Projeto e fabricação de uma Unidade de elastômero para robôs modulares moles em Cirurgia Minimamente Invasiva

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

Nos últimos anos, as tecnologias de robótica macios têm despertado crescente interesse na área médica devido a sua interação intrinsecamente segura em ambientes não estruturados. Ao mesmo tempo, novos procedimentos e técnicas têm sido desenvolvidas para reduzir a capacidade invasiva de operações cirúrgicas. Cirurgia minimamente invasiva (MIS) foi empregada com sucesso para intervenções abdominais, no entanto procedimentos padrão MIS baseiam-se principalmente em instrumentos rígidos ou semi-rígidos que limitam a habilidade do clínico. Este artigo apresenta um manipulador hábil suave e alta para MIS. O manipulador foi inspirado pelas capacidades biológicas do braço polvo, e é projetado com uma abordagem modular. Cada módulo apresenta as mesmas características funcionais, conseguindo alta habilidade e versatilidade quando mais módulos são integrados. Detalhes O papel do desenho, processo de fabrico e os materiais necessários para o desenvolvimento de uma única unidade, que é fabricada por casting silicone dentro de moldes específicos. O resultado consiste em um cilindro elastomérico incluindo três actuadores pneumáticos flexíveis que permitem o alongamento e flexão omnidireccional da unidade. Uma bainha entrelaçada externo melhora o movimento do módulo. No centro de cada módulo um mecanismo de bloqueio à base de granulado varia a rigidez da estrutura durante as tarefas. Os testes demonstram que o módulo é capaz de dobrar-se para 120 ° C e a alongar-se para 66% do comprimento inicial. O módulo gera uma força máxima de 47 N, e a sua rigidez pode aumentar até 36%.

Introduction

As tendências recentes no campo da medicina estão pressionando por uma redução da capacidade de invasão de operações cirúrgicas. Cirurgia minimamente invasiva (MIS) foi melhorado com sucesso nos últimos anos para operações abdominais. Procedimentos MIS baseiam-se na utilização de ferramentas introduzidas através de quatro ou de cinco pontos de acesso (Trocars) colocados na parede abdominal. A fim de reduzir o número de trocartes, os instrumentos podem ser inseridos por laparoscopia porta única (SPL) ou cirurgia endoscópica Translumenal orifício natural (NOTAS) ^1. Estes procedimentos evitar cicatrizes visíveis externos, mas aumentar a dificuldade para os clínicos na execução da cirurgia. Esta limitação deve-se principalmente aos pontos reduzidos de acesso e à natureza rígida e semi-rígidas dos instrumentos, que não são capazes de evitar ou passar em torno de órgãos ^{2, 3.} Destreza e motilidade pode ser melhorada usando articulada e hiper-redundantes robôs que podem cobrir uma área de trabalho mais amplo e complexo, thpermitindo-nos um alvo específico no corpo para ser alcançada mais facilmente ^{4, 5, 6} e para funcionar como sistemas de retracção quando necessárias ^7. Um manipulador flexível pode melhorar a adesão do tecido, tornando assim o contato mais seguro do que pelas ferramentas tradicionais.

No entanto, estes manipuladores muitas vezes a falta de estabilidade quando o alvo é atingido e, geralmente, eles não podem controlar o contacto com os tecidos circundantes ^{8, 9.} Estudos sobre estruturas biológicas, como o braço polvo ^{10 e} a tromba de elefante ^11, inspiraram recentemente o projeto de manipuladores flexíveis, deformáveis ​​e compatíveis com um número redundante de graus de liberdade (dofs) e rigidez controlável ^12. Estes tipos de dispositivos utilizam molas passivas, materiais inteligentes, elementos pneumáticos ou tendões, ^{13, 14, 15.} Geralmente, manipuladores fabricadas com materiais macios e flexíveis não garante a geração de forças elevadas.

Tele STIFF-FLOP (rigidez manipulador flexível e pode ser aprendida controlável para operações cirúrgicas) manipulador foi recentemente apresentado como um dispositivo cirúrgico romance para notas e SPL inspirados pelas capacidades do polvo. A fim de superar as limitações dos manipuladores moles anteriores, que tem um corpo mole, bem como elevada destreza, de alta força e rigidez controlável ^16.

A arquitectura do manipulador baseia-se numa abordagem modular: múltiplas unidades, com a mesma estrutura e funcionalidades, são integrados em conjunto. A única unidade é mostrado na Figura 1. Baseia-se um cilindro elastomérico obtido por uma fabricação multifásico. As etapas de montagem dos componentes de moldes e processos de fundição permitir três câmaras vazias (para atuação de fluidos) e um canal central oca ¹⁷ (para a habitação um mecanismo baseado em empastelamento granular ¹⁸⁾ a serem incorporados. As câmaras são colocadas em 120 °, de modo que oinflação combinado ir produz movimento omnidirecional e alongamento. Além disso, um invólucro externo trançado é colocado externamente para limitar a expansão radial para fora das câmaras de fluidos quando pressurizado, optimizando assim o efeito da câmara de accionamento no movimento módulo (alongamento e flexão).

O canal central aloja um dispositivo cilíndrico composto por uma membrana externa cheia com material granular. Quando uma pressão de vácuo é aplicada, que altera as suas propriedades elásticas que causa um endurecimento que afecta as propriedades de todo o módulo.

Desempenhos de movimento e de rigidez são controladas por uma configuração externa incluindo um compressor de ar e três válvulas de pressão para accionar as câmaras e uma bomba de vácuo para activar o vácuo no canal de endurecimento. Uma interface intuitiva permite o controle de acionamento e do vácuo pressões dentro do módulo.

Este artigo detalha o fabricatioprocesso n do módulo único deste manipulador e relatórios os resultados mais significativos sobre capacidades básicas de movimento. Considerando a natureza modular do dispositivo, a avaliação do desempenho de fabricação e de apenas um único módulo permite também os resultados para ser estendido e para prever o comportamento básico de um manipulador multi-módulo de integração de dois ou mais módulos.

Protocol

Nota: Este protocolo descreve as fases de fabricação de um único módulo, que inclui as câmaras de fluidos, canal de endurecimento, condutas de actuação e a bainha externa. O procedimento a seguir deve ser executado sob um exaustor e vestindo casaco e luvas de laboratório por razões de segurança. Como mencionado anteriormente, o processo de fabrico da unidade elastomérica baseia-se na utilização sequencial de moldes concebidos com software de CAD. Eles são compostos das 13 peças mostradas na</stron…

Representative Results

As várias fases do fabrico, descrito no protocolo, são ilustradas na Figura 3. A fim de avaliar a eficácia da técnica e os resultados do protótipo final, o módulo foi testado em diferentes condições de trabalho. Uma configuração externa permite o controle de ambos o accionamento e a rigidez do módulo. Ele inclui um compressor de ar que activa três válvulas. Eles estão ligados aos tubos silicónicos integradas nas câmaras e permitir a sua press…

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