Summary
Este trabajo presenta el diseño e implementación de un manipulador robótico a medida para la examinación del ultrasonido extracorpórea. El sistema tiene cinco grados de libertad con ligero juntas de impresión 3D y un embrague mecánico para la gestión de la seguridad.
Abstract
Con la posibilidad de alta precisión, destreza y capacidad de repetición, un sistema robótico auto oruga puede emplearse para ayudar a la adquisición de la ecografía en tiempo real. Sin embargo, un número limitado de robots diseñados para ultrasonido extracorpórea ha sido traducido con éxito en uso clínico. En este estudio, pretendemos construir un manipulador robótico a medida para la examinación del ultrasonido extracorpórea, que es ligero y tiene un diseño compacto. El robot está formado por cinco enlaces de formas especial y por encargo mecanismos conjuntos para la manipulación de la sonda, para cubrir el rango necesario de movimiento con grados de libertad redundantes para garantizar la seguridad del paciente. La seguridad mecánica se acentúa con un mecanismo de embrague, para limitar la fuerza aplicada a los pacientes. Como resultado del diseño, el peso total del manipulador es de menos de 2 kg y la longitud del manipulador es de unos 25 cm. Se ha implementado el diseño, simulación y se han realizado estudios de fantasmas y voluntarios, para validar el rango de movimiento, la habilidad de hacer ajustes de precisión, fiabilidad mecánica y la operación segura del embrague. Este documento detalla el diseño e implementación del manipulador ultrasonido robótica a medida, con los métodos de diseño y montaje ilustrados. Se presentan los resultados de las pruebas para demostrar las características de diseño y experiencia clínica del uso del sistema. Se concluye que la actual roboticos propuesto cumple con los requisitos como un sistema a medida para la examinación del ultrasonido extracorpórea y tiene un gran potencial para traducirse en uso clínico.
Introduction
Un sistema de ultrasonido robótica extracorpórea (Estados Unidos) se refiere a la configuración en la que se utiliza un sistema robótico para sujetar y manipular una sonda de los Estados Unidos para exámenes externos, incluyendo su uso en proyección de imagen abdominal1 de Cardiaco, vascular, obstétrica y general . El uso de un sistema robótico está motivado por los desafíos de sostener y manipular una sonda de los Estados Unidos, por ejemplo, el desafío de encontrar vistas de los Estados Unidos estándar requeridas por protocolos clínicos por imágenes y el riesgo de lesión de esfuerzo repetitivo2, manualmente 3,4, y también por las necesidades de nosotros programas de cribado, por ejemplo, el requisito para ecografistas para estar in situ5,6. Con énfasis en diferentes funcionalidades y anatomías de objetivo, varios sistemas robóticos de Estados Unidos, como revisado en anteriores trabajos1,7,8, han sido introducidos desde la década de 1990, para mejorar diferentes aspectos de los E.E.U.U. examen (p. ej., teleoperación larga distancia9,10,11,12, así como interacción de operador de robot y control automático)13, 14. Además de los sistemas robóticos de Estados Unidos utilizados para propósitos de diagnóstico, robótica de alta intensidad enfocada a sistemas de ultrasonidos (HIFU) para propósitos de tratamiento han sido ampliamente investigados como resumido por Priester et al. 1, con algunas recientes obras15,16 informes los progresos más recientes.
Aunque varios sistemas robóticos de los Estados Unidos han sido desarrollados con tecnologías relativamente confiables para el control y operación de clínica, sólo unos pocos de ellos han sido traducidos con éxito en uso clínico, como un sistema de tele-ultrasonido comercialmente disponibles 17. una posible razón es el bajo nivel de aceptación de gran tamaño aspecto industrial robots trabajando en un entorno clínico, desde el punto de vista de pacientes y ecografistas. Además, para la gestión de la seguridad, la mayoría de los robots existentes de los Estados Unidos depende de sensores para monitorear y controlar la presión aplicada a la sonda de los Estados Unidos, mientras que los mecanismos de seguridad mecánico más fundamentales para limitar la fuerza pasiva generalmente no están disponibles . Esto también puede causar preocupaciones cuando traduciendo en uso clínico como la seguridad de operación del robot sería puramente dependiente de sistemas eléctricos y software lógica.
