娇嫩的组织操纵定制的软机器人气动设备手爪基于杆制造

Bioengineering

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Low, J. H., Yeow, C. H. Rod-based Fabrication of Customizable Soft Robotic Pneumatic Gripper Devices for Delicate Tissue Manipulation. J. Vis. Exp. (114), e54175, doi:10.3791/54175 (2016).

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Abstract

Introduction

软机器人已经引起了机器人界极大的研究兴趣,他们在不同的功能任务被使用,如在非结构化环境中12握持运动波动。它们主要由软弹性体材料和通过利用不同材料的不同的致动技术,如电活化聚合物(EAP),形状记忆合金(SMA),或压缩流体3进行控制。根据诱导的静电力,以产生活性的菌株,由此产生致动差动电压EAPS功能。的形状记忆合金的固有形状记忆效应被部署到生成期间时的温度变化的相变基于所述力产生所需的致动。最后,压缩的流体致动技术有利于简单的设计策略,以诱导在软的致动器的刚度差异,从而使得多个柔性区域将膨胀在增压。软机器人被设计为扩大传统硬机器人的应用,尤其是在微妙的对象涉及的应用程序。特别是,在本文中,我们提出我们在制定细腻手术操作的软机器人抓手独特的方法。

外科用夹紧是参与许多外科手术如肝,妇科,泌尿科和神经修复手术4,5的一个重要方面,它通常是由刚性的,钢的组织夹紧工具,如钳子和腹腔镜抓紧器用于促进的目的而进行观察,切除,吻合程序 。然而,由于传统的夹紧工具由金属制成,可能在接触6的点的软组织会导致高应力集中区域的需要格外小心。根据组织损伤的严重程度,各种并发症,如疼痛,病理性瘢痕组织˚Formation,甚至终身残疾,可能会导致。预先研究报告说,在周围神经手术并发症的发生率为3%7。因此,软握持,可以提供安全的抓地力兼容的概念可以是微妙的手术操作有希望的候选人。

这里,我们提出的3D印刷和改性软光刻技术,其通过基于杆的方法中,以制造定制的软机器人气动夹具的组合。基于压缩流体致动的软机器人的传统制造技术需要印有和密封工艺密封通道8个气动频道的模具。然而,这是不适用于需要小气动通道,其中通道的阻塞可在密封过程中容易发生微型软机器人可行的。传统技术需要的气动通道的密封,以通过将其粘结的涂覆密封层来完成。因此,拉弹性体材料的揭掉最初用作接合层洒入的微小通道和封闭这些频道。也不可能在该结构的中间定位的充气通道,并连接到使用传统技术的腔室部件。所提出的方法允许连接到一个空气填充用室杆小型化的气动通道的建立,并且不需要的微小通道的密封。此外,连接到气动通道的腔室作为不需要对压缩流体致动的外部空气源的空气源。它允许手动和通过促进该腔室压缩致动夹紧部件,由此提供用户控制的力,它们是通过夹持器施加的量的选择机械手控制模式。这种方法是高度可定制的,并且可以用于制造各种类型的软夹持器的设计,如单或亩夹具ltiple致动臂。

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Protocol

注意:所有的软气动夹持器被铸造基于硅氧烷的弹性体的混合物到定制3D印刷模具,其随后的制造过程包括三个步骤制造:成型带嵌入气动通道夹持器臂组件,模制连接到气动通道室元件以及密封填充有空气的腔室部件。

1.弹性体的制备

  1. 放置在秤为混合器的容器和去皮它。倾部分A和在用1容器中的基于硅氧烷的弹性体的A:1的重量比。
  2. 覆盖容器和测量的总重量。
  3. 放置在容器和材料成离心混合器。调整在混频器的重量平衡,以在步骤1.2测量的体重。
  4. 设置在混合和脱气模式,以2000转2200转分别为30秒。混合弹性体组分充分达到均匀的固化。
乐“> 2,模具设计与制作

