設計と体外超音波特注ロボット ・ マニピュレーターの実装
Summary
設計と体外超音波検診特注ロボット ・ マニピュレーターの実装について述べる。システムには、3 D プリントと安全管理のための機械式クラッチ製軽量関節自由度 5 があります。
Abstract
高精度、敏捷、そして再現性の可能性、リアルタイム超音波の獲得を支援するために自己追跡ロボット システムを用いることができます。ただし、体外超音波用に設計されたロボットの限られた数は、臨床使用に正常に翻訳されています。本研究では軽量で、小さなフット プリントを持つ体外超音波検診特注ロボット ・ マニピュレーターを構築を目指します。ロボットは、5 つの特殊な形状のリンクと患者の安全を確保する冗長自由度を用いた運動の必要な範囲をカバーするためのプローブ操作のカスタムメイドの共同機構によって形成されます。機械の安全性は、患者にかかる力を制限するためのクラッチ機構を強調されています。デザインは、結果としてマニピュレーターの総重量が 2 kg 未満のもの、マニピュレーターの長さは約 25 cm。デザインが実装されているとシミュレーション、モーション、微調整、機械的信頼性とクラッチの安全な操作能力の範囲を検証する、ファントムとボランティアの研究も行われています。説明する設計・組立方法を設計と特注ロボット超音波マニピュレーターの実装の詳細を説明。システムを使用しての臨床経験と設計上の特徴を示すテスト結果が掲載されています。現在提案されたロボット アームが体外超音波検査のためのオーダーメイドのシステムとしての要件を満たしているし、臨床使用に変換する大きな可能性がありますと結論される.
Introduction
体外ロボット超音波 (米国) システムとロボット システムを利用して、保持および外部検査、心臓、血管、産科的、一般的な腹部画像診断1 でその使用を含む米国プローブを操作する構成は、します。.このようなロボット システムの使用は独創力のある手動で押し操作米国の調査、例えば、臨床画像処理プロトコル、および反復的な緊張傷害2、リスクに必要な標準的な米国ビューを見つけることの挑戦の課題を 3,4、またスクリーニング プログラム私たちのニーズによって、例えばの要件を経験した敷地内5,6社団法人。さまざまな機能とターゲット葉形質と、いくつかのロボットの米国システム、以前作品1,7、8、見直しとして導入されている米国のさまざまな側面を改善するために、1990 年代以降試験 (例えば、長距離遠隔操作9,10、11,12と同様、ロボット オペレーター相互作用と自動制御)13, 14. 診断用のロボットの米国のシステムに加えてではロボット高強度集束超音波 (HIFU) システムあり治療目的が検討されているプリースターらによって要約されるように1、いくつか最近の作品15,16最新の進捗状況を報告します。
のみそれらのいくつかが正常に市販の遠隔超音波システムなどの臨床使用に翻訳されているいくつかの米国のロボット制御および臨床操作のための比較的信頼性の高い技術で開発されている、17. 理由の 1 つは患者と社団法人の両方の観点から、臨床の現場で働く大型産業探してロボットのための受諾の低レベル。また、安全管理のため既存の米国ロボットの大半は、監視および受動的力を制限するより根本的な機械安全メカニズムが利用不能で通常米国プローブへの応用圧力を制御する力センサーに依存してください。.ロボット操作の安全に純粋な電気システムとソフトウェアのロジックに依存してなる臨床使用に変換するときも問題が発生この可能性があります。
3 D の最近の進歩の印刷技術、カスタムメイド共同機構を持つプラスチック リンクを特別形オーダーメイド医療ロボットを実現のための新しい機会を提供できます。コンパクトな外観と慎重に設計された軽量コンポーネントが臨床の受諾を向上します。米国検査のため具体的には臨床使用に翻訳されてを目指したオーダーメイド医療用ロボットはコンパクト、十分な自由度 (Dof) と、スキャンの関心領域をカバーする動きの範囲する必要があります。たとえば、腹部表面、上部と腹の側面の両方を含みます。さらに、ロボットはまた米国のビューを最適化しようとしたときにローカル エリアで米国プローブの微調整を実行する機能を組み込む必要があります。これは通常、Essombaらによって提案された、特定の範囲内のプローブの傾斜運動が含まれています18 Bassit19。さらに安全性の懸念に対処するため、電気システムおよびソフトウェアのロジックの独立した受動的機械的安全機能が必要と予想されます。
5 自由度器用なロボット ・ マニピュレーターの体外のロボット米国システムの重要なコンポーネントとして使用されている詳細な設計・組立方法を提案します。マニピュレーターは、いくつかの軽量な 3 D 印刷可能なリンク、カスタムメイドの共同機構、および組み込み安全クラッチで構成されています。自由度の特定の配置では、プローブの調整で、患者と衝突することがなく小さな領域に簡単で安全な操作を許可する完全な柔軟性を提供します。提案の多自由度マニピュレーターは米国スキャンを実行する完全にアクティブな自由度と完全な米国ロボットを形成するため、従来 3 DOF グローバル位置決め機構に患者と接触して、主要なコンポーネントことができます単に接続されているように動作するように目指しています。
Protocol
Representative Results
Discussion
多く他産業用ロボット、医療への応用に翻訳されているとは異なりプロトコルで記述されている提案されたロボット アームは、可動域の臨床要件に従って米国試験用に設計されました力と安全管理のアプリケーション。軽量ロボット自体はほとんど体外米国をスキャンするため、グローバルな位置決め機構の大規模な動きを必要とせず十分な動きの広い範囲。患者に最も近いの機械的構造と…
Disclosures
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
この作品は、医療工学 [WT203148/Z/16/Z]/EPSRC はウェルカム センター、Wellcome の信頼 IEH 賞 [102431] によってサポートされていました。著者認める経由で厚生労働省からの財政支援保健研究 (NIHR) 包括的な生物医学研究センター賞ガイ & セント トーマス NHS 財団を王との提携で信頼する所のロンドン カレッジとキングズ カレッジ病院 NHS の基礎信頼。
Materials
| 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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