Waiting
Login processing...

Trial ends in Request Full Access Tell Your Colleague About Jove
Click here for the English version

Engineering

Design och implementering av en skräddarsydd Robotic Manipulator för extra kroppsliga ultraljud

Published: January 7, 2019 doi: 10.3791/58811

Summary

Detta paper introducerar utformningen och genomförandet av en skräddarsydd robotic manipulator för extra kroppsliga ultraljudsundersökning. Systemet har fem grader av frihet med lätta leder gjorts av 3D-utskrifter och en mekanisk koppling för säkerhetsorganisation.

Abstract

Med potential för hög precision, fingerfärdighet och repeterbarhet, kan ett själv spårade robotsystem användas för att hjälpa förvärvet av realtid ultraljud. Dock har begränsat antal robotar utformad för extra kroppsliga ultraljud översatts korrekt till klinisk användning. I denna studie vill vi bygga en skräddarsydd robotic manipulator för extra kroppsliga ultraljudsundersökning, som är lätta och har ett litet fotavtryck. Roboten bildas av fem specialformade länkar och skräddarsydda gemensamma mekanismer för sonden manipulation, att täcka de nödvändiga rörelseomfång med redundanta frihetsgrader att säkerställa patientens säkerhet. Mekanisk säkerhet framhävs med en kopplingsmekanism, att begränsa den kraft som anbringas till patienter. Till följd av konstruktion, manipulatorn totala vikt är mindre än 2 kg och längden på manipulatorn är ca 25 cm. Designen har genomförts, och simulering, phantom och frivilliga studier, för att validera rörelseomfång, förmågan att göra finjusteringar, mekanisk tillförlitlighet och säker drift av kopplingen. Detta papper Detaljer utformningen och genomförandet av den skräddarsydda robotic ultraljud manipulatorn, med design och montering metoder illustrerad. Test resultat att demonstrera designfunktioner och klinisk erfarenhet av att använda systemet presenteras. Slutsatsen är att den nuvarande föreslagna robotic manipulatorn uppfyller kraven som skräddarsydda system för extra kroppsliga ultraljudsundersökning och har stor potential att översättas till klinisk användning.

Introduction

Ett extra kroppsliga robotic ultraljud (US) system refererar till konfigurationen där en robotarm-system används för att hålla och manipulera en US sond för externa undersökningar, inklusive dess användning inom hjärt, kärl, obstetrisk och allmänna buk imaging1 . Användningen av sådana ett robotsystem är motiverad av utmaningarna som manuellt hålla och manipulera en US sond, exempelvis utmaningen att hitta amerikanska standardvyer krävs av kliniska imaging protokoll och risken för repetitiva stam skada2, 3,4, och också av oss screeningprogram behov, exempelvis kravet på upplevt sonografer för att vara på plats5,6. Med eftertryck på olika funktioner och målet anatomier, har flera amerikansk robotsystem, som granskas i tidigare verk1,7,8, införts sedan 1990-talet, att förbättra olika aspekter av US undersökning (t.ex., långväga teleoperation9,10,11,12, samt robot-operatör interaktion och reglerteknik)13, 14. Förutom de robotsystem US används för diagnostiska ändamål, fokuserade robotic hög intensitet ultraljud (HIFU) system för syften behandling har undersökts allmänt som sammanfattas av Priester et al. 1, med vissa senaste verk15,16 rapportering de senaste framstegen.

Även om flera amerikansk robotsystem har utvecklats med förhållandevis pålitlig teknik för kontroll och klinisk drift, har endast ett fåtal av dem framgångsrikt översatts till klinisk användning, såsom ett kommersiellt tillgängliga tele-ultraljud system 17. en möjlig orsak är den låga nivån för godkännande av stora industriella utseende robotar arbetar i en klinisk miljö, från synpunkt av både patienter och sonografer. Dessutom för säkerhetsarbetet åberopa majoriteten av de befintliga amerikanska robotarna force-sensorer för att övervaka och kontrollera den tillämpade trycket till US sonden, medan mer grundläggande mekaniska säkerhetsmekanismer för att begränsa kraften passivt inte är vanligtvis tillgängliga . Detta kan också orsaka oro när översätta till klinisk användning som säkerheten robot verksamheten skulle vara rent beroende av elektriska system och programvarulogik.

