文摘
介绍了研究项目的结果开发了拉奎拉大学的研究小组的作者在生物医学工程领域,它已经看到一个重要的原型设计步骤中使用添加剂制造技术,在某些情况下,也为实现preindustrialization原型。对于这些项目,商业3 d打印机和熔融沉积造型等技术(FDM)使用;最常用的聚合物在这些技术丙烯腈丁二烯苯乙烯(ABS)和聚乳酸(PLA)。研究项目关注创新执行机构的发展,如气动肌肉和软气动执行机构(温泉),活跃的矫形器的发展,如下肢矫正法,最后,变刚度的发展抓紧器中使用自然管壁的内镜手术(NOTES)。描述这些研究项目的主要方面,强调使用的技术,如有限元分析和添加剂制造。
1。介绍
作者已经进行了好几年的发展创新的非传统致动器,和一些非传统气动执行机构的研究,例如,出于安全原因,当移动部件的运动必须避免构成危险的用户,将在本文中说明。是这种情况在医学领域的辅助和康复设备,例如,一个活跃的矫正法,病人接口直接与设备,具有自主运动能力。在这些情况下,有必要装置本质安全;因此,它不能构成刚性系统运动,而是呈现足够的合规更大的系统安全,因为这样就减少了受伤的风险。一些研究人员已经开发出兼容的致动器能够执行弯曲或旋转运动,适用于生物医学和/或机械领域。这些执行机构是由一个弹性材料和气动的。变形提出了不同的解决方案:一个元素适当的形状只柔软的材料或元素的组合与强化软材料足够的内部刚度。在[1),两类软气动执行机构(温泉),并给出了弯曲SPA和扶轮SPA,设计的特点和过程描述所示的类型的驱动器。在[2),装配的概念基于结构扶轮致动器的模块化单元建设软气动结构,有趣的扣人心弦的实现系统的性能适合不同类型的对象,。在下面几节中,术语水疗将用于这些非传统气动执行机构。这里显示的温泉是由硅橡胶或自然晶格,由于其高可变形性和简单的处理,在这一个或多个钱伯斯获得含有压缩空气。后者是发送到室时,结构变形对称或不对称,如果刚度元素已经使用(它也可以用来控制最大变形)或在不同厚度的弹性材料,如图1。应用外部负载通过接触变形表面。功率重量比高于传统的致动器,因为他们是很轻的材料。力发展取决于变形室的尺寸、压缩空气压力值,造成变形的大小,所使用的材料。
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弹性材料制成的内在产生这些温泉适合应用在生物医学领域,可以实现执行器与几何图形根据特定的应用程序开发。这些执行机构要求,为他们实现制备技术设置与模具的设计和生产的有机硅化合物倒,它允许破壳的耦合。模具的各种类型的执行机构意识到,添加剂制造技术是常用的。这种技术允许快速和经济实现模具和一个简单的可能性优化过程的即使有必要修改模具的新实现。高分子材料的属性用于3 d打印机、ABS、解放军等,满足必要的强度和质量规范,如加工公差和表面光洁度,他们很容易与有限元分析等常用的设计工具。计算机辅助设计和有限元分析中最常用的工具设计和大小这些创新执行机构和生产流程。本文展示了一些原始温泉的发展,包括在生物医学工程中的应用,和气动肌肉致动器由弹性材料。McKibben气动肌肉是最常见的一种编织肌肉(3),它将在这里讨论。它是由一个内部弹性体管周围编织壳两端。直纤维气动肌肉少收到了研究人员的兴趣(4),它是由一个弹性体管内部有一个轴向结构的电缆,从一端到另一端,由周向环和外部约束径向扩张。对于这两种类型的气动肌肉,进气径向扩张原因其次是头的轴向收缩,它允许外部牵引工作。本文还描述了研究活动导致的设计和原型实现遥控外科抓紧器和变刚度的驱动(VSA)系统,其技术的发展,利用加法制造。笔记的机器人,也被称为自然管壁的内镜手术机器人(做笔记者),需要特定的和定制的解决方案,如机器人和一个缓慢变刚度驱动(VSA)的实现提出了(5,6]。蜗牛架构使用一连串的元素相互连接:司机是放在每个关节,和终端执行器可以引导腹腔灵活性高。开发高性能设备的问题建议做笔记者,在本质安全要求对内部器官和扣人心弦的无意识的影响,避免任何潜在的损害软组织抓住。使用SPA外科爪已经证明是非常有用的对于问题的必要性和极端的密实度要求。指出,腹腔达到在缺乏外部切口,利用自然腔如口腔、直肠、阴道管道。
2。材料和方法
