Design og fabrikasjon av en Elastomeric Enhet for Soft Modular Robots i minimal invasiv kirurgi

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

I de senere årene har myke robotikk teknologier vekket økende interesse i det medisinske feltet på grunn av deres egensikre samhandling i ustrukturerte omgivelser. På samme tid har nye prosedyrer og teknikker blitt utviklet for å redusere invasivitet av kirurgiske operasjoner. Minimal invasiv kirurgi (MIS) har blitt ansatt for mage intervensjoner, er imidlertid standard MIS prosedyrer i hovedsak basert på stive eller halvstive verktøy som begrenser behendighet av behandleren. Dette notatet presenterer en myk og høy fingernem manipulator for MIS. Manipulatoren ble inspirert av de biologiske egenskapene til blekksprut arm, og er designet med en modulær tilnærming. Hver modul presenterer de samme funksjonelle egenskaper, og dermed oppnå høy behendighet og allsidighet når flere moduler er integrert. Papiret beskriver design, fabrikasjon prosessen og materialene som er nødvendig for utvikling av en enkelt enhet, som blir tilvirket ved casting silikon inne bestemte former. Resultatet består i en elastomer sylinder inkludert tre fleksible pneumatiske aktuatorer som muliggjør forlengelse og omni-retnings bøying av enheten. En ytre flettet kappe forbedrer bevegelse av modulen. I midten av hver modul et granulært jamming basert mekanisme varierer stivheten av strukturen i løpet av oppgavene. Tester viser at modulen er i stand til å bøyes opp til 120 ° og til å forlenges opp til 66% av den opprinnelige lengde. Modulen frembringer en maksimal kraft på 47 N, og dets stivhet kan øke opp til 36%.

Introduction

Nye trender i det medisinske feltet er en pådriver for en reduksjon i invasivitet av kirurgiske operasjoner. Minimal invasiv kirurgi (MIS) har blitt forbedret i de siste årene for underlivsoperasjoner. MIS prosedyrer er basert på bruk av verktøy som innføres ved hjelp av fire eller fem tilgangspunkter (Trokarer) plassert på bukveggen. For å redusere antall trokarer, kan instrumentene settes inn etter én port Laparoskopi (SPL) eller Natural Orifice transluminal endoskopisk kirurgi ^(NB) 1. Disse prosedyrene hindre eksterne synlige arr, men øke vanskelighetsgraden for klinikere til å gjennomføre operasjonen. Denne begrensningen er hovedsakelig på grunn av reduserte interessante tilgang og til den stive og semi-rigid natur instrumentene, som ikke er i stand til å unngå eller passere rundt organene ^2, kan ^tre. Fingerferdighet og bevegelighet forbedres ved hjelp artikulert og hyper-redundante roboter som kan dekke et bredere og mer kompleks arbeidsplass, thoss slik at et bestemt mål i kroppen som skal nås lettere ^{4, 5, 6} og å jobbe som inntrekk av systemer når nødvendige ^syv. En fleksibel manipulator kan forbedre vev compliance, dermed kontakt sikrere enn ved tradisjonelle verktøy.

Men disse manipulatorer ofte mangler stabilitet når målet er nådd, og generelt de ikke kan kontrollere kontakten med de omkringliggende vev ^{8, 9.} Studier på biologiske strukturer, slik som blekkspruten armen ¹⁰ og elefant bagasjerommet ^11, har nylig inspirert utformingen av fleksible, deformerbare og kompatible manipulatorer med en redundant antall frihetsgrader (DoFs) og kontrollerbar stivhet ^12. Disse typer enheter utnytte passive kilder, smarte materialer, pneumatiske elementer, eller sener ^{13, 14, 15.} Vanligvis manipulatorer fabrikkert med myke og fleksible materialer garanterer ikke generering av store krefter.

Than STIFF-FLOP (stivhet kontrollerbar Fleksibel og learnable manipulator for kirurgiske operasjoner) manipulator har nylig blitt presentert som en ny kirurgisk enhet for notater og SPL inspirert av blekksprut evner. For å overvinne begrensningene ved tidligere myke manipulatorer, har den et mykt legeme samt høy fingerferdighet, høy styrke og kontrollerbar stivhet ^16.

Arkitekturen av manipulator er basert på en modulær tilnærming: flere enheter, med samme struktur og funksjonalitet, er integrert sammen. Den eneste enhet er vist i figur 1. Den er basert på en elastomer sylinder oppnås ved en flerfase fabrikasjon. Monteringstrinn av formkomponentene og støpeprosesser mulig tre tomme kamre (for fluidaktivering) og en hul sentral kanal ^{17 (for} boliger et granulært jamming basert mekanisme ¹⁸⁾ for å være forankret. Kamrene er plassert i 120 °, slik atir kombinert inflasjon produserer rundstrålende bevegelse og forlengelse. I tillegg er en ytre flettet kappe er plassert utvendig for å begrense den utoverrettede radiale utvidelse av de fluidic kamre under trykk, og dermed optimalisere effekten av kammeret aktivering i modulen bevegelse (bøyning og forlengelse).

Den sentrale kanal huser en sylindrisk anordning sammensatt av en ytre membran fylt med kornet materiale. Når et vakuum trykk påføres, forandrer den sin elastiske egenskaper som forårsaker en avstivning som påvirker hele modulens egenskaper.

Bevegelses- og stivhets forestillinger er styrt av en ekstern setup inkludert en luftkompressor, og tre trykkventiler for aktivering av kamrene og en vakuumpumpe for aktivering av vakuumet i kanalen avstivning. Et intuitivt brukergrensesnitt tillater kontroll av aktiverings og vakuumtrykk inne i modulen.

Dette notatet beskriver fabrication prosessen med enkelt modul av denne manipulator og rapporter de mest signifikante resultater for grunnleggende bevegelsesmuligheter. Tatt i betraktning den modulære karakter av anordningen, vurdering av fabrikasjon og resultatene av bare en enkelt modul muliggjør også at resultatene skal bli utvidet, og for å forutsi den grunnleggende virkemåten til en multi-modul manipulatoren integrere to eller flere moduler.

Protocol

Merk: Denne protokollen beskriver fabrikasjons fasene i en enkelt modul, som omfatter fluidic kamre, avstivende kanaler, rørledninger og aktiverings ytre kappe. Følgende prosedyre må utføres under en avtrekkshette og iført frakk og hansker av sikkerhetsmessige grunner. Som tidligere nevnt, blir fremstillingsprosessen av den elastomere enhet basert på sekvensiell bruk av støpeformer utformet med CAD-programvare. De består av de 13 bitene er vist på figur 2 og som er oppført <st…

Representative Results

De forskjellige faser av fremstillingen, er beskrevet i protokollen, er illustrert i figur 3. For å evaluere effektiviteten av teknikken og resultatene av den avsluttende prototypen, ble modulen testet i forskjellige arbeidsforhold. En ekstern oppsettet tillater kontroll av både aktivering og stivheten av modulen. Den omfatter en luftkompressor som aktiverer tre ventiler. De er koblet til siliconic rørene integrert i kamrene og tillater deres trykksetting…

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