Con los últimos adelantos de 3D técnicas, especialmente en forma de enlaces de plástico con mecanismos conjuntos a la medida de la impresión podría proporcionar una nueva oportunidad para desarrollar robots médicos a medida. Componentes ligeros cuidadosamente diseñados con un aspecto compacto podrían mejorar aceptación clínica. Específicamente para el examen de los Estados Unidos, un robot médico a medida destinado a ser traducido en uso clínico debe ser compacto, con suficientes grados de libertad (DOFs) y rango de movimiento para cubrir la región de interés de una exploración; por ejemplo, la abdominal superficie, incluyendo la parte superior y lados del vientre. Además, el robot debe incorporar la capacidad para realizar ajustes finos de la sonda de los Estados Unidos en un área local, al tratar de optimizar una vista de los Estados Unidos. Esto generalmente incluye movimientos de inclinación de la sonda dentro de cierto rango, según lo sugerido por Essomba et al. 18 y19de la bajista. Para más las preocupaciones de la seguridad, se espera que el sistema debe tener características de seguridad pasiva mecánica que son independientes del sistema eléctrico y la software lógica.
En este trabajo, presentamos el método detallado de diseño y montaje de un manipulador robótico diestro 5 DOF, que se utiliza como el componente clave de un sistema robótico extracorpórea de Estados Unidos. El manipulador consta de varios enlaces para imprimir 3D ligero, mecanismos conjuntos a medida y un embrague de seguridad integrado. La disposición específica de los gobiernos proporciona total flexibilidad para realizar ajustes de la sonda, permitiendo el fáciles y seguras de las operaciones en una pequeña área sin colisionar con el paciente. El manipulante de la propuesta multi-DOF pretende trabajar como el principal componente que está en contacto con pacientes y puede simplemente conectarse cualquier mecanismo de posicionamiento global convencional 3-DOF para formar un robot completo de los Estados Unidos con gobiernos plenamente activos para realizar un análisis de los Estados Unidos.
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Protocol
1. preparación de cada enlace, extremo-effector y componentes adicionales
- Imprimir todos los enlaces (L0, L1, L2, L3y L4) y el efector final como se muestra en la figura 1, con acrilonitrilo butadieno estireno (ABS) de plástico, plástico de (PLA) ácido poliláctico o nylon, con una impresión 3D servicio. Uso el. Ficheros STL proporcionadas en los Materiales complementarios al imprimir.
Nota: Cambios en la forma y escala de cada parte pueden hacer basados en los archivos suministrados. El perfil interior de la extremo-effector puede cambiarse para adaptarse a diferentes sondas de Estados Unidos. - Imprimir todos los componentes adicionales necesarios como se muestra en la figura 2 en nylon, con un servicio de impresión 3D. Consulte la Tabla de materiales para la cantidad requerida de cada componente. Uso el. Ficheros STL proporcionadas en los Materiales complementarios al imprimir.
- Pulir todas las piezas plásticas impresas con herramientas de pulido si es necesario. Retire cualquier material de soporte de impresión en 3D, si es necesario.
Nota: Algunas estructuras en el diseño de extremo-effector proporcionado para un sensor de fuerza, que no es parte del protocolo divulgado aquí y no se utilizará para el montaje. El concepto de diseño del sensor de fuerza se ha divulgado en anterior trabajo20; por lo tanto, no está cubierto en este documento.
2. montaje del conjunto 1
Nota: El montaje de conjuntos 1 (J1) se basa en la figura 3.
- Coloque los cuatro motores de pasos pequeños, a (con 20 dientes engranajes cilíndricos conectados) en las cavidades de montaje de L0 y montar con los tornillos.
- Coloque los dos rodamientos de OD de 37 mm en los soportes de L0 y asegurar el engranaje de estímulo de 120 dientes (tipo A) en la llave hexagonal L1.
- Inserte el eje en L1 en el orificio del eje L0 con los cuatro engranajes de estímulo motoras pequeño y el grande, impulsada por el estímulo de la marcha engranada y montar el collar de eje para asegurar y mantener el eje.
