Summary
Este documento apresenta a concepção e implementação de um manipulador robótico sob medida para exame ultra-sonográfico extra corpórea. O sistema possui cinco graus de liberdade com articulações leves feitas por impressão 3D e uma embraiagem mecânica para gestão da segurança.
Abstract
Com o potencial de alta precisão, destreza e repetibilidade, um sistema robótico Self controlado pode ser empregado para auxiliar a aquisição de ultra-som em tempo real. No entanto, números limitados de robôs projetados para ultra-som extra corpórea foram traduzidos com êxito para uso clínico. Neste estudo, pretendemos construir um manipulador robótico sob medido para o exame de ultra-som extra corpórea, que é leve e tem uma pegada pequena. O robô é formado por cinco links de forma especial e sob medidos conjuntos mecanismos para manipulação de sonda, para cobrir o alcance necessário de movimento com redundantes de graus de liberdade para garantir a segurança do paciente. A segurança mecânica é enfatizada com um mecanismo de embreagem, para limitar a força aplicada aos pacientes. Como resultado do projeto, o peso total do manipulator é inferior a 2 kg e o comprimento do manipulator é cerca de 25 cm. O projeto foi implementado e simulação, foram efectuados estudos de fantasmas e voluntários, para validar a amplitude de movimento, a capacidade de fazer ajustes finos, confiabilidade mecânica e a operação segura da embreagem. Este documento detalha a concepção e implementação do manipulator ultrassom robótico sob medida, com os métodos de concepção e montagem ilustrados. Resultados de testes para demonstrar os recursos de design e experiência clínica do uso do sistema são apresentados. Conclui-se que o atual manipulador robótico proposto atende aos requisitos como um sistema sob medido para exame ultra-sonográfico extra corpórea e tem um grande potencial para ser traduzido para uso clínico.
Introduction
Um sistema de ultrassom robótico extra corpórea (EUA) refere-se à configuração no qual um sistema robótico é utilizado para segurar e manipular uma sonda dos EUA para exames externos, incluindo seu uso em imagiologia abdominal cardíaca, vascular, obstétrica e geral1 . O uso de tal sistema robótico é motivado por desafios de manualmente, segurar e manipular uma sonda dos EUA, por exemplo, o desafio de encontrar vistas dos EUA padrão exigidas pelos protocolos clínicos de imagem e o risco de lesão de esforço repetitivo2, 3,4, e também pelas necessidades de nos programas de rastreio, por exemplo, a exigência de experimentou os sonografistas para estar no local5,6. Com ênfases diferentes funcionalidades e anatomias de alvo, vários sistemas robóticos de E.U., como comentado em anteriores trabalhos1,7,8, foram introduzidos desde a década de 1990, para melhorar aspectos diferentes dos E.U. exame (por exemplo, Teleoperação longa distância9,10,11,12, bem como interação robô-operador e controle automático)13, 14. além dos sistemas de E.U. robóticos usados para fins de diagnóstico, robótica alta intensidade focada sistemas de ultra-som (HIFU) para fins de tratamento têm sido amplamente investigados como sumariado por Priester et al 1, com alguns recentes trabalhos15,16 relatando os progressos mais recentes.
Embora vários sistemas robóticos de E.U. foram desenvolvidos com tecnologias relativamente confiáveis para controle e operação clínica, apenas alguns deles foram traduzidos com êxito para uso clínico, tais como um sistema de tele-ultra-som disponíveis comercialmente 17. uma das possível razões é o baixo nível de aceitação para robôs industriais-olhando de grande porte trabalhando em um ambiente clínico, do ponto de vista de ambos os pacientes e os sonografistas. Além disso, para a gestão de segurança, a maioria dos robôs existentes EUA depende de sensores de força para monitorar e controlar a pressão aplicada à sonda dos EUA, enquanto mecanismos de segurança mecânica mais fundamentais para limitar a força passiva geralmente não estão disponíveis . Isso também pode causar preocupações quando traduzindo para uso clínico, como a segurança da operação do robô seria puramente dependente de sistemas elétricos e lógica do software.
