Fabricação baseada em vara de customizáveis ​​macias robóticos pneumáticas Gripper Aparelhos para a manipulação de tecidos delicados

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

Robôs moles têm suscitado grande interesse de pesquisa dentro da comunidade robótica e eles têm sido usados ​​em diferentes tarefas funcionais, tais como locomoção ondulatória em ambientes não estruturados ¹ e agarrando ^2. Eles são principalmente compostas de materiais elastoméricos macios e controlada por diferentes técnicas de accionamento, através da utilização de diferentes materiais, tais como polímero electroactivo (PAA), a forma de liga com memória (SMA), ou fluido comprimido ^3. função PAA com base numa tensão diferencial que induz forças electrostáticas para produzir estirpes activas e, assim, gera accionamento. O efeito de memória de forma peculiar da LMF é implantado para gerar a actuação desejada com base na geração de força durante a transformações de fases após a mudança na temperatura. Por último, a técnica de atuação fluido comprimido facilita uma estratégia de design simples para induzir a diferença rigidez nos atuadores moles, de tal forma que as regiões mais complacentes irá inflarmediante pressurização. robôs macias são concebidos para ampliar as aplicações de robôs rígidos tradicionais, especialmente em aplicações em que os objectos delicados estão envolvidos. Particularmente, neste artigo, apresentamos nossa abordagem única no desenvolvimento de garras robóticas flexíveis para manipulação cirúrgica delicada.

De aperto cirúrgica é um aspecto importante envolvido em muitos procedimentos cirúrgicos, tais como hepático, ginecológica, urológica, e nervo cirurgias de reparação de ^{4, 5.} Ele é tipicamente realizada por rígidas, as ferramentas de aperto de tecido de aço, tais como os fórceps e pinças laparoscópicas para o propósito de facilitar observação, a excisão, procedimentos de anastomose, etc. no entanto, extrema cautela é necessária como as ferramentas de aperto convencionais são feitos de metal que podem causar áreas de concentração alta tensão nos tecidos moles, nos pontos de contato ^6. Dependendo da gravidade dos danos de tecidos, várias complicações, tais como a dor, cicatriz de tecido patológica formação, e até mesmo incapacidade permanente, pode resultar. Um estudo anterior relatou que a taxa de complicações na cirurgia do nervo periférico foi de 3% ^7. Portanto, o conceito de aperto suave que pode ter uma aderência segura compatível pode ser um candidato promissor para a manipulação cirúrgica delicada.

Aqui, apresentamos uma combinação de técnicas de litografia suave modificados, que adoptaram uma abordagem baseada na vara, para fabricar garras pneumáticas robóticos suaves personalizável 3D-impressão e. Técnica de fabricação tradicional de robôs moles com base na atuação fluido comprimido requer um molde com canais pneumáticos impressos nele e em um processo de vedação para selar os canais ^8. No entanto, não é viável para os robôs miniaturizados macios que necessitam de pequenos canais de pneumáticos em que a oclusão dos canais pode facilmente acontecer no processo de selagem. A técnica tradicional requer a vedação dos canais pneumicos para ser feito ligando uma camada de selagem revestidos a ele. Assim, o Layer de material elastomérico, que inicialmente serve como uma camada de ligação seja derramado sobre os pequenos canais e os canais ocluir. Também não é possível posicionar os canais pneumicos no meio da estrutura e ligar a um componente de câmara usando técnicas convencionais. A abordagem proposta permite a criação de canais pneumicos miniaturizados ligado a uma câmara de hastes utilizando cheias de ar, e não necessita de vedação dos canais minúsculos. Além disso, a câmara ligada aos canais pneumicos servir como uma fonte de ar, que não requer fontes de ar externo para a actuação de fluido comprimido. Ele permite que tanto o manual e modos de controlo robótico através da facilitação da câmara de compressão para accionar o componente de aperto, proporcionando assim aos utilizadores a possibilidade de controlar a quantidade de força que estão a aplicar através da pinça. Esta abordagem é altamente personalizada e pode ser utilizada para fabricar vários tipos de desenhos de garra macios, tais como pinças com único ou multiple braços accion�eis.

Protocol

Nota: Todas as pinças pneumáticas macios foram fabricados por vazamento misturas elastoméricas à base de silicone em moldes impresso-3D personalizados, que se seguiu um processo de fabricação que compreende três etapas: moldagem de componentes pinça de braço com canais pneumáticos incorporadas, moldando componente câmara ligadas aos canais pneumáticos , e selando o componente câmara cheia de ar. 1. Preparação de Elastómeros Coloque um recipiente para o misturador em uma escala de…

Representative Results

Os dispositivos de pinça pneumática robóticos macios eram capazes de pegar objetos com dimensões de até 1,2 mm de diâmetro (Figura 6). A força de aperto máxima à compressão geradas pela actuao de braço único, e de actuação por duplo-braço dispositivos de preensão moles foram de 0,27 ± 0,07 N e 0,79 ± 0,14 N, respectivamente, em comparação com 1,71 ± 0,16 N e 2,61 ± 0,22 N forças compressivas em cirurgia simulada pelos fórceps revestidos de elastó…

Discussion

Temos demonstrado com sucesso que os dispositivos de pinça pneumática robóticos suaves permitidos emocionante compatível de objetos, que exerceram forças de compressão muito mais baixos no objeto de agarrados do que os fórceps dicas e fórceps revestidos de elastómero exercida. Pinça é uma ferramenta essencial para a manipulação de nervos durante a reparação de nervos periféricos cirurgias ^{11, 12.} No entanto, a sua estrutura metálica necessária extrema cautela no uso dos cirurgiões, a fim de…

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)