3. montaje del conjunto 2
Nota: El montaje del conjunto 2 (J2) se basa en la figura 4.
- Coloque los cuatro motores de pasos pequeños, a (con 20 dientes engranajes cilíndricos conectados) en las cavidades de montaje de L1 y montar con los tornillos.
- Conecte los dos engranajes de estímulo de 120 dientes (tipo B) a los dos rodamientos de 37 m m OD y posición en las cavidades de engranaje de L1, con el engranaje de estímulo de 120 dientes (tipo B) contratadas los engranajes cilíndricos de dientes 20 montado en los motores. Desenroscar y volver a atornillar el motor si es necesario para permitir el fácil posicionamiento del engranaje de estímulo de tipo B de dos dientes de 120.
- Alinee L1 y L2 e Inserte el cojinete y los pares bola muelle del embrague en L2. Con las dos cubiertas de embrague redondo alinear y empujar el resorte en el mecanismo de embrague de precarga, inserte un perno M6 en las bores de L1 y L2.
- Gire el conjunto al otro lado y repita los pasos de 3.3 para este lado. Asegure el conjunto colocando una tuerca al perno M6.
4. montaje de conjunto 3
Nota: El montaje del conjunto 3 (J3) se basa en la figura 5.
- Coloque los dos motores de pasos pequeños, a (con 20 dientes engranajes cilíndricos conectados) en las cavidades de montaje de L2 y montar con los tornillos.
- Colocar el OD de 37 mm rodamiento en el alojamiento del cojinete del engranaje de estímulo de 120 dientes (tipo C) y el 32 mm OD rodamiento en el alojamiento del cojinete de la L3.
- Asegure el gran engranaje de estímulo en el orificio hexagonal de L3 (tornillos adicionales pueden utilizarse si es necesario) e inserte el eje en la L2 en los taladros en el engranaje de espuela grande y L3, con los pequeños y los grandes engranajes de estímulo a.
5. montaje del mecanismo de conducción de 4 conjuntos
Nota: El montaje del conjunto J 44se basa en la figura 6.
- Coloque los dos motores de pasos pequeños, engranado en las cavidades de montaje de L3 y montar con tornillos. Coloque los cojinetes de OD de 8 mm en los soportes de L4.
- Monte el engranaje de estímulo largo 20 dientes en los dos motores de pasos pequeños.
6. montaje del mecanismo conducido de conjunto 4 y 5 mixto
Nota: El montaje del conjunto J 44se basa en la figura 6 y 5 conjunto (J5) se basa en la figura 7.
- Posición del accionada engranaje cónico de 144 dientes en la extrusión de L4.
- Coloque los dos motores de pasos pequeños, a (con 18 dientes cónicos engranajes conectados) en las cavidades de montaje de L4 y montar con los tornillos. Finalmente, inserte el eje de M5 en el orificio del eje de L3 y L4 después de los dos enlaces están alineados. Asegurar la construcción en estructuras de engranaje conducido en L4 partidos con el engranaje de estímulo largo de 20 dientes.
- Inserte el extremo-effector de la ranura del engranaje biselado grande y Coloque verticalmente el efector final con el collar de extremo-effector atornillado sobre él.