Com os avanços recentes da 3D impressão técnicas, especialmente em forma de ligações de plástico com mecanismos comuns sob medidos poderia fornecer uma nova oportunidade para desenvolver robôs médicos sob medidas. Componentes leves cuidadosamente concebidos com uma aparência compacta poderiam melhorar a aceitação clínica. Especificamente para o exame de US, um robô médico sob medido destinado a ser traduzido para uso clínico deve ser compacto, com graus de liberdade (DOFs) e amplitude de movimento para cobrir a região de interesse de varredura; por exemplo, a superfície abdominal, incluindo tanto a parte superior e os lados da barriga. Além disso, o robô deve incorporar também a capacidade de realizar ajustes finos da sonda dos EUA em uma área local, ao tentar otimizar a visão dos EUA. Isso geralmente inclui movimentos de inclinação da sonda em um determinado intervalo, como sugerido por Essomba et al 18 e olgamendes19. Para ainda mais as preocupações de segurança, espera-se que o sistema deve ter características de segurança passiva mecânicos independentes dos sistemas elétricos e lógica do software.
Neste trabalho, apresentamos o método detalhado de concepção e montagem de um 5-DOF dextro robótica de manipulação, que é usado como o componente chave de um sistema robótico extra corpóreo do EUA. O manipulador é composto por vários links de 3D-printable leves, feito por mecanismos de articulação e uma embraiagem de segurança interna. O arranjo específico dos DOFs oferece total flexibilidade para ajustes de sonda, permitindo operações fáceis e seguras em uma pequena área sem colidir com o paciente. O manipulador de multi-DOF proposto visa funciona como o componente principal que está em contato com pacientes e isso pode ser simplesmente anexado a qualquer mecanismo de posicionamento global 3-DOF convencionais para formar um robô de E.U. completo com DOFs totalmente ativos para realizar uma verificação dos EUA.
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Protocol
1. preparação de cada Link, extremidade-effector e componentes adicionais
- Imprimir todos os links (L0, L1, L2, L3e L4) e a extremidade-effector, conforme mostrado na Figura 1, com acrilonitrila butadieno estireno (ABS) plástico, plástico de (PLA) ácido polilático ou nylon, usando uma impressão 3D serviço. Uso o. Arquivos STL fornecidos nos Materiais complementares ao imprimir.
Nota: As alterações em forma e escala de cada parte podem ser feitas com base nos arquivos fornecidos. O perfil interior do extremidade-effector pode ser mudado para caber diferentes sondas dos EUA. - Imprima todos os componentes adicionais necessários, conforme mostrado na Figura 2 em nylon, usando um serviço de impressão 3D. Consulte a Tabela de materiais para o número necessário de cada componente. Uso o. Arquivos STL fornecidos nos Materiais complementares ao imprimir.
- Polir todas as peças plásticas impressas com ferramentas de polimento, se necessário. Remova quaisquer materiais de apoio à esquerda da impressão 3D, se necessário.
Nota: Algumas estruturas no projeto fornecido extremidade-effector são para um sensor de força, que não é uma parte do protocolo relatado aqui e não serão utilizadas para a montagem. O conceito de design do sensor de força tem sido relatado em anterior trabalho20; assim, não está coberto neste artigo.
2. montagem de conjuntos 1
Nota: A montagem do conjunto 1 (J.1) baseia-se na Figura 3.
- Coloque os quatro motores de passo de pequenos, engrenado (com 20-dentes engrenagens de dente reto anexadas) em cavidades montagem de L0 e montá-los com parafusos.
- Coloque os rolamentos de OD dois 37 milímetros para as caixas de rolamento de L0 e fixe a engrenagem de dente reto de 120-dentes (tipo A) sobre a chave do hexágono de L1.
- Insira a haste no L1 no orifício do eixo L0 com as quatro engrenagens de dente reto condução pequenas e o grande, conduzido a engrenagem de dente reto, noiva e montar a gola de eixo para garantir e manter o eixo.
