تصميم وتصنيع وحدة المرنة لينة وحدات الروبوتات في جراحة المناظير
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
في السنوات الأخيرة، أثارت تقنيات الروبوتات الناعمة اهتماما متزايدا في المجال الطبي نتيجة لتفاعلها آمنة جوهريا في بيئات غير منظم. وفي الوقت نفسه، تم وضع إجراءات وتقنيات جديدة للحد من الغزو من العمليات الجراحية. الحد الأدنى من جراحة الغازية (MIS) وقد استخدمت بنجاح لتدخلات البطن، وتستند إجراءات MIS لكن القياسية أساسا على أدوات جامدة أو شبه جامدة التي تحد من البراعة من الطبيب. تقدم هذه الورقة مناور حاذق لينة وعالية لMIS. واستلهم مناور من قدرات البيولوجية للذراع الأخطبوط، وصمم مع نهج وحدات. تقدم كل وحدة نفس الخصائص الوظيفية، وبالتالي تحقيق البراعة العالية وبراعة عندما يتم دمج المزيد من الوحدات. تفاصيل ورقة تصميم وعملية التصنيع والمواد اللازمة لتطوير وحدة واحدة، وهي ملفقة من قبل castinز سيليكون داخل قوالب محددة. النتيجة تتكون في الاسطوانة المرنة بينهم ثلاثة المحركات الهوائية المرنة التي تمكن الاستطالة والانحناء متعددة الاتجاهات للوحدة. غلاف مضفر الخارجي على تحسين حركة وحدة. في وسط كل وحدة تختلف آلية القائم على التشويش الحبيبية صلابة الهيكل خلال المهام. تبين التجارب أن الوحدة هي قادرة على ثني تصل إلى 120 درجة واستطال تصل إلى 66٪ من طول الأولي. وحدة يولد قوة أقصاها 47 N، وتصلب لها يمكن أن تزيد إلى 36٪.
Introduction
الاتجاهات الحديثة في المجال الطبي تدفع للانخفاض في الغزو من العمليات الجراحية. الحد الأدنى من جراحة الغازية (MIS) قد تحسنت بنجاح في السنوات القليلة الماضية لعمليات البطن. تستند الإجراءات MIS على استخدام الأدوات قدم من خلال أربع أو خمس نقاط الوصول (trocars) وضعت على جدار البطن. من أجل تقليل عدد trocars، والأدوات يمكن إدراجها من قبل واحدة ميناء تنظير البطن (SPL) أو الجراحة الفوهة الطبيعية Translumenal بالمنظار (NOTES) 1. هذه الإجراءات تمنع ندوب مرئية الخارجية، ولكن تزيد من صعوبة للأطباء في تنفيذ عملية جراحية. هذا القيد ويرجع ذلك أساسا إلى انخفاض نقاط الوصول وطبيعة جامدة وشبه جامدة من الأجهزة التي ليست قادرة على تجنب أو تمرير حول أجهزة 2، 3. المهارة والحركة يمكن تحسينها باستخدام مفصلية وفرط زائدة الروبوتات التي يمكن أن تغطي مساحة عمل أوسع وأكثر تعقيدا، اللنا تمكين هدف محدد في الجسم ليتم التوصل بسهولة أكبر 4 و 5 و 6 و للعمل في أنظمة تراجع عند الضرورة 7. A مناور مرن يمكن تحسين الامتثال الأنسجة، مما يجعل الاتصال أكثر أمانا من خلال الأدوات التقليدية.
ومع ذلك، هذه المتلاعبين غالبا ما تفتقر الاستقرار عند الوصول إلى الهدف، وعموما لا يمكن التحكم في اتصال مع الأنسجة المحيطة بها 8، 9 دراسات على البنى البيولوجية، مثل ذراع الأخطبوط (10) وجذع الفيل 11، ألهمت مؤخرا تصميم المتلاعبين مرن، تشوه والمتوافقة مع عدد زائدة من درجات الحرية (DoFs) وتصلب السيطرة عليها (12). هذه الأنواع من الأجهزة تستخدم الينابيع السلبي، المواد الذكية، عناصر الهوائية، أو الأوتار 13، 14، 15. وبشكل عام، المتلاعبين ملفقة مع مواد لينة ومرنة لا تضمن توليد القوى عالية.
تانه قساة FLOP (صلابة مرنة وقابلة للتعلم مناور السيطرة على العمليات الجراحية) مناور تم عرضها مؤخرا كجهاز الجراحية رواية لNOTES وSPL مستوحاة من قدرات الأخطبوط و. من أجل التغلب على القيود المفروضة على المتلاعبين لينة السابق، أن لديها هيئة لينة وكذلك مهارة عالية، وقوة عالية وصلابة السيطرة عليها (16).
ويستند بنية تتلاعب على نهج وحدات: وحدة متعددة، مع نفس الهيكل وظائف، هي متكاملة معا. وأظهرت وحدة واحدة في الشكل 1. وهو يقوم على الاسطوانة المرنة التي حصل عليها افتراء متعدد المراحل. الخطوات تجميع مكونات العفن وعمليات الصب تمكن ثلاث غرف فارغة (ليشتغل فلويديك) وقناة واحدة المركزية جوفاء 17 (للسكن آلية القائم على التشويش الحبيبية 18) لتكون جزءا لا يتجزأ. توضع الدوائر في 120 درجة، بحيثالتضخم الجمع بين الأشعة تحت الحمراء تنتج حركة شاملة لكل الاتجاهات واستطالة. وبالإضافة إلى ذلك يتم وضع غمد مضفر خارجي خارجيا للحد من توسع شعاعي الخارجي لغرف الموائعية عند الضغط، وبالتالي تحقيق الاستفادة المثلى من تأثير يشتغل غرفة في حركة وحدة (الانحناء واستطالة).
