STIFF-FLOP手术机械手：单模块机械设计与实验表征外文翻译资料

 2022-08-17 04:08

2013 IEEE/RSJ International Conference on Intelligent Robots and Systems (IROS) November 3-7, 2013. Tokyo, Japan

STIFF-FLOP Surgical Manipulator: mechanical design and experimental characterization of the single module

Matteo Cianchetti, Member, IEEE, Tommaso Ranzani, Member, IEEE, Giada Gerboni, Member, IEEE, Iris De Falco, Cecilia Laschi, Senior Member, IEEE, Arianna Menciassi, Member, IEEE

Abstract

This paper presents the concept design, the fabrication and the experimental characterization of a unit of a modular manipulator for minimal access surgery. Traditional surgical manipulators are usually based on metallic steerable needles, tendon driven mechanisms or articulated motorized links. In this work the main idea is to combine flexible fluidic actuators enabling omnidirectional bending and elongation capability and the granular jamming phenomenon to implement a selective stiffness changing. The proposed manipulator is based on a series of identical modules, each one consisting of a silicone tube with pneumatic chambers for allowing 3D motion and one central channel for the implementation of the granular jamming phenomenon for stiffening. The silicone is covered by a novel bellows-shaped braided structure maximizing the bending still limiting lateral expansion. In this paper one single module is tested in terms of bending range, elongation capability, generated forces and stiffness changing.

Ⅰ. INTRODUCTION

Minimally Invasive Surgery (MIS) has become the gold standard in the majority of abdominal operations, although some fundamental limitations – immediately observed after the introduction of this technique less than 30 years ago [1]

– are still present and are far to be really approached despite emerging robotic solutions.

The reason why traditional laparoscopic operations need up to 4 or 5 trocar accesses depends on the limited dexterity, flexibility, maneuverability of the available tools. In addition especially in the case of laparo-endoscopic single- site surgery (LESS) [2] and natural orifice transluminal endoscopic surgery (NOTES), rigid or semi-rigid tools may lead to significant clashing of instrumentation and increase the complexity of the procedures [3]. Flexible endoscopes can be used for NOTES or LESS; indeed thanks to their high flexibility, they may allow to reach the surgical target while being inserted remotely or by a natural orifice. However endoscopes may lack stability that rigid tools normally provide [4].

Novel surgical instrumentation is being developed in order to provide higher dexterity and flexibility to the surgeon [5]. Such systems are designed to be highly flexible and are actuated by motors moving rods [6], gears [7] or a combination of cables and rods [8]. Due to the rigid mechanical properties of the structure, stiffness control can be challenging.

Figure 1. CAD drawing of the overall architecture of the STIFF-FLOP manipulator.

Yet biological “manipulators”, such as the octopus arm and the elephant trunk, can manipulate objects while controlling the stiffness of selected body parts and being inherently compliant when interacting with objects [9]. For this reason they have been considered as inspiration source for soft robotic arms and manipulators. Even if not directly applied to the medical field, there exist several valuable examples of “Continuum Robots” which usually have a large number of redundant DOF, are typically flexible and deformable (soft-bodied). The elephant trunk developed at Clemson University [10] is one out of many examples of lightweight continuum devices with many degrees of freedom actuated by cables and passive spring elements. Another possibility is to use pneumatic actuators to obtain remote deformations as in the case of the OCTARM continuum robot [11] or the elephant trunk proposed by FESTO group [12]. Their rigid nature imposes limitations in their usability in the medical field. Solutions with no rigid structures usually count on hybrid systems: the redundant manipulator by Kinetic Science Inc. [13] and the Air-Octor [14] combine pneumatic bellows and tendon actuation for controlled bending and extension. A different approach based on Shape Memory Alloys and tendons connected to a braided sheath [15] [16] has been attempted in the OCTOPUS project where an octopus-like robotic arm shows high softness and dexterity thanks to the materials and smart actuation mechanism adopted. Another very recent robotic tentacle is presented in [17] where a network of pneumatic chambers is embedded and distributed along a silicone structure, thus enabling large amplitude actuation in the soft elastomer by pressurizing and inflating them. This last class of soft manipulators represents the most attractive solution for medical applications, but none of the mentioned systems answer to the un-met MIS requirements. Flexibility and softness come generally with limited force; while high forces are tough to be achieved without any rigid supports.

A variable stiffness robot takes advantage of the best of rigid and soft robotics. Based on the mentioned limitations of traditional mechanical designs, a different approach has been pursued for the STIFF-FLOP manipulator [18], taking inspiration from the manipulation capabilities of the octopus arm. The manipulator is designed to present elongation, squeezing and large flexibility in bending, but also contemporary showing stiffness changing capabilities.