Med de senaste framstegen i 3D skulle kunna utskrift tekniker, speciellt formad plast länkar med skräddarsydda gemensamma mekanismer ge en ny möjlighet för utveckla skräddarsydda medicinska robotar. Noggrant utformade lättviktskomponenter med ett kompakt utseende kunde förbättra klinisk acceptans. Specifikt för amerikanska undersökning, bör en skräddarsydd medicinsk robot som syftar till att översätts till klinisk användning vara kompakt, med tillräckligt frihetsgrader (DOFs) och rörelseomfång att täcka regionen i intresse av en scan; till exempel buk ytan, inklusive både i toppen och på sidorna av magen. Dessutom bör roboten omfattar också förmågan att utföra finjusteringar av US sonden i ett lokalt område, när du försöker att optimera en USA-vy. Detta inkluderar vanligtvis vippande rörelser av sonden inom ett visst intervall, som föreslagits av Essomba et al. 18 och Bassit19. För att ytterligare hantera säkerhetsproblemen, förväntas det att systemet bör ha passiva mekaniska säkerhetsdetaljer som är oberoende av elektriska system och programvarulogik.

I detta papper presentera vi metoden för detaljerad utformning och montering av en 5-DOF fingerfärdiga robotic manipulator, som används som en viktig del av en extra kroppsliga amerikansk robotsystem. Manipulatorn består av flera lätta 3D-printable länkar, skräddarsydda gemensamma mekanismer och en inbyggd säkerhetskoppling. Den särskilda ordningen av DOFs ger full flexibilitet för sonden justeringar, möjliggör enkel och säker verksamhet i ett litet område utan att kollidera med patienten. Föreslagna multi-DOF manipulatorn syftar till att fungera som den viktigaste komponenten som är i kontakt med patienter och det kan enkelt fästas med någon konventionell 3-DOF global positioning mekanism att bilda en komplett USA robot med fullt aktiv DOFs utföra en genomsökning av USA.

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Protocol

1. beredning av varje länk, slutet-effektor och ytterligare komponenter,

  1. Skriva ut alla länkar (L0, L1, L2, L3och L4) och de slut-effektor som visas i figur 1, med akrylnitril butadien styren (ABS) plast, polylactic acid (PLA) plast eller nylon, med en 3D-utskrift service. Använda den. STL-filer som avses i de Kompletterande material vid utskrift.
    Obs: Ändringar i form och omfattningen av varje del kan göras baserat på de angivna filerna. Den inre profilen för den slut-effektor kan ändras för att passa olika amerikanska sonder.
  2. Skriva ut alla krävs ytterligare komponenter som visas i figur 2 i nylon, med en 3D-utskrift tjänst. Se Tabell för material för antalet krävs för varje komponent. Använda den. STL-filer som avses i de Kompletterande material vid utskrift.
  3. Polska alla tryckta plastdelar med polering verktyg om det behövs. Ta bort stödjande material kvar från 3D-utskrift, om det behövs.
    Obs: Vissa strukturer i den medföljande slutet-effektor designen är för en kraftsensor, vilket inte är en del av protokollet redovisas här och kommer inte att användas för montering. Begreppet force sensor design har rapporterats i tidigare arbete20; det omfattas således inte i detta dokument.

2. montering av gemensamma 1

Obs: Montering av gemensamma 1 (J1) är baserad på figur 3.

  1. Placera de fyra små, inriktad stegmotorerna (med 20-tänder kuggväxlar bifogas) in montering håligheter L0 och montera dem med skruvar.
  2. Placera två 37 mm OD lagren i lagerhusen L0 och säkra den 120-tänder kuggväxel (typ A) på hexagon nyckeln L1.
  3. In axeln på L1 i axeln hålet på L0 med de fyra små drivande cylindriska kugghjul och den stora, driven kuggväxel engagerade, och montera axeln kragen för att säkra och behålla axeln.

3. montering av gemensamma 2

Obs: Montering av gemensamma 2 (J2) utifrån figur 4.