3. montagem de 2 conjuntos
Nota: A montagem de 2 conjuntos (J2) baseia-se na Figura 4.
- Coloque os quatro motores de passo de pequenos, engrenado (com 20-dentes engrenagens de dente reto anexadas) em cavidades de L1 montagem e montá-los com parafusos.
- Anexe as duas engrenagens de dente reto 120-dentes (tipo B) para os dois 37 milímetros OD rolamentos e posição-los em cavidades engrenagem de L1, com a engrenagem de dente reto de 120-dentes (tipo B) envolvidas com as engrenagens de dente reto 20-dentes montagem em motores. Desaperte e re-aperte o motor se necessário para permitir o fácil posicionamento da engrenagem de dente reto do tipo-B dois 120-dentes.
- Alinhe a L1 e L2 e introduza o rolamento e os pares de bola-Primavera nos orifícios da embreagem em L2. Com as duas capas de embreagem redonda alinhando e empurrando a mola dentro do mecanismo da embreagem para pré-carregamento, insira um parafuso M6 orifícios de L1 e L2.
- Rode o conjunto para o outro lado e repita os passos de 3.3 para este lado. Fixe o conjunto, anexando uma porca para o parafuso M6.
4. montagem de conjuntos 3
Nota: A montagem de conjuntos 3 (J3) baseia-se na Figura 5.
- Coloque os dois motores de passo pequeno, engrenado (com 20-dentes engrenagens de dente reto anexadas) em cavidades de L2 montagem e montá-los com parafusos.
- Coloque o OD de 37 mm de rolamento para a carcaça de engrenagem de dente reto a 120-dentes (tipo C) e o OD de 32 mm do rolamento para a carcaça do L3.
- Segura a grande engrenagem de dente reto a fechadura do hexágono de L3 (parafusos adicionais podem ser usados se necessário) e insira o eixo na L2 furos na grande engrenagem de dente reto e L3, com os pequenos e as grandes engrenagens de dente reto noivos.
5. montagem do mecanismo de condução de 4 conjuntos
Nota: A montagem de 4 comum (J4) baseia-se na Figura 6.
- Coloque os dois motores de passo pequeno, engrenado em cavidades do L3 montagem e montá-los com parafusos. Coloque os rolamentos de OD de 8 mm para as caixas de rolamento de L4.
- Monte a engrenagem de dente reto longo 20-dentes para os dois motores de passo pequeno.
6. montagem do mecanismo conduzido de conjuntos 4 e 5 conjunta
Nota: A montagem de 4 comum (J4) baseia-se na Figura 6 e 5 conjunta (J5) baseia-se na Figura 7.
- Posicione a engrenagem cónica 144 dentes conduzido para a extrusão de L4.
- Coloque os dois motores de passo pequeno, engrenado (com 18-dentes engrenagens anexadas de bisel) em cavidades de L4 montagem e montá-los com parafusos. Finalmente, insira a haste da M5 no orifício do eixo do L3 e L4 depois que os dois links estão alinhados. Garantir o construído em estruturas de engrenagem conduzida em L4 partidas com a engrenagem de dente reto longo 20 dentes.
- Introduza o extremidade-effector do rasgo de chaveta da grande engrenagem cónica e verticalmente, posicione o extremidade-effector com o colar da extremidade-effector é aparafusado.
