Tasarım ve Yumuşak Modüler Robotlar için bir Elastomerik Birimi Fabrikasyon Minimal İnvaziv Cerrahi
Summary
This paper describes the design and fabrication of a soft unit for surgical manipulators. The base module includes three flexible fluidic actuators to achieve omnidirectional bending and elongation, and a granular jamming-based mechanism to enable stiffness control. A complete mechanical characterization is also reported.
Abstract
Son yıllarda, yumuşak robotik teknolojileri nedeniyle yapılandırılmamış ortamlarda kendi kendinden güvenli etkileşime tıp alanında artan ilgi uyandırmıştır. Aynı zamanda, yeni yöntem ve teknikler cerrahi operasyonlar invazivliğini azaltmak için geliştirilmiştir. Minimal İnvazif Cerrahi (MIS) başarıyla karın müdahaleler için istihdam edilmiştir, ancak standart MIS prosedürler esas klinisyenin becerisi sınırlayan sert veya yarı sert araçları dayanmaktadır. Bu kağıt MIS için yumuşak ve yüksek hünerli manipülatör sunar. Manipülatör ahtapot kolunun biyolojik yetenekleri esinlenerek ve modüler bir yaklaşımla tasarlanmıştır. Her bir modül daha modül entegre edildiğinde böylece yüksek maharet ve çok yönlülüğü elde, aynı işlevsel özelliklere sunuyor. Kağıt castin tarafından imal edilmektedir tek bir birim, gelişimi için gerekli tasarım, imalat süreci ve malzemeleri ayrıntılarıBelirli bir kalıp içine g silikon. Sonuç uzaması ve ünitenin yönlü eğilmesine olanak üç esnek pnömatik aktüatörler içeren bir elastomerik silindir içinde oluşur. Bir dış kılıf örgülü modülünün hareketini artırır. Her bir modülün merkezinde bir zerrecik halinde sıkışma tabanlı bir mekanizma, görevleri sırasında, yapının sertliğini değişir. Testler modülü 120 ° 'ye kadar eğmek ve başlangıç uzunluğunun% 66 kadar uzatmak mümkün olduğunu göstermektedir. Modül 47 N maksimum güç üretir ve onun sertliği% 36 kadar artırabilir.
Introduction
Tıp alanında son trendler, cerrahi operasyonlar invazivlik bir azalma için bastırıyorlar. Minimal İnvazif Cerrahi (MIS) başarıyla karın operasyonlar için son birkaç yıl içinde geliştirilmiştir. MIS prosedürler karın duvarının üzerine yerleştirilen dört ya da beş erişim noktası (trokar) içinden araçların kullanımına dayanmaktadır. Trokar sayısını azaltmak amacıyla, araçlar Tek Bağlantı Laparoskopi (SPL) ya da Doğal Orifis endoskopik cerrahi (NOTES) 1 ile eklenebilir. Bu prosedürler, dış görünür izleri önlemek ancak cerrahi yürütülmesinde klinisyenler için zorluk artar. Bu sınırlamanın nedeni erişim azaltılmış puan ve önlemek veya organların yaklaşık 2 geçmek mümkün değildir aletleri, sert ve yarı sert doğa esas 3. Beceri ve hareketlilik kullanılarak geliştirilebilir eklemli ve hiper-gereksiz daha geniş ve daha karmaşık bir çalışma alanı kapsayabilir robotlar, incivücuttaki belirli bir hedef daha kolay 4, 5, 6, ulaşılacak ve 7 gerektiğinde geri çekme sistemleri olarak çalışmaya olanak. Esnek manipülatör böylece geleneksel araçlarla daha güvenli temas, doku uyumu artırabilir.