  1. Placera de fyra små, inriktad stegmotorerna (med 20-tänder kuggväxlar bifogas) in montering hålrum av L1 och montera dem med skruvar.
  2. Fäst de två 120-tänder cylindriska kugghjul (typ B) två 37 mm OD lager och placera dem till redskap hålrum av L1, med 120-tänder spur redskap (typ B) förlovad med de 20-tänder cylindriska kugghjul monterade på motorer. Skruva loss och åter skruva motorn om nödvändigt att tillåta enkel positionering av de två 120-tänder typ B kuggväxel.
  3. Justera L1 och L2 och infoga bäringen och boll-våren parar i koppling hålen i L2. Med två runda koppling omslag justera att trycka in våren i koppling mekanismen för förinläsning, infoga en M6-bult i hålen L1 och L2.
  4. Rotera församlingen till andra sidan och upprepa steg 3.3 för denna sida. Säker montering genom att fästa en mutter till M6 bult.

4. montering av gemensamma 3

Obs: Montering av gemensamma 3 (J3) är baserad på bild 5.

  1. Placera de två små, inriktad stegmotorerna (med 20-tänder kuggväxlar bifogas) in montering hålrum av L2 och montera dem med skruvar.
  2. Placera den 37 mm OD bär in i lagerhuset av 120-tänder spur redskap (typ C) och placera 32 mm OD bär in i lagerhuset L3.
  3. Säkra den stora kuggväxel i hexagon nyckelhålet L3 (ytterligare skruvar kan användas om det behövs) och sätt in axeln på L2 i hålen på stora kuggväxel och L3, med lilla och de stora cylindriska kugghjul engagerade.

5. montering av körning mekanismen av gemensamma 4

Obs: Montering av gemensamma 4 (J4) är baserad på bild 6.

  1. Placera de två små, inriktad stegmotorerna i montering hålrum av L3 och montera dem med skruvar. Placera den 8 mm OD kullagren i lagerhusen L4.
  2. Montera den 20-tänder lång kuggväxel på de två små stegmotorerna.

6. montering av drivna mekanismen av gemensamma 4 och gemensamma 5

Obs: Montering av gemensamma 4 (J4) bygger på diagram 6 och gemensamma 5 (J5) baseras på figur 7.

  1. Positionera den driven 144 tänder vinkelväxeln till extrudering av L4.
  2. Placera de två små, inriktad stegmotorerna (med 18-tänder avfasning redskap bifogas) in montering håligheter L4 och montera dem med skruvar. Avslutningsvis in M5 axeln i Axel hål L3 och L4 efter två länkar är justerade. Säkerställa den inbyggda i driven gear strukturer på L4 matcher med 20 tänder lång spur redskap.
  3. Infoga den slut-effektor i kilspåret av stora vinkelväxeln och lodrätt position i slutet-effektor med slutet-effektor krage skruven onto den.

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Representative Results

Efter protokollet är resulterande systemet en robotic manipulator med fem specialformade länkar (L0 L4) och fem bakåtrullade leder (J1 -J5) för att flytta, holding, och lokalt luta en US sond (figur 8). Det översta rotation gemensamt (J1), med växel mekanismer aktiveras av fyra motorer, kan rotera följande strukturer 360 °, för att tillåta amerikanska sonden pekar mot olika sidor av skanningsområdet, såsom topp, botten och sidor av buken. Det huvudsakliga vippande gemensamt (J2), används med växel mekanismer aktiveras av fyra motorer, att luta ner sonden att anpassa det till ytan av skanningsområdet. Som denna gemensamma är också avgörande för en kraft förvaltning, inkorporerades en mekanisk koppling med bollar, fjädrar och spärr hål. Sista tre ortogonala bakåtrullade lederna (J3, J4och J5), med växel mekanismer aktiveras av två motorer varje, används för att styra vippning och axiella rotation av sonden, möjliggör finjustering av sonden i ett lokalt område. Den sista bakåtrullade leden, J5, tillåter också montering av en USA-sond i en specialformade slutet-effektor. Den totala vikten och längden på den föreslagna robotic manipulator, som är den enda strukturen vanligtvis ovanpå patientens kropp, ligger mindre än 2 kg och 25 cm. Den resulterande konstruktionen är sådan att ett stort utbud av sonden positioner kan nås med endast små rörelser av de återstående global positionering mekanism när du använder den föreslagna robotic US manipulatorn. Med tanke på bara föreslagna manipulatorn på egen hand, sonden kan roteras axiellt i valfri vinkel, lutas för att följa en yta vinklad mellan 0° och 110° mot horisontalplanet i någon riktning och placerad inom en cirkel med en diameter på 360 mm. Dessutom det bakåtrullade lederna J3 och J4 innehåller en vippande vinkel, i två riktningar, i spänner av-180 ° till 180 ° och -30 ° till 45 °, som används för lokala finjusteringar av US sonden. Spänner av rörelser och vippning metar uppfyller de nödvändiga spänner för att erhålla en perfekt akustisk fönster för amerikanska undersökningar som föreslagits av Essomba et al. 18 och Bassit19. De tekniska detaljerna i den föreslagna robotic manipulatorn sammanfattas i Tabell för material (Denavit-Hartenberg parametrar och gemensamma specifikationer), baserat på koordinaten definitionerna visas i figur 8. Den beräknade kostnaden för systemet är 500 GBP, baserat på den aktuella tillverkningsmetod, komponenter och material.

