico, ad esempio un sistema di tele-ecografia commercialmente disponibili 17. una possibile ragione è il basso livello di accettazione per grandi dimensioni alla ricerca industriale robot lavora in un ambiente clinico, dal punto di vista di entrambi i pazienti ed ecografisti. Inoltre, per la gestione della sicurezza, la maggior parte dei robot US esistenti si basa su sensori di forza per monitorare e controllare la pressione applicata alla sonda US, mentre più fondamentali meccanismi meccanici di sicurezza per limitare la forza passiva non sono solitamente disponibili . Ciò potrebbe causare problemi anche quando si traduce in uso clinico in quanto la sicurezza del funzionamento del robot sarebbe puramente dipenda su impianti elettrici e software logica.
Con gli avanzamenti recenti di 3D tecniche, appositamente sagomati plastica collegamenti con meccanismi comuni su ordine di stampa potrebbe fornire una nuova opportunità per sviluppare robot medicali su misura. Accuratamente progettati componenti leggeri con un aspetto compatto potrebbero migliorare l'accettazione clinica. In particolare per l'esame degli Stati Uniti, un robot medico su misura volto a essere tradotta in uso clinico deve essere compatto, con sufficienti gradi di libertà (DOF) e la gamma di movimento per coprire l'area di interesse di una scansione; ad esempio, la superficie addominale, compreso la parte superiore e lati del ventre. Inoltre, il robot dovrebbe includere anche la possibilità di eseguire una regolazione fine della sonda statunitense in una zona che, quando si cerca di ottimizzare una vista degli Stati Uniti. Questo in genere include movimenti di oscillazione della sonda entro un certo intervallo, come suggerito da Essomba et al. 18 e19di grazie. Per risolvere ulteriormente i problemi di sicurezza, si prevede che il sistema dovrebbe avere caratteristiche di sicurezza meccanica passiva che sono indipendenti di sistemi elettrici e logica software.
In questa carta, presentiamo il metodo dettagliato di progettazione e assemblaggio di un manipolatore robotico abile 5-DOF, che è usato come il componente chiave di un sistema robotico extracorporea, US. Il manipolatore è costituito da diversi link 3D-stampabile leggera, meccanismi comuni su misura e una frizione di sicurezza incorporato. La disposizione specifica dei gradi di libertà fornisce piena flessibilità per regolazioni di sonda, permettendo operazioni di facile e sicure in una piccola area senza entrare in collisione con il paziente. Il manipolatore di multi-DOF proposto mira a lavorare come la componente principale che è a contatto con i pazienti e si può essere semplicemente collegata a qualsiasi meccanismo di posizionamento globale convenzionale 3-DOF per formare un completo robot US con gradi di libertà completamente attivi per eseguire una scansione di US.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Protocol
1. preparazione di ogni collegamento, attuatore e componenti aggiuntivi
- Stampare tutti i collegamenti (L0, L1, L2, L3e L-4) e l'attuatore come mostrato in Figura 1, con acrilonitrile-butadiene-stirene (ABS) di plastica, plastica di (PLA) acido polilattico o nylon, utilizzando un 3D-stampa servizio. Uso il. File STL forniti nei Materiali supplementari durante la stampa.
Nota: Cambiamenti nella forma e scala di ogni parte possono essere fatto basati sul file forniti. Il profilo interno dell'attuatore può essere cambiato per misura diverse sonde di US. - Stampare tutti i componenti aggiuntivi necessari, come illustrato nella Figura 2 in nylon, utilizzando un servizio di stampa 3D. Fare riferimento alla Tabella materiali per il numero richiesto di ogni componente. Uso il. File STL forniti nei Materiali supplementari durante la stampa.
- Lucidare tutte le parti in plastica stampate con lucidatura strumenti se necessario. Rimuovere eventuali materiali di supporto lasciato da stampa 3D, se necessario.
Nota: Alcune strutture nel disegno attuatore forniti sono per un sensore di forza, che non è una parte del protocollo segnalato qui e non si utilizzerà per l'assembly. Il concetto di design del sensore di forza è stato segnalato nel precedente lavoro20; così, non è coperto in questa carta.
2. montaggio del giunto 1
Nota: Il montaggio di giunto 1 (J1) si basa sulla Figura 3.
- Posizionare i quattro motori passo a passo piccolo, innestato (con 20-denti ingranaggi di dente cilindrico collegati) nelle cavità montaggio di L0 e montarle con viti.
