Concepção e implementação de um manipulador robótico sob medida para ultra-som extra corpórea

Summary

Este documento apresenta a concepção e implementação de um manipulador robótico sob medida para exame ultra-sonográfico extra corpórea. O sistema possui cinco graus de liberdade com articulações leves feitas por impressão 3D e uma embraiagem mecânica para gestão da segurança.

Abstract

Com o potencial de alta precisão, destreza e repetibilidade, um sistema robótico Self controlado pode ser empregado para auxiliar a aquisição de ultra-som em tempo real. No entanto, números limitados de robôs projetados para ultra-som extra corpórea foram traduzidos com êxito para uso clínico. Neste estudo, pretendemos construir um manipulador robótico sob medido para o exame de ultra-som extra corpórea, que é leve e tem uma pegada pequena. O robô é formado por cinco links de forma especial e sob medidos conjuntos mecanismos para manipulação de sonda, para cobrir o alcance necessário de movimento com redundantes de graus de liberdade para garantir a segurança do paciente. A segurança mecânica é enfatizada com um mecanismo de embreagem, para limitar a força aplicada aos pacientes. Como resultado do projeto, o peso total do manipulator é inferior a 2 kg e o comprimento do manipulator é cerca de 25 cm. O projeto foi implementado e simulação, foram efectuados estudos de fantasmas e voluntários, para validar a amplitude de movimento, a capacidade de fazer ajustes finos, confiabilidade mecânica e a operação segura da embreagem. Este documento detalha a concepção e implementação do manipulator ultrassom robótico sob medida, com os métodos de concepção e montagem ilustrados. Resultados de testes para demonstrar os recursos de design e experiência clínica do uso do sistema são apresentados. Conclui-se que o atual manipulador robótico proposto atende aos requisitos como um sistema sob medido para exame ultra-sonográfico extra corpórea e tem um grande potencial para ser traduzido para uso clínico.

Introduction

Um sistema de ultrassom robótico extra corpórea (EUA) refere-se à configuração no qual um sistema robótico é utilizado para segurar e manipular uma sonda dos EUA para exames externos, incluindo seu uso em imagiologia abdominal cardíaca, vascular, obstétrica e geral¹ . O uso de tal sistema robótico é motivado por desafios de manualmente, segurar e manipular uma sonda dos EUA, por exemplo, o desafio de encontrar vistas dos EUA padrão exigidas pelos protocolos clínicos de imagem e o risco de lesão de esforço repetitivo^{2, 3,4}, e também pelas necessidades de nos programas de rastreio, por exemplo, a exigência de experimentou os sonografistas para estar no local^5,6. Com ênfases diferentes funcionalidades e anatomias de alvo, vários sistemas robóticos de E.U., como comentado em anteriores trabalhos^1,7,8, foram introduzidos desde a década de 1990, para melhorar aspectos diferentes dos E.U. exame (por exemplo, Teleoperação longa distância^9,10,11,12, bem como interação robô-operador e controle automático)^{13, 14}. além dos sistemas de E.U. robóticos usados para fins de diagnóstico, robótica alta intensidade focada sistemas de ultra-som (HIFU) para fins de tratamento têm sido amplamente investigados como sumariado por Priester et al ¹, com alguns recentes trabalhos^15,16 relatando os progressos mais recentes.

Embora vários sistemas robóticos de E.U. foram desenvolvidos com tecnologias relativamente confiáveis para controle e operação clínica, apenas alguns deles foram traduzidos com êxito para uso clínico, tais como um sistema de tele-ultra-som disponíveis comercialmente ¹⁷. uma das possível razões é o baixo nível de aceitação para robôs industriais-olhando de grande porte trabalhando em um ambiente clínico, do ponto de vista de ambos os pacientes e os sonografistas. Além disso, para a gestão de segurança, a maioria dos robôs existentes EUA depende de sensores de força para monitorar e controlar a pressão aplicada à sonda dos EUA, enquanto mecanismos de segurança mecânica mais fundamentais para limitar a força passiva geralmente não estão disponíveis . Isso também pode causar preocupações quando traduzindo para uso clínico, como a segurança da operação do robô seria puramente dependente de sistemas elétricos e lógica do software.

Com os avanços recentes da 3D impressão técnicas, especialmente em forma de ligações de plástico com mecanismos comuns sob medidos poderia fornecer uma nova oportunidade para desenvolver robôs médicos sob medidas. Componentes leves cuidadosamente concebidos com uma aparência compacta poderiam melhorar a aceitação clínica. Especificamente para o exame de US, um robô médico sob medido destinado a ser traduzido para uso clínico deve ser compacto, com graus de liberdade (DOFs) e amplitude de movimento para cobrir a região de interesse de varredura; por exemplo, a superfície abdominal, incluindo tanto a parte superior e os lados da barriga. Além disso, o robô deve incorporar também a capacidade de realizar ajustes finos da sonda dos EUA em uma área local, ao tentar otimizar a visão dos EUA. Isso geralmente inclui movimentos de inclinação da sonda em um determinado intervalo, como sugerido por Essomba et al ¹⁸ e olgamendes¹⁹. Para ainda mais as preocupações de segurança, espera-se que o sistema deve ter características de segurança passiva mecânicos independentes dos sistemas elétricos e lógica do software.

