Design og fabrikasjon av en Elastomeric Enhet for Soft Modular Robots i minimal invasiv kirurgi

Abstract

I de senere årene har myke robotikk teknologier vekket økende interesse i det medisinske feltet på grunn av deres egensikre samhandling i ustrukturerte omgivelser. På samme tid har nye prosedyrer og teknikker blitt utviklet for å redusere invasivitet av kirurgiske operasjoner. Minimal invasiv kirurgi (MIS) har blitt ansatt for mage intervensjoner, er imidlertid standard MIS prosedyrer i hovedsak basert på stive eller halvstive verktøy som begrenser behendighet av behandleren. Dette notatet presenterer en myk og høy fingernem manipulator for MIS. Manipulatoren ble inspirert av de biologiske egenskapene til blekksprut arm, og er designet med en modulær tilnærming. Hver modul presenterer de samme funksjonelle egenskaper, og dermed oppnå høy behendighet og allsidighet når flere moduler er integrert. Papiret beskriver design, fabrikasjon prosessen og materialene som er nødvendig for utvikling av en enkelt enhet, som blir tilvirket ved casting silikon inne bestemte former. Resultatet består i en elastomer sylinder inkludert tre fleksible pneumatiske aktuatorer som muliggjør forlengelse og omni-retnings bøying av enheten. En ytre flettet kappe forbedrer bevegelse av modulen. I midten av hver modul et granulært jamming basert mekanisme varierer stivheten av strukturen i løpet av oppgavene. Tester viser at modulen er i stand til å bøyes opp til 120 ° og til å forlenges opp til 66% av den opprinnelige lengde. Modulen frembringer en maksimal kraft på 47 N, og dets stivhet kan øke opp til 36%.

Introduction

Nye trender i det medisinske feltet er en pådriver for en reduksjon i invasivitet av kirurgiske operasjoner. Minimal invasiv kirurgi (MIS) har blitt forbedret i de siste årene for underlivsoperasjoner. MIS prosedyrer er basert på bruk av verktøy som innføres ved hjelp av fire eller fem tilgangspunkter (Trokarer) plassert på bukveggen. For å redusere antall trokarer, kan instrumentene settes inn etter én port Laparoskopi (SPL) eller Natural Orifice transluminal endoskopisk kirurgi ^(NB) 1. Disse prosedyrene hindre eksterne synlige arr, men øke vanskelighetsgraden for klinikere til å gjennomføre operasjonen. Denne begrensningen er hovedsakelig på grunn av reduserte interessante tilgang og til den stive og semi-rigid natur instrumentene, som ikke er i stand til å unngå eller passere rundt organene ^2, kan ^tre. Fingerferdighet og bevegelighet forbedres ved hjelp artikulert og hyper-redundante roboter som kan dekke et bredere og mer kompleks arbeidsplass, thoss slik at et bestemt mål i kroppen som skal nås lettere ^{4, 5, 6} og å jobbe som inntrekk av systemer når nødvendige ^syv. En fleksibel manipulator kan forbedre vev compliance, dermed kontakt sikrere enn ved tradisjonelle verktøy.

Men disse manipulatorer ofte mangler stabilitet når målet er nådd, og generelt de ikke kan kontrollere kontakten med de omkringliggende vev ^{8, 9.} Studier på biologiske strukturer, slik som blekkspruten armen ¹⁰ og elefant bagasjerommet ^11, har nylig inspirert utformingen av fleksible, deformerbare og kompatible manipulatorer med en redundant antall frihetsgrader (DoFs) og kontrollerbar stivhet ^12. Disse typer enheter utnytte passive kilder, smarte materialer, pneumatiske elementer, eller sener ^{13, 14, 15.} Vanligvis manipulatorer fabrikkert med myke og fleksible materialer garanterer ikke generering av store krefter.

Than STIFF-FLOP (stivhet kontrollerbar Fleksibel og learnable manipulator for kirurgiske operasjoner) manipulator har nylig blitt presentert som en ny kirurgisk enhet for notater og SPL inspirert av blekksprut evner. For å overvinne begrensningene ved tidligere myke manipulatorer, har den et mykt legeme samt høy fingerferdighet, høy styrke og kontrollerbar stivhet ^16.