- Inserire i due cuscinetti OD 37 mm gli alloggiamenti dei cuscinetti di L0 e fissare la ruota dentata 120-denti (tipo A) sulla chiave esagonale di L1.
- Inserire l'albero su L1 nel foro dell'albero L0 con i quattro piccoli ingranaggi di dente cilindrico guida e il grande, ingranaggio di dente cilindrico impegnato, condotto e assemblare il collare del pozzo per garantire e mantenere l'albero.
3. montaggio del giunto 2
Nota: L'Assemblea del comune 2 (J2) si basa sulla Figura 4.
- Posizionare i quattro motori passo a passo piccolo, innestato (con 20-denti ingranaggi di dente cilindrico collegati) nelle cavità montaggio di L1 e montarle con viti.
- Collegare i due ingranaggi di dente cilindrico di 120-denti (tipo B) di due cuscinetti OD 37 mm e posizione li nelle cavità dell'ingranaggio di L1, con l'ingranaggio di dente cilindrico di 120-denti (tipo B) impegnate con gli ingranaggi di dente cilindrico 20-denti montati sui motori. Svitare e riavvitare il motore se necessario per consentire il facile posizionamento dell'ingranaggio di dente cilindrico tipo B due 120-denti.
- Allineare L1 L2 e inserire il cuscinetto e le coppie di sfera-molla nei fori della frizione in L2. Con i due coperchi frizione rotondo allineando e spingendo la molla verso il meccanismo di frizione per il precaricamento, inserire un bullone M6 nei fori di L1 ed L2.
- Ruotare il gruppo verso l'altro lato e ripetere i passaggi in 3.3 per questo lato. Fissare il gruppo collegando un dado al bullone M6.
4. montaggio del comune 3
Nota: L'Assemblea del comune 3 (J3) si basa sulla Figura 5.
- Posizionare i due motori passo-passo piccolo, innestato (con 20-denti ingranaggi di dente cilindrico collegati) nelle cavità montaggio di L2 e montarle con viti.
- Posizionare il 37 mm di diametro cuscinetto nella sede del cuscinetto dell'ingranaggio di dente cilindrico 120-denti (tipo C) e inserire il 32 mm di diametro cuscinetto nel supporto cuscinetti di L3.
- Fissare il grande ingranaggio di dente cilindrico nel buco della serratura di esagono di L3 (viti aggiuntive possono essere utilizzate se necessario) e inserire l'albero su L2 nei fori sul grande ingranaggio di dente cilindrico e L3, con il piccolo e grandi Sperone ingranaggi impegnati.
5. montaggio del meccanismo di guida del comune 4
Nota: Il montaggio di 4 comuni (J4) si basa sulla Figura 6.
- Posizionare i due motori passo-passo piccolo, innestato nelle cavità montaggio di L3 e montarle con viti. Inserire i cuscinetti OD 8 mm gli alloggiamenti dei cuscinetti di L4.
- Montare l'ingranaggio di dente cilindrico lungo 20-denti sui due motori passo passo piccolo.
6. montaggio del meccanismo guidato di snodo 4 e 5 comuni
Nota: Il montaggio di 4 comuni (J4) si basa sulla Figura 6 e giunto 5 (J5) si basa sulla Figura 7.
- Posizionare il 144 denti conici ingranaggio condotto sull'estrusione di L4.
- Posizionare i due motori passo-passo piccolo, innestato (con 18-denti conici ingranaggi collegati) nelle cavità di L4 montaggio e montarle con viti. Infine, inserire l'albero di M5 sul foro dell'albero della L3 e L4 dopo i due link sono allineati. Garantire il costruito in strutture di ingranaggio condotto su L4 partite con l'ingranaggio di dente cilindrico lungo 20 denti.
