Design og fremstilling af en elastomer Enheden for Soft Modular Robotter i minimalt invasiv kirurgi

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

I de senere år har bløde robotteknik teknologier vakt stigende interesse på det medicinske område på grund af deres iboende sikker interaktion i ustrukturerede miljøer. Samtidig har nye procedurer og teknikker blevet udviklet for at reducere invasiv kirurgiske operationer. Minimalt invasiv kirurgi (MIS) er blevet anvendt med held til abdominale indgreb, er imidlertid standard MIS procedurer hovedsagelig baseret på stive eller halvstive værktøjer, der begrænser fingerfærdighed klinikerens. Denne artikel præsenterer en blød og høj behændig manipulator til MIS. Manipulatoren var inspireret af de biologiske kapaciteter af blæksprutte arm, og er designet med en modulær tilgang. Hvert modul præsenterer de samme funktionelle egenskaber, således opnå høj smidighed og alsidighed, når flere moduler er integreret. Papiret beskriver design, fremstilling proces, og de materialer, der er nødvendige for udviklingen af ​​en enkelt enhed, som er fremstillet ved Casting silikone inde specifikke forme. Resultatet består i en elastomer cylinder herunder tre fleksible pneumatiske aktuatorer, der muliggør forlængelse og retningsuafhængig bøjning af enheden. En ekstern flettet skede forbedrer bevægelse af modulet. I centrum af hvert modul en granulær jamming-mekanisme varierer stivheden af ​​strukturen under opgaverne. Tests viser, at modulet er i stand til at bøje op til 120 ° og aflange op til 66% af den oprindelige længde. Modulet genererer en maksimal kraft på 47 N, og dens stivhed kan øges op til 36%.

Introduction

Seneste tendenser i det medicinske område presser på for en reduktion i invasiv kirurgiske operationer. Minimalt invasiv kirurgi (MIS) er blevet forbedret i de seneste år for abdominal operationer. MIS procedurer er baseret på brug af værktøj introduceret gennem fire eller fem adgangspunkter (Trokarer) placeret på bugvæggen. For at reducere antallet af trokarer, kan instrumenterne indsættes af Single Port Laparoskopi (SPL) eller Natural Orifice translumenal Endoskopisk kirurgi (NOTER) ^1. Disse procedurer forhindrer eksterne synlige ar, men gøre det sværere for klinikerne i udførelsen af ​​operationen. Denne begrænsning skyldes primært de reducerede punkter for adgang, og til den stive og halvstive karakter af de instrumenter, som ikke er i stand til at undgå eller passere rundt organer ^2, kan ^3. Smidighed og motilitet forbedres ved hjælp artikuleret og hyper-redundant robotter, der kan dække et bredere og mere kompleks arbejdsplads, thos således et specifikt mål i kroppen, der skal nås lettere ^{4, 5, 6 og} til at arbejde som tilbagetrækningsmekanismer systemer når det er nødvendigt ^7. En fleksibel manipulator kan forbedre væv overholdelse, hvilket gør kontakt sikrere end de traditionelle værktøjer.

Men disse manipulatorer ofte mangler stabilitet, når målet er nået og generelt kan de ikke styre kontakt med det omgivende væv ^{8, 9.} Undersøgelser af biologiske strukturer, såsom blæksprutte arm ^{10 og} Elefantsnabelbjerget ^11, har for nylig inspireret udformningen af fleksible, deformerbare og kompatible manipulatorer med en redundant antal frihedsgrader (DoFs) og kontrollerbar stivhed ^12. Disse former for enheder anvender passive fjedre, smarte materialer, pneumatiske elementer, eller sener ^{13, 14, 15.} Generelt, manipulatorer fremstillet med bløde og fleksible materialer garanterer ikke generering af store kræfter.

THan stive FLOP (Stivhed kontrollerbar Fleksibel og learnable manipulator til kirurgiske operationer) manipulator er for nylig blevet præsenteret som en ny kirurgisk enhed til noter og SPL inspireret af blæksprutte kapacitet. For at overvinde begrænsningerne ved tidligere bløde manipulatorer, det har en blød krop samt høj smidighed, stor kraft og kontrollerbar stivhed ^16.

Arkitekturen i manipulatoren er baseret på en modulær tilgang: flere enheder, med den samme struktur og funktionaliteter, er integreret sammen. Den enkelte enhed er vist i figur 1. Den er baseret på en elastomer cylinder opnået ved en flerfaset fabrikation. De montage trin af formen komponenter og støbeprocesser aktivere tre tomme kamre (for fluidisk aktivering) og en hule central kanal ¹⁷ (til boliger et granuleret jamming-baserede mekanisme ^18), der skal indlejrede. Kamrene er anbragt ved 120 °, således atir kombineret inflation producerer rundstrålende bevægelse og forlængelse. Desuden en ekstern flettet hylster er placeret udvendigt for at begrænse udadrettet radial udvidelse af strømningstekniske kamre, når tryk, således optimere effekten af ​​kammeret aktivering i modulet bevægelse (bøjning og forlængelse).

Den centrale kanal huser en cylindrisk indretning består af en ydre membran er fyldt med granuleret materiale. Når et vakuum påføres tryk, ændrer sine elastiske egenskaber forårsager en afstivning, der påvirker hele modulets egenskaber.

Levende og stivhed forestillinger styres af en ekstern setup herunder en luftkompressor og tre trykventiler til aktivering kamrene og en vakuumpumpe til aktivering af vakuum i det afstivende kanal. En intuitiv brugerflade tillader styring af aktivering og vakuum pres inde i modulet.

Dette papir beskriver den fabrication processen med enkelt modul af denne manipulator og rapporter de væsentligste resultater på grundlæggende motion kapaciteter. I betragtning af den modulære natur af enheden, vurderingen af ​​fabrikation og udførelse af blot én enkelt modul giver også de resultater, der skal udvides, og at forudsige grundlæggende adfærd en multi-modul manipulator integrere to eller flere moduler.

Protocol

Bemærk: Denne protokol beskriver fabrikation faser af et enkelt modul, som omfatter de strømningstekniske kamre, afstivende kanal, aktiveringssystemer rørledninger og ekstern kappe. Følgende procedure skal udføres under en emhætte og iført kittel og handsker af sikkerhedsmæssige årsager. Som tidligere nævnt, er fremstillingsprocessen af ​​det elastomere enhed baseret på sekventiel anvendelse af forme designet med CAD-software. De er sammensat af de 13 stykker vist i figur 2 og i</…

Representative Results

De forskellige faser af fremstillingen, der er beskrevet i protokollen, er illustreret i figur 3. For at vurdere effektiviteten af ​​teknikken og resultaterne af den endelige prototype blev testet modulet i forskellige arbejdsbetingelser. En ekstern opsætning tillader styring af både aktivering og stivhed af modulet. Det omfatter en luftkompressor, der aktiverer tre ventiler. De er forbundet med de silikonepolymer rør integreret i kamrene og muliggøre tryksætning. E…

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