רוד מבוססי ייצור של מכשירים גריפר פניאומטיים רובוטית להתאמה אישית רך עבור מניפולציה רקמה עדינה

Summary

This protocol describes a rod-based approach, combining 3D-printing and soft lithography techniques for fabricating the soft gripper devices. This approach eliminates the need for an external air source by incorporating a chamber component and reduces the chance of occlusion during the sealing process, particularly for miniaturized pneumatic channels.

Abstract

Soft compliant gripping is essential in delicate surgical manipulation for minimizing the risk of tissue grip damage caused by high stress concentrations at the point of contact. It can be achieved by complementing traditional rigid grippers with soft robotic pneumatic gripper devices. This manuscript describes a rod-based approach that combined both 3D-printing and a modified soft lithography technique to fabricate the soft pneumatic gripper. In brief, the pneumatic featureless mold with chamber component is 3D-printed and the rods were used to create the pneumatic channels that connect to the chamber. This protocol eliminates the risk of channels occluding during the sealing process and the need for external air source or related control circuit. The soft gripper consists of a chamber filled with air, and one or more gripper arms with a pneumatic channel in each arm connected to the chamber. The pneumatic channel is positioned close to the outer wall to create different stiffness in the gripper arm. Upon compression of the chamber which generates pressure on the pneumatic channel, the gripper arm will bend inward to form a close grip posture because the outer wall area is more compliant. The soft gripper can be inserted into a 3D-printed handling tool with two different control modes for chamber compression: manual gripper mode with a movable piston, and robotic gripper mode with a linear actuator. The double-arm gripper with two actuatable arms was able to pick up objects of sizes up to 2 mm and yet generate lower compressive forces as compared to elastomer-coated and non-coated rigid grippers. The feasibility of having other designs, such as single-arm or hook gripper, was also demonstrated, which further highlighted the customizability of the soft gripper device, and it’s potential to be used in delicate surgical manipulation to reduce the risk of tissue grip damage.

Introduction

רובוטי Soft עוררו התעניינות מחקרית רבה בקרב קהילת רובוטיקה והם שמשו משימות פונקציונליות שונות כגון תנועה גלית בסביבות מובנהיות ¹ מרתק ^2. הם מורכבים בעיקר של חומרים רכים אלסטומרי ובשליטת טכניקות actuation שונים באמצעות שימוש בחומרים שונים כגון פולימר electroactive (EAP), סגסוגות זיכרון (SMA), או דחוס נוזל ^3. EAPs פונקציה מבוסס על מתח הפרש שגורם כוחות אלקטרוסטטיים לייצר זנים פעילים ובכך מייצרים actuation. השפעת זיכרון צורה המוזרה של SMAs נפרסה על מנת ליצור את actuation הרצוי מבוסס על הדור בתוקף במהלך טרנספורמציות בשלב על השינוי בטמפרטורה. לבסוף, טכניקה להפעלה ללא נוזל דחוס מקלת אסטרטגית עיצוב פשוט להשרות הבדל נוקש ומפעילים הרכים, כך האזורים התואמים יותר יהיו לנפחעל לחץ קבוע. רובוטים רכים נועדו להרחיב את היישומים של רובוטים קשיחים מסורתיים, במיוחד ביישומים בם חפצים עדינים מעורבים. במיוחד, במאמר זה, אנו מציגים הגישה הייחודית שלנו בפיתוח grippers רובוטית רך עבור מניפולציה כירורגית עדינה.

מרתק כירורגים הוא היבט חשוב מעורב הליכי כירורגיים רבים כגון כבד, גינקולוגיה, אורולוגית, וניתוחים לתיקון עצב ^{4, 5.} הדבר מתבצע בדרך כלל על ידי כלים מרתקים רקמה נוקשה, פלדה כגון מלקחי graspers לפרוסקופי לצורך ההקלה תצפית, כריתה, נהלי השקה, וכו 'עם זאת, בזהירות רבה נדרשת כפי הכלים המרתקים הקונבנציונליים עשויים מתכת שעלולה לגרום באזורי ריכוז מתח הגבוה בתוך הרקמה הרכה בנקודות המגע ^6. בהתאם לחומרת הנזקים רקמות, סיבוכים שונים, כגון כאב, ו רקמת צלקת פתולוגיתormation, ואף נכות צמיתה, עלולים לפרוץ. מחקר קודם דווח כי שיעור הסיבוכים בניתוחים עצבים היקפיים היה 3% ^7. לכן, הרעיון של מרתק רך שיכול לספק אחיזה תואמת בטוחה יכול להיות מועמד מבטיח עבור מניפולציה כירורגית עדינה.