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Representative Results
Siguiendo el protocolo, el sistema resultante es un manipulador robótico con cinco enlaces de formas especial (L0 L4) y cinco juntas revoluto (J1 J5) para mover, sostener y localmente inclina una sonda de los Estados Unidos (figura 8). La articulación de rotación superior (J1), con mecanismos de engranaje accionados por cuatro motores, puede girar las siguientes estructuras de 360 °, para permitir que la sonda de Estados Unidos para que apunte hacia los diferentes lados de la zona de exploración, como el superior, inferior y laterales del abdomen. La articulación de inclinación principal (J2), con mecanismos de engranaje accionados por cuatro motores, se utiliza para inclinar hacia abajo la punta de prueba para alinearse con la superficie de la zona de exploración. Como esta articulación también es crucial para la gestión de la fuerza, se incorporó un embrague mecánico con pelotas, resortes y agujeros de retención. Los tres últimos ortogonales revoluto empalmes (J3J4y J5), con mecanismos de engranaje accionados por dos motores cada uno, se utilizan para controlar la rotación axial e inclinación de la sonda, lo que permite un ajuste fino de la sonda en un área local. El último empalme revoluto, J5, también permite el montaje de una sonda de los Estados Unidos en una forma especial extremo-effector. El peso total y longitud del manipulador robótico propuesto, que es la única estructura generalmente en la parte superior del cuerpo del paciente, son menos de 2 kg y 25 cm. El diseño resultante es tal que una amplia gama de posiciones de la punta de prueba puede llegar con sólo pequeños movimientos de los mecanismo de colocación al utilizar la propuesta roboticos Estados Unidos global. Teniendo en cuenta sólo el manipulador propuesto por cuenta propia, la sonda puede girarse axialmente a cualquier ángulo, inclinada para seguir un ángulo entre 0° y 110° con la horizontal en cualquier dirección y colocado dentro de un círculo con un diámetro de 360 mm. Además, la empalmes de revolute J3 y J4 proporcionan un ángulo de inclinación en dos direcciones, en la gama de-180 ° a 180 ° y -30 ° a 45 °, que se utiliza para ajustes finos locales de la sonda de los Estados Unidos. Los rangos de movimientos y ángulos de inclinación con los rangos requeridos para obtener una ventana acústica ideal para los exámenes de los Estados Unidos según lo sugerido por Essomba et al. 18 y19de la bajista. Los detalles técnicos del manipulador robótico propuesto se resumen en la Tabla de materiales (conjuntas especificaciones y parámetros de transformación de Denavit-Hartenberg), basados en las definiciones de coordenadas mostradas en la figura 8. El costo estimado del sistema es 500 libras Esterlinas, basada en el método actual de fabricación, componentes y materiales.
Por ejemplo utilizado en esta investigación, se empleó un sistema de posicionamiento global que tiene un empalme revoluto (R1) con un mecanismo de cadena para girar el brazo y un bar de dos basados en arm set de enlace paralela mecanismos (R2 y R3) unidades del engranaje de gusano (figura 9). Este mecanismo de 3 DOF trabajará con el manipulante de la propuesta 5-DOF para formar un sistema completo de los E.E.U.U. robótico. Basado en el propuesto roboticos y el ejemplo de la opción utilizada para esta investigación de posicionamiento global, la figura 10 muestra un ejemplo de simulación del robot en las posiciones alrededor de un fantasma abdominal, demostrando que es capaz de alcanzar alrededor de ambos lados del abdomen y una gama de posiciones en la parte superior. El diseño de los empalmes redundantes en el sistema, particularmente las configuraciones de J1 y J2, permite que la sonda a grandes ángulos de inclinación con la mayoría de las estructuras mecánicas todavía permanece lejos del cuerpo del paciente, como puede observarse en Figura 10. En consecuencia, con las tres articulaciones (J3J4y J5) especificadas para girar dentro de rangos limitados para ajustes finos de inclinación, se evita la colisión entre las partes móviles del robot y el cuerpo del paciente.
Con la electrónica y el sistema de control de motor paso a paso convencional desarrollado, se han realizado experimentos para probar la fuerza de salida y validar el rango previsto de movimiento. La actual unidad de control es una caja con microcontroladores, controladores de motor paso a paso, fuente de alimentación, reguladores y otros componentes electrónicos incluidos. El tamaño total de la caja de control es de 40 cm de largo, 23 cm de ancho y 12 cm profundidad. Basado en la prueba repetida del sistema, la fuerza máxima que el manipulador robótico puede ejercer actualmente ocupa 27 N antes de que se activa el embrague de seguridad mecánico, especificar la salida de la fuerza entre el sistema propuesto a ser 0 - 27 N. Con la configuración del embrague mecánico, fue verificado por pruebas repetidas que en la posición por defecto, cuando el embrague está activado, las bolas están parcialmente en los agujeros del retén de L1. Por lo tanto, los movimientos de los engranajes de estímulo conducidos, gran accionar L2. Sin embargo, cuando se ejerce una fuerza excesiva en el efector final, el embrague se desactiva, con las bolas de salir de los agujeros del retén de L1.