Som ett exempel som används i denna forskning, anställt vi ett globalt positioneringssystem som har ett bakåtrullade gemensamt (R1) med en kedja mekanism för roterande komplett arm och en två-bar arm-baserade parallellkinematisk mekanismer (R2 och R3) med snäckväxel enheter (figur 9). Denna 3-DOF mekanism fungerar med den föreslagna 5-DOF manipulatorn att bilda en komplett amerikansk robotsystem. Baserat på den föreslagna robotic manipulatorn och exemplet global positionering alternativ som används för denna forskning, visar figur 10 en simulering exempel på roboten i positioner runt en buk phantom, visar att det är kunna nå runt båda sidor av buken och en rad olika positioner på toppen. Utformningen av redundant lederna i systemet, särskilt konfigurationer av J1 och J2, möjliggör luta sonden till stora vinklar med de flesta av de mekaniska strukturer fortfarande borta från patientens kropp, som kan observeras i Figur 10. Följaktligen, med tre sista lederna (J3, J4och J5) anges att rotera inom begränsade områden för vippning finjusteringar, undviks kollision mellan rörliga delar av roboten och patientens kropp.

Med elektronik och konventionella stepper motorstyrningen utvecklats, har experiment utförts för att testa den utgående kraften och validera den förväntade rörelseomfång. Aktuella styrenheten är en låda med mikrokontroller, stepper motor förare, strömförsörjning och tillsynsmyndigheter och andra stödjande elektroniska komponenter ingår. Den totala storleken på kontrollboxen är 40 cm lång 23 cm bred och 12 cm djup. Baserat på upprepad testning av systemet, den maximala kraft som robotic manipulatorn kan för närvarande utövar är inställd till 27 N innan den mekanisk säkerhetskoppling utlöses, ange utdata tvinga utbud av det föreslagna systemet vara 0 - 27 N. Med konfigurationen av den mekaniska kopplingen kontrollerades det av upprepad testning att i standardpositionen, när kopplingen är engagerad, bollarna är delvis i spärr hål L1. Därför ansätta förehavanden av de drivna, stora cylindriska kugghjul L2. Men när överdrivet våld utövas på det slut-effektor, är kopplingen frikopplad, med bollar flytta ut spärr hålen L1.

Utbudet av rörelse av varje gemensamt som redovisas i Tabell av material var också upprepade gånger testats och godkänts. Tillförlitlig bearbetning av robotic manipulatorn över en lång tidsperiod har utförligt testats på en fostrets fantom och kontinuerligt verifierade med buken skanningar av inre friska frivilliga (figur 11). Studien var godkänd av den lokala etiska kommittén. Hittills har har 20 frivilliga skanningar för allmänna buk ultraljudsundersökningar med robotic manipulatorn utförts framgångsrikt med grundläggande programvarukontroll av roboten, främst för att utvärdera tillförlitligheten och genomförbarheten av mekanisk design. Slutsatsen var från phantom och frivilliga studier att den nuvarande utformningen av robotic manipulatorn kan nå intervallet krävs rörelse på den krävs styrkan, och ger tillräckligt finjustering för att få bilder liknar handhållna drift av USA Sonden för avbildning av buken. För alla dessa skanningar rapporterades inga säkerhetsproblem eller obekväma känslor av volontärer. Urvalet av motorer, mekaniska förhållanden av mekanismer och effektnivåer har kontrollerats så att de säkerställer tillförlitlig förflyttning av sonden på patientens kropp, medan på samma gång som leder till slirning om excessed krafter genereras. Ytterligare detaljer av denna pågående studie på frivilliga och klinisk evidens för användning av roboten kommer att presenteras separat.