材料用于软气动执行机构和气动肌肉,因为弹性材料非线性本构定律,以及空气的行为,作为一个可压缩流体,它是非常复杂的识别分析相关性,分配一个几何,在变形中,开发力和传动装置内的压力室。因此,对于执行器的设计,有限元数值模拟的方法进行,在某些情况下,对气动肌肉,进行多维度分析,使得建筑设计图表基于三个无量纲参数,其中包含的数量影响驱动器的行为。几个作者开发了模型气动肌肉的编织类型与有限元方法:橡皮管的非线性模拟了Mooney-Rivlin配方有两个系数的机制将负载转移到编织壳(7]。一些作者(8)提出了一个非线性模型之间的关系,分析不同的肌肉并行排列,他们每个人的总收缩系数。该模型研究了几何非线性,而橡胶材料的行为被认为是线性的。其他作者(9)提出了一个模型来优化的角度编织层,和在10),方法的定量优化项目。科学文献的分析强调了缺乏编织气动肌肉的数值模型是建立在真正的辫状壳的几何特征,因为它是商用。在这些模型中,编织壳分析平均参数可用的文学。编织的有限元模型气动肌肉由作者已经通过实验验证(11]。非线性模型,基于真实肌肉参数。提出了预测肌肉行为和作为一个可靠的设计工具。这块肌肉的几个原型了,他们一直在研究项目申请矫形器的发展。在数据2(一)-2(c),数值结果的一个例子的等张测试仿真,显示了模型,提出了基于。连续纤维的研究工作也进行了气动肌肉(12),在图2(d),获得的特征图的一个例子的设计曲线显示的曲线所需的设计师(牵引力F和缩短Δl为生物医学应用程序)。
柔软的气动执行机构(温泉),连续纤维,编织气动肌肉需要实验确定弹性材料的本构定律(如硅橡胶E道康宁)。在致动器对称性的存在,有限的几何建模元素可以代表一半或四分之一的整个几何(图3)。
通常,它是足以创建两个模型:一个模型,模拟了等距测试条件和模拟等渗的。在第一种情况下,在恒定的变形,力值由致动器与空气压力;第二,在恒定负载,致动器的变形与空气压力。硅橡胶的使用有限元素模型的砖型,Mooney-Rivlin配方和弹性材料模拟的两个系数。一旦驱动器大小,第一步是模具的设计,由高分子材料制成的添加剂制造。然后,硅橡胶的制备开始如下:橡胶催化发生之前,有一个非常流体一致性和很容易流动通畅的。在铸造时,建议继续移除气泡出现在硅橡胶混合,避免执行机构内部的夹杂物。因此,铸造。根据类型的水疗中心,建设可以发生在一个连续铸造或阶段。第二个模式发生在金属板或酒吧纳入限制变形的致动器在一个指定的方向或多室时执行机构。 Thus, the construction of a first layer of the actuator is carried out. And the mixture is expected to start to solidify, and the high stiffness material is deposited; then, a second casting is carried out; the second casting is expected to start to solidify and the material for the construction of the chamber is laid below another casting until the entire mold is filled. Typically, the construction of the chamber is carried out by a sheet of paper or by wax, according to requirements. An example of embodiment of a square-shaped SPA is shown in Figure4。送风管道和放电可以集成与致动器(在本例中,它是由硅橡胶在铸造过程中)或模具设计与致动器内腔,阀将被放置的地方。
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3所示。结果与讨论
3.1。致动器和活跃矫形器
这里介绍气动执行机构的类型属于两个不同的家庭:气动肌肉和软气动执行机构(温泉)。前一直在研究活动的主题,找到空间在一些工业应用,因为它们是可用的自动化组件市场;后者并不存在于市场,但往往特别设计和集成到常用设备如血压测量系统和其他医疗设备,如汽车座椅和按摩椅。两种类型的气动肌肉已经开发(11,12]:直纤维编织,也称为McKibben肌肉。直纤维气动肌肉(图5(一个))是由硅胶柱室的墙笼由40凯夫拉尔线程,纵向排列,位置由两个戒指,一个被埋在硅胶和其他连接头部包含空气供给/放电管。气动和机械密封是保证通过夹紧系统的管头。限制肌肉的径向变形,金属圆周环排列圆柱腔的外部。McKibben的气动肌肉类型(图5 (b))是由使用圆柱形室的弹性材料,镜鞘组成的网格覆盖外部,和两个头的功能隔离室、屏蔽室的外鞘,并允许肌肉的锚固装置。的两个头,空气供应/流出孔。鞘是编织的类型和有一个圆柱形状:电线,在聚酰胺,并排放置在数字6和伤口42螺旋形式创建长斜方形的网格。发送空气室的体积增加,所以它的外表面接触外鞘;肌肉合同由于高轴向刚度的线形成了鞘。表1显示了硅胶的肌肉的特点。气动肌肉已被用于研究生物医学领域的应用:那些直纤维拟人化的运动康复机器人的上肢肌肉和编织一个劣质和上肢的运动矫正法。
