Summary
Ce protocole introduit un membre robotique surnuméraire portable flexible conçu pour aider à la rééducation des doigts chez les patients victimes d’un AVC. La conception intègre un capteur de flexion pour faciliter l’interaction homme-robot. La validation par le biais d’expériences impliquant à la fois des volontaires sains et des patients victimes d’un AVC souligne l’efficacité et la fiabilité de l’étude proposée.
Abstract
Dans cette étude, nous présentons un membre robotique surnuméraire portable flexible qui aide les patients victimes d’un AVC chronique à rééduquer leurs doigts et à effectuer des mouvements de préhension. Le design de ce membre innovant s’inspire de la flexion des muscles pneumatiques et des caractéristiques uniques de l’extrémité de la trompe d’un éléphant. Il met fortement l’accent sur des facteurs cruciaux tels que la construction légère, la sécurité, la conformité, l’étanchéité et l’obtention d’un rapport rendement/poids/pression élevé. La structure proposée permet au membre robotique d’effectuer à la fois la préhension de l’enveloppe et celle du bout des doigts. L’interaction homme-robot est facilitée par un capteur de flexion flexible, qui détecte les mouvements des doigts de l’utilisateur et les connecte au contrôle du mouvement via une méthode de segmentation de seuil. De plus, le système est portable pour une utilisation quotidienne polyvalente. Pour valider l’efficacité de cette innovation, des expériences réelles impliquant six patients victimes d’un AVC chronique et trois volontaires sains ont été menées. Les commentaires reçus par le biais de questionnaires indiquent que le mécanisme conçu est extrêmement prometteur pour aider les patients victimes d’un AVC chronique dans leurs activités quotidiennes de préhension, ce qui pourrait améliorer leur qualité de vie et les résultats de leur réadaptation.
Introduction
Selon des recherches antérieures1, en 2019, il y avait plus de 100 millions de cas d’AVC dans le monde. Environ les deux tiers de ces cas ont entraîné des séquelles hémiplégiques, et plus de 80 % des patients ayant subi un AVC hémiplégique sévère n’ont pas pu récupérer complètement la fonction de la main et du bras2. De plus, on s’attend à ce que la population vieillissante continue de croître au cours des prochaines décennies, ce qui entraînera une augmentation significative du nombre de victimes potentielles d’AVC. Les déficiences persistantes des membres supérieurs à la suite d’un AVC peuvent affecter considérablement les activités de la vie quotidienne (AVQ), et la rééducation de la main a été cliniquement reconnue comme un objectif essentiel pour améliorer l’activité et la participation des patients victimes d’un AVC chronique3.
Les dispositifs traditionnels de membres supérieurs robotisés à moteur peuvent fournir une force motrice substantielle, mais leurs structures rigides se traduisent souvent par de grandes tailles et des poids élevés. De plus, ils présentent le risque de causer des dommages irréversibles au corps humain s’ils devaient mal fonctionner. En revanche, les actionneurs pneumatiques souples ont démontré un potentiel considérable dans les applications de rééducation4, d’assistance5 et chirurgicales6. Leurs avantages incluent la sécurité, la construction légère et la conformité inhérente.
Ces dernières années, de nombreux robots portables flexibles ont vu le jour, conçus et développés autour d’actionneurs pneumatiques souples. Ces robots ont été conçus pour la rééducation et l’assistance post-rééducation des membres supérieurs des patients victimes d’un AVC. Ils englobent principalement les exosquelettes de la main7,8 et les membres surnuméraires 9,10. Bien que les deux soient utilisés dans les domaines de la robotique portable et de la rééducation, la première interagit directement avec le corps humain, contraignant potentiellement les muscles ou les articulations, tandis que la seconde complète l’espace de travail ou le mouvement humain sans contrainte directe11,12. Des doigts robotiques surnuméraires portables basés sur des servomoteurs ont été mis au point pour aider les ergothérapeutes dans la formation aux activités de la vie quotidienne (AVQ)9. Une approche similaire peut être trouvée dans d’autres recherches10. Ces deux catégories de doigts robotiques ont introduit de nouvelles possibilités d’application de ces robots dans l’assistance à la rééducation des patients hémiparétiques. Néanmoins, il convient de noter que la structure rigide utilisée dans ces conceptions robotiques peut introduire des considérations potentielles concernant le confort et la sécurité de l’utilisateur. La conception, la fabrication et l’évaluation d’un gant robotique souple portable ont été présentées13, qui peuvent être utilisées pour la rééducation de la main et l’entraînement spécifique à une tâche pendant l’imagerie par résonance magnétique fonctionnelle (IRMf). Le gant utilise des actionneurs pneumatiques souples en élastomères de silicone pour générer un mouvement de l’articulation des doigts, et l’appareil est compatible avec l’IRM sans provoquer d’artefacts dans les images IRMf. Yun et al. ont présenté l’Exo-Glove PM, un gant d’assistance pneumatique souple personnalisable qui utilise une approche basée sur l’assemblage14. Cette conception innovante comporte de petits modules et des distances réglables entre eux, permettant aux utilisateurs de personnaliser le gant en fonction de la longueur de leur phalange à l’aide d’entretoises. Cette approche maximise le confort et les performances sans avoir besoin d’une fabrication sur mesure. Les chercheurs ont présenté des actionneurs souples composés de matériaux élastomères avec des canaux intégrés fonctionnant comme des réseaux pneumatiques15. Ces actionneurs génèrent des mouvements de flexion qui s’adaptent en toute sécurité aux mouvements des doigts humains. De plus, les chercheurs ont présenté l’AirExGlove, un dispositif d’exosquelette souple gonflable léger et adaptable16. Ce système est rentable, personnalisable pour différentes tailles de mains et a permis de s’adapter avec succès à des patients présentant différents niveaux de spasticité musculaire. Il offre une solution plus ergonomique et flexible par rapport aux systèmes robotiques rigides. Bien que ces études aient apporté des contributions significatives au développement de robots portables flexibles de rééducation de la main et d’assistance, il convient de noter qu’aucun d’entre eux n’a atteint une portabilité complète et un contrôle complet de l’interaction homme-robot.
