Ontwerp en de fabricage van een elastomeer Unit voor Soft Modulaire Robots bij minimaal invasieve chirurgie

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

De laatste jaren hebben zachte robotica technologieën wekte toenemende belangstelling in de medische vanwege hun intrinsiek veilige interactie ongestructureerde omgevingen. Tegelijkertijd zijn nieuwe procedures en technieken ontwikkeld om het invasieve chirurgische ingrepen verminderen. Minimaal invasieve chirurgie (MIS) is met succes toegepast voor abdominale interventies worden echter standaard MIS procedures hoofdzakelijk gebaseerd op stijve of halfstijve hulpmiddelen die de beweeglijkheid van de clinicus te beperken. Dit document presenteert een zachte en hoge behendige manipulator voor MIS. De manipulator is geïnspireerd op de biologische mogelijkheden van de octopus arm, en is ontworpen met een modulaire aanpak. Elke module biedt dezelfde functionele eigenschappen, waardoor het bereiken van een hoge beweeglijkheid en veelzijdigheid als er meer modules zijn geïntegreerd. Het document beschrijft de ontwerp, fabricageproces en de materialen die nodig zijn voor de ontwikkeling van een enkele eenheid, die wordt gefabriceerd door casting siliconen binnenkant specifieke schimmels. Het resultaat bestaat uit een elastomeer cilinder waaronder drie flexibele pneumatische aandrijvingen die rek en omni-directionele buiging van het apparaat mogelijk te maken. Een externe gevlochten mantel verbetert de beweging van de module. In het midden van elke module varieert granulaire jamming-gebaseerde mechanisme de stijfheid van de constructie tijdens de taken. Tests tonen aan dat de module in staat te buigen tot 120 ° en langwerpige tot 66% van de oorspronkelijke lengte. De module genereert een maximale kracht van 47 N en de stijfheid kan oplopen tot 36%.

Introduction

Recente ontwikkelingen in de medische wereld dringen aan op een vermindering van de invasiviteit van chirurgische operaties. Minimaal Invasieve Chirurgie (MIS) met succes is verbeterd in de afgelopen jaren voor buikoperaties. MIS procedures zijn gebaseerd op het gebruik van instrumenten ingebracht via vier of vijf toegangspunten (trocars) dat in de buikwand. Om het aantal trocars te verminderen, kunnen de instrumenten worden ingebracht door de Single Port Laparoscopie (SPL) of Natural Orifice transluminale Endoscopische chirurgie (NOTES) ^1. Deze procedures voorkomen dat externe zichtbare littekens, maar verhoging van de moeilijkheidsgraad van de clinici in het uitvoeren van de operatie. Deze beperking is vooral te wijten aan de verminderde punten van de toegang en de stijve en semi-rigide aard van de instrumenten, die niet in staat zijn om te voorkomen of pas rond organen ^2, kan ^3. Handigheid en beweeglijkheid verbeterd worden met behulp van gelede en hyper-redundante robots die een breder en meer complexe werkruimte kan dekken, thons mogelijk een specifiek doel in het lichaam gemakkelijker te bereiken ^{4, 5, 6} en werken als inklapsystemen zonodig ^7. Een flexibele manipulator kan verbeteren weefsel compliance, waardoor contact veiliger dan door de traditionele instrumenten.

Maar deze manipulators vaak niet stabiliteit bij het ​​doelwit wordt bereikt en in het algemeen kunnen ze niet het contact met het omringende weefsel ^8, controle ^9. Onderzoek naar biologische structuren, zoals inktvis arm ¹⁰ en de olifant slurf ¹¹ zijn geïnspireerd onlangs het ontwerp van flexibel, vervormbaar en compliant manipulatoren met een redundante aantal vrijheidsgraden (DoFs) en controleerbaar stijfheid ^12. Dit soort apparaten maken gebruik van passieve bronnen, slimme materialen, pneumatische elementen, of pezen ^{13, 14, 15.} In het algemeen, manipulatoren gefabriceerd met zachte en flexibele materialen niet garanderen dat de generatie van grote krachten.

THij STIJF-FLOP (stijfheid controleerbaar Flexibel en leerbaar manipulator voor chirurgische operaties) manipulator is onlangs gepresenteerd als een nieuw chirurgisch instrument voor notities en SPL geïnspireerd door de octopus de mogelijkheden. Om de beperkingen van eerdere zachte manipulators overwinnen, heeft een zacht lichaam en hoge beweeglijkheid, grote kracht en controleerbare stijfheid ^16.

De architectuur van de manipulator is een modulaire aanpak: meervoudige eenheden met dezelfde structuur en functionaliteit, samen geïntegreerd. De eenheid is weergegeven in figuur 1. Het is gebaseerd op een elastomere cilinder verkregen door een uit meerdere fabricage. De assemblage stappen van de schimmel componenten en de casting processen staat drie lege kamers (voor vloeibare bediening) en een holle centrale kanaal ¹⁷ (voor de huisvesting van een granulaire-jamming gebaseerd mechanisme ¹⁸⁾ worden ingebed. De kamers worden geplaatst bij 120 °, zodat deir gecombineerd inflatie produceert omnidirectionele beweging en rek. Daarnaast externe gevlochten mantel extern geplaatst om de buitenwaartse radiale expansie van de vloeibare kamers te beperken wanneer druk gebracht, waardoor het effect van de kamer bediening optimaliseren in de module beweging (buiging en rek).

Het centrale kanaal bevindt zich een cilindrische inrichting bestaande uit een extern membraan gevuld met korrelig materiaal. Wanneer een vacuümdruk wordt toegepast, zijn elastische eigenschappen verandert waardoor een verstijving die eigenschappen van de gehele module beïnvloedt.

Beweging en stijfheid prestaties worden bestuurd door een externe opstelling zoals een luchtcompressor en drie drukkleppen voor het bedienen van de kamers en een vacuümpomp voor het activeren van het vacuüm in het verstijvingelement kanaal. Een intuïtieve gebruikersinterface maakt het mogelijk de controle over activering en vacuüm druk in de module.

Dit document beschrijft de fabrication proces van de enkele module van deze manipulator en rapporteert de meest significante resultaten op basis beweging mogelijkheden. Gezien de modulaire aard van de inrichting, de beoordeling van de fabricage en uitvoering van één enkele module maakt het ook mogelijk de te uitgebreid en de fundamentele eigenschappen van een multi-module manipulator integratie van twee of meer modules voorspellen.

Protocol

Opmerking: Dit protocol beschrijft de vervaardiging fasen van een enkele module, waarbij de vloeibare kamers omvat verstijving kanaal bediening pijpleidingen en uitwendige mantel. De volgende procedure heeft onder een zuurkast en het dragen van laboratoriumjas en handschoenen om veiligheidsredenen uit te voeren. Zoals eerder vermeld, wordt het fabricageproces van de elastomere eenheid op basis van de opeenvolgende toepassing van matrijzen ontworpen met CAD software. Ze zijn samengesteld uit de 13 stukken in</str…

Representative Results

De verschillende fasen van de vervaardiging, in het protocol, worden geïllustreerd in figuur 3. Om de doeltreffendheid van de techniek en de resultaten van de uiteindelijke prototype te evalueren, werd de module getest in verschillende werkomstandigheden. Een externe opstelling laat controle van zowel de aansturing en stijfheid van de module. Het omvat een luchtcompressor dat drie kleppen activeert. Ze zijn verbonden met de buizen siliconic geïntegreerd in de kamers en lat…

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…

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