注意:在模具的几何形状将根据不同的应用的具体要求而变化。下面的步骤说明所必需的制造的模具的腔室和夹持器部件中的CAD软件的一般的关键步骤。

  1. 设计采用计算机辅助设计(CAD)软件的模具和封模。参见图1为在本手稿中使用的模具的几何形状和特定的尺寸。
    1. 外边界框的设计
      1. 顶部平面右键单击,然后点击“正常到”按钮正常化顶端平面。
      2. 点击左上角的“素描”,打开一个“素描”窗口。然后,点击工具栏的左上角的“草图”按钮,绘制室组成的矩形底座。
      3. 点击“智能尺寸”功能,它位于“草图”按钮旁边,以定义SK蚀刻尺寸。确保草图已经完全定义( 所有画线变成黑色),并在完成后退出草图。
      4. 点击“功能”窗口。然后,点击“拉伸凸台/基地”功能,在挤出Y方向选择的轮廓。
      5. 点击模型的顶部表面上预选草图平面。绘制一个矩形,并作为2.1.1.2 2.1.1.3和描述定义尺寸。
      6. 点击“功能”窗口。然后,点击“拉伸切除”功能来削减挤压铸造弹性体( 图2A)的腔体。确保壁厚为2.5毫米。
    2. 内腔室的设计
      1. 在开口面积的Y方向的表面上单击鼠标右键。然后,点击“普通至”正常化到表面。
      2. 接下来,点击“素描”窗口中绘制室组成一个矩形作为步骤2.1.1.2和描述2.1.1.3。
      3. 点击“功能”窗口。然后,点击“拉伸凸台/基地”功能,在挤出Y方向( 图2B)室元件。
        注意:在步骤2.1.1.6切口的深度比该挤出基的2.5毫米。
    3. 夹具元件的设计
      1. 点击X轴负方向的模型表面上预选草图平面的夹持器组件。如步骤2.1.1.2 2.1.1.3和创建描述中的“素描”窗口中的矩形。
      2. 点击“功能”窗口。然后,点击“拉伸凸台/基地”功能,在挤出负X方向的选择轮廓。
      3. 点击夹持器组件的顶表面上以预选草图平面。创建在“草图”的窗口( 图2C)夹持器的形状和退出草图时的尺寸完全定义如步骤2.1.1.2一个ð2.1.1.3。
      4. 点击“功能”窗口。然后,点击“拉伸切口”切一腔在夹具元件铸造弹性体。确保壁厚为2.5毫米。
    4. 室和夹持器之间的连接的设计
      1. 如2.1.1.2和2.1.1.3中描述的室件的顶表面上创建的“草图”窗口的矩形。
      2. 点击“功能”窗口。然后,点击“拉伸切口”创造室和夹持元件( 图2D)之间的连接。
    5. 气动通道的设计
      1. 如步骤2.1.1.2和2.1.1.3中所述创建在正X方向上的腔室片表面1.5毫米直径的圆。
      2. 点击“功能”窗口。然后,单击“剪切挤压”创建线材插入( 图2E)通道。确保霍尔ES不通过夹持器组件切断。
  2. 在一个单独的CAD文件,绘制与长度和宽度的空腔是比夹持器的腔室部件的外尺寸大1mm的密封模具。注意:壁厚为2.5毫米。
    1. 点击“素描”窗口创建顶部平面矩形所描述的步骤2.1.1.2 2.1.1.3和。
    2. 点击“功能”窗口。然后,点击“拉伸凸台/基地”功能,在挤出Y方向选择的轮廓。
    3. 点击模型的顶面预选草图平面。绘制一个矩形,如步骤2.1.1.2 2.1.1.3和)所述定义尺寸。
    4. 点击“功能”窗口。然后,点击“拉伸切除”功能来削减挤出一腔浇铸弹性体。确保壁厚为2.5毫米。
  3. 保存每个防霉片为3D打印的.STL文件。 加载.STL文件与30微米的分辨率的3D打印机和打印模片9。
  4. 上模片除去任何载体材料,用水洗涤,模具件。