De nombreuses études ont exploré la corrélation entre les signaux biologiques, tels que les signaux de l’électroencéphalogramme (EEG)17 ou de l’électromyogramme (EMG)18, et l’intention humaine. Cependant, les deux approches présentent certaines limites en raison des contraintes des dispositifs existants et des conditions technologiques. Les électrodes invasives nécessitent des interventions chirurgicales sur le corps humain, tandis que les électrodes non invasives souffrent de problèmes tels que des niveaux de bruit élevés et un manque de fiabilité dans l’acquisition du signal. On trouvera des discussions détaillées sur ces limites dans la littérature 19,20. Par conséquent, la poursuite de la recherche sur la portabilité et les capacités d’interaction homme-machine conviviales des membres robotiques surnuméraires portables flexibles reste très pertinente.
Dans le cadre de cette étude, un membre robotique surnuméraire portable flexible unique a été conçu et fabriqué pour aider les patients victimes d’un AVC chronique à rééduquer les doigts et à les aider à la préhension. Ce membre robotique se caractérise par sa légèreté, sa sécurité, sa conformité, son étanchéité et son rapport rendement/poids/pression impressionnant. Deux modes de préhension, la préhension de l’enveloppe et la préhension du bout des doigts, ont été réalisés tout en conservant la portabilité et en assurant une interaction homme-robot conviviale. Le protocole détaille le processus de conception et de fabrication de la pince pneumatique et du schéma portable. De plus, une méthode d’interaction homme-robot basée sur des capteurs de flexion flexibles a été proposée, permettant un contrôle pratique et convivial grâce à la segmentation par seuil. Tous ces aspects ont été validés par des expériences pratiques.
Les principales contributions de cette étude sont résumées comme suit : (1) Un membre robotique surnuméraire flexible, léger, convivial et portable pour les patients victimes d’un AVC chronique a été conçu et fabriqué. (2) Une méthode fiable d’interaction homme-robot a été réalisée à partir de capteurs de flexion flexibles. (3) Des expériences en conditions réelles ont été menées pour vérifier l’efficacité et la fiabilité du mécanisme et de la méthode proposés, qui comprennent des tests de force de sortie et impliquent six patients victimes d’un AVC chronique.
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Protocol
Ce protocole a été approuvé par le comité d’éthique de l’hôpital Union, du Tongji Medical College, de l’Université des sciences et technologies de Huazhong. Des patients atteints de troubles fonctionnels des membres supérieurs qui répondaient aux critères diagnostiques et recevaient un traitement dans les unités ambulatoires et hospitalières du service de réadaptation de l’hôpital de l’auteur ont été sélectionnés comme participants. La récupération de la fonction motrice des patients a été évaluée selon les stades de récupération de Brunnstrom21, et les patients des stades 3 à 5 ont été choisis pour participer aux expériences. Le consentement éclairé écrit des patients qui ont participé à l’étude a été obtenu. La procédure comprend la conception du moule pour le préhenseur pneumatique, le processus de fabrication du préhenseur pneumatique à base de caoutchouc de silicone durci, l’intégration d’appareils portables et la mise en œuvre logicielle et matérielle pour la détection de l’intention de préhension. À l’exception du caoutchouc de silicone et des tissus courants, tous les composants portables sont produits à l’aide de la technologie d’impression 3D (voir les fichiers de codage supplémentaires 1 à 5).
1. Conception et fabrication de la pince pneumatique
- Assemblez le moule préconçu22 comme indiqué à la figure 1A, B. Utilisez ensuite de la colle thermofusible pour fixer les fibres de verre aux positions désignées dans le moule, comme illustré à la figure 1C. Assurez-vous d’utiliser de la colle thermofusible pour sceller toutes les zones potentielles susceptibles de provoquer une fuite de silicone.
