部署、变刚度、电缆驱动机器人微创手术gydF4y2Ba

介绍gydF4y2Ba

内镜黏膜下剥离(ESD)是一种新型的手术技术切除大胃癌症早期没有淋巴结转移的风险(gydF4y2Ba康et al ., 2011gydF4y2Ba)。防静电使gydF4y2Ba全体gydF4y2Ba(一块)和组织学上的完整切除肿瘤超过20毫米直径,在独立的部分将被删除,被称为gydF4y2Ba零碎的删除gydF4y2Ba,如果内镜黏膜切除术(EMR)。零碎的EMR复发率高于中(p-EMR)结果gydF4y2Ba全体gydF4y2Ba使用ESD删除(gydF4y2Ba海特曼和伯克,2017gydF4y2Ba)。然而,ESD过程与标准执行内视镜遭受长时间操作和更高的并发症风险相比,EMR (gydF4y2Ba奥卡河et al ., 2006gydF4y2Ba)。这些缺点是由于与ESD技术困难,这是证明大量的监管程序是必要的学习技术(gydF4y2Ba纳吉布阿et al ., 2016gydF4y2Ba)。如果委托人可以实现更快和更可靠的就可能是一个强大的治疗胃癌,这是第二个最常见的癌症死亡原因在英国在2015年41700例新病例的肠癌发生在2013年至2015年之间,每年被第四个最常见的癌症在英国在2015年(gydF4y2Ba英国癌症研究中心,2019年gydF4y2Ba)。gydF4y2Ba

扩展的功能灵活的内窥镜,目前使用的设备执行防静电,可能会增加吸收和可访问性的过程(gydF4y2BaFukuzawa Gotoda, 2012gydF4y2Ba)。内视镜的光学仪器,使可视化的体内,有各种各样的化身。在结直肠应用程序中使用的内窥镜由1.5 - 2米长的软管6 - 15毫米直径。根据模型,灵活的尖端内窥镜通常可以控制使用处理上的刻度盘,使用电缆系统。1 - 2工作通道直径约3毫米,占据比例内窥镜的截面和传递它的长度通常可以提供空气,水,或小手术器械。目前,ESD程序使用这些工作通道和手动控制的提示来操作仪器,导致高技术性的困难。gydF4y2Ba

执行标准防静电与一个单独的端口内窥镜在几个步骤:标记点周围的肿瘤,注入溶液进入下层肿瘤,环形切口的粘膜通过标记点和黏膜下剥离层(gydF4y2BaKume 2009gydF4y2Ba)。电工具是用于标记,切口,解剖,以防止出血。机械设备的一个例子专门为ESD R-Scope,由奥林巴斯。然而,在一项研究都涉及到gydF4y2Ba在活的有机体内gydF4y2Ba猪模型和10个人类患者手术仍被认为是挑战和耗时,结肠穿孔的风险(gydF4y2Ba纽豪斯et al ., 2006gydF4y2Ba)。奥林巴斯后发达EndoSAMURAI,双手控制两种乐器,每个与五自由度(自由度),使缝合和raybet雷竞技下载地址缩短手术时间与传统内窥镜(相比gydF4y2BaSpaun et al ., 2009gydF4y2Ba)。EndoSAMURAI缺乏足够的力量发挥,以执行更要求收缩的动作与探究的过程中碰到的困难是任务(gydF4y2BaFuchs Breithaupt, 2012gydF4y2Ba)。最近,第二代箍系统,基于Anubiscope最初由卡尔·Storz用来进行防静电gydF4y2Ba在活的有机体内gydF4y2Ba猪模型和显示提高解剖速度比手动Anubiscope (gydF4y2Ba左恩et al ., 2018gydF4y2Ba)。尽管如此,与0.9 N的力发电能力仍然很低,弯曲力在被测量。回顾防静电设备细节很多机械设备以及几个non-robotic选项促进剥离,如剪辑和线力施加在病变由电缆剪切割环境(gydF4y2Ba齐藤et al ., 2017gydF4y2Ba)。剪辑和线方法的一个主要问题是,牵引的方向是由目标和患者的解剖方法,因为这条线只能提供张力和遵循的路径。研究ESD的功效在胃的剪辑和线方法和不显示,穿孔风险降低是由于更好的可视化组织的解剖(gydF4y2Ba吉田et al ., 2018gydF4y2Ba)。然而,在整个病人,手术时间和结果没有改善通过剪辑和线的方法。ESD仍在进行与单通道灵活的内视镜电流方法,机器人或者non-robotic,没有提供足够的改进。gydF4y2Ba

本文描述的快速设计和制造充气,可部署,变刚度结构支持cable-driven称为独眼巨人用双手的机器人平台,旨在执行先进的外科手术技术,如委托人通过一个单独的端口或自然孔(gydF4y2BaMylonas et al ., 2014gydF4y2Ba)。独眼巨人的概念允许委托人不需要进行广泛的培训,因为直观,双手控制手术器械(gydF4y2BaVrielink et al ., 2018gydF4y2Ba)。大会的目的是作为一个附件标准灵活的内窥镜,离开它的工作频道免费,增加两个机器人控制仪器。gydF4y2Ba

使用一个充气结构支持独眼巨人并联机器人平台意味着可以实现大体积的变化,因此,内窥镜可以保持相对的,直到独眼巨人系统部署和使用。整个手里没有装配可以缠绕在一个灵活的内窥镜,通过标准trans-anal端口,或者可以把内窥镜的结束以及外部的电缆穿过工作通道。gydF4y2Ba

