Tasarım ve ekstra cismani ultrason için ısmarlama bir robot manipülatör
Summary
Bu kağıt tasarım ve ekstra cismani ultrasonografi için ısmarlama bir robot manipülatör uygulanması tanıtır. Sistem ile 3D baskı ve emniyet yönetimi için mekanik bir debriyaj tarafından yapılan hafif eklem özgürlük beş derece vardır.
Abstract
Yüksek hassasiyetli, el becerisi ve tekrarlanabilirlik potansiyeli ile kendi kendine izlenen bir robotik sistem gerçek zamanlı ultrason edinimi yardımcı olmak için istihdam edilebilir. Ancak, sınırlı sayıda ekstra cismani ultrason için tasarlanan robot başarıyla klinik kullanıma çevrilmiş. Bu çalışmada, hafif ve küçük bir ayak izi vardır ekstra cismani ultrason muayenesi için ısmarlama bir robot manipülatör oluşturmak hedefliyoruz. Robot beş özel olarak şekillendirilmiş bağlantıları ve hareket gereksiz serbestlik ile hasta güvenliğini sağlamak için gerekli aralığı kapsayacak şekilde sonda manipülasyon için ısmarlama ortak mekanizmaları tarafından oluşturulur. Mekanik emniyet hastalara uygulanan kuvvet sınırlamak için bir debriyaj mekanizmalı vurgulanmaktadır. Tasarım, bir sonucu olarak manipülatör toplam ağırlığı 2 kg daha az ve manipülatör uzunluğu yaklaşık 25 cm. Tasarımı hayata geçirdi ve simülasyon, hayalet ve gönüllü çalışmalar gerçekleştirdik, hareket, ince ayar, mekanik ve debriyaj güvenli çalışma yapma yeteneğini aralığını doğrulamak için. Bu kağıt tasarım ve ısmarlama robot ultrason manipülatör uygulanması resimli tasarım ve montaj yöntemleri ile detayları. Test sonuçları sistem kullanarak klinik deneyimi ve tasarım özellikleri göstermek için sunulmuştur. Geçerli önerilen robot manipülatör ekstra cismani ultrasonografi için ısmarlama bir sistem olarak bu gereksinimleri karşılıyorsa ve klinik kullanıma çevrilmesi gereken büyük bir potansiyele sahip sonucuna varılmıştır.
Introduction
Bir ekstra cismani robot ultrason (ABD) sistemi içinde bir robotik sistem tutun ve bir ABD sonda kalp, damar, obstetrik ve genel karın görüntüleme1 dahil olmak üzere dış muayene için işlemek için kullanılan yapılandırma gösterir . Robotik sistem kullanımı motive tarafından el ile tutarak ve bir ABD sonda, örneğin, klinik görüntüleme protokoller ve tekrarlayan gerilme yaralanması2, riski için gerekli standart ABD Gösterim bulma meydan düzenleme sorunları 3,4, ve aynı zamanda bizi programları eleme ihtiyaçlarını tarafından Örneğin, sonographers yerinde5,6olmak gereksinimini deneyimli. Farklı işlevleri ve hedef anatomileri vurgular ile birkaç robot ABD sistemleri, önceki works1,7,8‘ de, gözden olarak ABD’nin farklı yönlerini geliştirmek için 1990 yılından bu yana ortaya konan muayene (Örneğin, uzun mesafe teleoperation9,10,11,12, hem de robot operatör etkileşimi ve otomatik kontrol)13, 14. tanılama amacıyla kullanılan robotik ABD sistemlerinin yanı sıra, robotik yoğun odaklı ultrason (HIFU) sistemleri için tedavi amaçlı yaygın olarak Priester vd tarafından özetlenen araştırdık 1, en son ilerleme raporlaması bazı son işleri15,16 .
Denetim ve klinik çalışması için nispeten güvenilir teknolojileriyle birkaç robot ABD sistemleri geliştirilmiştir rağmen sadece birkaç tanesi başarıyla piyasada bulunan tele-ultrason sistemi gibi klinik kullanıma çevrilmiş 17. olası bir nedeni olduğunu kabul hasta ve sonographers açıdan bir klinik ortamda çalışma büyük boyutlu endüstriyel görünümlü robotlar için düşük düzeyde. Ayrıca, emniyet yönetimi için izlemek ve kuvvet pasif sınırlamak için daha temel mekanik emniyet mekanizmaları genellikle kullanılabilir değil ABD sonda uygulanan basınç kontrol için kuvvet sensörleri mevcut ABD robotlar çoğunluğu güveniyor . Bu aynı zamanda robot operasyon Emanet elektrik sistemleri ve yazılım mantık tamamen bağımlı olacak gibi klinik kullanıma çevirirken endişeleri neden olabilir.