Figure 1
Figur 1: datorstödd konstruktion (CAD) ritning av alla länkar (L0, L1,L2, L3och L4) och de slut-effektor. Formen på varje länk visas som referens när 3D utskrift med hjälp av den medföljande. STL-filer. Den slut-effektor illustreras med en US sond ingår i församlingen. Klicka här för att se en större version av denna siffra.

Figure 2
Figur 2: CAD-ritning krävs ytterligare komponenter. Formen på varje komponent visas för referens när 3D utskrift med hjälp av den medföljande. STL-filer. Komponenterna inkluderar sporre och avfasning redskap i olika storlekar, en axel krage, en kopplingskåpan och en slut-effektor krage. Klicka här för att se en större version av denna siffra.

Figure 3
Figur 3: Monteringsanvisning för J1. Det krävs länkar, motorer, växlar och lager visas, med vissa strukturer som ändrats till öppet att illustrera församlingen. Klicka här för att se en större version av denna siffra.

Figure 4
Figur 4: Monteringsanvisning för J2. Det krävs länkar, motorer, växlar, boll-våren par och lager visas, med vissa strukturer som ändrats till öppet att illustrera församlingen. Klicka här för att se en större version av denna siffra.

Figure 5
Figur 5: Monteringsanvisning för J3. Det krävs länkar, motorer, växlar och lager visas med två Perspektivvyer att illustrera församlingen. Klicka här för att se en större version av denna siffra.

Figure 6
Figur 6: Monteringsanvisning för J4. Det krävs länkar, motorer, växlar och lager visas, med monterade J4 mekanismen anges. Klicka här för att se en större version av denna siffra.

Figure 7
Figur 7: Monteringsanvisning för J5. Det krävs länk och slutet-effektor, motorer och redskap visas, med vissa strukturer som ändrats till öppet att illustrera församlingen. Klicka här för att se en större version av denna siffra.

Figure 8
Figur 8: Sammanfattning av den föreslagna 5-DOF robotic manipulatorn med den slut-effektor håller en US sond. Samordna definitionen av varje gemensamt och den totala storleken av monterade manipulatorn indikeras. Klicka här för att se en större version av denna siffra.

Figure 9
Figur 9: CAD-ritning till exempel global positioning enhet. Denna arm-baserad enhet används för att arbeta med den föreslagna robotic manipulatorn för testning. Beteckningarna och det huvudsakliga dimensionerar visas i ritningen. Klicka här för att se en större version av denna siffra.

Figure 10
Figur 10: kinematisk simulering av fyra olika skanning ställningar runt phantom. Detta visar en adekvat rörelseomfång för en genomsökning med typiska buk i USA. Klicka här för att se en större version av denna siffra.

Figure 11
Figur 11: genomfört USA robot använda protokollet beskrivs. (en) robotic manipulatorn med exemplet global positionering mekanism. (b) klinisk användning av föreslagna robotic manipulatorn på patientens buken. Klicka här för att se en större version av denna siffra.

Tabell för material: tekniska Detaljer för den föreslagna robotic manipulator, inklusive Denavit - Hartenberg parametrar och gemensamma specifikationerna. Klicka här för att se en större version av denna siffra.

Kompletterande filer. 3D utskrivbara STL filer. Vänligen klicka här för att hämta den här filen. 