El rango de movimiento de cada articulación en la Tabla de materiales fue probado y validado también repetidamente. El funcionamiento confiable del manipulador robótico durante un largo período de tiempo ha sido probado extensivamente en un fantasma fetal y verificados continuamente con las exploraciones abdominales de internos voluntarios sanos (figura 11). El estudio fue aprobado por el Comité de ética local. Hasta el momento, 20 voluntarios exploraciones para las examinaciones del ultrasonido abdominal general utilizando el manipulador robótico se han realizado con éxito con el control del software básico del robot, principalmente para evaluar la fiabilidad y la viabilidad del diseño mecánico. Se concluye de los estudios de fantasmas y voluntario que el actual diseño del manipulador robótico puede alcanzar el rango de movimiento necesario a la fuerza requerida y proporciona suficiente ajuste fino para obtener imágenes similares a la operación de la mano de los Estados Unidos sonda para la proyección de imagen abdominal. Para todas estas exploraciones, preocupaciones de seguridad o sentimientos incómodos no fueron reportados por los voluntarios. La selección de motores, mecánicas ratios de mecanismos y niveles de potencia han sido verificados tales que aseguran el movimiento fiable de la sonda en el cuerpo del paciente, mientras que al mismo tiempo dando como resultado el deslizamiento si se generan fuerzas excessed. Otros datos de este estudio voluntario y pruebas clínicas para el uso del robot se presentará por separado.
Figura 1: diseño asistido por ordenador (CAD) de todos los enlaces (L0, L1,L2, L3y L4) y el efector final. La forma de cada enlace se muestra como referencia cuando uso proporcionado de la impresión 3D. Archivos STL. El efector final se ilustra con una sonda de los Estados Unidos incluida en el conjunto. Haga clic aquí para ver una versión más grande de esta figura.
Figura 2: dibujo de los componentes adicionales requeridos del CAD. La forma de cada componente se muestra para referencia cuando uso proporcionado de la impresión 3D. Archivos STL. Los componentes incluyen rectos y cónicos de diferentes tamaños, un collar de eje, una tapa de embrague y un collarín de extremo-effector. Haga clic aquí para ver una versión más grande de esta figura.
Figura 3: instrucciones de montaje para el1de J. Se muestran los enlaces necesarios, motores, engranajes y cojinetes, con algunas estructuras cambiados a transparente para ilustrar a la Asamblea. Haga clic aquí para ver una versión más grande de esta figura.
Figura 4: instrucciones de montaje para2de J. Se muestran los enlaces necesarios, motores, engranajes, pares bola muelle y cojinetes, con algunas estructuras cambiados a transparente para ilustrar a la Asamblea. Haga clic aquí para ver una versión más grande de esta figura.
Figura 5: instrucciones de montaje para3de J. Los enlaces necesarios, motores, engranajes y cojinetes se muestran con dos perspectivas para ilustrar a la Asamblea. Haga clic aquí para ver una versión más grande de esta figura.
Figura 6: Instrucciones de montaje para J4. Se muestran los enlaces necesarios, motores, engranajes y cojinetes, con el montado J4 mecanismo indicado. Haga clic aquí para ver una versión más grande de esta figura.
Figura 7: instrucciones de montaje para J5. Se muestran el vínculo requerido y extremo-effector, motores y engranajes, con algunas estructuras cambiados a transparente para ilustrar a la Asamblea. Haga clic aquí para ver una versión más grande de esta figura.
Figura 8: Resumen del manipulador robótico propuesta 5-DOF con el efector final sosteniendo una sonda de los Estados Unidos. Se indica la definición de coordenadas de cada empalme y el tamaño total del manipulador montado. Haga clic aquí para ver una versión más grande de esta figura.
Figura 9: CAD dibujo del dispositivo de posicionamiento global ejemplo. Este dispositivo basado en arm se utiliza para trabajar con los roboticos propuesto para la prueba. Las notaciones y las dimensiones se muestran en el dibujo. Haga clic aquí para ver una versión más grande de esta figura.