- Inserire l'attuatore nella scanalatura grandi ingranaggi conici e posizionare verticalmente l'attuatore con il collare di attuatore avvitato su di esso.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Representative Results
In seguito il protocollo, il sistema risultante è un manipolatore robotico con cinque collegamenti appositamente sagomati (L0 a L4) e cinque articolazioni revolute (J1 a J5) per lo spostamento, tenendo e inclinazione localmente una sonda statunitense (Figura 8). Il giunto di rotazione superiore (J1), con meccanismi di ingranaggio azionati da quattro motori, possa ruotare le seguenti strutture a 360 °, per consentire la sonda statunitense a puntare verso differenti lati dell'area di scansione, come il top, fondo e i lati dell'addome. Il principale giunto inclinabile (J2), con meccanismi di ingranaggio azionati da quattro motori, viene utilizzato per inclinare verso il basso la sonda per allinearlo con la superficie dell'area di scansione. Come questa articolazione è anche fondamentale per la gestione della forza, è stata incorporata una frizione meccanica con palle, molle e fori di ritenzione. Le ultime tre ortogonali articolazioni revolute (J3, J4e J5), con meccanismi di ingranaggio azionati da due motori ciascuno, vengono utilizzati per controllare la rotazione assiale e inclinazione della sonda, che consente regolazioni fini della sonda in una zona locale. L'ultimo giunto revoluto, J5, permette anche il montaggio di una sonda statunitense in un attuatore appositamente sagomati. Il peso totale e la lunghezza del manipolatore robotico proposto, che è l'unica struttura solitamente sopra il corpo del paziente, distano meno di 2 kg e 25 cm. Il risultato del progetto è tale che una vasta gamma di posizioni della sonda è raggiungibile con solo piccoli movimenti delle rimanenti quando si utilizza il manipolatore di US robotic proposto meccanismo di posizionamento globale. Considerando solo il manipolatore proposto in proprio, la sonda può essere ruotata assialmente in qualsiasi angolazione, inclinato per seguire una superficie angolata tra 0° e 110° in orizzontale in qualsiasi direzione e posizionato all'interno di un cerchio con un diametro di 360 mm. Inoltre, la giunti revolute J3 e J4 offrono un angolo di ribaltamento, in due direzioni, nelle gamme di-180 ° a 180 ° e -30 ° a 45 °, che viene utilizzato per le regolazioni fini locali della sonda US. Le catene dei movimenti e gli angoli di inclinazione si incontrano gli intervalli necessari per ottenere una finestra acustica ideale per esami US come suggerito da Essomba et al. 18 e19di grazie. I dettagli tecnici del manipolatore robotico proposto sono riassunti nella Tabella materiali (parametri di Denavit-Hartenberg e specifiche comuni), sulla base delle definizioni delle coordinate illustrate nella Figura 8. Il costo stimato del sistema è 500 GBP, basato sull'attuale metodo di fabbricazione, componenti e materiali.
Ad esempio utilizzato in questa ricerca, abbiamo impiegato un sistema di posizionamento globale che ha un giunto revoluto (R1) con un meccanismo a catena per la rotazione completa del braccio e un due-bar basati su arm set di meccanismi di collegamento parallelo (R2 e R3) con unità dell'ingranaggio a vite (Figura 9). Questo meccanismo 3-DOF funzionerà con il manipolatore di proposta 5-DOF per formare un sistema completo di US robotic. Basato sul manipolatore robotico proposto e l'opzione utilizzata per questa ricerca di posizionamento globale di esempio, la figura 10 Mostra un esempio di simulazione del robot in posizioni intorno un fantasma addominale, dimostrando che è in grado di raggiungere intorno a entrambi i lati dell'addome e una gamma di posizioni sulla parte superiore. Il design delle articolazioni ridondanti nel sistema, in particolare le configurazioni di J1 e J2, permette alla sonda di grandi angoli di ribaltamento con la maggior parte delle strutture meccaniche ancora stare lontano dal corpo del paziente, come si può osservare in Figura 10. Di conseguenza, con i giunti ultimi tre (J3, J4e J5) specificati per ruotare all'interno di intervalli limitati per le regolazioni fini inclinabile, è evitare conflitto tra le parti in movimento del robot e il corpo del paziente.
Con l'elettronica e il sistema di controllo motore passo-passo convenzionale sviluppato, sono stati effettuati esperimenti per testare la forza di uscita e convalidare l'intervallo di movimento previsto. L'unità di controllo corrente è una casella con microcontrollori, stepper motor driver, alimentazione e regolatori e altri componenti elettronici di supporto inclusi. La dimensione complessiva della casella di controllo è lunga 40 cm, larghezza 23 cm e 12 cm di profondità. Basato sui test ripetuti del sistema, la forza massima che il manipolatore robotico attualmente può esercitare è impostata a 27 N prima che la frizione di sicurezza meccanica è attivata, specificare l'output forza gamma del sistema proposto a 0 - 27 N. Con la configurazione della frizione meccanica, viene verificata da prova ripetuta che nella posizione predefinita, quando la frizione è innestata, le palline sono parzialmente nei fori di ritenzione di L1. Di conseguenza, i movimenti degli ingranaggi di dente cilindrico azionati, grandi azionare L2. Tuttavia, quando l'attuatore è esercitata una forza eccessiva, la frizione è disinnestata, con le sfere che si muovono fuori i fori di ritenzione di L1.