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Discussion

Till skillnad från många andra industriella robotar som har översatts till medicinska tillämpningar, var föreslagna robotic manipulatorn beskrivs i protokollet särskilt utformad för amerikanska undersökningar enligt kliniska krav för rörelseomfång, tillämpning av kraft och säkerhetsledning. Lätta robotic manipulatorn själv har ett brett utbud av rörelser tillräckligt för de flesta extra kroppsliga US skanning, utan behov av stora rörelser av mekanismen för global positionering. Som närmast mekanisk struktur till patienten, är de föreslagna länkarna också speciellt formade att vara borta från patienten. Med de flesta DOFs inbäddade i en kompakt manipulator, kan robotic US skanna med den här enheten göras på ett intuitivt sätt liknar mänsklig drift utan nödvändigheten av upptar ett stort utrymme. På grund av alla dessa funktioner, förväntar vi oss att systemet framställt följande protokollet kunde få acceptans från vårdpersonal och patienter, som valideras med pågående volontär studien. Med den föreslagna robotic manipulatorn, kan olika konventionella arkitekturer för global positionering användas baserat på särskilda kravet, till exempel en gantry eller tak montering mönster. En exempel global positioning enhet användes i denna uppsats att tester av föreslagna robotic manipulatorn.

Det nuvarande protokollet föreslår att alla länkar kan skrivas ut med ABS eller PLA plast eller nylon, baserat på tillgänglighet av tjänsten lokala 3D-printing, medan använder nylon skrivs ut föredras i allmänhet på grund av nylon's materialstyrka. Ännu viktigare, som anges i protokollet, ska de ytterligare komponenterna, särskilt redskap, skrivas ut med nylon eller en annan starkt material att säkerställa tillförlitligheten i systemet. Som nya 3D-printing material introduceras, skulle användning av material kunna ändras. Det nuvarande protokollet sysselsätter en slut-effektor speciellt framtagen för en viss US-probe, med sondens 3D form skannas av en CT imaging system att hjälpa utformningen av den inre profilen för den slut-effektor. När manipulatorn används med andra amerikanska sonder med olika former, är det viktigt att se till att den inre profilen för den slut-effektor är omgjorda för att matcha tätt med den yttersta profilen US sondens, för att garantera säkra innehav av sonden. 3D form och profil av sonden kan också erhållas från andra typer av 3D-scanning. Det bör dessutom noteras att vissa designdetaljer beskrivs i protokollet, såsom exakta former och dimensioner, Axel storlekar, montering kilspår, skruvar och användning av lager, kunde ändras. Av samma anledning tillhandahålls vissa detaljer inte när de bygger uppenbarligen på gemensamma kunskap av mekanisk konstruktion.

Den aktuella designen har en passiv mekanisk koppling som kan justeras och används för att begränsa den maximala kraft som anbringas till patienten. Detta är en säkerhetsfunktion som inte bygger på någon elektriska system eller programvarulogik, som garanterar grundläggande säkerhet använda roboten för oss undersökningar. Den utlösande punkten var uppsättning baserad på intervallet från tidigare mätningar21 i den vertikala kraft som mänskliga aktörer till patienterna under normala amerikanska genomsökningar, liksom liknande resultat rapporteras från den befintliga litteraturen18, båda som tyder på att den maximala vertikala kraften vanligtvis inte överstiger 20 N. Detta behandlades som en förutsättning att utlösa kraft kopplingen bör vara mer än 20 N med vissa givna utsläppsrätter. Mängden utlöser kraft kan justeras genom att ändra antalet boll-våren parar, konstanten våren, storleken på spärr hålen och förspänning av fjädrar22. En potentiell ändring av protokollet designade för detta är att ändra antalet från håligheter för att hålla bollen-våren parar i L2. I praktiken, när du använder det föreslagna systemet, rätt kopplingen lätt kan verifieras genom att manuellt roterande koppling leden och ha den kopplingen disengage och återuppta kontakten innan någon robotic amerikanska undersökning utförs. I det nuvarande protokollet tillämpas säkerhet kopplingen endast på J2 som denna gemensamma är utformad för att passa in sonden med ytan av buken och kan användas direkt för att begränsa den vertikala kraft som utövas på patienten av US sonden. Med ett liknande koncept, kan en säkerhetskoppling också implementeras för J1 spur redskap, som kommer att garantera säkerheten för J1 rotationsrörelsen av följande strukturer. Detta ses inte som en viktig säkerhetsfunktion i det nuvarande protokollet men kan vara en potentiell ändring för en slutbehandlad version. De tre sista lederna, J3, J4och J5, används för finjustering av sondens orientering. Kinematically, de används inte att generera någon överdriven kraft och sannolikt inte kommer att kollidera med hinder. För att minimera storlek och vikt av den föreslagna manipulatorn, föreslås inte en mekanisk säkerhetskoppling för dessa tre leder i ändringar av protokollet.

