עיצוב וייצור של יחידת אלסטומרי לרובוטים מודולרי רך בכירורגיה פולשנית

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

בשנים האחרונות, טכנולוגיות רובוטיקה הרכה עוררו עניין גובר בתחום הרפואי בשל האינטראקציה בטוחה במהותם בסביבות בלתי מובנים. במקביל, נהלים וטכניקות חדשים פותחו כדי להפחית את הפולשנות של ניתוחים. מינימאלי ניתוח פולשני (MIS) כבר מועסק בהצלחה להתערבויות בטן, נהלי MIS סטנדרטיים זאת מתבססים בעיקר על כלים קשיחים או קשיחים למחצה המגבילים את המיומנות של המטפל. מאמר זה מציג מניפולטור מיומן רך והגבוה לMIS. מניפולטור בהשראת היכולות הביולוגיות של זרוע התמנון, והוא נועד עם גישה מודולרית. כל מודול מציג את אותם מאפיינים פונקציונליים, ובכך להשיג גבוהה מיומנות וצדדית כאשר יותר מודולים משולבים. הנייר מפרט את העיצוב, תהליך ייצור וחומרים הדרושים לפיתוח יחידה אחת, המיוצרת על ידי castinסיליקון גרם בתוך תבניות ספציפיות. התוצאה מורכבת בגליל אלסטומרי כוללים שלוש גליליים גמיש המאפשרים התארכות וכיפוף רב-כיווני של היחידה. נדן קלוע חיצוני משפר את התנועה של מודול. במרכז של כל מודול מנגנון המבוסס על שיבוש גרגירים משתנה הקשיחות של המבנה במהלך המשימות. בדיקות מראות כי מודול הוא מסוגל לכופף עד 120 מעלות ולהאריך עד 66% מהאורך הראשוני. מודול יוצר כוח מרבי של 47 N, והנוקשות שלה יכולות להגדיל עד 36%.

Introduction

מגמות חדשות בתחום הרפואה דוחפות להפחתה בהפולשנות של ניתוחים. מינימאלי ניתוח פולשני (MIS) שופר בהצלחה בשנים האחרונות לפעילות בטן. נהלי MIS מבוססים על השימוש בכלים הציגו דרך ארבע או חמש נקודות גישה (trocars) מונחות על דופן הבטן. על מנת לצמצם את מספר trocars, יכולים להיות מוכנסים המכשירים על ידי יציאה אחת לפרוסקופיה (SPL) או ניתוח הטבעי פתח Translumenal אנדוסקופי (אורים) ^1. נהלים אלה למנוע צלקות נראות לעין חיצונית, אך להגדיל את הקושי לרופאים בביצוע הניתוח. הגבלה זו נובעת בעיקר מנקודות מופחתות של גישה והאופי הנוקשה וקשיח למחצה של המכשירים, שאינם מסוגל למנוע או לעבור סביב איברים ^{2, 3.} מיומנות ותנועתיות ניתן לשפר באמצעות ביטוי והיפר-מיותר רובוטים שיכולים לכסות סביבת עבודה רחבה יותר ומורכבת יותר, השלנו מאפשרים יעד ספציפי בגוף שהגיע בקלות רבה יותר ^{4, 5, 6} ולעבוד כמערכות נסיגה בעת צורך ^7. מניפולטור גמיש יכול לשפר את היענות רקמה, ובכך יוצר קשר בטוח יותר מאשר על ידי כלים מסורתיים.

עם זאת, מניפולטורים אלה לעתים קרובות חוסר יציבות כאשר מגיע ליעד, ובדרך כלל הם לא יכולים לשלוט במגע עם הרקמות הסובבות ^{8, 9.} מחקרים על מבנים ביולוגיים, כגון זרוע תמנון ¹⁰ והחדק ^11, לאחרונה בהשראת העיצוב של מניפולטורים גמישים, עיוותים ותואמות עם מספר מיותר של דרגות החופש (DoFs) וקשיחות לשליטה ^12. אלו סוגים של מכשירים לנצל מעיינות פסיביות, חומרים חכמים, אלמנטי פנאומטי, או גידים ^{13, 14, 15.} באופן כללי, מניפולטורים מפוברקים עם חומרים רכים וגמישים אינם מבטיחים את הדור של כוחות גבוהים.