In the current paper, the mechanical concept design of the entire manipulator is described in Section II, while Section III and IV illustrate the design and fabrication of a single manipulator module, respectively. Preliminary tests as proof of concept and assessment of performances are desc

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2013 IEEE/RSJ智能机器人与系统国际会议（IROS）2013年11月3日至7日。日本东京

STIFF-FLOP手术机械手：单模块机械设计与实验表征

Matteo Cianchetti，IEEE成员，Tommaso Ranzani，IEEE成员，Giada Gerboni，IEEE成员，Iris De Falco，Cecilia Laschi，IEEE高级成员，Arianna Menciassi，IEEE成员

摘要

本文介绍了一种最小接入手术的模块化机械手装置的概念设计、制造和实验特征。传统的外科操纵器通常基于金属可操纵针，肌腱驱动机构或铰接电动连接。在这项工作中，主要思想是结合灵活的流体驱动器，使全向弯曲和伸长能力和颗粒干扰现象，以实现选择性刚度变化。该机械手基于一系列相同的模块，每个模块由一个带有气动室的硅酮管组成，允许三维运动，一个中心通道用于实现颗粒干扰现象的加强。硅胶被一种新型的波纹管形编织结构所覆盖，最大限度地使弯曲仍然限制了横向膨胀。本文在弯曲范围、伸长能力、发电量和刚度变化等方面进行了测试。

一. 导言

微创手术（MIS）已成为大多数腹部手术的黄金标准，尽管一些基本限制（在不到30年前引入该技术后立即观察到）[1]）仍然存在，尽管出现了机器人解决方案，但距离真正接近这些限制还很远。

传统腹腔镜手术需要4或5个套管针通道的原因取决于可用工具的灵活性、灵活性和可操作性。此外，特别是在腹腔镜内镜单部位手术（LESS）[2]和自然孔口腔镜手术（NOTES）的情况下，刚性或半刚性工具可能会导致器械的严重碰撞，并增加手术的复杂性[3]。灵活的内窥镜可以用来做笔记或更少；事实上，由于其高度的灵活性，它们可以在远程插入或通过自然孔口插入时到达手术目标。然而，内窥镜可能缺乏刚性工具通常提供的稳定性[4]。

为了给外科医生提供更高的灵巧性和灵活性，正在开发新型的外科器械[5]。此类系统设计为高度灵活，由电机驱动，移动杆[6]、齿轮[7]或电缆和杆的组合[8]。由于结构的刚性力学特性，刚度控制具有挑战性。

图1.硬触发器机械手总体结构的CAD绘图。

然而，生物“操纵器”，如章鱼手臂和象鼻，可以操纵物体，同时控制选定身体部位的刚度，并在与物体互动时具有内在的柔顺性[9]。因此，它们被认为是软机械臂和机械手的灵感来源。即使不直接应用于医学领域，也存在一些有价值的“连续机器人”实例，这些机器人通常具有大量冗余自由度，具有典型的柔性和可变形性（软体）。克莱姆森大学（Clemson University）开发的象鼻（elephant trunk）[10]是由电缆和被动弹簧元件驱动的具有多个自由度的轻质连续体装置中的一个。另一种可能性是使用气动执行器来获得远程变形，如八臂连续体机器人[11]或FESTO group[12]提出的象鼻。它们的僵化特性限制了它们在医学领域的可用性。没有刚性结构的解决方案通常依赖于混合系统：Kinetic Science Inc.[13]的冗余机械手和Air Octor[14]将气动波纹管和肌腱驱动结合起来，用于控制弯曲和伸展。在章鱼项目中，尝试了一种基于形状记忆合金和连接到编织护套的肌腱的不同方法[15][16]，由于采用了材料和智能驱动机构，章鱼状机械臂显示出高度的柔软性和灵巧性。另一种最新的机器人触手出现在[17]中，气动室网络嵌入并沿硅结构分布，从而通过加压和充气实现软弹性体的大幅度驱动。最后一类软机械手代表了医疗应用中最具吸引力的解决方案，但没有一个系统满足联合国信息系统的要求。柔韧性和柔软性通常伴随着有限的力；而高的力很难在没有任何刚性支撑的情况下实现。

变刚度机器人充分利用了刚性机器人和柔性机器人的优点。基于上述传统机械设计的局限性，人们从章鱼手臂的操作能力中获得灵感，对僵硬式机械手采用了不同的方法[18]。机械手的设计是为了在弯曲时表现出伸长、挤压和较大的灵活性，同时也显示出刚度变化的能力。