Arkitekturen av manipulator er basert på en modulær tilnærming: flere enheter, med samme struktur og funksjonalitet, er integrert sammen. Den eneste enhet er vist i figur 1. Den er basert på en elastomer sylinder oppnås ved en flerfase fabrikasjon. Monteringstrinn av formkomponentene og støpeprosesser mulig tre tomme kamre (for fluidaktivering) og en hul sentral kanal ^{17 (for} boliger et granulært jamming basert mekanisme ¹⁸⁾ for å være forankret. Kamrene er plassert i 120 °, slik atir kombinert inflasjon produserer rundstrålende bevegelse og forlengelse. I tillegg er en ytre flettet kappe er plassert utvendig for å begrense den utoverrettede radiale utvidelse av de fluidic kamre under trykk, og dermed optimalisere effekten av kammeret aktivering i modulen bevegelse (bøyning og forlengelse).

Den sentrale kanal huser en sylindrisk anordning sammensatt av en ytre membran fylt med kornet materiale. Når et vakuum trykk påføres, forandrer den sin elastiske egenskaper som forårsaker en avstivning som påvirker hele modulens egenskaper.

Bevegelses- og stivhets forestillinger er styrt av en ekstern setup inkludert en luftkompressor, og tre trykkventiler for aktivering av kamrene og en vakuumpumpe for aktivering av vakuumet i kanalen avstivning. Et intuitivt brukergrensesnitt tillater kontroll av aktiverings og vakuumtrykk inne i modulen.

Dette notatet beskriver fabrication prosessen med enkelt modul av denne manipulator og rapporter de mest signifikante resultater for grunnleggende bevegelsesmuligheter. Tatt i betraktning den modulære karakter av anordningen, vurdering av fabrikasjon og resultatene av bare en enkelt modul muliggjør også at resultatene skal bli utvidet, og for å forutsi den grunnleggende virkemåten til en multi-modul manipulatoren integrere to eller flere moduler.

Protocol

Merk: Denne protokollen beskriver fabrikasjons fasene i en enkelt modul, som omfatter fluidic kamre, avstivende kanaler, rørledninger og aktiverings ytre kappe. Følgende prosedyre må utføres under en avtrekkshette og iført frakk og hansker av sikkerhetsmessige grunner. Som tidligere nevnt, blir fremstillingsprosessen av den elastomere enhet basert på sekvensiell bruk av støpeformer utformet med CAD-programvare. De består av de 13 bitene er vist på figur 2 og som er oppført i tabell 1.

1. Klargjøring av silikon

1. Vei opp 12 g av del A og 12 g av del B i samme glass eller plast petriskål, og blander dem sammen under omrøring.
   Merk: Vesentlige mengder kan variere avhengig av den spesifikke silikontype, i dette tilfellet består av to deler: en del A (basis) og en del B (katalysator). De brukes i forhold 1A: 1B i vekt.
2. Plasser glass som inneholder mixed silikon materiale i en avgasser maskin på en bar vakuum trykk. Hold glasset under vakuum inntil alle bobler er fjernet fra silikonmateriale. For næringsdrivende silikon avgassing prosessen tar ca 10 min. Når materialet er helt fri fra tilstedeværelsen av bobler, gjenopprette det atmosfæriske trykket inn i maskinen og bruke silikon.

2. Fabrikasjon av siliconic Module

1. Montering av mold.
   1. Sett avstive sylinderen og toppen av kamrene inn cap_A (figur 3a).
   2. Lukker skjellene rundt det andre laget av cap_A.
2. Først silikon avstøpning.
   1. Hell silikon inne den sammensatte formen opp til kanten av skallene (figur 3b).
   2. Plassere formen i en ovn ved 60 ° C i omtrent 30 min.
3. Omleiring av formen.
   1. Fjern de ytre skall og cap_A (figur 3c).
   2. Sett sylindrene fra baser i kamrene og stivne sylinder inne cap_B (Figur 3d).
   3. Lukker skjellene igjen rundt modulen, å skyve dem på 10 mm oppover, for å ha et gap på 10 mm mellom den øvre overflate av modulen og kantene på skallene (figur 3E).
4. Second silikon avstøpning.
   1. Hell silikon inne i omar formen opp til kanten av skallene på oversiden (det vil si også opp til avstivningen sylinder) (figur 3f).
   2. Sett formen i en ovn ved 60 ° C i omtrent 30 min.
   3. Fjern de ytre skall, cap_B og kamrene (unntatt avstivningen sylinder) (Figur 3g).

3. Innsetting av rørene

1. Kutt 3 rør til den samme ønskede lengde (300 mm for eksempel).
2. Sett siliconic lim rundt den ene ende av hvert rør til 10 mm, uten obStructuring rørene.
3. Sett rørene inne i 2 mm dedikerte kanaler i siliconic enheten (figur 3 timer).
4. Tillate en herdetid på 12 min ved romtemperatur eller sette modulen inne i en ovn ved en høyere temperatur (50 ° - 60 °) for å fremskynde tørkeprosessen.