La gamma di movimento di ogni articolazione segnalati nella Tabella materiali anche ripetutamente è stata testata e convalidata. Il funzionamento affidabile del manipolatore robotico per un lungo periodo di tempo è stato ampiamente testato su un fantasma fetale e continuamente verificato con scansioni addominali di volontari sani interni (Figura 11). Lo studio è stato approvato dal comitato etico locale. Finora, 20 scansioni volontari per gli esami di ecografia addominale generale usando il manipolatore robotico sono stati effettuati con successo con il controllo di software di base del robot, principalmente per valutare l'affidabilità e la fattibilità della progettazione meccanica. È stato concluso dagli studi fantasma e volontari che la struttura corrente del manipolatore robotico possa raggiungere la gamma di movimento richiesto presso la forza necessaria e fornisce abbastanza regolazione fine per ottenere immagini simili per il funzionamento manuale degli Stati Uniti sonda per l'imaging addominale. Per tutte queste scansioni, senza preoccupazioni di sicurezza o a disagio sentimenti sono stati segnalati dai volontari. La selezione dei motori, i rapporti meccanici di meccanismi e livelli di potenza sono stati verificati tali che garantiscono l'affidabile movimento della sonda sul corpo del paziente, mentre allo stesso tempo conseguente slittamento se excessed forze vengono generate. Maggiori dettagli di questo studio su volontari in corso e la prova clinica per l'uso del robot saranno presentati separatamente.
Figura 1: Computer-aided design (CAD) disegno di tutti i collegamenti (L0, L1,L2, L3e L-4) e l'attuatore. La forma di ogni collegamento viene mostrata per riferimento quando si stampa utilizzando l'oggetto 3D. File STL. L'attuatore è illustrato con una sonda statunitense inclusa nell'assembly. Clicca qui per visualizzare una versione più grande di questa figura.
Figura 2: disegno dei componenti aggiuntivi necessari CAD. La forma di ogni componente viene mostrata per riferimento quando si stampa utilizzando l'oggetto 3D. File STL. I componenti includono sperone e ingranaggi conici in diverse dimensioni, un collare dell'albero, un coperchio frizione e un collare di attuatore. Clicca qui per visualizzare una versione più grande di questa figura.
Figura 3: istruzioni di montaggio per J1. Vengono visualizzati i collegamenti necessari, motori, ingranaggi e cuscinetti, con alcune strutture cambiati in trasparente per illustrare l'assembly. Clicca qui per visualizzare una versione più grande di questa figura.
Figura 4: istruzioni di montaggio per J2. Vengono visualizzati i collegamenti necessari, motori, ingranaggi, coppie di sfera-molla e cuscinetti, con alcune strutture cambiati in trasparente per illustrare l'assembly. Clicca qui per visualizzare una versione più grande di questa figura.
Figura 5: istruzioni di montaggio per J3. I collegamenti necessari, motori, ingranaggi e cuscinetti sono visualizzati con due viste prospettiche per illustrare l'assembly. Clicca qui per visualizzare una versione più grande di questa figura.
Figura 6: Istruzioni di montaggio per J4. i collegamenti necessari, motori, ingranaggi e cuscinetti sono indicati, con il meccanismo di4 J assemblato indicato. Clicca qui per visualizzare una versione più grande di questa figura.
Figura 7: istruzioni di montaggio per J5. Il collegamento richiesto e attuatore, motori e riduttori vengono visualizzati, con alcune strutture cambiati in trasparente per illustrare l'assembly. Clicca qui per visualizzare una versione più grande di questa figura.
Figura 8: riepilogo del manipolatore robotico proposto 5-DOF con l'attuatore che tiene una sonda US. La definizione delle coordinate di ogni articolazione e le dimensioni complessive del manipolatore assemblato sono indicati. Clicca qui per visualizzare una versione più grande di questa figura.