Efter protokollet presenteras här för att bygga den föreslagna manipulatorn för oss undersökningar, samma tillförlitligheten i det mekaniska systemet, samma intervall av rörelse, liknande vikter av hela manipulatorn och en liknande nivå av utlösande kraft av kopplingen är väntat som redovisas i denna uppsats. Dock skulle den repeterbarhet och noggrannhet av rörelser samt repeterbarheten hos den exakta utlösande kraft nivån av mekaniska kopplingen, starkt beroende av 3D-printing och församlingen noggrannhet jämfört med CAD design. Detta kan inte garanteras för den aktuella prototypen som en lab-baserad low-end 3D-printing service användes för tillverkning och montering gjordes manuellt i syfte att preliminära prototyper. Det förväntas att en industriell tillverkning och montering efter protokollet design skulle medföra bra repeterbarhet och hög noggrannhet, även om detta inte är för närvarande vårt mål innan systemet görs i en slutprodukt för klinisk prövning. Provning av prestanda kräver också ett separat protokoll, som omfattar kinematisk modellering, en robotic kontrollmetod, rörelsespårning och kalibreringsmetoder, och, således, inte ingår i det aktuella papperet. Likaså bestäms den kontroll precision och respons av föreslagna manipulatorn av motorisk kontrollmetod, robot kontroll algoritmen och kommunikation mellan elektronik manipulatorn och styrgränssnittet. Eftersom dessa ligger utanför syftet med det nuvarande protokollet att införa den nya mekaniska designen och kan implementeras med hjälp av många befintliga arkitekturer, tillhandahålls inte detaljer i detta papper.

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Disclosures

Författarna har något att avslöja.

Acknowledgments

Detta arbete var stöds av Wellcome Trust IEH Award [102431] och Wellcome/EPSRC centrum för medicinsk teknik [WT203148/Z/16/Z]. Författarna erkänner finansiellt stöd från Institutionen för hälsa via National Institute for Health Research (NIHR) omfattande Biomedical Research Centre award till killens & St Thomas' NHS Foundation Trust i samarbete med King's College London och King's College Hospital NHS Foundation Trust.

Materials

Name Company Catalog Number Comments
3D-printed link L0 3D printing service 1 As shown in Figure 1, with the STL file provided
3D-printed link L1 3D printing service 1 As shown in Figure 1, with the STL file provided
3D-printed link L2 3D printing service 1 As shown in Figure 1, with the STL file provided
3D-printed link L3 3D printing service 1 As shown in Figure 1, with the STL file provided
3D-printed link L4 3D printing service 1 As shown in Figure 1, with the STL file provided
3D-printed end-effector 3D printing service 1 As shown in Figure 1, with the STL file provided
20-teeth spur gear 3D printing service 12 0.5 module, 5 mm face width, with mounting keyway, as shown in Figure 2, with the STL file provided
18-teeth bevel gear 3D printing service 2 0.5 module, 5 mm face width, with mounting keyway, as shown in Figure 2, with the STL file provided
120-teeth spur gear (Type A) 3D printing service 1 0.5 module, 6 mm face width, with mounting keyway, bearing housing, and bore, as shown in Figure 2, with the STL file provided
120-teeth spur gear (Type B) 3D printing service 2 0.5 module, 6 mm face width, with detent holes, bearing housing, and bore, as shown in Figure 2, with the STL file provided
120-teeth spur gear (Type C) 3D printing service 1 0.5 module, 6 mm face width, with mounting key, bearing housing, and bore, as shown in Figure 2, with the STL file provided
20-teeth long spur gear 3D printing service 1 0.5 module, 21.5 mm face width, with mounting keyways, as shown in Figure 2, with the STL file provided
144-teeth bevel gear 3D printing service 1 0.5 module, 7 mm face width, with mounting keyways, as shown in Figure 2, with the STL file provided
Bearing (37 mm O.D and 30 mm I.D) Bearing Station Ltd., UK 5 Bearing size and supplier can be varied
Bearing (12 mm O.D and 6 mm I.D) Bearing Station Ltd., UK 2 Bearing size and supplier can be varied
Bearing (32 mm O.D and 25 mm I.D) Bearing Station Ltd., UK 1 Bearing size and supplier can be varied
Bearing (8 mm O.D and 5 mm I.D) Bearing Station Ltd., UK 2 Bearing size and supplier can be varied
Plastic/metal shaft (6 mm O.D, 70 mm long) TR Fastenings Ltd., UK 1 e.g. Could be an M6 bolt and a nut
Plastic/metal shaft (5 mm O.D, 70 mm long) TR Fastenings Ltd., UK 1 e.g. Could be an M5 bolt and a nut
Ball-spring pairs WDS Ltd., UK 4 Numbers of ball-spring pairs could varied to adjust the triggering force of the clutch
Clutch covers 3D printing service 2 104 mm O.D, 5mm face width, 6 mm bore, as shown in Figure 2, with the STL file provided
3D-printed shaft collar 3D printing service 1 35 mm O.D and 30 mm I.D, 8mm face width, as shown in Figure 2, with the STL file provided
3D-printed end-effector collar 3D printing service 1 As shown in Figure 2, with the STL file provided
Small geared stepper motors AOLONG TECHNOLOGY Ltd., China 14 Part number: GM15BYS; Internal gear ratio 232:1 or 150:1, all acceptable