3.软单/双动臂气动手指

  1. 成型夹具臂组件嵌入气动渠道
    1. 为了产生与连接到它的气动通道密封的室插入在左和室元件( 图3A)的右侧两个3D印刷室块。
    2. 通过腔室插入两个毫米直径的1.5钛线棒,保持从夹紧提示2毫米的距离以创建气动通道( 图3A)。注意:使用一个线材为单致动臂夹持器。
    3. 倾弹性体混合物到模具中以完全填充所述夹持器组件。
    4. 确保没有明显的气泡存在。
    5. 的PlacE中的模具放入烘箱中在60℃下固化10分钟。一旦弹性体固化后,取出从烤箱模具。
  2. 连接到气动通道成型室元件
    1. 拉动线材和两腔室阻挡从模具。
    2. 放置在夹持器组件的顶部上的三维印刷夹持器块,以创建所述腔室( 图3B)。插入线材以阻止在模具的壁上的孔。
    3. 倾弹性体混合物到模具中以填充腔室部件的剩余部分,​​并确保有困在模具无可见的气泡。
    4. 在60℃下进行10分钟的温度固化的部分。一旦弹性体固化从烤箱中取出模具。
    5. 取下夹具块,并与脱模腔室结构的完全固化抓手。
  3. 密封充有空气的腔室组件
    1. 倾弹性体混合物放入密封模具和固化它在60℃下10分钟。
    2. 在固化2.5毫米密封层刷弹性体材料的层。放置与在涂覆密封层的顶部的腔室结构的固化夹持器和两片结合在一起( 图3C)。
    3. 接着,完全固化整个结构在60℃下15分钟。
    4. 脱模的完全固化的软的机器人夹持装置。

4.插入软机器人气动夹紧装置进入处理工具

  1. 设计处理工具运用CAD软件的补充文件1描述并将其保存在文件.STL。 见图45的工具的尺寸。
  2. 加载在3D打印机的.STL文件和打印模片9。
    注:手动控制处理工具,矩形帽,和可移动的活塞( 图4)所有的印刷工序可在3小时48分钟内完成。公关inting时间用于制造机械手控制处理工具和矩形帽( 图5)是1小时56分钟。见三维打印机使用说明书补充文件2。
  3. 完成打印后脱落的工具,任何支持材料。然后,洗工具水。
  4. 插入夹持器插入手动控制处理工具( 图4A)和覆盖的可动矩形帽( 图4B)的开口面积。
  5. 插入一个可移动的活塞( 图4C),以促进腔室压缩。
  6. 插入夹持器和线性驱动器到机器人控制处理工具( 图5A)。注意:线性致动器替代在手动控制模式下的可移动的活塞对腔室压缩。
  7. 覆盖可动矩形帽( 图5B)的开口面积。

5.评估和抓地力压缩试验

  1. 评估软抓手用跳线进行测试扣人心弦的功能。
    1. 将餐桌上的跳线。
    2. 调整夹具,以使金属丝在两夹爪臂之间。
    3. 移动可移动的活塞,以便致动所述夹具臂以保持导线以压缩室中。
      注意:只有手动控制处理工具在握持演示中使用。
    4. 保持和线移动到位于20厘米的线的原始位置离开的盒子。
  2. 放置夹持器的两个夹爪之间的校准力传感电阻。确保在传感区域中的夹爪抓地力。注意:在传感区域的直径为14.7毫米。
  3. 压缩所述腔室以促动夹持器手臂上的力感应电阻的抓地力。
  4. 测量最大的抓地力压缩力,由于在10中描述的软单致动臂和双促动臂气动夹具可以产生。
    注意:读出值将显示在笔记本电脑上。最大的抓地力压缩力在那个气动通道可以承受最大压力的点测量。
  5. 剪出由柔软的双致动臂气动夹具个别弹性夹爪。
  6. 插入镊子提示入弹性把持爪的气动通道。
  7. 放置钳子的两个钳口之间的校准力传感电阻。
  8. 测量由神经外科医生进行的模拟神经外科手术期间通过弹性体涂层的镊子和钳子所产生的压缩力10。
    注意:神经外科医生施加力是类似于他的力感测电阻器实际手术过程中通常适用。
  9. 平均从每个测试五项试验获得的数据。