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Representative Results
Seguindo o protocolo, o sistema resultante é um manipulador robótico com cinco links de forma especial (L0 a L4) e cinco articulações revolute (J1 J5) para mover, segurando e inclinação localmente uma sonda dos EUA (Figura 8). A articulação de alta rotação (J-1), com mecanismos de engrenagem atuados por quatro motores, pode girar as seguintes estruturas de 360 °, para permitir que a sonda dos EUA apontar em direção a lados diferentes da área de digitalização, como o superior, inferior e os lados do abdômen. A principal articulação inclina (J-2), com mecanismos de engrenagem atuados por quatro motores, é usada para inclinar para baixo a sonda para alinhá-la com a superfície da área de digitalização. Como esta articulação é também fundamental para a gestão de força, foi incorporada uma embreagem mecânica com bolas, molas e orifícios de retenção. As três últimas ortogonais revolute juntas (J3J4e J-5), com mecanismos de engrenagem, acionadas por dois motores cada, são usados para controlar a rotação axial e inclina da sonda, permitindo ajustes finos da sonda em uma área local. A última articulação revolute, J5, também permite a montagem de uma sonda de E.U. em um extremidade-effector de forma especial. O peso total e o comprimento do manipulator robótico proposto, que é a única estrutura geralmente na parte superior do corpo do paciente, são menos de 2 kg e 25 cm. O projeto resultante é tal que uma grande variedade de posições de sonda pode ser alcançada com apenas pequenos movimentos dos restantes quando usando proposto manipulador robótico E.U. mecanismo de posicionamento global. Considerando apenas o manipulador proposto por conta própria, a sonda pode ser girada axialmente para qualquer ângulo, inclinado a seguir uma superfície angular entre 0° e 110° em relação à horizontal em qualquer direção e posicionado dentro de um círculo com um diâmetro de 360 mm. Além disso, o revolute articulações J3 e J4 fornecem um ângulo de inclinação, em duas direções, das faixas de-180 ° até 180 ° e -30 ° a 45 °, que é utilizado para ajustes finos locais da sonda dos EUA. Os intervalos de movimentos e ângulos de inclinação conhecer os intervalos necessários para a obtenção de uma janela acústica ideal para exames de US, como sugerido por Essomba et al 18 e olgamendes19. Os detalhes técnicos da proposta manipulador robótico estão sumarizados na Tabela de materiais (sistemas-intersegmentares parâmetros e especificações comuns), com base nas definições coordenadas mostradas na Figura 8. O custo estimado do sistema é de 500 libras Esterlinas, baseia o atual método de fabricação, componentes e materiais.
Como um exemplo usado nesta pesquisa, utilizamos um sistema de posicionamento global que tem uma articulação revolute (R1) com um mecanismo de cadeia para girar o completa do braço e um bar de dois baseados em arm conjunto de mecanismos de ligação paralela (R2 e R3) com engrenagem de sem-fim drives (Figura 9). Este mecanismo 3-DOF irá trabalhar com o manipulador proposto 5-DOF para formar um sistema completo de E.U. robótico. Baseia o manipulador robótico proposto e o exemplo opção usada para esta pesquisa de posicionamento global, a Figura 10 mostra um exemplo de simulação do robô em posições ao redor de um phantom abdominal, demonstrando que é capaz de alcançar ao redor de ambos os lados de abdômen e uma variedade de posições no topo. O design das articulações redundantes no sistema, particularmente as configurações do J-1 e J-2, permite que a sonda a grandes ângulos de inclinação com a maioria das estruturas mecânicas ainda ficar longe do corpo do paciente, como pode ser observado em Figura 10. Consequentemente, com as últimas três junções (J3J4e J5) especificadas para rodar dentro de intervalos limitados para pequenos ajustes de inclinação, colisão é evitado entre as partes móveis do robô e o corpo do paciente.
Com a eletrônica e o sistema de controle motor deslizante convencional desenvolvido, foram realizados experimentos para testar a força de saída e validar a escala prevista de movimento. A atual unidade de controle é uma caixa com microcontroladores, controladores de motor de passo, fonte de alimentação e reguladores e outros componentes de suporte electrónicos incluídos. O tamanho total da caixa de controle é 40 cm de comprimento, 23 cm de largura e 12 cm de profundidade. Baseado no teste repetido do sistema, a força máxima que o manipulador robótico pode exercer atualmente é definida para 27 N antes da embraiagem de segurança mecânica é disparada, especificando a saída forçar gama do sistema proposto para ser 0 - 27 N. Com a configuração da embreagem mecânica, foi verificado por meio de testes repetidos que na posição padrão, quando a embreagem está envolvida, as bolas são parcialmente os buracos de retenção de L1. Portanto, os movimentos das engrenagens de dente reto do conduzido, grandes actuate L2. No entanto, quando a força excessiva é exercida sobre o extremidade-effector, é desengatada, com as bolas em movimento, fora os buracos de retenção de L1.