Ancak, bu manipülatörler genellikle hedefe ulaşıldığında istikrar eksikliği ve genellikle çevredeki dokulara 8, temas kontrol edemez 9. Çalışmalar bu tür ahtapot kolu 10 ve fil gövde 11 olarak biyolojik yapılar üzerinde, son zamanlarda tasarımını ilham Bir Özgürlük (DOFs) ait Derecelerin gereksiz sayısı ve kontrol sertlik 12 ile esnek deforme olabilen ve uyumlu manipülatörler. Bu tip cihazların 13, 14, 15. Genel olarak, yumuşak ve esnek bir malzeme ile imal edilen, yüksek kuvvetler manipülatörler üretilmesini garanti etmezler pasif yaylar, akıllı materyaller, pnömatik elemanları veya tendonların kullanmaktadır.
TO STIFF-FLOP (cerrahi işlemler için Rijitlik kontrol esnek ve Öğrenebilir manipülatör) manipülatör geçtiğimiz günlerde ahtapot yetenekleri esinlenerek NOTES ve SPL için yeni bir cerrahi aygıt olarak sunulmuştur. Önceki yumuşak manipülatörlerin sınırlamaları aşmak için, yüksek beceri, yüksek kuvvet ve kontrol sertlik 16 yanı sıra yumuşak bir gövdeye sahip.
Manipülatör mimarisi modüler yaklaşıma dayanmaktadır: birden fazla üniteye, aynı yapı ve işlevleri ile birlikte entegre edilmiştir. Tek bir birim, Şekil 1 'de gösterilmiştir. Bu çok fazlı bir imalat ile elde edilen bir elastomerik silindir üzerine dayanır. Kalıp ve döküm bileşenleri süreçlerinin montaj aşamaları (akışkan çalıştırılması için) üç boş odaları ve bir oyuk merkezi kanal 17 (konut için granül sıkışma tabanlı mekanizma 18) gömülü mümkün kılmaktadır. Odalar, böylece 120 ° 'de yer almaktadırir kombine enflasyon yönlü hareket ve uzama üretir. Buna ek olarak, harici bir örgülü kılıf böylece (eğilme ve uzama) modülü harekete odası harekete etkisi optimize, basınçlı zaman akışkan odaların dışa radyal genişlemesini sınırlamak için dışarıdan yerleştirilir.
Orta kanal granüler malzeme ile doldurulmuş bir dış zar oluşan silindirik bir cihaz ev sahipliği yapmaktadır. Bir vakum basıncı uygulandığında, tüm modülü özelliklerini etkileyen bir sertleşme neden elastik özelliklerini değiştirir.
Hareket ve sertlik performansları bir hava kompresörü ve odaları ve sertleştirme kanalında vakum etkinleştirmek için bir vakum pompası harekete geçirmek için üç basınç valfleri dahil harici kurulum tarafından kontrol edilir. Sezgisel bir kullanıcı arayüzü modülü içindeki tahrik ve vakum basınçları kontrol sağlar.
Bu yazıda fabricatio detaylarıBu manipülatör ve raporlar temel hareket yetenekleri en önemli sonuçları tek modül n süreci. Cihazın modüler doğası göz önüne alındığında, imalat ve sadece tek bir modülün performans değerlendirmesi de sonuçları uzatılabilir ve iki veya daha fazla modül entegre bir çok modül manipülatör temel davranışlarını tahmin sağlar.
Protocol
Representative Results
Discussion
The technique described in this protocol enables the fabrication of a pneumatically actuated soft unit usable for modular compliant structures. Thanks to the design of the molds and their simple assembly, it is possible to fabricate one complete module in about 4 hours with 7 main steps. The process of fabrication involves specific materials, which are easily available, and work should be carried out under a fume hood. An external set up including air valves, air compressor and vacuum pump is necessary to activate the mo…
Divulgazioni
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
This work was supported by the EC within the framework of the STIFF-FLOP FP7-ICT-2011.2.1 European Project (#287728).
Materials
| 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 |
Riferimenti
- Scott, D. J., et al. Completely transvaginal NOTES cholecystectomy using magnetically anchored instruments. Surgical Endoscopy. 21, 2308-2316 (2007).