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Representative Results

软机器人气动夹持器装置是能够与在直径达至1.2mm的尺寸( 图6)拾取对象。由单致动臂产生的最大握压缩力,和双致动臂软夹持器装置分别0.79±0.14 N的0.27±0.07 N和,相对于1.71±0.16 N和2.61±0.22Ñ压缩力在由该弹性体涂覆的镊子和由未涂覆镊子( 图7)的模拟手术。握持力可根据夹具的几何形状和气动通道的尺寸而变化。弹性体的材料性质将决定的充气通道可以承受,这反过来会影响握力的最大压力。所提出的技术( 图3)表明,一个低成本的创作中快速制造时间软气动夹持器是可能的,一个ð这样夹持器的功能在本研究中进行评价。使用所描述的技术,不同的夹持器设计用于各种应用的制造可以通过设计相应的模具用于浇铸弹性体来实现。

这些结果表明,符合把持,没有引入过大应力向夹着的物体,是与所提出的制造技术实现的。软夹具臂的适应性允许臂以符合对象的表面轮廓。然而,这是必要的,以确保当实现符合把手安全把持不会受到损害。既坚定且符合一握是特别是在手术握持应用至关重要。结果可以通过开展试点老鼠试验以评估软抓手的性能握着鼠标的神经和检查损坏的神经时所做的程度作进一步分析软夹具使用时相比,使用镊子作为。

图1
用于制造弹性体软机器人气动夹持器装置的顶部结构的模具的图1的二维CAD图中:(A)的双致动臂,和(B)单致动臂(所有尺寸以毫米)。壁厚是所有模具2.5毫米。 请点击此处查看该图的放大版本。

图2
图2. 创建于CAD模具。(A)拉伸剪切模腔浇铸弹性体。 ( )创建于摩尔室元件ð。 ( )创建浇铸弹性体为抓手组件的空腔。 (D)的拉伸切割室和夹持器部件之间的连接。 (E)拉伸剪切两个孔用于固定线材创建气动通道。 请点击此处查看该图的放大版本。

图3
3. 软双致动臂气动夹持器的制造方法。(A)中放置两个腔块和插入两个线材来创建连接到腔室的气动通道。倾弹性体进入模具和完全固化的把持元件。 (B)拆下电线杆和腔块,并把夹具块上夹持元件的顶部,创造Ë室。倾弹性体进入模具,使室元件。 ( )债券的夹持结构到2.5mm层共同创造一个密封的空气填充室。 请点击此处查看该图的放大版本。

图4
图4 的处理工具进行手动控制模式,方便室内压缩2D CAD图纸 (A)处理工具,(B)矩形帽,和(C)可移动的活塞(所有尺寸在毫米,规模为2:3。除非指定)。 请点击此处查看该图的放大版本。


图5 的处理工具的机器人控制模式,方便室内压缩2D CAD图纸 (A)处理工具,和(B)矩形帽(所有尺寸在毫米,规模为2:3,除非指定)。 请点击此处查看该图的放大版本。

图6
图6. 评价把持拟议夹持器装置的试验。在软机械手(A)的照片的单致动臂,并且在(右)(B)的前(左)双致动臂气动夹持器装置及夹持1.2毫米直径线。


图7. 握压缩力由两个不同的软机器人气动夹持器装置产生的,并且在把手抗压试验两(弹性体涂覆的和未涂覆的)镊子,一个力检测电阻器被放置在夹持器/钳子的两个爪和之间夹持器/钳爪握在每个测试传感区域。 误差棒代表标准偏差。