刚性、笨重和锋利的工具会造成不必要的损伤软组织的有限空间降低胃肠道,但许多仪器和机械设备用于微创手术是由刚性材料。传统的机器人机制可以实现精度高、精度和可预测性,因为他们在整个结构采用刚性材料。软机器人依靠材料刚度相对较低的环境将使用他们,但在许多情况下,这意味着材料用于机器人的建筑有一个非线性应变概要文件(gydF4y2BaPolygerinos et al ., 2017gydF4y2Ba)。非线性应变资料中不受欢迎的机器人,因为他们可以使末端执行器无法控制(gydF4y2Ba利普森,2014gydF4y2Ba)。机器人装置用于MIS,柔软和刚性机器人系统的好处是可取的。软设备会减少软组织损伤的风险,但相反,严格设备可以产生更高的力量,实现可预测的,精确的运动。gydF4y2Ba

软机器人设备的绝大多数为手术设计流体驱动、弹性体、连续式机器人,和最常使用的流体介质是空气(gydF4y2Ba西曼et al ., 2019gydF4y2Ba)。STIFF-FLOP项目是第一个展示了使用软机器人微创手术和激发了大量的研究。尽管他们内在安全利益,常见的软设备的局限性包括低力量发挥,可控性差,缺乏集成传感器和复杂的生产(gydF4y2Ba罗斯和击发弹,2015gydF4y2Ba)。大量的研究都集中在克服这些问题和控制设备的刚度是一个重要的组成部分。gydF4y2Ba

不同刚度的方法灵活的医疗设备包括气动液压驱动、液压驱动,颗粒干扰,层流干扰,敌对的组合电缆和气动钱伯斯和相转变材料(gydF4y2Ba赵et al ., 2016gydF4y2Ba)。气动驱动和细粒度的干扰都用于尸体试验提供可视化在人们已注意到全肠系膜切除(时差)使用一个单模块STIFF-FLOP机器人(gydF4y2Ba阿雷佐et al ., 2017gydF4y2Ba)和气动驱动仅被用来激励和加强类似的两个模块STIFF-FLOP机器人在一个单独的尸体研究相同的过程。液压驱动的使用在不同的迭代STIFF-FLOP机器人允许力估计技巧(gydF4y2BaLindenroth et al ., 2017gydF4y2Ba)。层流干扰已被用于固定管式机械手,旨在支持其他连续或蛇形机器人管理信息系统(gydF4y2Ba金正日et al ., 2013gydF4y2Ba)。粒状的横截面积和层流干扰可以增加设备相比,其non-rigidified状态单独射流驱动和添加多个驱动方法增加了设计的复杂性。然而,颗粒干扰和额外的驱动方法能产生更大的刚度变化比流体驱动(gydF4y2Ba曼泰et al ., 2016gydF4y2Ba)。电缆和气动驱动都反对地用于另一个STIFF-FLOP设计增加刚度,实现改进的结果相比,颗粒干扰(gydF4y2Ba湿婆et al ., 2016gydF4y2Ba)。低熔点合金(LMPAs)被用于一个overtube内窥镜设备,可以从刚性到柔性状态转换在18岁(gydF4y2Ba赵et al ., 2016gydF4y2Ba)。LMPAs的局限性包括材料的毒性,和大部分的隔热保护环境从内部温度升高。gydF4y2Ba

软机器人由弹性体往往需要复杂的模具装配和包装效率低于我们的可折叠设计,因为当常压室合并在他们占领更大的卷。较少的空间用于治疗和/或诊断仪器的专用通道交付,如果驱动或加强机制占据了大部分的横截面积。适应能力通过一个12 - 15毫米直径开放将使设备适应通过套管针端口用于腹腔镜应用程序(gydF4y2Ba江et al ., 2013gydF4y2Ba)。gydF4y2Ba

使用激光焊接制造技术,我们有能力迅速和经济生产低调的充气式结构热合热塑性板材在特定的焊接模式。这意味着设备可以有一个较小的规模不使用的时候。此外,这种生产方法具有非常低的耗材成本,它是可靠的和典型的焊接步骤设计在本文中~ 3分钟内可以完成。该方法使得单独使用,一次性软机器人设备的可行性。gydF4y2Ba

设计可部署结构,充气中空的形式定期不同边数的棱镜,边长,总长度,直径,可以使用我们的编程设计方法生成。外鞘也可以快速定制的基于结构是合适的。通过选择参数结构和入口点位置,可以快速生成新部署的独眼巨人的设计。gydF4y2Ba

以下部分详述了编程设计,激光焊接制造,独眼巨人机器人建设、测试方法和结果。在结果部分,变刚度特性,力发挥功能和临床前测试。gydF4y2Ba

材料和方法gydF4y2Ba

本节描述的基本原理仪器在独眼巨人是如何操作的,有些设备的设计考虑。gydF4y2Ba图1一个gydF4y2Ba显示我们的机器人在一个折叠和取消部署状态旁边的一个12毫米直径灵活的内窥镜,然后缠绕在提示gydF4y2Ba图1 bgydF4y2Ba可能是用于导航,gydF4y2Ba图1 cgydF4y2Ba显示部署机器人两个工具可以使用了。我们的充气独眼巨人机器人提供了控制这些手术器械,为新手用户可以执行任务期间执行类似防静电。每个仪器的运动是通过不同的几个力传递电缆的长度,这是附加在特定点管末端执行器,携带仪器。6个电缆用于每个左边和右边仪器,构成一对占领一个单一的可部署的并联机构,充气支撑结构。gydF4y2Ba