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劣质肢体的活动矫正法是出生的一个研究项目,目的是开发一个解决方案,让老人,人们腿部力量较弱,有一个可穿戴设备的裤子给他们额外的腿部力量让他们从坐姿。这项研究活动的结果(13]是一种优化的原型一自由度下肢矫正法与光结构;它是由碳纤维和自然激活的传感器检测到用户的股四头肌的收缩。
这种类型的命令允许被激活,即使用户的矫正法是坐着,避免座位上的影响,可能造成创伤。碳纤维结构在实验室使用纤维袜子,适合做管状结构从20到45毫米直径,通过ABS与环氧树脂浸渍模具生产的添加剂制造。模具是中空的,两个贝壳。让正确的模具内的纤维聚合在所需的厚度,插入橡皮滚筒,随后充满压缩空气以获得足够的推力对模具的内表面的纤维。在聚合过程中,使用垂直布置,保证最好的产品的表面光洁度。在图6(一)的矫正器模具,长244毫米,是可见的,而在图6 (b),树脂应用碳纤维的袜子上,插入到橡皮滚筒后,显示。
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图7(一)显示了橡皮滚筒涂袜子放入模具中,在图7 (b)显示,碳纤维的生产管,最后,矫正法组装的原型图所示8。碳纤维的袜子厚度约0.5毫米,获得结构的厚度约2毫米,有必要使用4层的袜子,在其结束一个粘合剂应用于保持纤维所需的安排。环氧树脂的浸渍后发生插入橡皮滚筒上的第一个袜子后,继续插入每个后碳纤维的袜子。在墙上的模具,有必要应用分离蜡,防止碳纤维和ABS模具之间的附着力。模具已经关闭后,气缸被带到一个压力1条,因此在烤箱热循环20小时45°C。一旦聚合和提取产品,完成了一个丙烯酸层应用。
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方形水疗是和内部室位于填补压缩空气。平面几何的水疗可以根据应用程序不同:正方形,长方形,圆形、半圆形、环形。室的几何形状再现了致动器的外部形状的几何形状,但在某些情况下,它可能是不同的。无论周长的概要文件,执行器的特点是nondeformable周长。在温泉可以位于一个或多个卷卷,每个都有自己的送风/放电通道或彼此连接,而是一个空气通道。简单类型一院制的温泉已经为医疗领域的应用而设计的。一系列的执行机构安装在脊柱侧凸撑为了应用推动行动脊柱(14]。这些与一个方形水疗室。室变形单方面,放置一个金属板另一端。空气供应/排气通道得到的常见的自行车轮胎管阀使用和安装在金属板的一侧,如图9。
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治疗师使用手工袋充气气压调整为每一个柔软的气动执行机构。水疗中心和几个房间,各有其送风/放电通道,设计和制造了按摩装置如图10(15]。
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多室SPA,安装在结构所穿的主题和接触的腰段脊柱,适用于压缩操作。这个推力强度调整不同的腔内的压力值。每个多室水疗有6小致动器。致动器变形从一边;对面,一个金属板放置和硅胶送风/放电通道。按摩装置由8温泉共有48个致动器。通过适当填充不同的卷,常见的按摩理疗师所使用的技术是复制。的喂养室和压力和空气供给/放电的频率是由一个可编程逻辑控制器。在图11,结果进行表征测试显示了多室SPA。类似的技术已经被用于开发一个铰接手指夹持装置(16),积极做好卸货的腰椎17]。支架是由两个刚性元素,一个低,一个上,分别与髂波峰和胸套接字。距离两个元素互相产生腰椎部分的卸货。的运动刚性元素是委托执行机构,它们之间插入,并定位在双方的用户。
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水疗和几个室,位于不同的飞机在一个并行处理,由一个空气供给/放电通道连接在一起,并使硅橡胶在铸造阶段的执行机构,在图所示12(一个)。在图12 (b)显示了活跃的撑的原型,和力量的特性曲线F与位移Δh如图13。
