Род основе Изготовление настраиваемыми Soft роботизированных захватных Пневматические устройства для деликатной ткани манипулированию

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

Мягкие роботы вызвали большой исследовательский интерес в сообществе робототехники и они были использованы в различных функциональных задач , таких как волнообразного локомоции неструктурированных средах ¹ и ² зажимными. Они в основном состоят из мягких эластомерных материалов и под контролем различных методов приведения в действие посредством использования различных материалов , таких как Электроактивный полимер (EAP), форма сплава с эффектом памяти (SMA), или сжатой текучей среды ^3. Функция EAPs на основе дифференциального напряжения, которое вызывает электростатические силы для получения активных штаммов и тем самым создает срабатывание. Специфический эффект памяти форма СМА развернут для создания желаемого приведения в действие, основанный на генерации силы в процессе фазовых превращений, происходящих при изменении температуры. И, наконец, сжатый метод жидкость приведение в действие облегчает простую стратегию проектирования, чтобы вызвать разницу жесткость в мягких исполнительных механизмов, таким образом, что более совместимые регионы будут раздуватьна наддувом. Мягкие роботы предназначены для расширения использования традиционных жестких роботов, особенно в приложениях, где участвуют чувствительные объекты. В частности, в этой статье мы представляем наш уникальный подход к разработке мягких роботизированных манипуляторов для тонких хирургических манипуляций.

Хирургический захватный является важным аспектом участвует во многих хирургических процедур , таких как печеночная, гинекологических, урологических и нервных ремонт хирургических операций ^{4, 5.} Это , как правило , выполняется с помощью жестких, инструментов захватных стальной ткани , такой как щипцы и лапароскопических захваты с целью содействия наблюдение, иссечение, процедуры анастомоза и т.д. Тем не менее, крайняя осторожность требуется как обычные инструменты захвата сделаны из металла , что может привести к концентрации областей высокого напряжения в мягких тканях в точках контакта ^6. В зависимости от тяжести повреждений ткани, различные осложнения, такие как боль, патологическая ткань шрама еможет привести к ormation, и даже постоянную инвалидность,. Предшествующая исследование показало , что частота осложнений в периферической нервной хирургии составила 3% ^7. Таким образом, концепция мягкого захвата, что может обеспечить безопасную совместимый захват может быть перспективным кандидатом для деликатной хирургических манипуляций.

Здесь мы представляем сочетание 3D-печати и модифицированных методов мягкой литографии, которая приняла подход стержневой основе, для изготовления мягких настраиваемых роботизированные пневматических манипуляторов. Традиционная технология изготовления мягких роботов на основе сжатого приведения жидкости требует формы с пневматическими каналами , напечатанными на нем и процесса герметизации для герметизации каналов ^8. Тем не менее, это не представляется возможным для миниатюрных мягких роботов, которые необходимы небольшие пневматические каналы, где закупорка каналов может легко произойти в процессе герметизации. Традиционный метод требует герметизации пневматических каналов, чтобы быть сделано путем склеивания с покрытием, герметизирующий слой к нему. Следовательно, лаЕр эластомерного материала, который изначально служит связующий слой может пролиться в крошечные каналы и закупоривают эти каналы. Кроме того, не представляется возможным расположить пневматические каналы в середине структуры и подключить к компоненту камеры с использованием обычных способов. Предложенный подход позволяет создавать миниатюризованных пневматических каналов, подключенных к заполненные воздухом в камере с помощью стержней и не требует герметизации крошечных каналов. Кроме того, камера соединена с пневматическими каналами служить в качестве источника воздуха, который не требует внешних источников воздуха для сжатого приведения в действие жидкости. Это позволяет как роботизированные режимы управления путем облегчения камеры сжатия для приведения в действие захватывающую компонента, тем самым предоставляя пользователям возможность контролировать количество силы, которые они применяют через грейфером руководство и. Этот подход является легко настраиваемым и может быть использовано для изготовления различных типов мягких конструкций захватных таких как захватами с одинарным или мюltiple приводимый оружие.

Protocol

Примечание: Все мягкие пневматические захваты были изготовлены методом литья на основе силикона эластомерных смесей в индивидуальные 3D печатных форм, которые следуют процесс изготовления, включающий три этапа: литье компонентов захватами руку с внедренными пневматическими каналами, молдин?…

Representative Results

Мягкие роботизированные пневматические устройства захватами были способны улавливать объекты с размерами до 1,2 мм в диаметре (рисунок 6). Максимальное сцепление сжимающая сила, генерируемая одинарном приводимой-руку, и дважды приводимой вооружиться мягкие ?…

Discussion

Мы успешно продемонстрировали, что мягкие роботизированные устройства пневматические захватные позволили совместимый Захватывающее объектов, оказавших значительно меньшие силы сжимающие на захваченной объекта, чем эластомерных покрытием щипцы советы и щипцов, оказываемое. Пинцет …

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)