Konstruktion und Herstellung eines Elastomer-Einheit für Soft Modular Robots in die Minimal Invasive Chirurgie

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

In den letzten Jahren haben weiche Robotik-Technologien geweckt zunehmendes Interesse in der Medizin aufgrund ihrer eigensicheren Interaktion in unstrukturierten Umgebungen. Zur gleichen Zeit, neue Verfahren und Techniken entwickelt worden, um die Invasivität von chirurgischen Eingriffen zu reduzieren. Minimal Invasive Chirurgie (MIS) wurde erfolgreich für Bauch Eingriffe verwendet werden, werden jedoch Standard MIS Verfahren vor allem auf starre oder halbstarre-Tools, die die Geschicklichkeit des Arztes beschränken basiert. Dieser Beitrag stellt eine weiche und hohe geschickten Manipulator für MIS. Der Manipulator wurde von den biologischen Funktionen des Krakarm inspiriert und ist mit einem modularen Ansatz entwickelt. Jedes Modul stellt die gleichen funktionellen Eigenschaften, wodurch eine hohe Bewegungsfreiheit und Vielseitigkeit, wenn mehrere Module integriert werden. Das Papier beschreibt die Konstruktion, Fertigung Prozess und die Materialien für die Entwicklung einer einzigen Einheit, die von castin hergestellt ist notwendigg Silikon innen spezifische Formen. Das Ergebnis besteht in einer Elastomerzylinder mit drei flexiblen pneumatischen Stellantrieben, die Dehnung und omni-direktionale Durchbiegung der Einheit zu ermöglichen. Eine äußere geflochtene Hülle verbessert die Bewegung der Baugruppe. In der Mitte jedes Moduls ein körniges Verklemmen basierten Mechanismus variiert die Steifigkeit der Struktur während der Aufgaben. Tests zeigen, dass das Modul in der Lage ist sich zu biegen bis 120 ° und bis zu 66% der ursprünglichen Länge zu verlängern auf. Das Modul erzeugt eine maximale Kraft von 47 N, und seine Steifigkeit kann bis zu 36% erhöhen.

Introduction

Aktuelle Trends in der Medizin drängen auf eine Verringerung der Invasivität von chirurgischen Operationen. Minimal Invasive Chirurgie (MIS) wurde erfolgreich in den letzten Jahren für die Bauchoperationen verbessert. MIS Verfahren basieren auf der Verwendung von Werkzeugen durch vier oder fünf Zugangspunkte (Trokare) auf die Bauchdecke plaziert eingeführt wurde. Um die Anzahl der Trokare zu reduzieren, können die Instrumente durch Single Port Laparoskopie (SPL) oder Natural Orifice Translumenal endoskopische Chirurgie (NOTES) ¹ eingefügt werden. Diese Verfahren verhindern, dass externe sichtbare Narben, aber erhöhen die Schwierigkeit für die Kliniker bei der Ausführung der Operation. Diese Beschränkung ist vor allem aufgrund der geringeren Zugangspunkte und der starren und halbstarren Art der Instrumente, die nicht in der Lage zu vermeiden oder zu laufen um Organe ^2, können ^3. Geschicklichkeit und Beweglichkeit mit Hilfe verbessert werden artikuliert und hyper-redundante Roboter, die eine breitere und komplexere Arbeitsbereich abdecken kann, thuns ermöglicht ein spezifisches Ziel im Körper leichter ^{4, 5, 6} zu erreichen und als Rückzugssysteme bei Bedarf ⁷ zu arbeiten. Eine flexible Manipulator Gewebe Compliance zu verbessern, wodurch Kontakt sicherer als mit herkömmlichen Werkzeugen.

Allerdings sind diese Manipulatoren fehlt es oft an Stabilität, wenn das Ziel erreicht ist und in der Regel sie den Kontakt mit dem umgebenden Gewebe ^8, nicht kontrollieren können ^9. Studien zu biologischen Strukturen, wie der Oktopus ^Arm 10 und dem Elefantenrüssel ^11, haben vor kurzem den Entwurf inspiriert flexibel, verformbar und konform Manipulatoren mit einer redundanten Anzahl von Freiheitsgraden (DoFs) und steuerbare Steifigkeit ^12. Diese Art von Vorrichtungen verwenden passive Federn, intelligente Materialien, pneumatische Elemente, oder Sehnen ^{13, 14, 15.} Im Allgemeinen Manipulatoren mit weichen und flexiblen Materialien hergestellt garantieren nicht für die Erzeugung hoher Kräfte.

