Rod-basierte Herstellung von Anpassbare Weiche Robotic Pneumatic Gripper Geräte für empfindliche Gewebe Manipulation

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

Soft – Roboter haben große Forschungsinteresse in der Robotik – Community ausgelöst , und sie haben in verschiedenen funktionellen Aufgaben wie welligen Lokomotion in unstrukturierten Umgebungen ¹ und Greif ² verwendet. Sie werden hauptsächlich aus weichen elastomeren Materialien bestehen und durch verschiedene Betätigungsverfahren durch die Verwendung von verschiedenen Materialien , wie beispielsweise elektroaktives Polymer (EAP) gesteuert, Formgedächtnislegierung (SMA) oder komprimiertem Fluid ^3. EAPs Funktion basiert auf einer Differenzspannung, die elektrostatischen Kräfte induziert aktive Stämme zu erzeugen, und erzeugt dadurch Betätigung. Die eigentümliche Formgedächtniseffekt des FGL wird eingesetzt, um die gewünschte Betätigung auf der Krafterzeugung während Phasenumwandlungen auf die Änderung der Temperatur zu generieren. Schließlich erleichtert das komprimierte Fluid Betätigungs Technik eine einfache Konstruktionsstrategie Steifigkeitsunterschied in den Weich Aktoren zu induzieren, so dass die nachgiebiger Regionen aufzublasenbei Druckbeaufschlagung. Soft-Roboter sind so konzipiert, die Anwendungen von herkömmlichen Fest Roboter, vor allem in Anwendungen zu erweitern, wo empfindliche Objekte beteiligt sind. Insbesondere in diesem Beitrag stellen wir unseren einzigartigen Ansatz in weichen Robotergreifer für empfindliche chirurgische Manipulation zu entwickeln.

Chirurgisches Greif ist ein wichtiger Aspekt bei vielen chirurgischen Prozeduren , wie beispielsweise Leber beteiligt, gynäkologische, urologische und Nervenreparatur Operationen ^{4, 5.} Es wird in der Regel durch starr ausgeführt, Stahlgewebegreifwerkzeuge , wie beispielsweise die Pinzetten und laparoskopischen Greifer zum Zweck der Erleichterung Beobachtung, Exzision, Anastomose Verfahren usw. Allerdings ist extreme Vorsicht geboten , da die herkömmlichen Greifwerkzeuge aus Metall hergestellt sind, die eine hohe Spannungskonzentration Bereiche im Weichgewebe an den Kontaktpunkten ⁶ führen kann. Je nach Schwere der Gewebeschäden, verschiedene Komplikationen, wie Schmerzen, pathologische Narbengewebe formationen und sogar dauerhafte Behinderung führen kann. Eine frühere Studie berichtet , dass die Komplikationsrate bei peripheren Nervenchirurgie 3% ⁷ war. das Konzept der weichen Griff Daher die sicher konformen Grip kann, kann ein vielversprechender Kandidat für empfindliche chirurgische Manipulation sein.

Hier präsentieren wir eine Kombination aus 3D-Druck und modifizierte Softlithographie-Techniken, die einen Stab basierten Ansatz, anpassbare weiche Roboter pneumatische Greifer herzustellen. Traditionelle Herstellungstechnik von weichen Roboter basierend auf Druckfluid Betätigung erfordert eine Form mit pneumatischen Kanäle aufgedruckt und ein Versiegelungsverfahren die Kanäle ⁸ abzudichten. Allerdings ist es nicht möglich, für miniaturisierte weichen Roboter, die kleinen pneumatischen Kanäle benötigen, wo Okklusion von Kanälen leicht in den Siegelprozess passieren kann. Die traditionelle Technik erfordert die Abdichtung der Luftkanäle durch Verbinden einer beschichteten Siegelschicht, um es zu tun. Daher ist die layer aus Elastomermaterial, die zunächst dient als Bindeschicht in die winzigen Kanäle gelangen könnte und diese Kanäle verstopfen. Es ist auch nicht möglich, die Luftkanäle an der Mitte der Struktur zu positionieren und zu einer Kammer Komponente unter Verwendung herkömmlicher Techniken verbinden. Die vorgeschlagene Vorgehensweise ermöglicht die Schaffung von miniaturisierten pneumatischen Kanäle mit einer luftgefüllten Kammer Stäbe verwendet und nicht Abdichtung der winzigen Kanäle erfordern. Darüber hinaus dienen die Kammer mit den pneumatischen Kanäle als Luftquelle, die keine externe Luftquellen für komprimierte Fluid Betätigung erfordert. Es erlaubt sowohl die manuelle und Robotersteuerung Modi durch die Kammer Kompression Erleichterung der Greifkomponente zu betätigen, damit der Anwender die Möglichkeit, die Bereitstellung der Menge an Kraft zu steuern, dass sie durch den Greifer anwenden. Dieser Ansatz ist hochgradig anpassbar und verwendet werden, können verschiedene Arten von Weichgreifkonstruktionen wie Greifer mit Einzel- oder mu herzustellenltiple ansteuerbaren Arme.

Protocol

Hinweis: Alle weichen pneumatischen Greifern wurden hergestellt, indem auf Silikonbasis Elastomermischungen in maßgeschneiderte 3D-Druckgussformen, die ein Herstellungsverfahren, das drei Schritte folgen: Formen Greifer-Arm-Komponenten mit eingebetteten pneumatischen Kanäle, Kammerkomponenten-Formen mit den pneumatischen Kanälen verbunden und Versiegeln des Kammerbauteils mit Luft gefüllt. 1. Herstellung von Elastomeren Einen Behälter für Mischer auf einer Waage stellen und tarieren. Pour …

Representative Results

Die weichen Roboter pneumatischen Greifvorrichtungen waren in der Lage Aufnahme von Objekten mit Abmessungen von bis zu 1,2 mm Durchmesser (Abbildung 6). Die maximale Griffigkeit Druckkraft, die durch den Ein- ansteuerbaren-Arm und Double- ansteuerbaren-Arm weichen Greifeinrichtungen waren 0,27 ± 0,07 N und 0,79 ± 0,14 N bzw. im Vergleich zu 1,71 ± 0,16 N und 2,61 ± 0,22 N Druckkräfte in simulierte Operation durch die elastomerbeschichteten Pinzette und durch unbesc…

Discussion

Wir haben erfolgreich gezeigt, dass die weichen robotic pneumatischen Greifeinrichtungen nachgiebigen Greifen von Gegenständen erlaubt, die auf dem gegriffenen Gegenstand viel geringere Druckkräfte ausgeübt, als die elastomerbeschichteten Zangenspitzen und Zange ausgeübt wird. Zange ist ein wichtiges Instrument für die Nerven Manipulation während peripheren Nervenreparatur ^{11 Operationen, 12.} Allerdings ist seine Metallstruktur von den Chirurgen , um in Gebrauch extreme Vorsicht erforderlich Nervenschä…

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)