DOWNLOAD MATERIALS LIST

References

  1. 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).
  2. 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).
  3. Jakes, C. Sonographers and Occupational Overuse Syndrome: Cause, Effect, and Solutions. Journal of Diagnostic Medical Sonography. 17 (6), 312-320 (2001).
  4. 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).
  5. 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).
  6. Shah, S., et al. Perceived barriers in the use of ultrasound in developing countries. Critical Ultrasound Journal. 7 (1), 28 (2015).
  7. 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).
  8. 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).
  9. 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).
  10. Arbeille, P., et al. Use of a robotic arm to perform remote abdominal telesonography. American Journal of Roentgenology. 188 (4), W317-W322 (2007).
  11. Arbeille, P., et al. Fetal tele‐echography using a robotic arm and a satellite link. Ultrasound in Obstetrics & Gynecology. 26 (3), 221-226 (2005).
  12. 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).
  13. 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).
  14. 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).
  15. 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).
  16. 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).
  17. AdEchoTech. MELODY, a remote, robotic ultrasound solution. , Available from: http://www.adechotech.com/products/ (2018).
  18. 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).
  19. Bassit, L. A. Structure mécanique à modules sphériques optimisées pour un robot médical de télé-échographie mobile. , Université d’Orléans. France. PhD thesis (2005).
  20. Noh, Y., et al. Multi-Axis force/torque sensor based on Simply-Supported beam and optoelectronics. Sensors. 16 (11), 1936 (1936).
  21. 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).
  22. Maplesoft. Translational Detent – MapleSim Help. , Available from: https://www.maplesoft.com/support/help/MapleSim/view.aspx?path=DrivelineComponentLibrary/translationalDetent (2018).

Tags

Engineering fråga 143 medicinsk robot robot ultraljud extra kroppsliga ultraljud robot design mekanismen design kopplingar och manipulatorer robot säkerhet 3D-utskrifter prototyper
Design och implementering av en skräddarsydd Robotic Manipulator för extra kroppsliga ultraljud
Play Video
PDF DOI DOWNLOAD MATERIALS LIST

Cite this Article

Wang, S., Housden, J., Noh, Y.,More

Wang, S., Housden, J., Noh, Y., Singh, A., Back, J., Lindenroth, L., Liu, H., Hajnal, J., Althoefer, K., Singh, D., Rhode, K. Design and Implementation of a Bespoke Robotic Manipulator for Extra-corporeal Ultrasound. J. Vis. Exp. (143), e58811, doi:10.3791/58811 (2019).

Less
Copy Citation Download Citation Reprints and Permissions
View Video

Get cutting-edge science videos from JoVE sent straight to your inbox every month.

Waiting X
Simple Hit Counter