A amplitude de movimento de cada articulação relatado na Tabela de materiais também repetidamente foi testada e validada. O funcionamento de confiança do manipulator robótico durante um longo período de tempo foi testado extensivamente em um fantasma fetal e continuamente verificado com os exames de voluntários saudáveis internos (Figura 11). O estudo foi aprovado pelo Comitê de ética local. Até agora, 20 voluntárias varreduras para exames de ultra-som abdominal geral usando o manipulador robótico foram realizadas com sucesso com o controle do software básico do robô, principalmente para avaliar a confiabilidade e a viabilidade do projeto mecânico. Concluiu os estudos fantasmas e voluntários de que o design atual do manipulador robótico pode alcançar a escala de movimento necessário para a força necessária e fornece suficiente ajuste fino para obter imagens semelhantes à operação à mão dos Estados Unidos sonda para a imagem latente abdominal. Para todos estes exames, sem preocupações de segurança ou sentimentos desconfortáveis foram relatados pelos voluntários. A seleção de motores, mecânicos rácios de mecanismos e níveis de poder ter sido verificada tal que asseguram o movimento confiável da sonda no corpo do paciente, enquanto ao mesmo tempo resultando em derrapagem se excessed forças são geradas. Mais detalhes sobre este estudo voluntário em curso e a evidência clínica para o uso do robô serão apresentados separadamente.
Figura 1: desenho assistido por computador (CAD), desenho de todos os links (L0, L1,L2, L3e L4) e o extremidade-effector. A forma de cada link é mostrada para referência quando 3D impressão usando o fornecido. Arquivos STL. A extremidade-effector é ilustrado com uma sonda dos EUA incluída no assembly. Clique aqui para ver uma versão maior desta figura.
Figura 2: desenho dos componentes adicionais necessários CAD. A forma de cada componente é mostrada para referência quando 3D impressão usando o fornecido. Arquivos STL. Os componentes incluem o esporão e engrenagens cónicas em tamanhos diferentes, um colar de eixo, uma tampa de embreagem e um colar de extremidade-effector. Clique aqui para ver uma versão maior desta figura.
Figura 3: instrução de montagem para J1. São mostrados as ligações necessárias, motores, engrenagens e rolamentos, com algumas estruturas mudadas para transparente para ilustrar o assembly. Clique aqui para ver uma versão maior desta figura.
Figura 4: instrução de montagem para J2. O exigido links, motores, engrenagens, pares de bola-mola e rolamentos são mostrados, com algumas estruturas mudadas para transparente para ilustrar o assembly. Clique aqui para ver uma versão maior desta figura.
Figura 5: instrução de montagem para J3. Os links necessários, motores, engrenagens e rolamentos são mostrados com dois pontos de vista de perspectiva para ilustrar o assembly. Clique aqui para ver uma versão maior desta figura.
Figura 6: Instruções de montagem para J4. Os links necessários, motores, engrenagens e rolamentos são mostrados, com o mecanismo de4 J montado indicado. Clique aqui para ver uma versão maior desta figura.
Figura 7: instrução de montagem para J5. A ligação necessária e extremidade-effector, motores e engrenagens são mostradas, com algumas estruturas mudadas para transparente para ilustrar o assembly. Clique aqui para ver uma versão maior desta figura.
Figura 8: Resumo do manipulador robótico 5-DOF proposto com o extremidade-effector segurando uma sonda dos EUA. A definição de coordenada de cada junta e o tamanho geral do manipulator montado são indicados. Clique aqui para ver uma versão maior desta figura.
Figura 9: desenho do dispositivo de posicionamento global de exemplo CAD. Este dispositivo baseado no braço é usado para trabalhar com o proposto manipulador robótico para testes. As notações e as dimensões principais são mostradas no desenho. Clique aqui para ver uma versão maior desta figura.