这个设计有两个主要的元素:充气结构和周围的电缆护套。空心六方柱状结构可以增加它的体积和刚度部署和抵抗的力量对它的电缆,在电缆护套决定了电缆输入点的内部结构。使用激光焊接系统,这些都是制造热塑性板材热密封,因此,允许将密封腔形成。构建机器人从低调的薄板材料意味着机器人组装可以折叠体积小,当未加压的。此外,电缆配置高度灵活的机器人不使用时,一种设计,设计灵感来源于软机器人和动机的领域需要更安全的医疗器械和设备。gydF4y2Ba

利用低刚度的遵从性材料和刚性结构的可预测性,我们选择使用一个变量为核心结构元素刚度法。尽管低刚度变化与其他方法相比,流体驱动被选中,因为它很简单,可实现的可能的刚度值,可逆性,可以实现高体积的变化。空气被选为驱动流体因为体重变化室加压空气低,相对于液压驱动水被注入一个薄壁室可以多次重比室本身。的设备变得更重,因为它转换从一个非经营性运营状态不可取的大肠,因为软组织可能变形,影响本地化。通过加压空气室由热合多个薄片的热塑性材料,灵活的、低调的表进行可逆转换成一个刚性的三维结构。封板材料与菱形形状的腔模式已被证明产生流体驱动的铰链力矩随输入压力破裂点(gydF4y2BaOu et al ., 2016gydF4y2Ba)和弯曲运动可以由加压充气梁放置的轴铰链(gydF4y2BaNiiyama et al ., 2014gydF4y2Ba)。这些概念影响空心棱镜的结构设计作为我们的充气独眼巨人。gydF4y2Ba

利用低刚度的遵从性材料和刚性结构的可预测性,我们选择使用一个变量为核心结构元素刚度法。尽管低刚度变化与其他方法相比,流体驱动被选中,因为它很简单,可实现的可能的刚度值,可逆性,可以实现高体积的变化。空气被选为驱动流体因为体重变化室加压空气低,相对于液压驱动水被注入一个薄壁室可以多次重比室本身。的设备变得更重,因为它转换从一个非经营性运营状态不可取的大肠,因为软组织可能变形,影响本地化。通过加压空气室由热合多个薄片的热塑性材料,灵活的、低调的表进行可逆转换成一个刚性的三维结构。封板材料与菱形形状的腔模式已被证明产生流体驱动的铰链力矩随输入压力破裂点(gydF4y2BaOu et al ., 2016gydF4y2Ba)和弯曲运动可以由加压充气梁放置的轴铰链(gydF4y2BaNiiyama et al ., 2014gydF4y2Ba)。这些概念影响空心棱镜的结构设计作为我们的充气独眼巨人。gydF4y2Ba

以前设计的独眼巨人机器人能够施加的力量65 N (gydF4y2BaMylonas et al ., 2014gydF4y2Ba)和46.39 N (gydF4y2BaVrielink et al ., 2018gydF4y2Ba),然而,这种充气版本的设计预计将产生较低的力量。在一项针对部队需要操纵胃粘膜在猪模型的最大力量2.26 N被要求拉伸粘膜,结缔组织的胃完好无损,和1.13 N估计意味着力观察(gydF4y2BaTraeger et al ., 2014gydF4y2Ba)。另一项研究表明,< 1.5 N所需组织操纵Transanal内窥镜微创手术(TEM) (gydF4y2BaRanzani et al ., 2015gydF4y2Ba)。机器人应该能够发挥部队以上这些值的要求在此应用程序中使用它们。gydF4y2Ba

编程设计gydF4y2Ba

在我们的多个层,多个室设计,一层由一系列充气梁,形成一个中空的棱镜结构的周长,而第二层由一系列加劲梁垂直于那些在第一层和位于每一个角落,沿着整个内表面的长度。加劲梁增加膨胀时,结构的刚度。维持一个低数量的空气供应管,同时仍然提供变刚度对这些设备的应用能力是重要在小尺寸的MIS是有益的,所以这两层,两院的设计被选中。gydF4y2Ba

在这里,一层将参考焊缝焊接过程中创建一个模式。两个或两个以上的热塑性表可能是焊接在一起来创建气密密封的个人房间,做一层等gydF4y2Ba图2一个gydF4y2Ba。在一个额外的步骤中,第二层也由两个或两个以上的热塑性表可以在一个单独的生产过程,例如gydF4y2Ba图2 bgydF4y2Ba。加入两层,一层是一致的,他们是焊接在一起在焊接点的焊接模式相交或在任何层不会妨碍现有的室。的加盟模式gydF4y2Ba图2 cgydF4y2Ba实现这个模式A和B是一致的。激光焊接两层同时焊接所有的热塑性塑料床单一起由于其低厚度和它们之间的快速传热和说明gydF4y2Ba图2 dgydF4y2Ba的最终结果加入两层中可见gydF4y2Ba图2 egydF4y2Ba。屏蔽个人层防止激光曝光和,因此,热合也可能使更复杂的设计。能够产生多个钱伯斯对个人层和加入多层开辟了广泛的设计可能性,如结合每一层的功能或创建互补的弯曲行为。应该注意的是,加入超过两层也是可能的。gydF4y2Ba

