Fabrication à base de Rod personnalisables souples Robotic pneumatiques Dispositifs Gripper pour la manipulation des tissus Délicat

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

Robots mous ont suscité un grand intérêt de la recherche au sein de la communauté robotique et ils ont été utilisés dans différentes tâches fonctionnelles telles que la locomotion ondulatoire dans des environnements non structurés ¹ et ² de préhension. Elles sont principalement constituées de matériaux élastomères souples et contrôlés par des techniques différentes d'actionnement par l'utilisation de différents matériaux tels que polymère électroactif (EAP), forme un alliage à mémoire (SMA) ou d'un fluide comprimé ^3. Fonction PAE base d'une tension différentielle qui induit des forces électrostatiques pour produire des souches actives et génère ainsi l'actionnement. Le singulier effet de mémoire de forme de l'AMF est déployé pour générer l'actionnement souhaité sur la base de la génération de la force lors des transformations de phase sur le changement de température. Enfin, la technique fluide d'actionnement comprimé facilite une stratégie de conception simple pour induire la différence de rigidité dans les actionneurs souples, de telle sorte que les régions les plus conformes gonflerontlors de la pressurisation. robots souples sont conçus pour élargir les applications de robots durs traditionnels, en particulier dans les applications où les objets délicats sont impliqués. En particulier, dans cet article, nous présentons notre approche unique dans le développement de préhenseurs robotiques souples pour une manipulation chirurgicale délicate.

Préhension chirurgical est un aspect important impliqué dans de nombreuses procédures chirurgicales telles que hépatiques, gynécologiques, urologiques, et le nerf chirurgie de réparation ^{4, 5.} Elle est généralement réalisée par rigides, des outils de préhension de tissu d'acier telles que les pinces et les pinces laparoscopiques dans le but de faciliter observation, l' excision, les procédures d'anastomose, etc. Cependant, une extrême prudence est nécessaire que les outils de préhension classiques sont faits de métal qui peut causer des zones à forte concentration de stress dans les tissus mous au niveau des points de contact ^6. Selon la gravité des dommages tissulaires, diverses complications, comme la douleur, cicatrice pathologique du tissu formation, et même une incapacité permanente, peuvent en résulter. Une étude préalable a rapporté que le taux de complications dans la chirurgie du nerf périphérique était de 3% ^7. Par conséquent, le concept de préhension souple qui peut fournir une prise compatible sécuritaire peut être un candidat prometteur pour la manipulation chirurgicale délicate.

Ici, nous présentons une combinaison de 3D-impression et des techniques de lithographie douce modifiés, qui ont adopté une approche fondée sur tige, pour fabriquer des pinces pneumatiques robotiques souples personnalisables. Technique traditionnelle de fabrication de robots souples à base de fluide comprimé lors de l' actionnement nécessite un moule avec des canaux pneumatiques et sur ​​laquelle est imprimé un procédé d'étanchéité pour sceller les canaux ^8. Cependant, il est impossible pour des robots souples miniaturisées qui ont besoin de petits canaux pneumatiques où l'occlusion des canaux peuvent facilement se produire dans le procédé d'étanchéité. La technique traditionnelle requiert l'étanchéité des canaux pneumatiques se faire par collage d'une couche de scellement enduite à elle. Par conséquent, la layer d'un matériau élastomère qui sert initialement en tant que couche de liaison peut se répandre dans les petits canaux et obturer ces canaux. Il est également impossible de positionner les canaux pneumatiques au milieu de la structure et de se connecter à un composant de chambre en utilisant des techniques classiques. L'approche proposée permet la création de canaux pneumatiques miniaturisés relié à une chambre en utilisant des barres remplies d'air et ne nécessite pas d'étanchéité des canaux minuscules. En outre, la chambre reliée aux canaux pneumatiques servir de source d'air qui ne nécessite pas une source d'air externe pour l'actionnement du fluide comprimé. Il permet à la fois manuel et les modes de commande robotique en facilitant la compression de la chambre pour actionner l'organe de préhension, permettant ainsi aux utilisateurs la possibilité de contrôler la quantité de force qu'ils appliquent à travers la pince. Cette approche est hautement personnalisable et peut être utilisé pour fabriquer divers types de modèles de pinces souples tels que des pinces avec simple ou multiple bras actionnables.

Protocol

Note: tous les préhenseurs pneumatiques souples ont été fabriquées par moulage des mélanges élastomères à base de silicone dans des moules en 3D imprimés personnalisés, qui ont suivi un procédé de fabrication comprenant les trois étapes suivantes: le moulage d'éléments de préhension à bras avec des canaux pneumatiques intégrées, en moulant le composant de chambre reliée aux canaux pneumatiques et sceller le composant de chambre remplie d'air. 1. Préparation des élastomères …

Representative Results

Les dispositifs à pinces pneumatiques souples robotiques sont capables de ramasser des objets ayant des dimensions allant jusqu'à 1,2 mm de diamètre (figure 6). La poignée de la force de compression maximale générée par le bras pouvant être actionné à simple et double bras pouvant être actionné des dispositifs de préhension sont souples 0,27 ± 0,07 N et 0,79 N ± 0,14 respectivement, par rapport à 1,71 ± 0,16 ± 2,61 N et 0,22 N à des forces de compr…

Discussion

Nous avons réussi à démontrer que les dispositifs souples robotisés de préhension pneumatique permis de préhension conforme des objets, qui exercent des forces de compression beaucoup plus faibles sur le objet saisi que les pinces des conseils et des pinces enduits d'élastomère exercé. Forceps est un outil essentiel pour la manipulation des nerfs lors de réparation des nerfs périphériques chirurgies ^{11, 12.} Cependant, sa structure métallique nécessaire une extrême prudence dans l' usage…

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)