डिजाइन और शीतल मॉड्यूलर रोबोट के लिए एक elastomeric यूनिट का निर्माण न्यूनतम इनवेसिव सर्जरी में
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
हाल के वर्षों में, मुलायम रोबोटिक्स प्रौद्योगिकियों के कारण असंरचित वातावरण में उनकी आंतरिक रूप से सुरक्षित बातचीत करने के लिए चिकित्सा के क्षेत्र में बढ़ती रुचि जगाया है। एक ही समय में, नई प्रक्रियाओं और तकनीक शल्यक्रिया के invasiveness कम करने के लिए विकसित किया गया है। न्यूनतम इनवेसिव सर्जरी (एमआईएस) के सफलतापूर्वक पेट हस्तक्षेप के लिए नियोजित किया गया है, हालांकि मानक एमआईएस प्रक्रियाओं मुख्य रूप से चिकित्सक की निपुणता कि सीमा कठोर या अर्द्ध कठोर उपकरणों पर आधारित हैं। इस पत्र एमआईएस के लिए एक नरम और उच्च निपुण जोड़तोड़ प्रस्तुत करता है। जोड़तोड़ ऑक्टोपस हाथ की जैविक क्षमताओं से प्रेरित था, और एक मॉड्यूलर दृष्टिकोण के साथ बनाया गया है। प्रत्येक मॉड्यूल अधिक मॉड्यूल एकीकृत कर रहे हैं जब इस प्रकार उच्च निपुणता और बहुमुखी प्रतिभा को प्राप्त करने, एक ही कार्यात्मक विशेषताओं को प्रस्तुत करता है। कागज castin द्वारा निर्मित है जो एक इकाई के विकास के लिए आवश्यक डिजाइन, निर्माण की प्रक्रिया और सामग्री का विवरणविशिष्ट नए साँचे अंदर छ सिलिकॉन। परिणाम बढ़ाव और यूनिट के ओमनी दिशात्मक झुकने को सक्षम है कि तीन लचीला हवाई actuators सहित एक elastomeric सिलेंडर में होते हैं। एक बाहरी लट म्यान मॉड्यूल की गति में सुधार। प्रत्येक मॉड्यूल के केंद्र में एक बारीक ठेला-आधारित तंत्र कार्य के दौरान संरचना का कठोरता से भिन्न होता है। टेस्ट मॉड्यूल 120 डिग्री तक मोड़ करने के लिए और प्रारंभिक लंबाई के 66% तक बढ़ाना करने के लिए सक्षम है कि प्रदर्शित करता है। मॉड्यूल 47 एन के एक अधिकतम शक्ति उत्पन्न करता है, और अपनी कठोरता 36% तक बढ़ा सकते हैं।
Introduction
चिकित्सा के क्षेत्र में हाल की प्रवृत्तियों शल्यक्रिया के invasiveness में कमी के लिए जोर दे रहे हैं। न्यूनतम इनवेसिव सर्जरी (एमआईएस) के सफलतापूर्वक पेट के संचालन के लिए पिछले कुछ वर्षों में सुधार किया गया है। एमआईएस प्रक्रियाओं पेट की दीवार पर रखा चार या पांच का उपयोग अंक (Trocars) के माध्यम से पेश उपकरणों के उपयोग पर आधारित हैं। Trocars की संख्या को कम करने के लिए, उपकरणों सिंगल पोर्ट लैप्रोस्कोपी (एसपीएल) या प्राकृतिक छिद्र Translumenal इंडोस्कोपिक सर्जरी (नोट्स) 1 से डाला जा सकता है। इन प्रक्रियाओं के बाहरी दृश्य निशान को रोकने के लिए, लेकिन सर्जरी को क्रियान्वित करने में चिकित्सकों के लिए कठिनाई वृद्धि हुई है। इस सीमा की वजह से पहुँच के कम अंक के लिए और से बचने या अंगों 2 के आसपास पारित करने में सक्षम नहीं हैं, जो उपकरणों की कठोर और अर्द्ध कठोर प्रकृति के लिए मुख्य रूप से है, 3। निपुणता और गतिशीलता का उपयोग कर सुधार किया जा सकता व्यक्त और अति बेमानी एक व्यापक और अधिक जटिल कार्यक्षेत्र कवर कर सकते हैं जो रोबोट, धहमें शरीर में एक विशेष लक्ष्य और अधिक आसानी से 4, 5, 6 पहुंचा जा करने के लिए और 7 जब आवश्यक त्याग सिस्टम के रूप में काम करने के लिए सक्षम करने से। एक लचीला जोड़तोड़ इस प्रकार परंपरागत साधनों से भी अधिक सुरक्षित संपर्क कर रही है, ऊतक अनुपालन में सुधार कर सकते हैं।