图8
用于制造软机器人钩气动夹持器的顶部结构的模具的 图8. 2D CAD制图。的充气通道被定位成更靠近钩抓持元件的底表面,它会向上弯曲时加压。

补充文件1的搬运工具设计。对涉及CAD软件的处理工具的设计细节逐步, 请点击此处下载此文件。

补充文件2.三维打印机的用户指南。本用户指南提供了使用打印机的说明。 请点击此处下载此文件。

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Discussion

我们已经成功地证明,允许的对象符合握持软机器人手爪气动装置,它产生的夹着的物体比弹性体涂层镊子技巧和镊子上低得多的压缩力发挥。镊子是周围神经损伤修复过程中神经操作的必备工具手术11,12,但需要其金属结构,从医生的使用非常谨慎,以防止因过度夹持力和对周围组织的附带损伤神经损伤。取决于损伤的严重程度,各种并发症包括从较不严重的,如疼痛,严重的,如血液凝块和甚至永久性残疾,可能的结果。考虑到有必要防止手术操作过程中神经组织的意外损坏,我们的初步研究结果表明,这些软机器人手爪气动设备潜在的合适人选通过提供实现兼容握的能力补充微妙组织操纵时的电流钳。在制造软夹持器中使用的基于硅氧烷的弹性体具有的杨氏模量×10 5 Pa时,这与那些柔软可变形的人类肌肉和组织13,14,因此,它会降低组织损伤的风险相比0.8的与其对应的刚性夹具。

的所有步骤所描述的,最重要的步骤是固化过程之前在模具设计,消除截留的空气气泡的气动通道的定位,和空气室的密封。充气通道不应该定位太靠近夹持器的外壁上,以防止致动器从在低压下破裂。任何被困的气泡应该固化,因为这将消除潜在的故障点,从而最终提高夹持的性能之前被淘汰。夹持器结构应很好粘合到密封层以创建一个封闭的腔室,其能够存储空气不泄漏。

各种制造技术也已经提出建立软微致动器用于夹持应用15-17。例如,鲁及15金提出了三个步骤的软光刻工艺制成的妙手。在这种情况下,妙手是能够操纵相对小的物体,但要求其致动的外部压缩氮气缸。最近,Rateni [16]开发的,其中柔软的手指被以3D打印模具铸造的硅胶材质制成的软电缆驱动的机器人夹具。代替具有在夹持器臂的中间气动通道中,机器人夹持器是由伺服电机与连接到手指电缆致动。 Breger 等人 17提出具有顺序光刻PR由自折叠软微钳ocess。所涉及的制造过程和控制方案是昂贵的和复杂的。另一方面,所提出的制造工艺简单,成本低,可以4小时内完成,包括的时间为模具和处理工具的三维印刷。软抓手拥有迷人的特性,如低元件成本,防水和非腐蚀性。参与控制软夹持器的最小复杂性使得它能够在各种抓握应用中使用,并很容易由用户通过。

在这项研究中所描述的制造方法,主要涉及的3-D打印技术和杆为基础的方法来创建气动通道。它表明,通过改变模具设计生成定制的夹持器设计的可能性。软机器人钩气动夹持器是使用有钩夹持组件和腔室部件( 图8)的变形模具制成。它表明,该夹持器设计CAn为易于修改和以低成本制造。使用杆的创建气动通道允许小型化软机器人夹持器的制造。它表明,这种方法适用于以防止在软机器人常规制造方法进行密封处理的微小气动通道的闭塞创建微型模式软机器人。然而,在当一个全新的模具首先用于浇铸弹性体的一些情况下,固化的夹持器的外表面可以变粘。如果发生这种情况,夹持器应放置在烘箱内进行另外的固化直到表面的粘性​​消失。另外,应注意,以确保密封是很好和底腔室壁没有气泡。需要注意的是,其中有两个孔穿过所述壁,其旨在用于线材的插入的区域中,相比于其它章具有含截留的空气气泡的更高的可能性离子。弹性体材料的附加层可以用刷子上的密封层和底壁的边缘,以提高夹持器的稳健性施用。