在本论文中，第二节描述了整个机械手的机械概念设计，而第三节和第四节分别说明了单个机械手模块的设计和制造。作为概念证明和性能评估的初步试验在第五节中进行了描述，并在第六节中进行了广泛讨论。

二、机械手规格

柔性机械手的设计满足了医学文献和体内器官生物力学试验的具体要求。应显示挤压能力，以便能够通过传统的套管针孔进行单通道手术；需要高灵巧度，因此主动向任何方向弯曲和伸长是基本的主要特征；主动，灵活的关节式机械手可独立于入口点转动胸腔和腹腔中的器官；应在手臂上的相关点处获得足够的力，以便在手臂运动和重要外科手术（包括器官回缩）过程中使器官移位。出于这个原因，还需要一个选择性和可调的刚度，从而允许顺利地适应软器官的几何形状，以及成为缩回行动的刚性。

为了满足上述要求，作为一般原则，采用模块化方法，开发由用户选择性操作的软驱动单元（模块），并（在必要时）能够在任何方向上单独弯曲、拉长和改变刚度。在具体实施例中，使用三个相同的延伸/弯曲/加劲模块，图1说明了僵硬式机械手的概念。

三、单模块设计

如前一节所述，模块具有相同的尺寸和性能，每个模块都能够独立执行全方位弯曲、延伸和加劲。这是可能的，因为两个不同的驱动系统集成在每个模块中：灵活的射流驱动器与一个利用颗粒堵塞机制的腔室相结合。操纵器模块的主要部件是一个弹性圆柱体（硅胶Ecoflex）trade; 0050 Smooth-on公司）。这种材料在被动变形时保证了适当的柔软度，并且适合容纳内部腔室，这些腔室可用于调节模块的特性和行为。圆柱形弹性体包含三个等间距的腔室，这些腔室嵌入径向布置（射流致动器）中，另一个位于中心位置（用于颗粒堵塞），如图2所示。模块外部为编织波纹管状结构。

图2.从左到右，为带有半圆柱形流体室和中央加强通道的模块的纵向和横向截面设计草图。

A.主动运动

柔性流体致动器已经成功地用作主动运动系统，实现了软结构的延伸和弯曲[19]。在模型化[20]和应用案例[21]方面，广泛可用的文献简化了此类技术的使用。

这一特定系统的最佳几何结构正在研究中，但之前的工作比较了几种类似应用的横截面设计[22]得出的结论是，关键因素是在腔室之间的隔离壁厚度及其直径之间找到一个平衡点。此外，在这种情况下，另一个标准是最大限度地利用内部可用空间来容纳加劲室。

使用由加压流体充气的软材料室的一个众所周知的缺点是，相对于与弯曲和伸长能力相关的期望运动，机械效率非常低。这是因为充气室像气球一样向各个方向膨胀。图3显示了0.32巴压力对一个腔室的影响，很明显，相对于模块的弯曲，向外膨胀占主导地位，并且达到了不可接受的高爆炸风险。

相反，为了产生更明显的弯曲效果，使横向膨胀最小，应尽量减少腔室的径向膨胀，从而产生最大的纵向变形。由于弹性体材料被认为是各向同性的，因此没有优先的膨胀方向；然而，添加其他结构（填料或外部约束）将迫使伸长或弯曲，限制直径膨胀并改变整体模块行为。

先前限制这种横向膨胀的尝试表明，在结构周围排列的圆形纤维可用于此范围[23]，但随着腔室变形，线圈开始分离，在外表面留下较弱的区域，这可能导致突然和危险的横向膨胀。如果弹性材料非常柔软且可实现的曲率很高，则这种风险特别高。另一方面，较硬的弹性体或大量坚硬的圆形纤维可能会影响机械手的性能或需要更强大的流体源。

基于上述考虑，主要的想法是用编织结构（即护套）将硅气瓶及其内腔耦合起来。编织结构（如McKibben致动器中使用的结构）具有高度柔性，可同时跟随弯曲和伸长运动，从而对过度膨胀提供径向约束，特别是在热成型以保持波纹管形状的情况下。

编织护套相对于腔室放置在外部，并固定在圆筒的远端。当腔室充气以弯曲（或拉长）时，编织护套包含并限制径向膨胀，从而使变形的纵向效应最大化。

B。刚度变化

对于刚度调制，采用颗粒干扰解决方案。[24]和[25]已经证明了这种策略在软机器人上的有效性。这项技术最有趣的特点之一是，它在非夹紧状态下保持高变形性，并在夹紧状态下经历剧烈的刚度增加。在我们的应用中，咖啡粉被用作颗粒材料，胶乳作为包含膜。由于施加真空，柔性膜中的密度增加，导致堵塞。通过控制真空度，可以调节刚度。