参照gydF4y2Ba图2gydF4y2Ba,三个焊接模式是必要的设计:一个生产环形光束在一层,一个生产加劲梁在第二个层,和一个焊接模式加入这两个层的焊接模式重叠。环形光束的参数长度LgydF4y2Ba_cgydF4y2Ba圆周波束宽度,WgydF4y2Ba_cgydF4y2Ba、环形光束数NgydF4y2Ba_cgydF4y2Ba加强室宽度,WgydF4y2Ba_{年代gydF4y2Ba},,NgydF4y2Ba_{年代gydF4y2Ba}描述一些焊接的关键维度模式,使我们的变刚度结构设计。通过改变这些参数,总长度,周长,壁厚的NgydF4y2Ba_{年代gydF4y2Ba}站在充气常规空心棱镜可以改变。我们在Python编程语言编写了一个程序,生成三个焊接模式(环形光束模式,加强梁模式,加入模式)以DXF格式基于这些参数,它可以转化为gydF4y2BagcodegydF4y2Ba或gydF4y2BaurscriptgydF4y2Ba这样他们可以制造我们的激光焊接系统,在下一节中描述。gydF4y2Ba图2gydF4y2Ba显示一些示例焊接模式,用户设定的关键参数,焊接过程的概述。gydF4y2Ba

能够快速设计和制造新变刚度充气式结构使他们的定制。使用一个可定制的结构为一个独眼巨人机器人允许机器人本身成为流行。在管理信息系统的背景下,一个机器人可以定制的病人或病人的病情将有助于避免意外伤害和减少并发症。不同民族显示变化的每个部分的长度和直径大肠(gydF4y2BaKhashab et al ., 2009gydF4y2Ba),在其最简单的形式,这可能意味着上浆的外直径可部署机器人患者的大肠的直径减少拉伸或穿孔的风险。长结构长度增加了最大可能的独眼巨人仪器,这可能是合适的,如果大量需要达到一个给定的手术,例如早期胃癌超过20毫米直径,否则会被删除零碎的。gydF4y2Ba

在系统回顾ESD的22个独立研究包括2841例,肿瘤大小的中值为32.4毫米,6.2 - -43.6毫米的范围(gydF4y2BaRepici et al ., 2012gydF4y2Ba)。这个值可以用来影响充气结构的设计,以确保仪器的工作空间可以占地面积直径。降低充气结构的截面将减少仪器的工作空间纯粹的平移运动。工作区是允许旋转时,增加和延长仪器可以进一步提高工作区顶端位置控制精度为代价的。gydF4y2Ba

充气结构中使用本文中的独眼巨人机器人有以下参数:gydF4y2Ba

•环形梁长度,LgydF4y2Ba_cgydF4y2Ba= 30毫米gydF4y2Ba

•圆周波束宽度,WgydF4y2Ba_cgydF4y2Ba= 10毫米gydF4y2Ba

•数量的环形光束,NgydF4y2Ba_cgydF4y2Ba= 6gydF4y2Ba

•加强室宽度、WgydF4y2Ba_{年代gydF4y2Ba}= 12毫米gydF4y2Ba

•数量,NgydF4y2Ba_{年代gydF4y2Ba}= 6gydF4y2Ba

•长度L = 60毫米gydF4y2Ba

•宽度W = 180毫米。gydF4y2Ba

这些参数允许膨胀结构近似为空心与边长28.5毫米六角棱镜,导致一个~ 24毫米纯粹转化水平的活动范围为每个工具在理想的情况下。gydF4y2Ba

所选的空心棱镜形状可展。,它们可以“展开”到一个平面的表面,因此他们可以通过加入两端出现在2 d的外矩形焊接模式。我们使用烙铁手工焊接完成的多个层矩形焊接设计,如图所示gydF4y2Ba图2 dgydF4y2Ba,注意不要改变以前焊接室。小型垂直焊缝被添加以诱导环形梁的屈曲棱镜的顶点,允许形状时形成膨胀。gydF4y2Ba

演示制造方法的适应性,探讨结构刚度变化与内部压力和加强室宽度、两个相同的部署结构捏造除了加强室的宽度。一个是由加劲的宽度WgydF4y2Ba_{年代gydF4y2Ba}= 12毫米,第二个用WgydF4y2Ba_{年代gydF4y2Ba}= 15毫米。所有其他维度都保持相同的两层环形结构和加强室内设计都以同样的方式焊接在一起。gydF4y2Ba

激光焊接生产gydF4y2Ba

3 d打印技术中获取灵感,我们构建了一个激光焊接系统能够选择性焊接热塑性材料在二维焊接模式。笛卡尔机器人,两所示gydF4y2Ba图3gydF4y2Ba和gydF4y2Ba图4 a, BgydF4y2Ba,建成使用现成的和经济的部分由现成的单片机(MCU)控制(Arduino Arduino大型2560年,意大利)配置了gydF4y2Ba马林gydF4y2Ba固件。开源的3 d打印软件gydF4y2BaPronterfacegydF4y2Ba作为一个图形用户界面(GUI)的系统。笛卡尔机器人的终端执行器的工作空间为356×296毫米和导游的平行激光束聚焦到一个0.8毫米直径在一个真空表的表面。光束是由一个940纳米波长激光二极管(LuOcean迷你LU0940D250-D Lumics,德国)控制的激光驱动(LuOcean LU_DR_AD18A08VAAC, Lumics,德国),通过光纤光学总成包括准直器和镜头,这是安装在一个铝块。红外(IR)吸收染料(Clearweld LD940B, Crysta-Lyn化工公司、美国)应用于热塑性板材的上表面使用笔器附件机器人的终端执行器,该存款染料焊接在哪里。额外的热塑性内,覆盖区域染料应用醋酸被放置在上面,一个真空表的表覆盖整个区域之上,形成一个密闭通道。真空表的边界也夹减少气流。真空表连接到一个泵(Briwatec鲁宾90年,德国)产生15 kPa的负压,夹紧热塑性表在一起。随着聚焦激光束通过染料在焊接过程中,染料吸收激光加热,迅速和当地融化周围附近的热塑性塑料床单和加入他们。环形梁的焊接模式层用于构造了独眼巨人2分钟23 s执行,加强梁层采取1分钟26和加入焊接1分钟36年代完成。在每种情况下同时运行时拍摄的gydF4y2BagcodegydF4y2Ba之前程序应用红外吸收染料激光。gydF4y2Ba