हालांकि, इन manipulators अक्सर लक्ष्य तक पहुँच जाता है जब स्थिरता की कमी है और आम तौर पर वे आसपास के ऊतकों 8, के साथ संपर्क को नियंत्रित नहीं कर सकते हैं 9। अध्ययन में इस तरह ऑक्टोपस हाथ 10 और हाथी ट्रंक 11 के रूप में जैविक संरचनाओं, पर, हाल ही में की डिजाइन को प्रेरित किया एक स्वतंत्रता (DoFs) की डिग्री के निरर्थक नंबर और चलाया कठोरता के साथ 12, लचीला विरूप्य और आज्ञाकारी manipulators। उपकरणों की इन प्रकार के 13, 14, 15। आम तौर पर, मुलायम और लचीला सामग्री के साथ निर्मित manipulators उच्च बलों की पीढ़ी की गारंटी नहीं है निष्क्रिय स्प्रिंग्स, स्मार्ट सामग्री, साँस तत्वों, या tendons का उपयोग।
टीवह कड़ी फ्लॉप (शल्यक्रिया के लिए कठोरता से चलाया लचीले और learnable जोड़तोड़) जोड़तोड़ हाल ही में ऑक्टोपस की क्षमताओं से प्रेरित नोट और SPL के लिए एक उपन्यास शल्य चिकित्सा उपकरण के रूप में प्रस्तुत किया गया है। पिछले नरम manipulators की सीमाओं को पार करने के लिए, यह उच्च दक्षता, उच्च बल और चलाया कठोरता के रूप में 16 के रूप में अच्छी तरह से एक नरम शरीर है।
जोड़तोड़ की वास्तुकला एक मॉड्यूलर दृष्टिकोण पर आधारित है: कई इकाइयों, एक ही संरचना और functionalities के साथ, एक साथ एकीकृत कर रहे हैं। एकल इकाई चित्र 1 में दिखाया गया है। यह एक अवस्थायाँ निर्माण के द्वारा प्राप्त एक elastomeric सिलेंडर पर आधारित है। ढालना घटकों और कास्टिंग प्रक्रियाओं के विधानसभा कदम (fluidic प्रवर्तन के लिए) तीन खाली कक्षों और एक खोखला केंद्रीय चैनल 17 (आवास के लिए एक बारीक ठेला-आधारित तंत्र 18) एम्बेडेड हो सकें। कक्षों, इतना है कि 120 डिग्री पर रखा जाता हैआईआर संयुक्त मुद्रास्फीति सर्वदिशात्मक गति और बढ़ाव पैदा करता है। इसके अलावा एक बाहरी लट म्यान इस प्रकार (झुकने और बढ़ाव) मॉड्यूल गति में चैम्बर प्रवर्तन के प्रभाव के अनुकूलन, दबाव जब fluidic कक्षों की जावक रेडियल विस्तार को सीमित करने के लिए बाहर से रखा गया है।
केंद्रीय चैनल दानेदार सामग्री से भरा एक बाहरी झिल्ली से बना एक बेलनाकार डिवाइस घरों। एक वैक्यूम दबाव लागू किया जाता है, यह पूरे मॉड्यूल के गुणों को प्रभावित करता है, जो एक stiffening के कारण इसकी लोचदार संपत्तियों बदल जाता है।
मोशन और कठोरता प्रदर्शन एक हवा कंप्रेसर और कक्षों और stiffening चैनल में निर्वात को सक्रिय करने के लिए एक वैक्यूम पंप actuating के लिए तीन दबाव वाल्व सहित एक बाहरी सेटअप द्वारा नियंत्रित कर रहे हैं। एक सहज उपयोगकर्ता इंटरफ़ेस मॉड्यूल के अंदर प्रवर्तन और वैक्यूम दबाव के नियंत्रण की अनुमति देता है।
इस पत्र FABRICATIO विवरणइस जोड़तोड़ और रिपोर्ट बुनियादी गति क्षमताओं पर सबसे महत्वपूर्ण परिणामों के एक मॉड्यूल के n प्रक्रिया। डिवाइस की मॉड्यूलर प्रकृति को देखते हुए, निर्माण और सिर्फ एक ही मॉड्यूल के प्रदर्शन का आकलन भी परिणाम बढ़ाया जा करने के लिए और दो या दो से अधिक मॉड्यूल को एकीकृत बहु मॉड्यूल जोड़तोड़ की बुनियादी व्यवहार की भविष्यवाणी करने के लिए सक्षम बनाता है।
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 |
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