Figura 10: simulação cinemática de quatro diferentes posturas digitalização em torno do fantasma. Isto demonstra uma gama adequada de movimento para um exame de US abdominal típico. Clique aqui para ver uma versão maior desta figura.
Figura 11: implementado robô E.U. usando o protocolo descrito. (um) o manipulador robótico com o exemplo de mecanismo de posicionamento global. (b) clínica empreg o manipulador robótico proposto na área abdominal do paciente. Clique aqui para ver uma versão maior desta figura.
Tabela de materiais: detalhes técnicos do manipulador robótico proposto, incluindo os sistemas - Intersegmentares parâmetros e as especificações comuns. Clique aqui para ver uma versão maior desta figura.
Arquivos suplementares. 3D printable STL arquivos. Clique aqui para baixar este arquivo.
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Discussion
Ao contrário de muitos outros robôs industriais que foram traduzidos em aplicações médicas, o manipulador robótico proposto descrito no protocolo foi projetado especificamente para exames de Estados Unidos de acordo com requisitos clínicos para a amplitude de movimento, aplicação de força e de gestão de segurança. O manipulador robótico leve em si tem uma ampla gama de movimentos suficientes para a maioria dos extra corpórea dos EUA digitalização, sem a necessidade de grandes movimentos do mecanismo de posicionamento global. Como a estrutura mecânica mais próxima ao paciente, as ligações propostas são também especialmente moldadas para ausentar-se do paciente. Com a maioria dos DOFs incorporados em um compacto manipulator, robótica E.U. digitalização usando este dispositivo pode ser feito em uma maneira intuitiva semelhante à humana operação sem a necessidade de ocupar um grande espaço. Por causa de todas estas características, podemos esperar que o sistema produziu o seguinte protocolo poderia ganhar aceitação com os clínicos e pacientes, que está sendo validado com o estudo de voluntário em curso. Com o proposta manipulador robótico, diferentes arquiteturas convencionais para posicionamento global podem ser usadas com base na exigência específica, como um pórtico ou desenhos de montagem no tecto. Um dispositivo de posicionamento global de exemplo foi usado neste artigo para permitir que os testes do proposto manipulator robótico.
O protocolo atual sugere que todos os links podem ser impressos usando ABS ou plásticos PLA ou nylon, baseado sobre a disponibilidade do serviço de impressão 3D local, enquanto usar o nylon imprime é preferencial em geral devido a força material do nylon. Importante, tal como consta do protocolo, os componentes adicionais, especialmente as engrenagens, devem ser impressos com nylon ou outro material forte para garantir a confiabilidade do sistema. Como são introduzidos novos materiais de impressão 3D, a utilização de materiais poderia ser alterada. O protocolo atual emprega um extremidade-effector projetado especificamente para um teste específico dos EUA, com forma 3D da sonda digitalizada por um CT sistema de imagem para assistir o desenho do perfil interno do extremidade-effector. Quando o manipulador é usado com outros Estados Unidos sondas com diferentes formas, é importante assegurar que o perfil interior do extremidade-effector é redesenhado para firmemente coincidir com o perfil exterior da sonda dos EUA, a fim de garantir a realização segura da sonda. A forma 3D e perfil da sonda podem também provir de outros tipos de digitalização em 3D. Além disso, note-se que alguns dos detalhes do projeto descritos no protocolo, tais como formas exatas dimensões, tamanhos de eixo, encaixes de montagem, parafusos e uso dos rolamentos, poderiam ser alterado. Pela mesma razão, alguns detalhes não são fornecidos quando eles obviamente são baseados no conhecimento de projeto mecânico.