热塑性片采用的是聚乙烯(PE)聚对苯二甲酸乙二醇酯(PET)三层,PE / PET / PE、厚度30/60/30μm (PE / PET / PE溶剂保税层压板,沃恩)。焊接速度是23 mm / s和激光电流设定为6.5,对应于15 W的激光功率。连续焊接的~ 1毫米厚度达到了这些设置。是显示在gydF4y2Ba图4 cgydF4y2Ba激光焊接的,这种方法也已达到使用6自由度机械手臂(UR5,万能机器人,丹麦)(gydF4y2Ba西曼et al ., 2018gydF4y2Ba),但在这种情况下,2自由度直角坐标机器人被用来证明这个制造技术可以较低的预算执行设备,允许广泛的吸收。gydF4y2Ba

激光焊接避免运动部件的磨损接触和达到高品质,可靠和可重复的焊接结果,虽然热塑性板材焊接之前必须自由的尘埃,因为这可以防止一个密闭通道形成。激光功率和焊接速度是可控的,容易调节,即相同的系统可以用于新设计和使用与其他材料。使用简单的设计,很容易操作和机器人系统引导激光束使快速、适应性强的设计。贵,定制热新闻模板,或死也避免。gydF4y2Ba

气动控制gydF4y2Ba

建立了两个注射器泵能够单独控制压力在单独的房间。高精度压力传感器(MS580314BA01-00、TE连接性、瑞士)读取压力供应管和微控制器(Arduino Arduino Uno牧师3日,意大利)控制步进电机移动注射器柱塞使用继电器式控制控制策略。这种方法足够精确的对于这个应用程序,它是安静的在操作过程中,占用空间小。gydF4y2Ba

充气式结构的刚度与内部压力,压力控制在一个恒定值维护结构的刚度和遵从性和另外减少破裂的风险。gydF4y2Ba

为每个流体驱动设备,油管的3毫米外径是用来连接泵充气室。连接到激光焊接充气玩具,油管插入水湾,是每个焊接模式设计和热密封在热塑性表使用热风枪和热收缩套管。这被选中,因为它导致了快速、经济和低调的连接。gydF4y2Ba

独眼巨人的建设用双手的机械设备gydF4y2Ba

独眼巨人由结构,一系列的电缆和一组“overtubes”。电缆连接到overtubes,工具,和传送部队为了移动仪器。电缆本身通过1.4毫米直径鲍登电缆(圆线圈、朝日Intecc、日本),固定在特定结构的入口点。结构提供支持这样的鲍登电缆入口点不要移动向overtubes向内。减少摩擦与鲍登电缆,聚四氟乙烯管前首先是美联储通过传输电缆的力量。已经建造了一个合适的部署结构,一个鞘锚鲍登的电缆制造和维护精确结构周围的锚点之间间距的周边,因为这是对末端执行器的运动学的重要性。Overtubes 60毫米的长度是由黄铜管内径与3毫米。gydF4y2Ba

治疗或诊断的工具可以集成到直径3毫米的overtubes独眼巨人。这意味着标准灵活的工具,适应灵活的工作通道可以使用内视镜。overtubes是必需的,因为仪器本身会过度变形如果直接连接到传输电缆的力,使他们无法控制的。gydF4y2Ba

鞘是设计成一个空心圆柱体周围放置充气结构,与每个鲍登电缆/聚四氟乙烯管/力传输电缆组件运行通过自己的指定的通道。6每overtube电缆使用,所以12频道是必要的。垂直的线焊接在每侧垂直对齐和手工焊接在一起的充气式结构使用相同的方法,导致气缸的直径。鲍登电缆组件是通过4毫米渠道在各自的秩序,如所示gydF4y2Ba图5gydF4y2Ba结束时,一个小洞来约束每个通道的鲍登电缆传输电缆通过和力量。这些洞是入口点。鞘上的每个入口点的位置是可以连接到两个overtubes力传输电缆和电缆不会碰撞,而每个overtube同等的工作空间的镜像。入口点配置每个overtube交付5个自由度,即翻译在X, Y, Z方向和Y和Z轴旋转。发现机器人的局部坐标系的中心支撑结构,描述了gydF4y2Ba图5gydF4y2Ba。gydF4y2Ba

适合鞘内的充气结构,overtubes被连接到后方附件点力传输电缆与电缆通过后方的部署结构,被放置在鞘,然后overtubes被连接到电缆在他们面前附件点通过结构的前开口。后电缆通过槽切成多余的塑料充气结构防止后面相对角位移和鞘之间的结构。鞘的激光焊接步骤制造了1分钟和42年代完成。完成,未部署独眼巨人机器人的质量是24 g。gydF4y2Ba