4. Fabrikasjon av den krympede Flettet skjede

1. Skjær 700 mm av et ekspanderbart flettet kappe (omtrent 15 ganger høyden av modulen).
2. Sette inn en metallisk sylinder med 30 mm i diameter og 250 mm i lengde inne i kappen.
3. Presse ned og tvinge hylsteret ved å skyve mot sylinderen, for å skape krøller.
4. Mekanisk feste kappen på plass med en klemme og varme med en varmepistol ved 350 ° C i 2-3 minutter inntil en permanent deformasjon er oppnådd.
5. La skjeden kjøle seg ned og fjern innvendige sylinderen.

5. Integrering av ytre kappe

1. Passererør gjennom hullene cap_C.
2. Hell 3 g silikon inn cap_C.
3. Klemme cap_C til en støtte som er høyere enn arbeidsplanet.
4. Sett undersiden av modulen tidligere fremstilt i cap_C.
5. Skyv den krympede skjede rundt modulen.
6. Skyv de første crimps av sliren inne cap_C og dypp dem i nytappet silikon (figur 3i).
7. Sett formen i en ovn ved 60 ° C i omtrent 20 min.
8. Gjenta samme prosedyre fra punkt 5.1 til 5.6 for å fikse skjede på oversiden, ved hjelp cap_D (figur 3j).
9. Fjern cap_C og cap_D.
10. Fjern den sentrale sylinder (figur 3k).

6. Fabrikasjon av Granular Jamming Membrane

1. Hell 5 g flytende latex i en plast glass.
2. Dyppe sylinderen for membranen (siste stykket vist på figur 2) på innsiden av flytende latex inntil overflatener helt dekket.
3. La det tørke under en hette for 20 min.
4. Gjenta punkt 6.2 og 6.3.
5. Fjerne membranen fra støpeformen.

7. Innsetting av Granular Jamming Membrane

1. Skjær et rør (2 mm i diameter) til ønsket lengde (300 mm for eksempel).
2. Skjær et kvadratisk stykke på omkring 100 mm ^{2 av} nylon vev og lukker den ene ende av røret med dette vevet med en plastfilm eller parafin superlim.
3. Vei 4 g kaffepulver og fyller membranen.
4. Sett røret (enden med filter) inni fylt membran og fikse det rundt røret med en plast parafin film.
5. Påføre et vakuum på den andre siden av røret (membranen blir stivere).
6. Sett membran inne i det åpne midtkanalen til siliconic modulen (figur 3l).
7. Lim endene av avstivning membranen til silikon-modulen.
8. Lukk ringene rundt toppenside av modulen (figur 3 m).
9. Hell 2 g av silikon inn i ringene for å utjevne overflaten.
10. La silikon tørke under avtrekk, eller i en ovn ved 60 °.
11. Fjern ringene.
12. Gjenta fra punktene 7.8 til 7.11 for undersiden (figur 3n).

Representative Results

De forskjellige faser av fremstillingen, er beskrevet i protokollen, er illustrert i figur 3.

For å evaluere effektiviteten av teknikken og resultatene av den avsluttende prototypen, ble modulen testet i forskjellige arbeidsforhold. En ekstern oppsettet tillater kontroll av både aktivering og stivheten av modulen. Den omfatter en luftkompressor som aktiverer tre ventiler. De er koblet til siliconic rørene integrert i kamrene og tillater deres trykksetting. En vakuumpumpe er forbundet med rør som er integrert i det granulære jamming membran for modulen stivhet kontrollen. Ventiler og vakuumpumpe er forbundet med en elektronisk bord som er forbundet med et intuitivt brukergrensesnitt som tillater å angi verdiene av aktiveringstrykk, og vakuumnivået.

For å analysere bøyningen (figur 3) og forlengelse (figur 5) ytelse,Modulen ble løst på basen og kamrene ble aktivisert med spesifikke lufttrykk. Hver posisjon av modulen ble kjøpt opp av optiske og magnetiske sensorer. For evalueringen av styrken (figur 6) og stivhet (figur 7), en lastcelle beveges av en robotarm lov til å måle modulens funksjoner i forskjellige retninger.