כאן, אנו מציגים שילוב של 3D-דפוס וטכניקות ליתוגרפיה רכה שונות, אשר אמצו גישה מבוססת-מוט, לפברק grippers פנאומטי רובוטית רך להתאמה אישית. טכניקת ייצור מסורתית של רובוטים ללא אלכוהול על בסיס להפעלה ללא נוזל דחוס דורשת עובש עם ערוצי פנאומטי מודפסים עליו תהליך איטום לאטום את הערוצים ^8. עם זאת, זה לא ריאלי עבור רובוטים רכים מיניאטורי אשר צריכים ערוצי פנאומטי קטנים שבו חסימה של ערוצים יכולה לקרות בקלות בתהליך האיטום. הטכניקה המסורתית דורשת אטימת ערוצי פנאומטי להיעשות על ידי מליטת שכבת איטום צופה אליו. לפיכך, להyer של חומר אלסטומרי אשר בתחילה משמש כשכבת מליטה עשוי לשפוך לתוך תעלות זעירות לחסום אותם ערוצים. כמו כן לא ניתן למקם את ערוצי פנאומטי באמצע המבנה ולהתחבר מרכיב חדר באמצעות טכניקות קונבנציונליות. הגישה המוצעת מאפשרת יצירת ערוצי פנאומטי מיניאטורי המחובר מוטה באמצעות לילה מלא באוויר ואינו דורשת איטום של התעלות הזעירות. בנוסף, התא המחובר ערוצי פנאומטי לשמש מקור אוויר שאינו דורש מקורות אוויר חיצוניים להפעלה ללא נוזל דחוס. היא מאפשרת היא את מדריך מצבי שליטה רובוטית באמצעות הקלת הדחיסה הקאמרית להניע המרכיב המרתק, ובכך לספק למשתמשים את האפשרות של שליטה על כמות הכח שהם מגישים בקשה דרך תפסן. גישה זו להתאמה אישית וניתן להשתמש בו כדי לפברק סוגים שונים של עיצובי תפסן רכים כגון grippers עם יחיד או muרובים של נשק actuatable.

Protocol

הערה: כל grippers פנאומטי הרך היו מפוברק על ידי יציקת תערובות אלסטומרי מבוסס סיליקון לתוך תבניות 3D מודפס אישית, שבאו לאחר תהליך ייצור מורכב משלושה שלבים: קריצת רכיבי תפסן-זרוע עם ערוצי פנאומטי מוטבעים, קריצת רכיב תא מחובר ערוצי פנאומטי , ואיטום מרכיב בתא מלא אוויר. <p class="jove_title" st…

Representative Results

המכשירים תפסן פנאומטי רובוטית הרכים היו מסוגלים להרים חפצים עם ממדים של עד 1.2 מ"מ קוטר (איור 6). כוח דחיסת האחיזה מקסימלית שנוצר על ידי actuatable הזרוע חד, ובבדיקת actuatable זרוע התקני תפסן רכים היו 0.27 ± 0.07 N ו- 0.79 ± 0.14 N בהתאמה, לעומת 1.71 ± 0.16 N ו- 2.61 ± 0.22…

Discussion

אנחנו הוכחנו בהצלחה כי מכשירי תפסן פנאומטי רובוטית הרכים המותרים מרתק תואמת של אובייקטים, אשר הפעילו הרבה כוחות דחיסה נמוכים על האובייקט אחז מאשר טיפי מלקחיים מצופי אלסטומר מלקחיים מופעלים. מלקחיים הם כלי חיוני עבור מניפולציה עצבה במהלך תיקון עצב היקפי ניתוחי ^{11, …}

Materials

Weighing Scale	Severin	KW3667	(Step: Preparation of elastomers)
Ecoflex Supersoft 0030 Elastomer	Smooth-On	EF0030	(Step: Preparation of elastomers)
Planetary Centrifugal Mixer and Containers	THINKY USA Inc.	ARE-310	(Step: Preparation of elastomers)
Solidworks CAD	Dassault Systèmes	Solidworks Research Subscription	(Step: Soft single/double-actuatable arm pneumatic grippers)
Objet 3D Printer	Stratasys	260 Connex2	(Step: Soft single/double-actuatable arm pneumatic grippers)
Titanium Wire Rods	Titan Engineering	N/A	(Step: Soft single/double-actuatable arm pneumatic grippers)
Natural Convection Oven with Timer	Thermo Fisher Scientific	BIN#ED53	(Step: Soft single/double-actuatable arm pneumatic grippers)
Linear Actuator	Firgelli Technologies	L12	(Step: Insertion of soft robotic pneumatic gripper device into handling tool)
Jumper Wire	sgbotic	CAB-01146	(Step: Evaluations and grip compressive test)
Force Sensing Resistor	Interlink Electronics	FSR402	(Step: Evaluations and grip compressive test)