Tהוא נוקשה הפלופ (מניפולטור קשיחות לשליטה גמיש וניתן ללמידה לניתוחים) מניפולטור הוצג לאחרונה כמכשיר כירורגי רומן לאורים וSPL בהשראת היכולות של התמנון. כדי להתגבר על המגבלות של מניפולטורים רכים קודמים, יש לו גוף רך כמו גם גבוהה מיומנות, גבוה כוח וקשיחות לשליטה ^16.

הארכיטקטורה של מניפולטור מבוססת על גישה מודולרית: יחידות מרובות, עם אותו המבנה והפונקציונאליות, הם משולבים יחד. היחידה אחת מוצגת באיור 1. היא מבוססת על צילינדר אלסטומרי מתקבל על ידי ייצור רב-. צעדי ההרכבה של רכיבי העובש ותהליכי הליהוק לאפשר שלושה תאים ריקים (להפעלה ללא fluidic) וערוץ אחד חלול מרכזי ¹⁷ (לדיור למנגנון המבוסס על שיבוש גרגירי ¹⁸⁾ להיות מוטבע. התאים ממוקמים על 120 מעלות, כך שאינפלציה בשילוב IR מייצרת תנועה והתארכות omnidirectional. בנוסף נדן קלוע חיצוני ממוקם חיצוני להגביל את התרחבות רדיאלי החיצונית של תאי fluidic כאשר לחץ, וכך לייעל את השפעת actuation הקאמרית בתנועת מודול (כיפוף והתארכות).

הערוץ המרכזי שוכן מכשיר גלילי מורכב מקרום חיצוני מלאים בחומר גרגירים. כאשר לחץ ואקום מוחל, הוא משנה את תכונות האלסטיות שלו גורם להתקשחות שמשפיעה על התכונות של כל מודול.

מופעי תנועה ונוקשות הנשלטים על ידי התקנה חיצונית כוללים מדחס אוויר ושלושה שסתומי לחץ לactuating התאים ומשאבת ואקום אחד להפעלת הוואקום בערוץ ההתקשות. ממשק משתמש אינטואיטיבי מאפשר שליטה של ​​לחצים להפעלה ללא וואקום בתוך מודול.

מאמר זה מפרט את fabricatioתהליך n של מודול הבודד של מניפולטור זה ודיווחים על התוצאות משמעותיות ביותר על יכולות תנועה בסיסיות. בהתחשב באופי המודולרי של המכשיר, ההערכה של הייצור וביצועים של רק מודול אחד בודד גם מאפשרת את התוצאות לתוארכנה ולחזות את ההתנהגות הבסיסית של מניפולטור רב-מודול שילוב של שניים או יותר מודולים.

Protocol

הערה: פרוטוקול זה מתאר את שלבי הייצור של מודול בודד, הכולל את תאי fluidic, התקשות ערוץ, צינורות actuation ונדן חיצוני. ההליך הבא חייבת להתבצע מתחת למכסת מנוע קטר ולובש חלוקים וכפפות מטעמי בטיחות. כאמור, תהליך הייצור של יחידת אלסטומרי מבוסס על השימוש רציף של תבניות מעוצבות עם ת?…

Representative Results

השלבים השונים של הייצור, שתואר בפרוטוקול, הם באיור 3. על מנת להעריך את היעילות של הטכניקה והתוצאות של אב הטיפוס הסופי, מודול נבדק בתנאי עבודה שונים. התקנה חיצונית מאפשרת שליטה של ​​שני actuation והנוקשות של מודול. הוא כולל מד?…

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