Bøyetester (figur 4) å vurdere den aktive omnidireksjonal evnen av modulen. I tilfelle av en-kammer bøyning, har bare ett kammer blitt aktivert øke trykket inne, mens for to-kammer bøying, to kamre er samtidig satt under trykk med samme trykk. Bøyevinkel, som er vinkelen mellom grunnlinjen og spissen linje av modulen (se innfellinger i figur 4), er blitt beregnet for hver posisjon av modulen, som svarer til de trykkverdier. Modulen er i stand til å bøyes opp til 120 ° i tilfellet av en-kammer bending, og opp til 80 ° i to-kammer bøying. I begge tilfeller begynner en vesentlig bøyning når kamrene blir blåst opp med omtrent 0,3 bar (alle de rapporterte trykkverdier er knyttet til atmosfærisk trykk). Plottet i figur 4 fremhever at helningen av kurven øker i samsvar med denne verdi. Dette representerer et punkt der den initielle sideveis utvidelse av silikon blir hindret av den ytre kappe, og bøyningen av modulen lettes. Fra 0,55 bar trykk, er den kurve tilnærmet konstant, fordi overtrekket når sin maksimale forlengelse evne, de trykkamre er strukket helt ut det tilgjengelige kappen og således den langsgående utvidelse av silikon er begrenset til en konstant verdi som svarer til den maksimale bøye vinkel.

Når alle tre kamrene er samtidig betjenes med samme trykk, elongates modulen, som vist i figur 5. Fraen lengde på 50 mm, når modulen 83.3 mm, tilsvarende en forlengelse på ca. 66%. Igjen, starter den ytre kappe for å vise dens effekt på rundt 0,3 bar, hvor det er en plutselig økning i forlengelse evne. Ingen platået er til stede ved høye trykk, fordi i løpet forlengelse kappen ikke når det maksimale forlengelse.

Modulen er i stand til å generere krefter fra 24,1 N, når ett kammer er aktivert, opp til 47,1 N, når tre kammere blåses opp (figur 6).

Aktiveringen av en bar vakuum trykk (absolutt) i det avstivende kanalen viser en økning i stivheten av modulen (figur 7) på 36% ved hvilebetingelser, 19,6%, 12,4% og 17,2% ved 90 ° bøyning i y, x og z-retningene henholdsvis.

Den presenterte protokollen skaper en myk enkelt enhet, og med forskjellige enkle modifiseringer, gjør det mulig for samme prosedyre modulene for å være fremstilt for å kunneopprette en multi-modul manipulator. En mulig løsning for manipulatoren er å integrere to eller flere moduler, hvor den pneumatiske aktiverings leveres i de moduler av rørledninger. Aktiverings rør direkte aktuere den første modulen og andre rørene kan passere gjennom kamrene med denne modulen for å trykksette kamrene i neste modul, som vist i forarbeider på modulen integrering ^{20, 21.} I dette tilfelle stykker av formen er samme med unntak av de kammer som har to sylindre, en øverst og en nederst, for å sette inn og passerer rør.

Figur 1. Begrepet manipulatoren og CAD av modulen. Manipulatoren er basert på en multi-modul tilnærming. Singelen enhet av en myk sylinder embedding tre fluidic aktuatorer, en sentral kanal bolig kornete jamming tre pipes for å levere trykk, og en ytre flettet kappe for å øke modulen bevegelse.

Figur 2. Mold komponenter til fabrikasjon prosessen. 13 stykker er samlet brukes til å montere muggsopp der silikon helles og å dikte tilpasset latex membran.

Figur 3. CAD av fabrikasjonsfasen. Innsetting av kamrene og den avstivende sylinder inn i cap_A (a), først silikon støping (b) fjerning av skjell og cap_C (c) innføring av cap_B (d), omplassere av skallene (e) andre silikon støping (f), fjerning av skjell, cap_B og kamre (g), innsettingav rørene (h), innsetting av cap_C og kappe for sin fiksering på undersiden (i), innsetting av cap_D og kappe for sin fiksering på oversiden (j), fjerning av cap_D og avstivende sylinder (k), innsetting av den granulære jamming membranen (l), lukking av semi-ringer rundt modulen (m), siste modulen (n).

Figur 4. Bøye test. Opptreden av modulen når ett kammer er betjent (blå linje), og når to kamrene er betjent (rosa linje). Bøyevinkel er indikert på modulen i innfellinger. Spekteret i trykk som brukes for å aktivere modulen går fra 0 bar til 0,65 bar med trinn på 0,05. For hver posisjon av modulen, ble bøyevinkelen beregnes. Dette tallet har blitt sitert fra ^[19].

Figur 5. Forlengelse test. Opptreden av modulen under forlengelse. Alle de tre kamrene er samtidig betjenes med samme trykk. Trykkområdet går fra 0 bar til 0,65 bar. For hver posisjon forlengelsen ble beregnet. Dette tallet har blitt sitert fra [19].

