低侵襲手術でのソフトモジュラーロボットのエラストマーユニットの設計と製作
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
近年では、ソフトロボット技術が原因で構造化されていない環境では、その本質的に安全な相互作用のために医療分野への関心を高めること喚起しています。同時に、新しい手順および技術は、外科手術の侵襲性を低減するために開発されてきました。低侵襲手術（MIS）が正常腹部の介入のために使用されている、しかし、標準的なMIS手順は、主に臨床医の器用さを制限する剛性または半剛性のツールに基づいています。本稿では、MISのための柔らかく、高い器用なマニピュレータを提供します。マニピュレータは、タコの腕の生物学的機能に触発された、およびモジュール方式で設計されています。各モジュールは、複数のモジュールが統合されているときにこのように高い器用さと汎用性を実現し、同じ機能特性を提供します。論文は、キャスティによって作製された単一ユニットの開発のために必要な設計、製造プロセスや材料の内訳を特定の型の内部グラムシリコーン。結果は、伸びとユニットの無指向性の屈曲を可能にする3つの柔軟性空気圧アクチュエータを含むエラストマー気筒で構成されています。外部編組シースは、モジュールの動作を改善します。各モジュールの中央には粒状のジャムベースのメカニズムは、タスク中の構造の剛性を変化させます。テストモジュール120°まで曲げ、初期長さの66％まで伸長することが可能であることを示しています。モジュールは、47 Nの最大の力を発生し、その剛性は36％まで増加させることができます。
Introduction
医療分野における最近の傾向は、外科手術の侵襲性の低減を推進しています。低侵襲手術（MIS）が正常に腹部の操作のために、ここ数年で改善されました。 MIS手順は腹壁上に配置された四、五アクセスポイント（トロカール）を介して導入されたツールの使用に基づいています。トロカールの数を減らすために、器具は、シングルポート腹腔鏡（SPL）または自然開口腔的内視鏡手術（NOTES）1を挿入することができます。これらの手順は、外部見える傷を防ぐが、手術を実行する際に臨床医のための難しさを増加させます。この制限は、アクセスの減少したポイントにし、回避または臓器2、3の周囲を通過することができない楽器の剛性及び半剛性の性質のために主にある。敏捷および運動性は関節型とハイパー冗長使用して改善することができますより広い、より複雑な作業領域をカバーすることができるロボット、目私たちは、体内の特定のターゲットをより簡単に4、5、6に到達することにし、7必要な後退システムとして動作することが可能となります。柔軟マニピュレータは、このように、従来のツールでより安全に接触すること、組織のコンプライアンスを向上させることができます。
しかし、これらのマニピュレータは、多くの場合、目標が達成される安定性を欠いており、一般的に、彼らは周囲の組織8との接触を制御することはできません9。研究は、このようなタコのアーム10と象のトランク11のような生物学的構造、上、最近のデザインにインスピレーションを与えてきましたフリーダム（自由度）の程度の冗長数、および制御可能な剛性12と、柔軟に変形可能と準拠のマニピュレータ。デバイスのこれらの種類は、受動的なバネ、 スマート材料、空気圧要素、または腱13、14、15を使用しています。一般的に、ソフトで柔軟性のある材料で製作マニピュレータは、大きな力が発生するのを保証するものではありません。
T彼STIFFプ（手術用剛性制御柔軟で学習可能なマニピュレータ）はマニピュレータは最近、タコの機能に触発NOTESとSPLのための新規な外科用デバイスとして提示されています。以前のソフトマニピュレータの限界を克服するためには、高い器用さ、高い力制御剛性16と同様にソフトボディを有しています。
マニピュレータのアーキテクチャはモジュール方式に基づいています。同じ構造と機能を持つ複数のユニットは、一体化されています。単一のユニットは、 図1に示されている。これは、マルチ加工によって得られるエラストマー性シリンダーに基づいています。金型部品の組立工程や鋳造プロセスは、3つの空室（流体作動のため）と埋め込 まれる（粒状のジャムベース機構 18 を収容するための）1の中空中央チャネル17を有効にします 。チャンバはそのように、120°に配置されていますIR組み合わせたインフレ率は、無指向性運動と伸びを生成します。また、外部編組シースは、このように（曲げ及び伸び）モジュールモーションで室の作動の効果を最適化し、加圧されたときに、流体室の外側に半径方向拡張を制限するために、外部に配置されます。
中央チャネルは、粒状材料を充填した外膜からなる円筒デバイスを収容します。真空圧が印加されると、それは、モジュール全体の特性に影響を与える硬化を引き起こし、その弾性特性が変化します。
運動及び剛性性能を補強チャネル内の真空を活性化するためのチャンバと、1つの真空ポンプを作動させるための空気圧縮機と3つの圧力弁を含む、外部の設定によって制御されます。直感的なユーザーインターフェイスは、モジュール内の作動および真空圧力の制御を可能にします。
本稿ではfabricatioの詳細このマニピュレータとレポートの基本的な運動能力の最も重要な結果の一つのモジュールのn個のプロセス。デバイスのモジュールの性質を考えると、ただ1つのモジュールの製造および性能の評価はまた、結果を拡張すると、二つ以上のモジュールを統合したマルチモジュールマニピュレータの基本的な挙動を予測することができます。
Protocol
Representative Results
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…
Disclosures
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
This work was supported by the EC within the framework of the STIFF-FLOP FP7-ICT-2011.2.1 European Project (#287728).
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 |
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