Conception et fabrication d'une unité élastomère pour Soft robots modulaires en chirurgie mini-invasive

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

Au cours des dernières années, la robotique douces technologies ont suscité un intérêt croissant dans le domaine médical en raison de leur interaction à sécurité intrinsèque dans des environnements non structurés. Dans le même temps, de nouveaux procédés et techniques ont été développées pour réduire le pouvoir envahissant des opérations chirurgicales. Chirurgie minimalement invasive (MIS) a été utilisée avec succès pour les interventions abdominales, des procédures MIS cependant standards sont principalement basées sur les outils rigides ou semi-rigides qui limitent la dextérité du clinicien. Ce document présente un manipulateur agile doux et élevé pour MIS. Le manipulateur a été inspiré par les capacités biologiques du bras de poulpe, et est conçu avec une approche modulaire. Chaque module présente les mêmes caractéristiques fonctionnelles, réalisant ainsi la dextérité et la polyvalence élevée lorsque plusieurs modules sont intégrés. Le document détaille la conception, processus de fabrication et les matériaux nécessaires à l'élaboration d'une seule unité, qui est fabriqué par Casting silicone à l'intérieur de moules spécifiques. Le résultat consiste en un cylindre en élastomère comprenant trois actionneurs pneumatiques souples qui permettent l'allongement et la flexion omnidirectionnelle de l'appareil. Une gaine tressée externe permet d'améliorer le mouvement du module. Au centre de chaque module sur la base d'un mécanisme de blocage-granulaire varier la rigidité de la structure pendant les tâches. Essais démontrent que le module est capable de se courber jusqu'à 120 ° et à allonger jusqu'à 66% de la longueur initiale. Le module génère une force maximale de 47 N, et sa rigidité peut augmenter jusqu'à 36%.

Introduction

Les tendances récentes dans le domaine médical font pression pour une réduction de l'invasivité des opérations chirurgicales. Chirurgie minimalement invasive (MIS) a été amélioré avec succès au cours des dernières années pour les opérations abdominales. MIS procédures sont basées sur l'utilisation d'outils introduits par quatre ou cinq points d'accès (trocarts) placés sur la paroi abdominale. Afin de réduire le nombre de trocarts, les instruments peuvent être insérés par Single Port laparoscopie (SPL) ou la chirurgie endoscopique transluminale par orifice naturel (NOTES) ^1. Ces procédures prévenir les cicatrices visibles externes, mais augmentent la difficulté pour les cliniciens dans l'exécution de l'opération. Cette limitation est principalement due à des points réduits d'accès et à la nature rigide et semi-rigide des instruments qui ne sont pas en mesure d'éviter ou de passer autour des organes ^{2, 3.} Dextérité et la motilité peuvent être améliorées en utilisant articulé et hyper-redondante robots qui peuvent couvrir un espace de travail plus large et plus complexe, THce qui nous permet d'une cible spécifique dans le corps d'atteindre plus facilement ^{4, 5, 6} et de travailler en tant que systèmes nécessaires quand ⁷ de rétraction. Un manipulateur flexible peut améliorer le respect des tissus, ce qui rend le contact plus sûr que par les outils traditionnels.

Cependant, ces manipulateurs manquent souvent de stabilité lorsque la cible est atteinte et en général, ils ne peuvent pas contrôler le contact avec les tissus environnants ^{8, 9.} Les études sur les structures biologiques, tels que le bras de la pieuvre ^{10 et la} trompe d'éléphant ^11, ont récemment inspiré la conception de manipulateurs flexibles, déformables et conformes à un certain nombre redondant de degrés de liberté (DoFs) et la rigidité contrôlable ^12. Ces types de dispositifs utilisent des ressorts passives, les matériaux intelligents, éléments pneumatiques, ou des tendons ^{13, 14, 15.} En général, les manipulateurs fabriqués avec des matériaux souples et flexibles ne garantissent pas la génération de forces élevées.

Til STIFF-FLOP (raideur de Manipulateur flexible et contrôlable Programmable pour des opérations chirurgicales) manipulateur a récemment été présenté comme un nouveau dispositif chirurgical pour les notes et SPL inspirés par les capacités de la pieuvre. Afin de surmonter les limitations des manipulateurs souples précédents, il a un corps mou ainsi que de haute dextérité, force élevée et la rigidité contrôlable ^16.

L'architecture du manipulateur est basé sur une approche modulaire: plusieurs unités, avec la même structure et les fonctionnalités, sont intégrés ensemble. L'unité est représentée seule sur la figure 1. Il est basé sur un cylindre en élastomère obtenu par une fabrication multiphase. Les étapes d'assemblage des composants du moule et les processus de coulée permettent trois chambres vides (pour la commande fluidique) et un canal central creux ¹⁷ (pour le logement d'un mécanisme fondé de brouillage granulaire ¹⁸⁾ pour être embarqués. Les chambres sont placées à 120 °, de sorte que lal'inflation combinée ir produit un mouvement omnidirectionnel et l'allongement. En outre, une gaine tressée extérieure est placée à l'extérieur pour limiter l'expansion radiale vers l'extérieur des chambres fluidiques lorsque pressurisé, optimisant ainsi l'effet de l'actionnement de la chambre dans le mouvement du module (flexion et allongement).

Le canal central cylindrique loge un dispositif composé d'une membrane externe rempli de matériau granulaire. Quand une pression de vide est appliqué, il modifie ses propriétés élastiques provoquant une rigidification qui affecte les propriétés de l'ensemble du module.

Représentations de mouvement et de rigidité sont commandés par une installation externe comportant un compresseur d'air et trois soupapes de pression d'actionnement des chambres et une pompe à vide pour l'activation de la dépression dans le canal de raidissement. Une interface utilisateur intuitive permet de contrôler actionnement et de vide pressions à l'intérieur du module.

Cet article détaille la fabrication processus du module unique de ce manipulateur et rapports les résultats les plus significatifs sur les capacités de mouvement de base. Compte tenu de la nature modulaire de l'appareil, l'appréciation de la fabrication et de la performance d'un seul module simple permet également que les résultats soient étendues et de prédire le comportement de base d'un manipulateur multi-modules intégrant deux ou plusieurs modules.

Protocol

Remarque: Ce protocole décrit les phases de fabrication d'un module unique, qui comprend des chambres fluidiques, le canal, des canalisations d'actionnement et la gaine externe de raidissement. La procédure suivante doit être exécutée sous une hotte et portant un manteau de laboratoire et gants pour des raisons de sécurité. Comme mentionné précédemment, le procédé de fabrication de l'unité élastomère est basée sur l'utilisation séquentielle des moules conçus avec un logiciel de CAO. Ils…

Representative Results

Les différentes phases de la fabrication, décrit dans le protocole, sont illustrés sur la figure 3. Afin d'évaluer l'efficacité de la technique et les résultats du prototype final, le module a été testé dans différentes conditions de travail. Une configuration externe permet de contrôler à la fois l'actionnement et la rigidité du module. Il comprend un compresseur d'air qui active les trois valves. Ils sont reliés à des tubes s…

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