Figur 6. Force test. Evaluering av kraften i isometrisk forhold langs x-retningen. En lastcelle ble plassert på toppen av modulen, og den kraft som ble beregnet i tre forskjellige tilfeller i forhold til antall aktiverte kamre. Dette tallet har blitt sitert fra ^[19].

oad / 53118 / 53118fig7.jpg "/>
Figur 7. Stivhet test. Evaluering av stivheten variasjonen i fire forskjellige konfigurasjoner når det samme kammeret er aktivert. Ulike forskyvninger ble ilagt på tuppen av modulen med en 6 DOF robot. Stivheten ble beregnet på basis tilstand av modulen (a) og ved 90 ° bøyning langs y, x og z-retningene (b, c, d). Dette tallet har blitt forandret fra ^[19].

Mold Component	Antall	Beskrivelse
Shells	2	Disse havea halv-sylindrisk form, er 40 mm i høyde, med en indre radius på 12,5 mm og ytre radius på 14,5 mm. Når den er lukket, danner de en sylinder som representerer formen på siliconic enheten. Skallene er fabrikkert i polyoksymetylen.
Chambers	3	Disse kamre utgjør den negative av aktiveringskamre. De har en halvsylindrisk fullstendig form med avrundede kanter, er 30 mm i høyde med en 4 mm radius. For å lette innføringen av aktiverings rørledningene, ved bunnen av hvert kammer er det en sylinder med en diameter på 1,5 mm og en lengde på 13 mm. Kamrene er fabrikkert med en 3D-printer maskin.
Avstivende Cylinder (for granulær jamming mekanismen	1	Dette er den negative av den avstivende kanalen. Det er 56 mmi høyde og 8 mm i diameter. Det er fremstilt i aluminium for å lette dets fjerning fra midten av siliconic sylinderen.
cap_A	1	Dette er en bærestykket brukes til å fikse og justere bitene nevnt ovenfor. Det er en skive 10 mm i høyde, med en diameter på 29 mm for den første 7 mm høyde og 25 mm for de andre 3 mm, hvor det ytre skall tett. De øvre former av kamrene er utformet inne i det annet lag, som er lagt inn ved 120 ° C, med en dybde på 3 mm for å sette toppen kamre. I sentrum av lokket, og huser et hull på 8 mm i diameter av sylinderen på avstivende kanalen.
cap_B	1	Dette bærestykket er lik den cap_A, bare varierer for det annet lag som har tre hull for innføringav sylindrene er utformet på bunnen av kamrene.
cap_C og cap_D	En hver	Disse støtter kan mantelen festes til modulen. De har en indre diameter på 35 mm, og et sentralt hull med 8 mm i diameter for innsetting av avstivende sylinder. Cap_C forskjellig fra cap_D fordi den har 3 hull med 2 mm i diameter for å aktivere rørene som skal settes inn.
Semi ringer	2	De har en indre diameter på 30 mm og en høyde på 10 mm. De er laget av aluminium. De brukes i den siste fase av fremstillingen for å lukke modulen definitivt.
Sylinder for Membrane	1	Den brukes for fremstilling av en membran tilpasset for the granulær jamming mekanisme. Det er 50 mm høyt og 15 mm i diameter, og har avrundede ender for å oppnå en hensiktsmessig form for membranen til å føres inn i modulen. Ved basen, løser en tynn sylindrisk del av formen på en bærer under fremstillingen av membranen.

Tabell 1. Mold komponenter.

Materials

Name	Company	Catalog Number	Comments
Ecoflex 00-50 Trial Kit	SmoothOn		Used for the fabrication of the soft unit, combining equal amounts of liquid parts A (the base) and B (the catalyst)
Latex	Antichità Belsito		Used for the fabrication of the granular jamming membrane
Peroxide-Cured Silicone Tubing	Cole Parmer	T-06411-59	Used for actuating the chambers and applying vacuum
PET expandable braided sleeving	RS	408-249	Used for the fabrication of the external braided sheath
Silicone Rubber	Momentive	127374	Used to fix the actuation tubes to the module
Parafilm	Cole Parmer	EW-06720-40	Used to fix the latex membrane to the vacuum tube
Fume hood Secuflow	Groupe Waldner		Working space
Precision scale	KERN EW		Used to weight silicone, latex and coffee powder
Oven/degasser	Heraeus		Used to degass the silicone and reduce its cure time
Vacuum pump	DVP Vacuum Technology		Used to apply vacuum to the latex membrane