3D son gelişmeler ile baskı teknikleri, özel ısmarlama ortak mekanizmaları ile plastik bağlantılar şeklinde gelişen ısmarlama tıbbi robotlar için yeni bir fırsat sağlayabilir. Özenle tasarlanmış hafif bileşenleri bir kompakt görünüm ile klinik kabul artırabilirsiniz. Özellikle ABD muayene, klinik kullanıma tercüme ediliyor amaçlı bir ısmarlama tıbbi robot kompakt, yeterli serbestlik (DOFs) ve bölge taraması ilgi karşılamak için hareket aralığını olmalıdır; Örneğin, karın yüzey, göbek kenarlarına ve üst de dahil olmak üzere. Ayrıca, robot da yetenek ABD görünümü elde etmek için yerel bir bölgede ABD inceleyebilirsek ince ayar yapmak birleştirmek gerektiğini. Bu genellikle sonda olarak Essomba vd tarafından önerilen belirli bir Aralık içindeki devirme hareketleri içerir 18 ve Bassit19. Daha fazla güvenlik endişelerini gidermek için sistem elektrik sistemleri ve yazılım mantık bağımsız olan pasif mekanik emniyet özellikleri olmalıdır bekleniyor.
Bu yazıda, biz ekstra cismani bir robot ABD sistemi oluşturan anahtar bileşen kullanılan bir 5-DOF becerikli robot manipülatör, detaylı tasarım ve montaj yöntemi mevcut. Manipülatör çeşitli hafif 3D yazdırılabilir bağlantılar, özel yapım ortak mekanizmaları ve yerleşik güvenli debriyaj oluşur. DOFs belirli düzenleme sonda ayarlamaları, kolay ve güvenli işlemleri küçük bir alanda hasta ile çarpışma olmadan izin için tam esneklik sağlar. Hasta ile temas halinde olup ana bileşeni sadece ABD tarama gerçekleştirmek için tam etkin DOFs ile tam bir ABD robot oluşturmak için herhangi bir geleneksel 3-DOF küresel konumlandırma bir mekanizma için bağlı olarak çalışmak için önerilen multi-DOF manipülatör amaçlamaktadır.
Protocol
Representative Results
Discussion
Tıbbi uygulamalar tercüme edilmiş birçok diğer endüstriyel robotlar, iletişim kuralında tanımlanan önerilen robot manipülatör özellikle ABD sınavları hareket aralığını klinik gereksinimlerine göre tasarlanmıştır, kuvvet ve emniyet yönetimi uygulaması. Hafif robot manipülatör kendisi hareketlerin çoğu ekstra cismani ABD, küresel konumlandırma mekanizması büyük hareketleri için gerek kalmadan taramak için yeterli geniş bir alanı vardır. Hastaya en yakın mekanik yapı, önerilen bağl…
Disclosures
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
Bu eser tıbbi mühendislik [WT203148/Z/16/Z] için Wellcome güven IEH Ödülü [102431] ve hoş geldiniz/EPSRC Merkezi tarafından desteklenmiştir. Yazarlar Sağlık Bakanlığı ile mali desteği Ulusal Enstitüsü Sağlık Araştırma (NIHR) kapsamlı Biyomedikal Araştırma Merkezi Ödülü Vakfı NHS güven Kral ortaklığında adamın & St Thomas kabul’ın Londra’daki College ve Kral’ın Üniversite Hastanesi NHS vakıf güven.
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 |
References
- Priester, A. M., Natarajan, S., Culjat, M. O. Robotic ultrasound systems in medicine. IEEE Transactions on Ultrasonics, Ferroelectrics, and Frequency Control. 60 (3), 507-523 (2013).
- Magnavita, N., Bevilacqua, L., Mirk, P., Fileni, A., Castellino, N. Work-related musculoskeletal complaints in sonologists. Journal of Occupational and Environmental Medicine. 41 (11), 981-988 (1999).
