Konstruktion och tillverkning av en elastomer Enheten för mjuka Modular Robotar i minimalinvasiv kirurgi

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

Under de senaste åren, har mjuka robotteknik väckte ökat intresse inom det medicinska området på grund av deras egensäkra interaktion i ostrukturerade miljöer. Samtidigt har nya förfaranden och tekniker utvecklats för att reducera invasivitet av kirurgiska operationer. Minimalinvasiv kirurgi (MIS) har med framgång använts för buken insatser, är dock standard MIS förfaranden baseras huvudsakligen på styva eller halvstyva verktyg som begränsar fingerfärdighet klinikern. Denna uppsats presenterar en mjuk och hög skicklig manipulator för MIS. Roboten var inspirerad av de biologiska funktionerna i bläckfisk arm, och är utformad med en modulbaserad metod. Varje modul presenterar samma funktionella egenskaper, på så sätt åstadkomma hög fingerfärdighet och mångsidighet när flera moduler är integrerade. Papperet detaljer design, tillverkningsprocessen och material som krävs för utvecklingen av en enda enhet, som är tillverkat av Casting silikon inne specifika formar. Resultatet består i ett elastomercylinder inklusive tre flexibla pneumatiska ställdon som möjliggör töjning och rundstrålande böjning av enheten. En extern flätade manteln förbättrar rörelse av modulen. I mitten av varje modul en granulär störning baserad mekanism varierar styvheten i konstruktionen under uppgifterna. Tester visar att modulen kan böja upp till 120 ° och att förlänga upp till 66% av den ursprungliga längden. Modulen alstrar en maximal kraft på 47 N och dess styvhet kan öka upp till 36%.

Introduction

De senaste trenderna inom det medicinska området är att puffa för en minskning av invasions av kirurgiska ingrepp. Minimalinvasiv kirurgi (MIS) har framgångsrikt förbättrats under de senaste åren för bukoperationer. MIS förfaranden är baserade på användning av verktyg som införs genom fyra eller fem åtkomstpunkter (Trokarer) placerade på bukväggen. För att minska antalet troakarer, kan de instrument införas genom en port Laparoskopi (SPL) eller kroppsöppning translumenal endoskopisk kirurgi (OBS) ^1. Dessa procedurer förhindra yttre synliga ärr, men ökar svårigheten för kliniker i genomförandet av operationen. Denna begränsning beror främst på de lägre åtkomstpunkter och den styva och halvstyva typ av instrument, som inte kan undvika eller passera runt organ ^2, kan ^3. Smidighet och rörlighet förbättras med hjälp av ledade och hyper-redundant robotar som kan täcka ett bredare och mer komplexa arbetsyta, thoss gör det möjligt för ett specifikt mål i kroppen som ska uppnås lättare ^{4, 5, 6} och att arbeta som infällningssystem vid behov ^7. En flexibel manipulator kan förbättra vävnad efterlevnad, vilket gör kontakt säkrare än med traditionella verktyg.

Men dessa manipulatorer ofta sakna stabilitet när målet har uppnåtts och i allmänhet de inte kan kontrollera kontakten med de omgivande vävnaderna ^{8, 9.} Studier på biologiska strukturer, såsom bläckfisk armen ¹⁰ och elefant bålen ^11, har nyligen inspirerat utformningen av flexibla, deformerbara och kompatibla manipulatorer med en redundant antal frihetsgrader (DoFs) och kontrollerbar styvhet ^12. Dessa typer av enheter använder passiva fjädrar, smarta material, pneumatiska element, eller senor ^{13, 14, 15.} Generellt manipulatorer tillverkade med mjuka och flexibla material garanterar inte generering av stora krafter.

THan STYV floppen (stelhet kontrollerbar Flexibel och Lärbar manipulator vid kirurgiska ingrepp) manipulator har nyligen presenterats som en ny kirurgisk anordning för anteckningar och SPL inspirerats av bläckfisk kapacitet. För att övervinna begränsningarna hos tidigare mjuka manipulatörer, den har en mjuk kropp samt hög fingerfärdighet, hög kraft och kontrollerbart styvhet ^16.

Arkitekturen av manipulatorn bygger på en modulbaserad metod: flera enheter, med samma struktur och funktioner, är integrerade med varandra. Den enda enhet är visad i fig 1. Den är baserad på en elastomerisk cylinder erhållen genom en flerfas fabrikation. Monterings stegen i formkomponenter och gjutningsprocesser gör det möjligt tre tomma kamrar (för fluidic manövrering) och en ihålig central kanal ¹⁷ (för bostäder en granulär störning baserad mekanism ¹⁸⁾ som bäddas. Kamrarna är placerade på 120 °, så attir kombinerade inflation ger rundstrålande rörelse och töjning. Dessutom ett yttre flätad mantel placeras externt för att begränsa den utåtriktade radiella expansion fluidic kamrarna vid trycksättning, vilket sålunda optimerar effekten av kammarens aktivering i modulen rörelse (böjning och töjning).

Den centrala kanalen inrymmer en cylindrisk anordning som består av en extern membran fylld med kornigt material. När ett vakuumtryck anbringas, det ändrar sina elastiska egenskaper orsakar en förstyvande som påverkar hela modulens egenskaper.

Motion och styvhets uppträdanden styrs av en extern inställning fattande en luftkompressor och tre tryckventiler för att manövrera kamrarna och en vakuumpump för att aktivera undertrycket i det förstyvande kanalen. Ett intuitivt användargränssnitt möjliggör kontroll över aktivering och vakuumtryck inuti modulen.

Detta dokument specificerar fabrication process av den inre modulen i denna manipulator och rapporterar de viktigaste resultat på grundläggande rörelsefunktioner. Med tanke på den modulära naturen hos anordningen möjliggör också de resultat som skall utvidgas och att förutsäga grundläggande beteendet hos en multi-modul manipulator integrera två eller flera moduler bedömningen av tillverkning och prestanda för bara en enda modul.

Protocol

Obs: Detta protokoll beskriver tillverkningsfaser en enda modul, som inkluderar fluidic kammare, hårdnande kanal, manöverledningar och yttre hölje. Följande procedur måste utföras inom ramen för ett dragskåp och bär labbrock och handskar av säkerhetsskäl. Såsom tidigare nämnts, är tillverkningsprocessen av den elastomera enhet baserad på sekventiell användning av formar som utformats med CAD-program. De består av de 13 stycken som visas i figur 2 och som</strong…

Representative Results

De olika faserna i tillverkningen, som beskrivs i protokollet, visas i figur 3. För att utvärdera effektiviteten hos den teknik och resultaten av den slutliga prototypen, var modulen testas i olika arbetsförhållanden. En extern inställning möjliggör kontroll av både aktivering och styvhet modulen. Den innefattar en luftkompressor som aktiverar tre ventiler. De är anslutna till de kisel rören integrerade i kamrarna och låta sina tryck. En vakuumpump är ansluten ti…

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