Neste trabalho, apresentamos o método detalhado de concepção e montagem de um 5-DOF dextro robótica de manipulação, que é usado como o componente chave de um sistema robótico extra corpóreo do EUA. O manipulador é composto por vários links de 3D-printable leves, feito por mecanismos de articulação e uma embraiagem de segurança interna. O arranjo específico dos DOFs oferece total flexibilidade para ajustes de sonda, permitindo operações fáceis e seguras em uma pequena área sem colidir com o paciente. O manipulador de multi-DOF proposto visa funciona como o componente principal que está em contato com pacientes e isso pode ser simplesmente anexado a qualquer mecanismo de posicionamento global 3-DOF convencionais para formar um robô de E.U. completo com DOFs totalmente ativos para realizar uma verificação dos EUA.

Protocol

1. preparação de cada Link, extremidade-effector e componentes adicionais Imprimir todos os links (L0, L1, L2, L3e L4) e a extremidade-effector, conforme mostrado na Figura 1, com acrilonitrila butadieno estireno (ABS) plástico, plástico de (PLA) ácido polilático ou nylon, usando uma impressão 3D serviço. Uso o. Arquivos STL fornecidos nos Materiais complementares ao imprimir.Nota: As alterações e…

Representative Results

Seguindo o protocolo, o sistema resultante é um manipulador robótico com cinco links de forma especial (L0 a L4) e cinco articulações revolute (J1 J5) para mover, segurando e inclinação localmente uma sonda dos EUA (Figura 8). A articulação de alta rotação (J-1), com mecanismos de engrenagem atuados por quatro motores, pode girar as seguintes estruturas de 360 °, para permitir que a sonda dos E…

Discussion

Ao contrário de muitos outros robôs industriais que foram traduzidos em aplicações médicas, o manipulador robótico proposto descrito no protocolo foi projetado especificamente para exames de Estados Unidos de acordo com requisitos clínicos para a amplitude de movimento, aplicação de força e de gestão de segurança. O manipulador robótico leve em si tem uma ampla gama de movimentos suficientes para a maioria dos extra corpórea dos EUA digitalização, sem a necessidade de grandes movimentos do mecanismo de po…

Materials

3D-printed link L0	3D printing service	1	As shown in Figure 1, with the STL file provided
3D-printed link L1	3D printing service	1	As shown in Figure 1, with the STL file provided
3D-printed link L2	3D printing service	1	As shown in Figure 1, with the STL file provided
3D-printed link L3	3D printing service	1	As shown in Figure 1, with the STL file provided
3D-printed link L4	3D printing service	1	As shown in Figure 1, with the STL file provided
3D-printed end-effector	3D printing service	1	As shown in Figure 1, with the STL file provided
20-teeth spur gear	3D printing service	12	0.5 module, 5 mm face width, with mounting keyway, as shown in Figure 2, with the STL file provided
18-teeth bevel gear	3D printing service	2	0.5 module, 5 mm face width, with mounting keyway, as shown in Figure 2, with the STL file provided
120-teeth spur gear (Type A)	3D printing service	1	0.5 module, 6 mm face width, with mounting keyway, bearing housing, and bore, as shown in Figure 2, with the STL file provided
120-teeth spur gear (Type B)	3D printing service	2	0.5 module, 6 mm face width, with detent holes, bearing housing, and bore, as shown in Figure 2, with the STL file provided
120-teeth spur gear (Type C)	3D printing service	1	0.5 module, 6 mm face width, with mounting key, bearing housing, and bore, as shown in Figure 2, with the STL file provided
20-teeth long spur gear	3D printing service	1	0.5 module, 21.5 mm face width, with mounting keyways, as shown in Figure 2, with the STL file provided
144-teeth bevel gear	3D printing service	1	0.5 module, 7 mm face width, with mounting keyways, as shown in Figure 2, with the STL file provided
Bearing (37 mm O.D and 30 mm I.D)	Bearing Station Ltd., UK	5	Bearing size and supplier can be varied
Bearing (12 mm O.D and 6 mm I.D)	Bearing Station Ltd., UK	2	Bearing size and supplier can be varied
Bearing (32 mm O.D and 25 mm I.D)	Bearing Station Ltd., UK	1	Bearing size and supplier can be varied
Bearing (8 mm O.D and 5 mm I.D)	Bearing Station Ltd., UK	2	Bearing size and supplier can be varied
Plastic/metal shaft (6 mm O.D, 70 mm long)	TR Fastenings Ltd., UK	1	e.g. Could be an M6 bolt and a nut
Plastic/metal shaft (5 mm O.D, 70 mm long)	TR Fastenings Ltd., UK	1	e.g. Could be an M5 bolt and a nut
Ball-spring pairs	WDS Ltd., UK	4	Numbers of ball-spring pairs could varied to adjust the triggering force of the clutch
Clutch covers	3D printing service	2	104 mm O.D, 5mm face width, 6 mm bore, as shown in Figure 2, with the STL file provided
3D-printed shaft collar	3D printing service	1	35 mm O.D and 30 mm I.D, 8mm face width, as shown in Figure 2, with the STL file provided
3D-printed end-effector collar	3D printing service	1	As shown in Figure 2, with the STL file provided
Small geared stepper motors	AOLONG TECHNOLOGY Ltd., China	14	Part number: GM15BYS; Internal gear ratio 232:1 or 150:1, all acceptable