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.
En los últimos años, las tecnologías de robótica blandos han despertado un creciente interés en el campo de la medicina debido a su interacción intrínsecamente seguro en entornos no estructurados. Al mismo tiempo, los nuevos procedimientos y técnicas se han desarrollado para reducir la invasividad de las operaciones quirúrgicas. Cirugía mínimamente invasiva (MIS) se ha empleado con éxito para las intervenciones abdominales, los procedimientos de embargo estándar MIS se basan principalmente en herramientas rígidas o semi-rígidas que limitan la habilidad del clínico. Este trabajo presenta un manipulador diestro suave y alto para MIS. El manipulador se inspiró en las capacidades biológicas del brazo de pulpo, y está diseñado con un enfoque modular. Cada módulo presenta las mismas características funcionales, logrando así la máxima destreza y versatilidad a la hora más módulos están integrados. El documento detalla el diseño, la fabricación y el proceso de los materiales necesarios para el desarrollo de una sola unidad, que se fabrica por casting de silicona interior moldes específicos. El resultado consiste en un cilindro elastomérico incluyendo tres actuadores neumáticos flexibles que permiten el alargamiento y la flexión omnidireccional de la unidad. Una funda trenzada externa mejora el movimiento del módulo. En el centro de cada módulo de un mecanismo basado-jamming granular varía la rigidez de la estructura durante las tareas. Las pruebas demuestran que el módulo es capaz de doblar hasta 120 ° y para alargar hasta 66% de la longitud inicial. El módulo genera una fuerza máxima de 47 N, y su rigidez puede aumentar hasta 36%.
Las tendencias recientes en el campo de la medicina están presionando para una reducción de la capacidad de invasión de las operaciones quirúrgicas. Cirugía mínimamente invasiva (MIS) se ha mejorado con éxito en los últimos años para las operaciones abdominales. Procedimientos de MIS se basan en el uso de herramientas introducidos a través de cuatro o cinco puntos de acceso (trocares) colocados en la pared abdominal. Con el fin de reducir el número de trócares, los instrumentos pueden ser insertados por un solo puerto Laparoscopia (SPL) o la cirugía por orificios naturales Endoscópica Transluminal (NOTAS) 1. Estos procedimientos evitan cicatrices visibles externos, pero aumentan la dificultad para los clínicos en la ejecución de la cirugía. Esta limitación se debe principalmente a los puntos reducidos de acceso y de la naturaleza rígida y semi-rígida de los instrumentos, que no son capaces de evitar o pasar alrededor de los órganos 2, 3. Destreza y la motilidad se pueden mejorar usando articulado e hiper-redundante robots que pueden cubrir un área de trabajo más amplia y compleja, THnos permite un objetivo específico en el cuerpo para llegar más fácilmente 4, 5, 6 y trabajar como sistemas cuando sea necesario 7 de retracción. Un manipulador flexible puede mejorar el cumplimiento de los tejidos, con lo que el contacto más seguro que las herramientas tradicionales.
Sin embargo, estos manipuladores a menudo carecen de la estabilidad cuando se alcanza el objetivo y por lo general no pueden controlar el contacto con los tejidos circundantes 8, 9. Estudios sobre las estructuras biológicas, tales como el brazo de pulpo 10 y la trompa de elefante 11, han inspirado recientemente el diseño de manipuladores flexibles, deformables y que cumplen con una serie redundante de grados de libertad (DoFs) y rigidez controlable 12. Este tipo de dispositivos utilizan resortes pasivos, materiales inteligentes, elementos neumáticos, o tendones 13, 14, 15. En general, manipuladores fabricados con materiales blandos y flexibles no garantizan la generación de elevadas fuerzas.
Tque TIESO-FLOP (rigidez controlable manipulador flexible y se puede aprender en operaciones quirúrgicas) manipulador ha sido recientemente presentado como un dispositivo quirúrgico novedoso para las notas y SPL inspirados en las capacidades de los pulpos. Con el fin de superar las limitaciones de manipuladores suaves anteriores, que tiene un cuerpo blando así como una alta destreza, alta fuerza y rigidez controlable 16.
La arquitectura del manipulador se basa en un enfoque modular: unidades múltiples, con la misma estructura y funcionalidades, están integrados juntos. La sola unidad se muestra en la Figura 1. Se basa en un cilindro de elastómero obtenida por una fabricación multifásica. Los pasos de montaje de los componentes del molde y de los procesos de fundición permiten tres cámaras vacías (para el accionamiento fluídico) y un canal central hueco 17 (para alojar un mecanismo basado en el jamming granular 18) para ser embebidos. Las cámaras se colocan en 120 °, de modo que lainflación combinada IR produce un movimiento omnidireccional y elongación. Además una funda trenzada externa se coloca externamente para limitar la expansión radial hacia fuera de las cámaras de fluidos cuando se presuriza, optimizando así el efecto de la cámara de accionamiento en el movimiento del módulo (flexión y el alargamiento).
El canal central alberga un dispositivo cilíndrico compuesto de una membrana externa lleno de material granular. Cuando se aplica una presión de vacío, que cambia sus propiedades elásticas causando una rigidez que afecta a las propiedades de todo el módulo.
Actuaciones de movimiento y rigidez son controlados por una configuración externa que incluye un compresor de aire y tres válvulas de presión para accionar las cámaras y una bomba de vacío para activar el vacío en el canal de refuerzo. Una interfaz de usuario intuitiva permite el control de la actuación y de vacío presiones en el interior del módulo.
Este documento detalla el fabrication proceso de la solo módulo de este manipulador y los informes de los resultados más significativos sobre las capacidades básicas del movimiento. Teniendo en cuenta la naturaleza modular del dispositivo, la evaluación de la fabricación y el rendimiento de un solo módulo que también permite que los resultados sean extendidos y para predecir el comportamiento básico de un manipulador multi-módulo de la integración de dos o más módulos.
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…
The authors have nothing to disclose.
This work was supported by the EC within the framework of the STIFF-FLOP FP7-ICT-2011.2.1 European Project (#287728).
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 |