Figura 10: simulación cinemática de cuatro diferentes posturas de análisis alrededor del fantasma. Esto demuestra un adecuado rango de movimiento para una exploración abdominal típico de Estados Unidos. Haga clic aquí para ver una versión más grande de esta figura.
Figura 11: implementado robot de Estados Unidos usando el protocolo descrito. (a) los roboticos con el ejemplo de mecanismo de posicionamiento global. (b) clínica el uso de la propuesta roboticos en zona abdominal de un paciente. Haga clic aquí para ver una versión más grande de esta figura.
Tabla de materiales: detalles técnicos de la propuesta roboticos, incluyendo la transformación de Denavit - Hartenberg parámetros y especificaciones conjuntas. Haga clic aquí para ver una versión más grande de esta figura.
Complementaria archivos. ficheros STL para imprimir 3D. Haga clic aquí para descargar este archivo.
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Discussion
A diferencia de muchos otros robots industriales que se han traducido en aplicaciones médicas, la propuesta roboticos descrito en el protocolo fue diseñado específicamente para los exámenes de los Estados Unidos según los requisitos clínicos para el rango de movimiento, aplicación de la fuerza y gestión de la seguridad. Los roboticos ligero sí mismo tiene una amplia gama de movimientos suficientes para la mayoría extracorpórea Estados Unidos escanear, sin necesidad de grandes movimientos del mecanismo de posicionamiento global. Como la estructura mecánica más cercana al paciente, los enlaces propuestos son también especialmente en forma de estar lejos de la paciente. Con teniéndose más encajado en un manipulador compacto, robótica Estados Unidos análisis mediante este dispositivo se puede hacer de forma intuitiva similar a operación humana sin la necesidad de ocupar un gran espacio. Debido a todas estas características, esperamos que el sistema producido siguiendo el protocolo podría obtener aceptación de los médicos y pacientes, que está siendo validado con el voluntariado estudio. Con la propuesta roboticos, pueden utilizarse diferentes arquitecturas convencionales para posicionamiento global basado en el requisito particular, como un pórtico o techo diseños. Un dispositivo de posicionamiento global ejemplo fue utilizado en este artículo para permitir que las pruebas de la propuesta roboticos.
El protocolo actual sugiere que todos los enlaces se pueden imprimir con ABS o PLA plásticos o nylon, basado en la disponibilidad del servicio local de impresión 3D, mientras que usar el nylon imprime se prefiere en general debido a la resistencia del material de nylon. Lo importante es que, como se indica en el protocolo, se deben imprimir los componentes adicionales, especialmente los engranajes, con nylon u otro material fuerte para asegurar la confiabilidad del sistema. Como se introducen nuevos materiales de impresión en 3D, podría modificarse el uso de materiales. El protocolo actual emplea un efector final específicamente diseñado para una sonda especial de Estados Unidos, con forma 3D de la sonda por un CT sistema de imagen para ayudar al diseño del perfil interno de la extremo-effector. Cuando el manipulador se utiliza con otras sondas de Estados Unidos con diferentes formas, es importante asegurarse de que el perfil interno de la extremo-effector es rediseñado para emparejar bien con el perfil exterior de la sonda de los Estados Unidos, con el fin de garantizar la tenencia segura de la sonda. La forma 3D y el perfil de la sonda pueden obtenerse también de otros tipos de digitalización en 3D. Además, debe señalarse que algunos de los detalles de diseño que se describe en el protocolo, como formas exactas dimensiones, tamaños de eje, ranuras de montaje, tornillos y uso de los rodamientos, podrían modificarse. Por la misma razón, algunos de los detalles no se proporcionan cuando obviamente se basan en el conocimiento común del diseño mecánico.