O projeto atual tem uma embreagem mecânica passiva, que pode ser ajustada e usada para limitar a força máxima aplicada ao paciente. Este é um recurso de segurança que não depende de qualquer sistemas elétricos ou lógica de software, que garante a segurança fundamental de usando o robô para nos exames. O ponto de disparo foi definido com base no intervalo de anteriores medidas21 da força vertical aplicada por operadores humanos aos pacientes durante as varreduras de E.U. normais, bem como resultados semelhantes relatados a partir da literatura existente18, ambos da que sugerem que a força vertical máxima geralmente não exceda 20 s. Esta foi tratada como pré-requisito que a força do gatilho da embreagem deve ser mais do que 20 N com alguns subsídios determinados. A quantidade de força de acionamento pode ser ajustada alterando o número de pares de bola-mola, a constante de mola, o tamanho dos orifícios de retenção e a pré-carga das molas22. Uma potencial modificação do protocolo projetado para isto é alterar o número de cavidades para segurar os pares de bola-mola em L2. Na prática, ao usar o sistema proposto, o correto funcionamento da embreagem pode ser facilmente verificado manualmente girando o conjunto de embreagem e tendo Desengrene a embreagem e prenda novamente antes de qualquer exame US robótico é executada. No protocolo atual, a embreagem de segurança só é aplicada a J2 como este conjunto é projetado para alinhar a sonda com a superfície do abdômen e pode ser usado diretamente para limitar a força vertical exercida sobre o paciente pela sonda dos EUA. Com um conceito semelhante, uma embreagem de segurança também pode ser implementada para a engrenagem de dente reto de1 J, que garantirá a segurança do movimento rotacional J1 das seguintes estruturas. Isto não é visto como um recurso de segurança essencial no atual protocolo mas poderia ser uma modificação potencial para uma versão final. Os últimos três articulações, J3, J4e J5, são usados para ajustes finos da orientação da sonda. Demonoide, eles não são usados para gerar qualquer força excessiva e não são susceptíveis de colidir com qualquer obstáculo. Para minimizar o tamanho e peso do manipulator proposto, uma embreagem de segurança mecânica não é sugerida para estes três juntas em qualquer modificação do protocolo.
Seguindo o protocolo apresentado aqui para construir o manipulador proposto para nos exames, a mesma confiabilidade do sistema mecânico, o mesmo varia de movimento, peso similares do manipulator inteiro e um nível semelhante de força da embreagem de acionamento são Espera-se que são relatados neste trabalho. No entanto, a repetibilidade e a precisão dos movimentos, bem como a reprodutibilidade do nível exato de força de acionamento da embreagem mecânica, fortemente dependeria a 3D-impressão e precisão de montagem em comparação com o desenho do CAD. Isto não pode ser garantido para o protótipo atual como um serviço de impressão 3D low-end baseado em laboratório foi usado para a fabricação e o assembly foi feito manualmente, com a finalidade de prototipagem preliminar. Espera-se que um nível industrial de fabricação e montagem, seguindo o protocolo do projeto resultaria em boa repetibilidade e exatidão elevada, embora este atualmente não é nosso objetivo antes que o sistema é feito em um produto final para ensaio clínico. O teste do desempenho também exigiria um protocolo separado, que inclui modelagem cinemática, um método de controle robótico, rastreamento de movimento e métodos de calibração e é, portanto, não incluído no jornal atual. Da mesma forma, a precisão de controle e a resposta do proposto manipulator são determinados pelo método de controle motor, algoritmo de controle do robô e a comunicação entre o sistema electrónico do manipulador e a interface de controle. Como estes ultrapassam o objectivo do protocolo atual de introduzir o novo design mecânico e podem ser implementadas usando muitas arquiteturas existentes, detalhes não são fornecidas neste artigo.
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Disclosures
Os autores não têm nada para divulgar.
Acknowledgments
Este trabalho foi apoiado pelo Wellcome Trust IEH prêmio [102431] e pelo centro Wellcome/EPSRC para engenharia médica [WT203148/Z/Z/16]. Os autores reconhecem apoio financeiro por parte do Ministério da saúde através do Instituto Nacional de pesquisa de saúde (NIHR) abrangente centro de investigação biomédica adjudicação de Guy & St Thomas' NHS Foundation Trust em parceria com o rei do College London e do King 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
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