Design og implementering av en skreddersydd robot Manipulator for ekstra kroppslige ultralyd

Summary

Dette papiret introduserer utforming og gjennomføring av en skreddersydd robot manipulator for ekstra kroppslige ultralyd undersøkelse. Systemet har fem grader av frihet med lette skjøter laget av 3D-utskrift og en mekanisk clutch for administrasjon av sikkerhet.

Abstract

Med potensial for høy presisjon og behendighet repeterbarhet, kan en selvstendig spores robot-system være ansatt å hjelpe oppkjøpet av sanntids ultralyd. Imidlertid er begrenset antall roboter designet for ekstra kroppslige ultralyd ble oversatt til klinisk bruk. I denne studien har vi som mål å bygge en skreddersydd robot manipulator for ekstra kroppslige ultralyd undersøkelse, som er lette og har en liten plass. Roboten er dannet av fem spesielt formet koblinger og skreddersydde felles mekanismer for sonden manipulasjon, å dekke de nødvendige bevegelsesutslag med redundant grader av frihet å sikre pasientens sikkerhet. Mekanisk sikkerhet er understreket med en clutch mekanisme, begrense kraften til pasienter. Som følge av design, totalvekt manipulatoren er mindre enn 2 kg og manipulatoren er ca 25 cm. Utformingen er implementert, og simulering, phantom og frivillige studier er utført, for å validere bevegelsesområdet, muligheten til å foreta finjusteringer, mekanisk pålitelighet og sikker drift av clutch. Dette papiret detaljer design og implementering av skreddersydde robot ultralyd manipulator, med design og montering metoder illustrert. Testing resultater å vise design funksjoner og klinisk erfaring ved bruk av systemet presenteres. Det er konkludert med at gjeldende foreslåtte robot manipulatoren oppfyller kravene som skreddersydde system for ekstra kroppslige ultralyd undersøkelse og har stor muligheter å bli oversatt til klinisk bruk.

Introduction

En ekstra kroppslige robot ultralyd (USA) system refererer til konfigurasjonen som en robot-system er benyttet for å holde og manipulere en US undersøke for eksterne undersøkelser, inkludert bruken i hjerte, vaskulær, obstetrikk og generell abdominal bildebehandling¹ . Bruk av slike a robotic systemet er motivert av utfordringer manuelt holder og manipulere en amerikansk sonde, for eksempel utfordringen med å finne USA-standardvisninger som kreves av kliniske tenkelig protokoller og risikoen for repeterende belastning skade^{2, 3,4}, og også av behovene til oss screening programmer, for eksempel behovet for erfarne sonographers å være på stedet^5,6. Med vektlegging på ulike funksjonaliteter og målet anatomi, har flere robotic amerikanske systemer, som omtalt i tidligere works^1,7,8, innført siden 1990 å forbedre ulike aspekter av USA eksamen (f.eks, langdistanse teleoperation^9,10,11,12, samt robot-operatør og automatisk)^{13, 14}. i tillegg til den robot USA som brukes for diagnoseformål, robot høyintensiv fokusert ultralyd (HIFU) systemer for behandling formål er mye gransket som oppsummert av Priester et al. ¹, med noen nylige arbeider^15,16 rapportering den nyeste utviklingen.

Selv om flere robotic amerikanske systemer er utviklet med relativt pålitelig teknologi for kontroll og klinisk drift, er bare noen få av dem vellykket oversatt til klinisk bruk, for eksempel en kommersielt tilgjengelig tele-ultralyd ¹⁷. en mulig årsak er lavt nivå av aksept for store industrielle utseende roboter jobber i et klinisk miljø, fra synspunkt av både pasienter og sonographers. I tillegg for sikkerhetsledelse stole fleste eksisterende amerikanske robotene på kraft sensorer for å overvåke og kontrollere brukt press på amerikanske sonde, mens mer grunnleggende mekanisk sikkerhetsmekanismer å begrense styrken passivt ikke er vanligvis tilgjengelig . Dette kan også forårsake bekymringer når oversette til klinisk bruk som sikkerhet for robot operasjon ville være rent avhengig av elektriske systemer og programvare logikk.

Med den nylige fremskritt 3D kan utskrift teknikker, spesielt formet plast koblinger med skreddersydde felles mekanismer gi en ny mulighet for utvikle skreddersydde medisinsk roboter. Nøye utformet komponenter med en kompakt utseende kan forbedre klinisk aksept. Spesielt for amerikanske eksamen, bør en skreddersydd medisinsk robot rettet oversatt til klinisk bruk være kompakt, med nok frihetsgrader (DOFs) og bevegelse å dekke regionen rundt en skanning; for eksempel abdominal overflaten, inkludert både toppen og siden av magen. I tillegg bør roboten også innlemme utøve finjusteringer av amerikanske sonde i et lokalt område, når du prøver å optimalisere en amerikansk visning. Dette inkluderer vanligvis tilting bevegelser av sonden innenfor et bestemt område, som foreslått av Essomba et al. ¹⁸ og Bassit¹⁹. For å ytterligere adresse sikkerhet bekymringer, forventes det at systemet skal ha passive mekanisk sikkerhetsfunksjoner som er uavhengig av elektriske systemer og programvare logikk.

I dette papiret presentere vi detaljert design og montering metoden av en 5-DOF fingernem robot manipulator, som brukes som nøkkelen komponenten av en ekstra kroppslige robot amerikanske systemet. Manipulatoren består av flere lett 3D-printable koblinger, skreddersydde felles mekanismer og en innebygd sikkerhetskobling. Bestemt ordningen med DOFs gir full fleksibilitet for sonden justeringer, tillater enkel og sikker drift i et lite område uten å kollidere med pasienten. Foreslåtte multi-DOF manipulatoren skal fungere som den viktigste komponenten som er i kontakt med pasienter og det kan knyttes bare til noen konvensjonelle 3-DOF globale posisjonering mekanisme til en komplett amerikansk robot med fullt aktive DOFs å utføre en USA-skanning.

Protocol

1. utarbeidelse av hver Link, End-effektor og tilleggskomponenter Skrive ut alle koblingene (L0L1, L2, L3og L4) og slutten-effektor som vist i figur 1, med akrylonitril butadien styren (ABS) plast, polylactic syre (PLA) plast eller nylon, bruke en 3D-utskrift tjenesten. Bruk den. STL-filer som leveres i Supplerende materiale ved utskrift.Merk: I form og omfanget av hver del kan endringer basert på de angit…

Representative Results

Etter protokollen er resulterende systemet en robot manipulator med fem spesielt formet koblinger (L0 L4) og fem revolute ledd (J1 til J5) for å flytte, holde, og lokalt vippe en amerikansk sonde (Figur 8). Topp rotasjon felles (J-1), med utstyr mekanismer actuated av fire motorer, kan rotere følgende strukturer 360 °, å tillate amerikanske sonden å peke mot ulike sider av skanneområdet, som topp, b…

Discussion

I motsetning til mange andre industrielle roboter som har blitt oversatt til medisinske anvendelser, var foreslåtte robot manipulatoren beskrevet i protokollen spesielt designet for amerikanske eksamen etter kliniske behov for omfanget av bevegelse, Bruk av makt, og sikkerhetsledelse. Lett robot manipulatoren selv har et bredt spekter av bevegelser tilstrekkelig for de fleste ekstra kroppslige amerikanske skanning, uten behov for store bevegelser av globale posisjonering mekanismen. Som nærmeste mekanisk strukturen til…

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