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每个多室水疗包括5室的半圆的几何,对称变形。治疗师使用手工袋充气调节空气压力值,后医疗处方。表2显示的尺寸和功能特征实现硅橡胶水疗。
3.2。医疗设备
加法制造传播越来越多制造医疗设备的使用它们作为定制假肢单一外科医生适应特定的病人并打印。目前,相关关键问题不是静态加载循环加载,作为承载了植入物(18]。用软的加法制造气压传动装置(SPA),外科的研究项目抓紧器进行了。它重点从自然管壁的内镜手术(NOTES)达到腹腔,利用自然腔如口腔、直肠、阴道管道。这种手术的优点是由没有疤痕,恢复时间的减少,病人的恢复。由于目前的腹腔镜手术器械的局限性,指出一定会求助于机器人系统由外科医生,成为自然管壁的内镜手术机器人(做笔记者)。做笔记者,碰撞可以确保安全的设备,减少对病人的影响的影响;性能在很大程度上取决于交互的操作外科器械的力学与控制系统。满足这两个要求,提出了几个解决方案:解耦的惯性仪表实现系统从其结构的惯性,通过一个弹性传播;一双致动器的使用,其中一个是用于低频和高频的其他应用程序;变刚度系统的使用(19),这是选择的解决方案开发原型的外科抓紧器这里介绍集中在温泉。主要技术规范潜在的这个手术抓紧器的实现,为控制采用的类型,如下:可变刚度,能够发挥最大力量等于11.50 N,和能力允许的最大位移的杖2.4毫米的组件。此外,外径整个原型实现的组件不得超过12毫米。水疗中心的工作原理如图14(b),解决方案的实现变刚度装置小型化责任者(图14(一))是气动驱动的水疗中心,由硅橡胶,安装,和安排agonist-antagonist位置,如图15(b)。廉价香烟的原型图所示15(一)。
这些圆形温泉的特点是内部有一个气室之间形成两个圆形硅橡胶表面,沿圆周:彼此连接发送致动器的空气进入室内造成变形,由于硅胶的合规情况,既可以发生在表面或只有一个,这取决于建设模式。agonist-antagonist模式执行机构系统的抓紧器的开启和关闭是必要的。通过作用于房间内的空气压力,可以控制刚度的传播,如图14(b)。水疗的实现已经被使用了FDM加法制造不同的材料、技术和应用程序的最佳效果已经得到ABS。致动器的设计是通过数值模拟的有限元素法,也多亏了技术作者的硅橡胶水疗的造型。等距模型模拟获得的力开发的致动器作为压力的函数,分配变形。致动器模型提供了最优解的特点是外部直径10毫米,直径等于8毫米,可变形表面和可变形表面的厚度等于1毫米。从分析的结果可以看出,对于一个典型的1.8毫米,只有一个执行机构能够施加一个力等于7 N为0.3 MPa,足以关闭夹应用外部负载时的最大负载3 N。2.4毫米的最大行程,6 N的0.3 MPa致动器施加一个力。符合规范,建立了采用一对为关闭夹和一个SPA水疗。后者需要最小的力可以忽略不计。抓紧器原型图所示15(一)提交给实验室验证测试的活动给予非常积极的结果。
4所示。结论
本文展示了主要的研究活动的结果由作者领域的气动肌肉和软气动执行机构用于活跃矫形器和医疗设备。在这个领域,广泛使用的添加剂制造技术,实现模具,有限元法的计算机辅助设计工具和设计和大小的驱动器和设备应用。的执行机构是气动肌肉和square-sized circular-sized水疗。后者是应用于脊柱侧凸撑,按摩装置,脊髓卸载撑,外科抓紧器,描述了主要结果。加法制造的应用建设模具制造的原型,下肢矫正法在碳纤维。获得的结果感兴趣的科学,应用证明的有效性提出添加剂制造技术领域的辅助设备和康复系统,以及计算机辅助设计和有限元方法。一些应用程序的研究工作正在进行中天然胶乳等弹性体的研究,允许一个更好的比硅酮耐疲劳。
数据可用性
作者认为本文所引用的结果研究工作相关的数值模拟和实验测试活动。数据支持本研究的发现可以从相应的作者(PBZ)请求。
的利益冲突
作者宣称他们没有利益冲突有关出版的手稿。
确认
作者感谢朱塞佩•使用教授和保罗Raimondi帮助我们的研究活动相关的括号和许多研究生,支持我们在一些实践活动。作者没有得到金融支持研究,作者,和/或出版,除了手术抓紧器的发展,资金是来自MIUR(教育部、大学和研究)框架的上下文中的意大利战略研究项目2008 - 2012年题为“创新模块化Micro-Robotic内窥镜手术的工具。”