Figura 9: disegno dell'esempio dispositivo di posizionamento globale CAD. Questo dispositivo basato su arm è utilizzato per lavorare con il manipolatore robotico proposto per il test. Le notazioni e le dimensioni principali sono mostrate nel disegno. Clicca qui per visualizzare una versione più grande di questa figura.
Figura 10: simulazione cinematica di quattro diverse posture scansione intorno phantom. Questo dimostra un'adeguata libertà di movimento per un'esplorazione addominale tipica di US. Clicca qui per visualizzare una versione più grande di questa figura.
Figura 11: implementato robot US utilizzando il protocollo descritto. (un) il manipolatore robotico con l'esempio di meccanismo di posizionamento globale. (b) clinico utilizzare il manipolatore robotico proposto sulla zona addominale di un paziente. Clicca qui per visualizzare una versione più grande di questa figura.
Tabella materiali: dettagli tecnici del manipolatore robotico proposto, tra cui il Denavit - Hartenberg i parametri e le specifiche comuni. Clicca qui per visualizzare una versione più grande di questa figura.
Complementare file. 3D file stampabili di STL. Per favore clicca qui per scaricare questo file.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Discussion
A differenza di molti altri robot industriali che sono state tradotte in applicazioni mediche, il manipolatore robotico proposto descritto nel protocollo è stato specificamente progettato per gli esami US secondo esigenze cliniche per la gamma di movimento, applicazione di forza e di gestione della sicurezza. Il manipolatore robotico leggero stessa ha una vasta gamma di movimenti sufficiente per la maggior parte extra-corporea US scansione, senza la necessità di grandi movimenti del meccanismo di posizionamento globale. Come la più vicina struttura meccanica per il paziente, i link proposti sono anche appositamente sagomati per essere lontano dal paziente. Con la maggior parte dei gradi di libertà incorporati in un manipolatore compatto, robotico US scansione utilizzando questo dispositivo può essere fatto in modo intuitivo simile operazione umana senza la necessità di occupare un grande spazio. A causa di tutte queste caratteristiche, ci aspettiamo che il sistema prodotto segue il protocollo potrebbe farsi accettare da medici e pazienti, che viene convalidato con lo studio di volontariato in corso. Con il manipolatore robotico proposto, possono essere utilizzati diverse architetture convenzionali per posizionamento globale basata sul requisito particolare, ad esempio un cavalletto o disegni per montaggio a soffitto. Un dispositivo di posizionamento globale di esempio utilizzato in questo documento per abilitare i test del manipolatore robotico proposto.
Il protocollo attuale suggerisce che tutti i collegamenti possono essere stampati utilizzando ABS o PLA plastica o nylon, basato sulla disponibilità del servizio di stampa 3D locale, mentre utilizzando il nylon stampa è comodo in generale a causa della resistenza del materiale di nylon. Cosa importante, come indicato nel protocollo, i componenti aggiuntivi, soprattutto gli ingranaggi, devono essere stampati con nylon o un altro materiale forte per garantire l'affidabilità del sistema. Come vengono introdotti nuovi materiali di stampa 3D, l'utilizzo di materiali potrebbe essere alterato. L'attuale protocollo impiega un attuatore specificamente progettato per una particolare sonda statunitense, con forma 3D della sonda, analizzato da un CT sistema di imaging per assistere il design del profilo interno dell'attuatore. Quando il manipolatore è usato con altri US sonde con forme diverse, è importante assicurarsi che il profilo interno dell'attuatore è stato riprogettato per abbinare strettamente con il profilo esterno della sonda US, al fine di garantire lo svolgimento sicuro di sonda. La forma 3D e il profilo della sonda può essere ottenuti anche da altri tipi di scansione 3D. Inoltre, si deve osservare che alcuni dettagli design descritti nel protocollo, come esatte forme e dimensioni, dimensioni dell'asse, le scanalature di montaggio, viti e utilizzo di cuscinetti, potrebbe essere alterato. Per lo stesso motivo, alcuni dettagli non vengono forniti quando sono ovviamente basati su conoscenza comune di progettazione meccanica.