El diseño actual tiene un embrague mecánico pasivo que puede ser ajustado y utilizado para limitar la fuerza máxima aplicada al paciente. Se trata de un dispositivo de seguridad que no se basa en los sistemas eléctricos o lógica del software, que garantiza la seguridad fundamental de usar el robot para nosotros los exámenes. El punto desencadenante fue conjunto basado en la gama a partir de las mediciones anteriores21 de la fuerza vertical aplicada por operadores humanos a los pacientes durante los análisis normales de Estados Unidos, así como resultados similares de la literatura existente18, ambos de que sugieren que la fuerza vertical máxima generalmente no exceda de 20 N. Esto fue tratada como el requisito para que la fuerza de activación del embrague debe ser más de 20 N con algunos subsidios dados. La cantidad de fuerza de disparo se puede ajustar cambiando el número de pares bola de resorte, la constante del resorte, el tamaño de los agujeros del retén y la precarga de los resortes de22. Una potencial modificación del protocolo diseñado para esto es cambiar el número de cavidades para la celebración de los pares bola-primavera en la L2. En la práctica, cuando se utiliza el sistema propuesto, el correcto funcionamiento del embrague puede ser fácilmente verificado manualmente girando el conjunto de embrague y que la separación del embrague y vuelva a enganchar antes de realizarse cualquier examen robótica de Estados Unidos. En el protocolo actual, el embrague de seguridad sólo se aplica a J2 esta articulación está diseñada para alinear la sonda con la superficie del abdomen y puede ser utilizada directamente para limitar la fuerza vertical ejercida sobre el paciente por la sonda de los Estados Unidos. Con un concepto similar, también se puede implementar un embrague de seguridad para el engranaje de estímulo de1 J, que garantizará la seguridad del movimiento de rotación de las siguientes estructuras del1 J. Esto no es visto como una característica esencial de la seguridad en el protocolo actual pero podría ser una potencial modificación de una versión definitiva. Las tres juntas, J3, J4y J5, se utilizan para un ajuste fino de la orientación de la sonda. Cinemático, no se utilizan para generar cualquier fuerza excesiva y no son propensos a chocar con cualquier obstáculo. Para minimizar el tamaño y peso del manipulador propuesto, un embrague mecánico de seguridad no se sugiere para estas tres articulaciones en cualquier modificación del protocolo.
Siguiendo el protocolo presentado aquí para construir el manipulador propuesto para nosotros los exámenes, la misma fiabilidad del sistema mecánico, los misma rangos de movimiento, pesos similares del todo manipulador y un nivel similar de accionar la fuerza del embrague son lo esperado, se reportan en este trabajo. Sin embargo, la repetibilidad y la precisión de los movimientos, así como la capacidad de repetición del nivel exacto de fuerza desencadenante del embrague mecánico, fuertemente dependerá de la impresión 3D y la precisión de montaje en comparación con el diseño de CAD. Esto no puede garantizarse para el prototipo actual como un servicio de impresión 3D low-end basado en el laboratorio se utilizó para la fabricación y el montaje fue hecho manualmente con el fin de prototipos preliminares. Se espera que un nivel industrial de fabricación y montaje siguiendo el protocolo de diseño resultaría en buena repetibilidad y exactitud alta, aunque actualmente no es nuestro objetivo antes de que el sistema se convierte en un producto final de ensayo clínico. La prueba de la actuación también requeriría un protocolo separado, que incluye modelado cinemático, un método de control robótico, rastreo de movimiento y métodos de calibración y por lo tanto, no está, incluido en el documento actual. Del mismo modo, la precisión de control y respuesta del manipulador propuesto se determinan por el método de control del motor, algoritmo de control del robot y comunicación entre la electrónica del manipulador y la interfaz de control. Ya que están más allá de la finalidad del protocolo actual de presentar el nuevo diseño mecánico y puede ser implementados utilizando muchas arquitecturas existentes, detalles no se proporcionan en este documento.
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Disclosures
Los autores no tienen nada que revelar.
Acknowledgments
Este trabajo fue financiado por el Wellcome Trust IEH Award [102431] y por el centro de bienvenida/EPSRC para ingeniería médica [WT203148/16/Z/Z]. Los autores reconocen el apoyo financiero del Departamento de salud a través el Instituto Nacional de investigación de la salud (NIHR) integral centro de investigación biomédica Premio de Guy y St Thomas' NHS Foundation Trust en alianza con el rey de Confianza de NHS Foundation Hospital de la Universidad College de Londres y del rey.
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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