图3.0.32巴压力对单个硅胶（Ecoflex 0050）腔室的影响。

图4.装配三个流体室和中央加强通道的硅气瓶模具。

四、模块制作

通过在铝模中模制硅酮，分多个阶段制造承载执行室的弹性体圆筒。如图4a所示，三腔模具（蓝色）和加强腔模具（红色）通过螺钉固定在底座上。底座上的对齐槽允许流体室的正确定位和定向。第二个底座固定在顶部（图4b），射流室再次使用螺钉固定在其上。最后，两个半圆柱壳合上模具（图4c），硅树脂在里面浇铸。完全固化后，移除两个基底，再次浇铸硅酮，在顶部形成10 mm的硅酮层，封闭腔室。在两个侧面的其中一个上，三个螺钉（每个射流室一个）被拧入射流室模具中，以保持一个自由通道，用于放置用于射流驱动的管道。当聚合物达到完全固化时，腔室从螺钉留下的通道中移除。

通过一个单独的程序，加工一个最大可达内径为33 mm的现成柔性编织护套（RS组件），以便沿结构形成圆形褶皱（图5）。一根铝条被插入里面作为支撑，护套从顶部被压缩，以诱导波纹管的形成。这个过程的可重复性是由结构本身保证的，它只允许在压缩过程中沿着护套的特定位置形成褶皱。此外，最终的形状总是被视觉观察到。用热枪在400°C下加热护套几分钟，使其热固定。然后用硅树脂将护套固定在弹性体模块的两个基座上，最后拆下中心圆筒以释放中心通道。

五、模块性能实验评估

在图6中，报告了用于主动运动和刚度调制的部件方案。通过独立地控制每个流体腔中的压力来实现硬触发模块的主动运动。三个压力调节阀（K8P系列，E.V.P.系统）可以调节每个腔室中充气的气压。一台压缩机（Compact 106，Fiac空气压缩机）用于气动供应。

通过使用真空泵（LB.4，D.V.P.真空技术）获得用于刚度调制的真空。使用5micro;m过滤器（MC104-D10，E.V.P.系统）防止颗粒进入泵。带有气动调节的真空减压器（110130，E.V.P.系统）与压缩机驱动的压力调节阀（K8P系列，E.V.P系统）结合使用，以控制加劲室中的真空水平。

图5.波纹管结构编织结构的制造工艺。

Vacuum Pump

Legend

V

V

Valves

Fluidic line

Electric line

Vacuum line

V

atmosphere

Pressure regulator

Compressor

Pressure regulator

Control System

Vacuum reducer

图6.操纵器模块激活所涉及的组件。

使用采集板（USB NI6363 DAQmx）通过四个模拟输出（电压）测量四个压力调节阀的输出压力。通过操纵杆（SAITEK P580 Blue Rumble Pad）或直接设置每个室的目标压力值和硬化室的目标真空度，建立了LabView接口来控制模块的输入压力。

为了表征刚性触发器模块的弯曲和伸长性能，流体室被单独地、成对地、同时地驱动。在单流体室激活的情况下，施加0至0.65 bar的压力，步长为0.05 bar。在每个步骤中，在相同的工作条件下拍摄模块的图像，并在MatLab中详细说明，以确定弯曲角度。在相同的压力下同时激活两个腔室，执行相同的程序。在三个流体室激活的情况下，可获得延伸率，并通过施加与弯曲试验相同的压力来测量长度变化。

捕捉到的图像已使用定制的算法进行分析，该算法根据模块曲率计算弯曲角度。采用相同的简化算法计算延伸率，该算法考虑了模块在不同步骤的长度。

通过在模块顶部放置一个ATI Mini45称重传感器，并驱动一个压力范围为0至0.8巴的射流室，测量了STIFF-FLOP模块产生的力。在0到0.8巴的压力范围内同时驱动三个射流室进行相同的试验。

以测量刚度能力为目的，采用6自由度工业机器人（RV-6SL，三菱公司）在不同的刚度-折叠模块结构下，在模块顶端施加不同的位移。测试了四种条件：a）基本条件（不驱动射流室）；b）90度弯曲条件，沿x方向的横向位移为16.5 mm；c）90度弯曲条件，沿z方向的横向位移为16.5 mm；d）90度弯曲条件，上基座（x方向）的位移为8 mm。试验在未激活硬化室（大气压力）和0.1 bar真空压力（最大可能真空

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