Il design attuale ha una frizione meccanica passiva che può essere regolata e utilizzata per limitare la forza massima applicata al paziente. Si tratta di una caratteristica di sicurezza che non si basano su sistemi elettrici o software logic, che garantisce la sicurezza fondamentale di utilizzare il robot per noi gli esami. Il punto di innesco è stato set di base della gamma da precedente misure21 della forza verticale applicata dagli operatori umani ai pazienti durante le normali US scansioni, come pure simili risultati riportati dalla letteratura esistente18, entrambi che suggeriscono che la forza verticale massima solitamente non superi 20 N. Ciò è stata trattata come il presupposto che la forza di innesco della frizione deve essere più di 20 N con alcune indennità determinata. La quantità di attivazione di forza può essere regolata modificando il numero di coppie di sfera-molla, la costante elastica, la dimensione dei fori di ritenzione e il precarico delle molle22. Una potenziale modifica del protocollo progettato per questo è per modificare il numero di cavità per le coppie di sfera-molla della tenuta in L2. In pratica, quando si utilizza il sistema proposto, il corretto funzionamento della frizione può essere facilmente verificato manualmente ruotando il giunto a frizione e avendo la disqualifica frizione e coinvolgere nuovamente prima che venga eseguita qualsiasi robot esame degli Stati Uniti. Nel protocollo attuale, la frizione di sicurezza viene applicata solo al J2 come questo giunto è stato progettato per allineare la sonda con la superficie dell'addome e può essere direttamente utilizzato per limitare la forza verticale esercitata sul paziente dalla sonda statunitense. Con un concetto simile, una frizione di sicurezza possa anche essere implementata per l'ingranaggio cilindrico di1 J, che garantirà la sicurezza del movimento rotazionale J1 delle seguenti strutture. Questo non è visto come una caratteristica di sicurezza essenziali nel protocollo attuale, ma potrebbe essere una potenziale modifica per una versione definitiva. Le ultime tre articolazioni, J3, J4e J5, sono utilizzati per le regolazioni fini di orientamento della sonda. Cinematico, essi non vengono utilizzati per generare una forza eccessiva e non sono suscettibili di si scontrano con ostacoli. Per ridurre al minimo le dimensioni e il peso del manipolatore proposto, una frizione meccanica di sicurezza non è suggerita per questi tre giunti a qualsiasi modifica del protocollo.
Seguendo il protocollo presentato qui per costruire il manipolatore proposto per noi gli esami, la stessa affidabilità del sistema meccanico, gli stessi intervalli di movimento, simili pesi del manipolatore tutto e un livello di forza della frizione di avviamento sono previsto come sono riferiti in questa carta. Tuttavia, la ripetibilità e la precisione dei movimenti, così come la ripetibilità dell'esatto livello di forza scatenante di frizione meccanica, fortemente dipenderebbe la stampa 3D e la precisione di montaggio rispetto al disegno CAD. Questo non può essere garantito per il prototipo attuale come un servizio di stampa 3D low-end basato su lab è stato utilizzato per la produzione e l'assemblaggio è stato fatto manualmente allo scopo di prototipazione preliminare. Si prevede che un livello industriale di fabbricazione ed assemblaggio seguendo il protocollo di progettazione comporterebbe buona ripetibilità e precisione, anche se questo non è al momento il nostro obiettivo prima che il sistema è fatto in un prodotto finale per sperimentazione clinica. Il test delle prestazioni richiederebbe inoltre un protocollo separato, che include la modellazione cinematica, un metodo di controllo robotico, il tracciamento del movimento e metodi di calibrazione e non è, pertanto, inclusa nel documento corrente. Allo stesso modo, la precisione di controllo e la risposta del manipolatore proposto sono determinate dal metodo di controllo del motore, algoritmo di controllo del robot e della comunicazione tra l'elettronica del manipolatore e l'interfaccia di controllo. Come questi sono oltre lo scopo del protocollo corrente di introdurre la nuova progettazione meccanica e può essere implementati utilizzando molte architetture esistenti, dettagli non vengono forniti in questo documento.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Disclosures
Gli autori non hanno nulla a rivelare.
Acknowledgments
Questo lavoro è stato supportato dal Wellcome Trust IEH Award [102431] e dal centro della Wellcome/EPSRC Medical Engineering [WT203148/Z/16/Z]. Gli autori riconoscono sostegno finanziario dal dipartimento della salute tramite l'Istituto nazionale per il premio centro di ricerca biomedica completa salute ricerca (NIHR) di Guy & St. Thomas' s NHS Foundation Trust in collaborazione con il re di College di Londra e del Re 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).
