Toward a Millimeter-Scale Tendon-Driven Continuum Wrist with Integrated Gripper for Microsurgical Applications

要約

顕微手術は、特に影響力がありながらも困難を伴う手術形式です。
ロボット支援顕微手術は、手術の器用さを向上させ、これまで不可能だった方法でこのような小規模な精密手術を可能にする可能性を秘めています。
眼内顕微手術は、眼から挿入される硬い器具では器用さが欠如していることもあり、特に困難な領域です。
この研究では、顕微手術用途を目的とした、ミリメートルスケールの器用な手首の新しいデザインを紹介します。
手首は最先端の二光子重合 (2PP) 微細加工技術によって作成されており、複雑な内部形状とミクロンスケールの重要な機能を備えた柔軟な素材で手首を構築できます。
手首は一辺1.25mm、全長3.75mmの正方形断面が特徴です。
手首には 3 本の腱が全長に沿って配置されており、小型のリニア アクチュエータによって作動すると、任意の面で曲げることができます。
ロボットの中心に沿って配線された 4 番目の腱によって作動する統合グリッパーを紹介します。
手首とグリッパーの曲げ角度を特徴付けることで評価します。
両軸とも90度以上の曲げを実現しています。
平面外の曲げと、作動中のロボットのグリップ能力を実証します。
当社の統合されたグリッパー/腱駆動の連続ロボット設計とメソスケール組み立て技術は、これまでに実証されているよりもさらに器用な小規模手首を可能にする可能性を秘めています。
このような手首は、遠隔手術中の外科医の能力を向上させる可能性があり、眼内手術を含むさまざまな外科的用途における患者の転帰を改善する可能性があります。

要約(オリジナル)

Microsurgery is a particularly impactful yet challenging form of surgery. Robot assisted microsurgery has the potential to improve surgical dexterity and enable precise operation on such small scales in ways not previously possible. Intraocular microsurgery is a particularly challenging domain in part due to the lack of dexterity that is achievable with rigid instruments inserted through the eye. In this work, we present a new design for a millimeter-scale, dexterous wrist intended for microsurgery applications. The wrist is created via a state-of-the-art two-photon-polymerization (2PP) microfabrication technique, enabling the wrist to be constructed of flexible material with complex internal geometries and critical features at the micron-scale. The wrist features a square cross section with side length of 1.25 mm and total length of 3.75 mm. The wrist has three tendons routed down its length which, when actuated by small-scale linear actuators, enable bending in any plane. We present an integrated gripper actuated by a fourth tendon routed down the center of the robot. We evaluate the wrist and gripper by characterizing its bend-angle. We achieve more than 90 degrees bending in both axes. We demonstrate out of plane bending as well as the robot’s ability to grip while actuated. Our integrated gripper/tendon-driven continuum robot design and meso-scale assembly techniques have the potential to enable small-scale wrists with more dexterity than has been previously demonstrated. Such a wrist could improve surgeon capabilities during teleoperation with the potential to improve patient outcomes in a variety of surgical applications, including intraocular surgery.

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