- Jakes, C. Sonographers and Occupational Overuse Syndrome: Cause, Effect, and Solutions. Journal of Diagnostic Medical Sonography. 17 (6), 312-320 (2001).
- Society of Diagnostic Medical Sonography. Industry Standards for the Prevention of Work-Related Musculoskeletal Disorders in Sonography: Consensus Conference on Work-Related Musculoskeletal Disorders in Sonography. Journal of Diagnostic Medical Sonography. 27 (1), 14-18 (2011).
- LaGrone, L. N., Sadasivam, V., Kushner, A. L., Groen, R. S. A review of training opportunities for ultrasonography in low and middle income countries. Tropical Medicine & International Health. 17 (7), 808-819 (2012).
- Shah, S., et al. Perceived barriers in the use of ultrasound in developing countries. Critical Ultrasound Journal. 7 (1), 28 (2015).
- Swerdlow, D. R., Cleary, K., Wilson, E., Azizi-Koutenaei, B., Monfaredi, R. Robotic Arm–Assisted Sonography: Review of Technical Developments and Potential Clinical Applications. American Journal of Roentgenology. 208 (4), 733-738 (2017).
- Nouaille, L., Laribi, M., Nelson, C., Zeghloul, S., Poisson, G. Review of Kinematics for Minimally Invasive Surgery and Tele-Echography Robots. Journal of Medical Devices. 11 (4), 040802 (2017).
- Georgescu, M., Sacccomandi, A., Baudron, B., Arbeille, P. L. Remote sonography in routine clinical practice between two isolated medical centers and the university hospital using a robotic arm: a 1-year study. Telemedicine and e-Health. 22 (4), 276-281 (2016).
- Arbeille, P., et al. Use of a robotic arm to perform remote abdominal telesonography. American Journal of Roentgenology. 188 (4), W317-W322 (2007).
- Arbeille, P., et al. Fetal tele‐echography using a robotic arm and a satellite link. Ultrasound in Obstetrics & Gynecology. 26 (3), 221-226 (2005).
- Vieyres, P., Istepanian, R. H., Laxminarayan, S., Pattichis, C. S., et al. A tele-operated robotic system for mobile tele-echography: The OTELO project. M-Health: Emerging Mobile Health Systems. , 461-473 (2006).
- Abolmaesumi, P., Salcudean, S. E., Zhu, W. H., Sirouspour, M. R., DiMaio, S. P. Image-guided control of a robot for medical ultrasound. IEEE Transactions on Robotics and Automation. 18 (1), 11-23 (2002).
- Abolmaesumi, P., Salcudean, S., Zhu, W. Visual servoing for robot-assisted diagnostic ultrasound. Engineering in Medicine and Biology Society, Proceedings of the 22nd Annual International Conference of the IEEE. , (2000).
- Menikou, G., Yiallouras, C., Yiannakou, M., Damianou, C. MRI‐guided focused ultrasound robotic system for the treatment of bone cancer. The International Journal of Medical Robotics and Computer Assisted Surgery. 13 (1), e1753 (2017).
- Yiallouras, C., et al. Three-axis MR-conditional robot for high-intensity focused ultrasound for treating prostate diseases transrectally. Journal of Therapeutic Ultrasound. 3 (1), 2 (2015).
- Essomba, T., et al. A specific performances comparative study of two spherical robots for tele-echography application. Proceedings of the Institution of Mechanical Engineers, Part C: Journal of Mechanical Engineering Science. 228 (18), 3419-3429 (2014).
- Bassit, L. A. . Structure mécanique à modules sphériques optimisées pour un robot médical de télé-échographie mobile. , (2005).
- Noh, Y., et al. Multi-Axis force/torque sensor based on Simply-Supported beam and optoelectronics. Sensors. 16 (11), 1936 (1936).
- Noh, Y., et al. An ergonomic handheld ultrasound probe providing contact forces and pose information. Engineering in Medicine and Biology Society, Proceedings of the 37th Annual International Conference of the IEEE. , (2015).
- . Translational Detent – MapleSim Help Available from: https://www.maplesoft.com/support/help/MapleSim/view.aspx?path=DrivelineComponentLibrary/translationalDetent (2018)