独眼巨人的力传递电缆机器人的运动单位被连接到控制系统中描述gydF4y2BaVrielink et al。(2018)gydF4y2Ba单独控制每个电缆的长度来实现所需的构成,每个工具的位置和姿态,。设置所需的仪器提出了使用两种触觉控制器(Geomagic联系,3 d系统,美国),和五个的六个自由度,即。,旋转控制器的处理将被忽略,因为电缆配置使用不允许overtube绕X轴的旋转。掌握仪器和单极透热工具灵活的内视镜(VIO 200 d, Erbe Elektromedizin GmbH,德国)被固定在左和右overtubes,分别使用热缩管。最后,一个12毫米直径灵活的内窥镜(Karl Storz)插入通过中心的独眼巨人和备用表材料后方的电缆护套是折叠的,贴在内窥镜。gydF4y2Ba

刚度和受力测量gydF4y2Ba

变刚度结构刚度测量gydF4y2Ba

部署结构被压缩在两个垂直的表面,其中一个是连接到一个力/力矩传感器(ATI自动化纳米17日,美国)连接到一个16位NI usb - 6259采集(美国国家仪器),另一个表面的铝块相连的终端执行器笛卡尔机器人,如图所示gydF4y2Ba图6gydF4y2Ba。铝块感动接触充气结构和一个简单的程序运行压缩10毫米的结构,然后进一步压缩10 mm,暂停3 s和收回10毫米缩回到开始位置之前的10倍。在程序开始之前,两个注射器泵是用于设置和日志充气室中的压力。力/力矩传感器用于日志数据在这个过程中,添加了3 s暂停之间重复的程序,以便解决力值。刚度是然后使用最后的10个样本的均值计算合力值之前下一个结算周期的开始。gydF4y2Ba

由于多层的建筑,multiple-chamber脚手架,压力的两院都可以单独控制。刚度测试进行了两院加压时从一个源在一系列给定压力然后重复环形腔中的压力保持恒定在1500 mbar绝对而加强商会的压力是不同的。额外的测试进行了研究不对称结构的径向刚度由于不连续造成的手工焊接,海豹一起结束。测试,使用前面描述的方法和结构与12毫米加劲室充气压力1500 mbar绝对在圆周和加强。径向刚度计算当每个六个面的接触力传感器板耦合。gydF4y2Ba

力发挥的独眼巨人的乐器gydF4y2Ba

力发挥功能充气独眼巨人机器人末端执行器的使用力/力矩传感器检测。外科器械的正确overtube暂时移除夹测力传感器的表面,这是独眼巨人的耦合结构的机器人。硅胶护套被用来限制充气结构不变形不均匀,从而影响运动的控制模型,工具是基于。独眼巨人结构加压到2000 mbar绝对在每一个测试,一个图像中可以看到gydF4y2Ba图7gydF4y2Ba。gydF4y2Ba

一旦仪器夹紧到位,主控制器感动和运动映射到特定的轴力发挥的功能是测量仪器,如果无约束,只会已经在这个方向旋转。力测量主控制器时穿过整个运动范围的X, Y, Z方向。gydF4y2Ba

结果gydF4y2Ba

变刚度gydF4y2Ba

径向刚度计算的值在两院压强相等的两个变刚度结构设计中可以看到gydF4y2Ba图8gydF4y2Ba。径向刚度的值环形光束时,膨胀到1500 mbar和加劲室中的压力变化中可以看到gydF4y2Ba图8 bgydF4y2Ba。gydF4y2Ba

随着压力的增加,结构可以恢复原来的形状更大程度。变形在低压力仍然在外力导致他们不再是礼物。这个力收集的数据中可以看到在测量力下降10按压的结构。百分比差异最小和最大径向刚度值在所有方向的结构为15.69%,也没有一双方向显示明显降低径向刚度在对称轴所示gydF4y2Ba图8 cgydF4y2Ba。gydF4y2Ba图8 dgydF4y2Ba显示的结构与每个方向的力传感器测试。gydF4y2Ba

每个室的破裂压力的15毫米加劲室结构分别为2518.8和2572.1 mbar绝对加劲室和环形梁室,分别。破裂压力取决于焊缝几何模式,较大的焊接区域之间的空间导致失败在焊缝本身较低的压力。在我们的经验与溶剂保税PE / PET / PE三层压材料,失败通常被表现为分层中央宠物层外层PE层,导致快速传播的眼泪。分层强度较高的材料将会改善这些结果。gydF4y2Ba

力测量的独眼巨人末端执行器gydF4y2Ba

末端执行器的最大力量施加在每个方向力发挥测试显示在gydF4y2Ba表1gydF4y2Ba。看到gydF4y2Ba图5gydF4y2Ba当地坐标系统描述。gydF4y2Ba

系统设置工具,如果它已经无约束,可以自由地翻译在X, Y, Z方向和旋转Y和Z轴。测量力的X, Y,和Z轴显示gydF4y2Ba图9gydF4y2Ba和力量的大小在X, Y, Z方向的力传递电缆电缆紧张局势的正确显示在工具gydF4y2Ba图9 bgydF4y2Ba。全桥应变仪(拼箱- 020ω工程、美国)被用来测量张力的电缆,由数据收集与数据采样(Instrunet i100, GW仪器,Inc .)、美国)。gydF4y2Ba

临床前验证gydF4y2Ba

崩散性gydF4y2Ba

薄板材料用于建设的充气式结构厚度120μm和这意味着结构可以折叠成非常低调的形状时,密闭的房间是空的。薄PE / PET / PE材料是灵活的,因此允许操作的折叠结构通过曲折的路径。此功能意味着可部署的独眼巨人机器人可以折叠在内窥镜,部署本身,然后执行治疗或诊断功能将受到收缩。gydF4y2Ba图10gydF4y2Ba显示了独眼巨人组装折叠在12毫米灵活的内窥镜,维护的能力通过狭窄,弯曲的路径,最后的独眼巨人机器人部署。gydF4y2Ba