القناة المركزية منازل جهاز اسطواني تتألف من الغشاء الخارجي مليئة المواد الحبيبية. عند تطبيق ضغط الفراغ، فإنه يغير خصائصه المرنة تسبب تشنج الذي يؤثر على خصائص وحدة بأكملها.
يتم التحكم في الحركة وتصلب العروض من قبل الإعداد الخارجي بما في ذلك ضاغط الهواء وثلاثة صمامات الضغط عن المشغلات مجلسين واحد مضخة فراغ لتفعيل فراغ في القناة تشنج. واجهة مستخدم بديهية تتيح السيطرة على يشتغل والفراغ الضغوط داخل وحدة.
تفاصيل هذه الورقة fabricatioعملية ن من وحدة واحدة من هذا مناور والتقارير أهم النتائج على قدرات الحركة الأساسية. وبالنظر إلى الطبيعة وحدات من هذا الجهاز، يمكن تقييم تصنيع وأداء وحدة واحدة واحدة فقط أيضا النتائج إلى أن تمتد وللتنبؤ بسلوك الأساسي للمناور متعددة وحدة دمج اثنين أو أكثر من الوحدات.
Protocol
Representative Results
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…
Declarações
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
This work was supported by the EC within the framework of the STIFF-FLOP FP7-ICT-2011.2.1 European Project (#287728).
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 |
Referências
- Scott, D. J., et al. Completely transvaginal NOTES cholecystectomy using magnetically anchored instruments. Surgical Endoscopy. 21, 2308-2316 (2007).
- Vitiello, V., Lee, S., Cundy, T., Yang, G. Emerging Robotic Platforms for Minimally Invasive Surgery. IEEE Reviews in Biomedical Engineering. 6, 111-126 (2013).
- Vyas, L., Aquino, D., Kuo, C. -. H., Dai, J. S., Dasgupta, P. Flexible Robotics. BJU International. 107, 187-189 (2011).
- Degani, A., Choset, H., Wolf, A., Zenati, M. A. Highly articulated robotic probe for minimally invasive surgery. Proceedings of IEEE International Conference on Robotics and Automation. , 4167-4172 (2006).
- Bajo, A., Dharamsi, L. M., Netterville, J. L., Garrett, C. G., Simaan, N. Robotic-assisted micro-surgery of the throat: The trans-nasal approach. , 232-238 (2013).
- Burgner, J., Swaney, P. J., Lathrop, R. A., Weaver, K. D., Webster, R. J. Debulking From Within: A Robotic Steerable Cannula for Intracerebral Hemorrhage Evacuation. IEEE Transactions on Biomedical Engineering. 60, 2567-2575 (2013).
- Tortora, G., Ranzani, T., De Falco, I., Dario, P., Menciassi, A. A Miniature Robot for Retraction Tasks under Vision Assistance in Minimally Invasive Surgery. Robotics. 3, 70-82 (2014).
- Laschi, C., Cianchetti, M. Soft Robotics: new perspectives for robot bodyware and control. Frontiers in Bioengineering and Biotechnology. 2, (2014).
- Loeve, A., Breedveld, P., Dankelman, J. Scopes too flexible…and too stiff. Pulse, IEEE. 1, 26-41 (2010).
- Cianchetti, M., Follador, M., Mazzolai, B., Dario, P., Laschi, C. Design and development of a soft robotic octopus arm exploiting embodied intelligence. , 5271-5276 (2012).
- Smith, K., Kier, W. M. Trunks, tongues, and tentacles: Moving with skeletons of muscle. American Scientist. 77, 28-35 (1989).
- Walker, I. Some issues in creating “invertebrate” robots. , (2000).
- McMahan, W., Jones, B., Walker, I. Design and implementation of a multi-section continuum robot: Air-octor. IEEE/RSJ International Conference on Intelligent Robots and Systems. , 2578-2585 (2005).
- Laschi, C., Mazzolai, B., Cianchetti, M., Margheri, L., Follador, M., Dario, P. A Soft Robot Arm Inspired by the Octopus. Advanced Robotics (Special Issue on Soft Robotics). 26, 709-727 (2012).
- Chianchetti, M., et al. Soft robotics technologies to address shortcomings in today’s minimally invasive surgery: the STIFF-FLOP approach. Soft Robotics. 1, 122-131 (2014).
- Cheng, N. G., et al. Design and Analysis of a Robust, Low-cost, Highly Articulated manipulator enabled by jamming of granular media. , 4328-4333 (2012).
- Cianchetti, M., Ranzani, T., Gerboni, G., De Falco, I., Laschi, C., Menciassi, A. STIFF-FLOP Surgical Manipulator: mechanical design and experimental characterization of the single module. Proceedings of IEEE/RSJ International Conference on Intelligent Robots and Systems (IROS. , 3576-3581 (2013).
- De Falco, I., Cianchetti, M., Menciassi, A. A soft and controllable stiffness manipulator for minimally invasive surgery: preliminary characterization of the modular design). Proceedings of 36th Annual International Conference of the IEEE Engineering in Medicine and Biology Society (EMBC). , (2014).
- De Falco, I., Cianchetti, M., Menciassi, A. STIFF-FLOP surgical manipulator: design and preliminary motion evaluation). Proceedings of 4th WorkShop on Computer/Robot Assisted Surgery (CRAS). , 131-134 (2014).