所提出的技术的独特的功能是将在模具上打印室元件创建用于致动空气填充室的想法。在软机器人夹具设备室元件允许通过腔室的压缩来控制把手压缩力。相比,外部空气源,如便携式泵,其广泛的使用为软机器人通过,控制的手动模式是与腔室组件的存在下实现的。它是用于手术操作,其中外科医生更喜欢能够实际感受到和控制它们施加的力的大小尤其重要。腔室组件的优点是,它也允许控制的自动模式通过将线性执行器进入处理工具。因此,这两个控制的手动和自动模式可以与连接到用于致动的充气通道室元件来完成。这些低成本可拆卸软机器人夹持器被设计为一次性使用,这意味着没有必要为重新消毒以便重复使用。处理工具是灭菌和软机器人夹具可进行手术操作之前很容易地插入。这些软气动外科夹持器装置的设计还允许不同的装置设计的间变化在一个单一的处理工具,以适应不同的夹紧要求。

然而,这种技术需要在几个限制观看。第一,需要两个独立的过程来制造所述夹紧部件和所述室部件到气动通道和室元件连接在一起,并且是必需的腔室中的密封过程。虽然消除了NE的外部空气源版,它增加了时间在铸造软机器人夹具。第二,可应用到气动通道的最大压力是由弹性体的性质的限制。较大的压缩力可以通过使用更硬的弹性体或增强弹性体与纤维以防止气动通道的破裂产生。例如,丝绸纤维,其被广泛用作外科缝合材料或支架由于其生物相容性和优异的机械性能,可用于加固软夹持器18。取决于不同的应用,需要具有更高的硬度的弹性体,以确保符合安全把手之间的平衡。此外,一柔性夹持和所提出的夹持器的平滑接触表面可能会导致发生打滑。然而,适应性强接触,硅橡胶的密钥的固有特性之一,允许夹持器以符合对象的表面轮廓。我们相信这种适应性间接提高抓握的稳定性。握持接触的表面,如结合齿设计成在接触表面上的修改,可以有助于提供稳定夹具。最后,相比于具有三个或更多个臂15-17其他软夹具,建议双下巴机器人夹具的在稳定性方面握持性能是不太有利。

这种技术是高度可扩展的,由此不同的软机器人夹具从小型规模,如外科夹子,大规模,如在工业装配线手夹持器,可以制造。特别地,各种夹子可基于模具的设计定制。例如,结合两者的软夹紧部件和刚性神经钩牵开器的混合神经夹持器可以被建议用于手术操作使用。软夹紧组件在矩形壳体包裹,它会膨胀邻近尖端芳EA用于当压力被施加到通道保持在钩牵开神经。它铲球用爪夹持器的爪趋向于向外推对象时,他们关闭,这对把握一定的困难常见的限制。这将是舀起神经,然后提供一个兼容的有用的抓地力,而软爪爪只能抓地力,拿起已经不与任何表面接触的对象。

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Disclosures

作者什么都没有透露。

Acknowledgments

这项研究是由R-397-000-204-133(新加坡青年科学家奖国立大学)的支持。

Materials

Name Company Catalog Number Comments
Weighing Scale Severin KW3667 (Step: Preparation of elastomers)
Ecoflex Supersoft 0030 Elastomer Smooth-On EF0030 (Step: Preparation of elastomers)
Planetary Centrifugal Mixer and Containers THINKY USA Inc. ARE-310 (Step: Preparation of elastomers)
Solidworks CAD Dassault Systèmes  Solidworks Research Subscription (Step: Soft single/double-actuatable arm pneumatic grippers)
Objet 3D Printer Stratasys 260 Connex2 (Step: Soft single/double-actuatable arm pneumatic grippers)
Titanium Wire Rods Titan Engineering N/A (Step: Soft single/double-actuatable arm pneumatic grippers)
Natural Convection Oven with Timer Thermo Fisher Scientific BIN#ED53 (Step: Soft single/double-actuatable arm pneumatic grippers)
Linear Actuator Firgelli Technologies L12 (Step: Insertion of soft robotic pneumatic gripper device into handling tool)
Jumper Wire sgbotic CAB-01146 (Step: Evaluations and grip compressive test)
Force Sensing Resistor Interlink Electronics FSR402 (Step: Evaluations and grip compressive test)

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References

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