后体积的增加从手里的状态转换到已部署的状态估计通过测量组装在每个州。六角棱镜结构近似为正六边形为28.5毫米长,52毫米长度,如gydF4y2Ba数字10 f, GgydF4y2Ba。手里的独眼巨人缠绕在一个12毫米内窥镜,近似是气缸直径25毫米,60毫米的长度以内窥镜和周围结构为一个实体,如gydF4y2Ba图10 egydF4y2Ba。最后,手里没有装配没有内窥镜折叠持平和近似的长方体截面22毫米宽度由11毫米高度60毫米长度,明白了gydF4y2Ba图1一个gydF4y2Ba。gydF4y2Ba

体积变化百分比计算使用方程(1),该收益率之间的体积百分比差异未部署状态和已部署的状态。gydF4y2Ba

各自的卷,比率和体积变化对部署这些形状的体积gydF4y2Ba表2gydF4y2Ba。gydF4y2Ba

内镜黏膜下剥离(ESD)gydF4y2Ba

抓紧器和透热设备插入到左派和右派独眼巨人overtubes和力传递电缆耦合控制系统。参众两院的充气结构在2000 mbar绝对使用加压注射泵在整个过程。触觉控制器移动每个仪器和切换抓紧器打开或关闭按钮可用,而脚踏开关激活透热设备。gydF4y2Ba

委托人需要三个主要步骤:标志着与透热损伤的一系列点环绕癌症,然后向黏膜下层注入生理盐水来区分目标区域和周围组织,最后,切除癌组织在一块后通过切口标记点(gydF4y2BaKume 2009gydF4y2Ba)。独眼巨人的机器人是用来进行这三个步骤的皮肤gydF4y2Ba体外gydF4y2Ba鸡胸肉样本模仿这个过程中,仅仅依靠视觉反馈的内窥镜,图片中显示gydF4y2Ba图11gydF4y2Ba。内窥镜是收回了独眼巨人的后部结构显示从内部中空的六角棱镜的形状,如图所示gydF4y2Ba图11 bgydF4y2Ba。机器人的校准位置所示gydF4y2Ba图11 cgydF4y2Ba。达到的乐器~ 2厘米在X方向上所示gydF4y2Ba图11 d, EgydF4y2Ba。皮肤切除的面积约等于一个椭圆的主要和次要的轴25 - 15毫米,显示在gydF4y2Ba图11 f, GgydF4y2Ba。gydF4y2Ba

讨论gydF4y2Ba

单个焊接完成模式有短时间的分钟,但这并不包括准备时间。准备工作包括从一卷材料切割,应用红外吸收染料和调整个人层。然而,这些额外的步骤可能是处理在随后过程类似于使用喷墨打印机时进一步减少生产时间。使用这个激光切割焊接设计,适当的激光功率和扫描速度需要确认。少量的简单的步骤都是生产所需准备使用软机器人设备,这是一个很大的优势相比传统的机器人系统与复杂的组件。gydF4y2Ba

激光焊接技术目前限于二维焊接模式,但3 d模式也可能是可能的。然而,成型,脱模方法需要,目前与简单的2 d系统不必要的。这个焊接系统产生的设计可以进一步扩大,有限大小的机器人夹材料和真空表,用这项技术和焊缝宽度1毫米,这意味着设计也可以缩减。替代光学可以用来聚焦激光光斑尺寸较小,以减少轨道宽度和焊缝的设计细节。例如,形状记忆材料镍钛诺可以激光焊接的光斑尺寸0.4毫米用于密封的医疗设备(gydF4y2Ba汗et al ., 2008gydF4y2Ba)。gydF4y2Ba

与激光焊接/切割方法gydF4y2BaAmiri Moghadam et al。(2018)gydF4y2Ba,这个方法确实需要减少一步,在这种情况下,从在一个手动删除多余的塑料部分完成。然而,不需要热紧迫步骤可能损害材料或改变其属性。此外,因为这里描述的方法不同时切割和焊接床单,软机械设备与多个独特的构造层次和他们的设计可以包含封闭路径而不造成材料的去除。gydF4y2Ba

以同样的压力在圆周和加强两院,增加压力增加径向刚度。这个属性可以被利用,防止过度使用武力运用在结肠癌和周围组织。在应用程序不需要大的力量发挥,例如如果一个光纤放置在独眼巨人overtube和扫描目标组织诊断的目的,可以使用较低的刚度支撑结构。漫反射光谱(DRS)已经被用于分类组织gydF4y2Ba体外gydF4y2Ba猪结肠(gydF4y2BaAvila-Rencoret et al ., 2018gydF4y2Ba)和多个光纤可以集成到一个设备提供360°扫描的管状器官(gydF4y2BaAvila-Rencoret et al ., 2015gydF4y2Ba)。这将是一个有用的补充充气支架。gydF4y2Ba

overtubes是唯一的组件不灵活或可折叠和一个单独的加劲overtubes本身的机制将有利于设备的插入。然而,任何添加大量的仪器将减少工作空间,最终影响机器人的可用性在这个应用程序中,解决了大尺寸的胃癌症。gydF4y2Ba

编程式的设计意味着关键设计维度可以轻易改变,包括加强室的宽度。改变加劲室宽度影响刚度,尽管进一步的调查需要更好地了解这发生以及如何加强其效果。宽15毫米的屈曲加劲钱伯斯可能影响他们的能力抵御崩溃的结构相比,12毫米宽加劲室。gydF4y2Ba