- Vitiello, V., Lee, S., Cundy, T., Yang, G. Emerging Robotic Platforms for Minimally Invasive Surgery. IEEE Reviews in Biomedical Engineering. 6, 111-126 (2013).
- Vyas, L., Aquino, D., Kuo, C. -. H., Dai, J. S., Dasgupta, P. Flexible Robotics. BJU International. 107, 187-189 (2011).
- Degani, A., Choset, H., Wolf, A., Zenati, M. A. Highly articulated robotic probe for minimally invasive surgery. Proceedings of IEEE International Conference on Robotics and Automation. , 4167-4172 (2006).
- Bajo, A., Dharamsi, L. M., Netterville, J. L., Garrett, C. G., Simaan, N. Robotic-assisted micro-surgery of the throat: The trans-nasal approach. , 232-238 (2013).
- Burgner, J., Swaney, P. J., Lathrop, R. A., Weaver, K. D., Webster, R. J. Debulking From Within: A Robotic Steerable Cannula for Intracerebral Hemorrhage Evacuation. IEEE Transactions on Biomedical Engineering. 60, 2567-2575 (2013).
- Tortora, G., Ranzani, T., De Falco, I., Dario, P., Menciassi, A. A Miniature Robot for Retraction Tasks under Vision Assistance in Minimally Invasive Surgery. Robotics. 3, 70-82 (2014).
- Laschi, C., Cianchetti, M. Soft Robotics: new perspectives for robot bodyware and control. Frontiers in Bioengineering and Biotechnology. 2, (2014).
- Loeve, A., Breedveld, P., Dankelman, J. Scopes too flexible…and too stiff. Pulse, IEEE. 1, 26-41 (2010).
- Cianchetti, M., Follador, M., Mazzolai, B., Dario, P., Laschi, C. Design and development of a soft robotic octopus arm exploiting embodied intelligence. , 5271-5276 (2012).
- Smith, K., Kier, W. M. Trunks, tongues, and tentacles: Moving with skeletons of muscle. American Scientist. 77, 28-35 (1989).
- Walker, I. Some issues in creating “invertebrate” robots. , (2000).
- McMahan, W., Jones, B., Walker, I. Design and implementation of a multi-section continuum robot: Air-octor. IEEE/RSJ International Conference on Intelligent Robots and Systems. , 2578-2585 (2005).
- Laschi, C., Mazzolai, B., Cianchetti, M., Margheri, L., Follador, M., Dario, P. A Soft Robot Arm Inspired by the Octopus. Advanced Robotics (Special Issue on Soft Robotics). 26, 709-727 (2012).
- Chianchetti, M., et al. Soft robotics technologies to address shortcomings in today’s minimally invasive surgery: the STIFF-FLOP approach. Soft Robotics. 1, 122-131 (2014).
- Cheng, N. G., et al. Design and Analysis of a Robust, Low-cost, Highly Articulated manipulator enabled by jamming of granular media. , 4328-4333 (2012).
- Cianchetti, M., Ranzani, T., Gerboni, G., De Falco, I., Laschi, C., Menciassi, A. STIFF-FLOP Surgical Manipulator: mechanical design and experimental characterization of the single module. Proceedings of IEEE/RSJ International Conference on Intelligent Robots and Systems (IROS. , 3576-3581 (2013).
- De Falco, I., Cianchetti, M., Menciassi, A. A soft and controllable stiffness manipulator for minimally invasive surgery: preliminary characterization of the modular design). Proceedings of 36th Annual International Conference of the IEEE Engineering in Medicine and Biology Society (EMBC). , (2014).
- De Falco, I., Cianchetti, M., Menciassi, A. STIFF-FLOP surgical manipulator: design and preliminary motion evaluation). Proceedings of 4th WorkShop on Computer/Robot Assisted Surgery (CRAS). , 131-134 (2014).