Ter STIFF-Flop (Steifigkeit steuerbaren Flexible und Lernfähig Manipulator für chirurgische Eingriffe) Manipulator wurde vor kurzem als neuartige chirurgische Vorrichtung für Notes und SPL inspiriert von der Krake Fähigkeiten vorgestellt. Um die Grenzen der früheren weichen Manipulatoren zu überwinden, hat es einen weichen Körper sowie eine hohe Fingerfertigkeit, hohe Kraft und steuerbare Steifigkeit ^16.

Die Architektur des Manipulators basiert auf einem modularen Ansatz: mehrere Geräte mit der gleichen Struktur und Funktionalitäten, miteinander integriert. Die Einheit ist in Abbildung 1 dargestellt. Es basiert auf einer von einem mehrphasigen Herstellungs erhaltenen elastomeren Zylinder auf. Die Montageschritte der Formteile und der Gießverfahren ermöglichen drei leere Kammern (für die fluidische Betätigung) und einen hohlen Zentralkanal ¹⁷ (für die Aufnahme eines granularen Verklemmen basierten Mechanismus ¹⁸⁾ eingebettet werden. Die Kammern werden bei 120 ° gelegt, so daß dieir kombiniert Inflation produziert omnidirektionale Bewegung und Dehnung. Zusätzlich eine äußere geflochtene Hülle von außen angeordnet, um die nach außen gerichtete radiale Expansion der Fluidkammer zu begrenzen, wenn unter Druck gesetzt, wodurch die Wirkung der Kammer Betätigungs Optimierung in dem Modulbewegungs (Biegung und Dehnung).

Der zentrale Kanal befindet sich eine zylindrische Vorrichtung von einer externen Membran mit körnigem Material gefüllt besteht. Wenn ein Unterdruck angelegt wird, ändert es seine elastischen Eigenschaften bewirkt eine Versteifung, die die Eigenschaften des gesamten Moduls auswirkt.

Bewegung und Steifigkeit Leistungen werden durch eine externe Einrichtung, die einen Luftkompressor und drei Druckventile zur Ansteuerung der Kammern und eine Vakuumpumpe zur Aktivierung des Vakuums in der Versteifungskanal gesteuert. Eine intuitive Benutzeroberfläche ermöglicht die Steuerung der Betätigung und Vakuumdruck innerhalb des Moduls.

Dieses Papier beschreibt die fabrication Prozess des einzelnen Moduls dieser Manipulator und berichtet über die wesentlichen Ergebnisse zu den grundlegenden Bewegungsfähigkeiten. Unter Berücksichtigung der modularen Beschaffenheit der Vorrichtung, die Beurteilung der Herstellung und Leistung der nur ein einzelnes Modul die Ergebnisse zu verlängern und dem Grundverhalten eines Multimodul-Manipulator die Integration von zwei oder mehr Modulen vorauszusagen.

Protocol

Hinweis: Dieses Protokoll beschreibt die Herstellungsphasen eines einzelnen Moduls, das die Fluidkammern aufweist, Versteifungskanal Betätigungs Pipelines und Außenmantel. Das folgende Verfahren muss unter einem Abzug und tragen Laborkittel und Handschuhe aus Sicherheitsgründen durchgeführt werden. Wie zuvor erwähnt, ist der Herstellungsprozess der elastomeren Einheit auf der sequentiellen Verwendung von Formen mit CAD-Software entwickelt, basierend. Sie sind von der 13 in 2 gezeigt und in<…

Representative Results

Die verschiedenen Phasen der Herstellung, in dem Protokoll beschrieben, werden in 3 dargestellt. Um die Wirksamkeit der Technik und die Ergebnisse des endgültigen Prototyp zu bewerten, wurde das Modul in unterschiedlichen Arbeitsbedingungen getestet. Eine externe Einrichtung ermöglicht die Steuerung sowohl des Betätigungs und Steifigkeit der Baugruppe. Sie umfasst einen Luftkompressor, der drei Ventile aktiviert. Sie sind auf die in den Kammern integrierten silikonRohren …

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