与“袋汽车”gydF4y2BaNiiyama et al。(2015)gydF4y2Ba沿着墙角,充气室运行结构的不耦合的刚性材料,但另一个充气室。这种差异在施工导致行为不同意这个理论。作为加劲梁刚度超过相邻梁的刚度梁可能在较低压力变形。gydF4y2Ba

激光焊接制造技术可以快速制造的患者或自定义软机器人设备,和独眼巨人机器人可以通过改变其几何(定制gydF4y2BaMylonas et al ., 2014gydF4y2Ba)。例如,每个工作空间的两个工具可以改变通过改变那里的电缆连接到仪器和通过改变力的传输电缆进入支撑结构。激光焊接库克罗普斯支持的几何结构和cable-routing鞘可以快速、轻松地适应基于病人数据,以确保机器人的工作空间是适合病人,手术任务。充气结构可以处理在一个使用,因为它是由廉价的热塑性膜和快速生产。仪器和力传输电缆可以热压处理过的,准备进一步使用。gydF4y2Ba

长和僵化的手术器械之间施加0.1和10 N当手动执行腹部微创手术任务(gydF4y2BaPicod et al ., 2005gydF4y2Ba)。我们的结果表明,这可部署的软机器人装置能够施加力量堪比那些由手动生成腹腔镜仪器。部队接近记录的最大力量在每个轴,明白了gydF4y2Ba表1gydF4y2Ba典型的操作期间,定期完成的机器人,如图所示gydF4y2Ba图9gydF4y2Ba。此外,机器人还可以提供高力发挥当连接到一个内窥镜导航很长,弯曲的路径。独眼巨人的直观的用双手的控制机制,加上其高力发挥和大型空间机器人辅助管理信息系统使这一个有前途的方法。gydF4y2Ba

仪器使用两个6自由度触觉控制器,控制显示系统的潜力遥控操作。可穿戴式设备可以与系统提供触觉反馈和虚拟现实(VR)耳机用于提高反馈(gydF4y2BaMaereg et al ., 2017gydF4y2Ba)。触觉控制器和可视化可以集成在一起的达芬奇家具控制系统,虽然足迹在手术室里可能会关注的。电缆驱动机械手被用来测量接触力,使高品质endomicroscopy图片(gydF4y2BaMiyashita et al ., 2018gydF4y2Ba),所以测量部队可以作为触觉反馈给用户。能够减少用户的运动,控制使用的针注射的解决方案可能会减少的人数要求执行防静电。gydF4y2Ba

测量电缆的紧张局势是类似的测量使用刚性支架设计时在以前的工作(gydF4y2BaVrielink et al ., 2018gydF4y2Ba),但该系统的力量发挥显著降低。这可能是由于四个因素:在测试过程中独眼巨人的夹紧,充气结构的变形、摩擦,放置在独眼巨人力传感器的工作区。硅鞘周围放置在独眼巨人力测量是在测试过程中变形,导致力量传输低于如果结构完全严格举行。然而,夹紧力较高的充气结构会变形,影响发挥的可控性和力量。其次,可部署结构张力的加载力的作用下变形边界周围怀疑造成损失有效发挥功能。小错误的实际位置和实际位置造成的仪器支持结构的变形会导致较低的张力在一些电缆,从而降低了施加力量在工具提示。摩擦的聚四氟乙烯油管内的电缆和鲍登电缆传输也可能影响力量,虽然从一个较小的程度上比之前的因素。最后,每个仪器产生的力取决于每个工具的位置和姿态对当地的独眼巨人的起源。独眼巨人的力传感器的位置工作空间因此可以实现的最大读数变化。gydF4y2Ba

与当前设置,不可能感觉充气结构的变形在操作期间。使用此功能,基于机器人的电缆长度的运动控制方案可以补偿根据支撑结构的变形来实现更加稳定和准确的运动工具。此外,基于力控制策略由仪器开发,旨在提供更健壮的控制变形的支撑结构。我们正在低调,多用软传感器,不仅可以确定充气室的形状来解决这个问题,但也作为驱动流体(gydF4y2Ba艾弗里et al ., 2019gydF4y2Ba)。形状感知可以通过使用光纤测量强度调制(gydF4y2BaSklar et al ., 2016gydF4y2Ba)或波长和频率调制(gydF4y2Ba王旭和刘刚,2018年gydF4y2Ba)。这些方法的问题包括缺乏弯曲方向或位置和高成本的信息。我们没有考虑传感用光纤由于这些原因。gydF4y2Ba

其他未来的工作的例子包括本体感受的集成传感器,exteroception,从病人收集诊断信息。更兼容鞘与锚定功能可以防止不必要的运动时独眼巨人的把握和施加力量在其环境。gydF4y2Ba

数据可用性声明gydF4y2Ba

在这项研究中生成的数据集是可在请求相应的作者。gydF4y2Ba

作者的贡献gydF4y2Ba

先生设计,制造,测试和柔软的机器人设备。MZ和设置系统。广告和通用管理研究。先生,是的,和通用汽车的手稿。gydF4y2Ba

资金gydF4y2Ba

本文是独立研究由国家卫生研究所(NIHR)帝国生物医学研究中心(BRC)。这个发表的观点是作者(年代),不一定是英国国民健康保险制度的国家健康研究所或卫生部和社会关怀。先生的博士是支持由国家卫生研究所(NIHR)帝国生物医学研究中心(BRC)。gydF4y2Ba

的利益冲突gydF4y2Ba

作者声明,这项研究是在没有进行任何商业或财务关系可能被视为一个潜在的利益冲突。gydF4y2Ba

引用gydF4y2Ba