- Peser une quantité appropriée de composants A et B de l’élastomère de silicone (9 :1 en poids) (voir tableau des matériaux) et les mélanger dans le rapport spécifié. Après le mélange, utilisez une machine de mélange et de dégazage sous vide avec une force centrifuge variable, déterminée par le programme préréglé interne de la machine. Une fois que le mélange est prêt, injectez-le rapidement dans le moule assemblé, comme illustré à la figure 1D.
REMARQUE : La force centrifuge variable est contrôlée par la machine de mélange et de dégazage sous vide via son programme préréglé interne (voir le tableau des matériaux). La force centrifuge doit être augmentée progressivement pour assurer un mélange complet du caoutchouc de silicone et l’élimination des bulles d’air emprisonnées. - Laissez reposer le moule pendant environ 30 s, puis placez-le dans un séchoir sous vide pendant environ 1 min pour permettre aux petites bulles d’air dans le caoutchouc de silicone de s’échapper. Retirez le moule du sèche-linge et placez-le dans son ensemble dans une enceinte thermostatique réglée à 30 °C pendant 12 h, laissant durcir le caoutchouc de silicone.
- Répétez les étapes décrites dans la deuxième étape en injectant le caoutchouc de silicone mélangé dans le moule illustré à la figure 1E. Ensuite, placez le corps en caoutchouc démoulé illustré à la figure 1F dans le moule rempli de caoutchouc de silicone. Mettez l’ensemble dans une enceinte thermostatique réglée à 30 °C pendant 12 h pour permettre au caoutchouc de silicone de durcir.
- Retirez le corps en caoutchouc de silicone durci du moule et coupez tout excès de caoutchouc de silicone. La fabrication de la pince flexible est maintenant terminée.
REMARQUE : La cavité se compose de deux ensembles de grilles pneumatiques, qui sont indépendantes l’une de l’autre. En raison de la différence significative de module d’élasticité entre les fibres de verre et la structure ondulée, la pince pneumatique se plie vers l’intérieur lorsqu’elle est gonflée, ce qui permet des actions de préhension de l’enveloppe. Le bout du doigt est conçu avec une protubérance ressemblant à une trompe d’éléphant, ce qui permet des actions de préhension du bout des doigts.
2. Assemblage du membre robotique surnuméraire flexible portable
REMARQUE : Le membre robotique surnuméraire portable comprend une mini-pompe à air, des vannes d’air, un micro-ordinateur à puce unique, une pince pneumatique, une alimentation électrique, des capteurs de flexion flexibles, un gant portable et des accessoires pour les connexions pneumatiques et électriques (voir le tableau des matériaux), comme illustré à la figure 2.
- Fabriquez méticuleusement à la main le gant portable avec l’aide d’un tailleur. Assurez-vous qu’il subit plusieurs itérations et améliorations en fonction des commentaires de l’utilisateur et de l’expérience du tailleur.
- Fixez la pince pneumatique avec des pièces imprimées en 3D et fixez-la à la position appropriée sur le gant à l’aide de ruban adhésif.
- Intégrez trois capteurs de flexion flexibles (voir le tableau des matériaux) comme illustré à la figure 3 dans le gant. Placez-les respectivement sur l’index, le majeur et l’annulaire, en les alignant avec l’arrière des doigts. Utilisez une carte d’acquisition de données pour enregistrer les signaux des capteurs.
- Amplifiez les signaux du capteur et acheminez-les vers un Arduino (voir le tableau des matériaux). Traitez ces signaux à l’aide d’une fenêtre coulissante et d’un filtrage par les moindres carrés dans l’Arduino23. Utilisez ces valeurs estimées comme données de référence pour la détection d’intention.
- Placez les composants tels que la pompe à air, les vannes d’air, le tableau de commande et l’alimentation électrique dans un sac à dos pour les transporter. Reportez-vous à la figure 4 pour une représentation visuelle de l’effet d’usure.
3. Détection de l’intention de préhension
REMARQUE : Lorsque les doigts de l’utilisateur génèrent un mouvement, le signal de retour du capteur change en conséquence. Il fonctionne en augmentant la résistance dans le circuit au fur et à mesure que le composant se plie davantage. La figure 5 montre les valeurs de signal enregistrées par le capteur de flexion flexible pendant le mouvement du doigt d’un volontaire. Les trois courbes correspondent aux signaux obtenus à partir de capteurs placés sur les trois doigts. Les patients atteints d’hémiparésie ont souvent une mobilité limitée des doigts, mais le capteur est capable de détecter des changements significatifs.
- Collectez des données sur l’étendue et le modèle des changements de capteur pendant les mouvements des doigts. Sélectionnez les valeurs seuils appropriées en fonction de l’amplitude du capteur détecté pour contrôler l’activation de la pompe. Demandez aux participants de bouger librement leurs doigts dans la limite de leurs capacités. Déterminez les valeurs seuils comme les moyennes des valeurs de crête et de vallée de la rétroaction du capteur.
REMARQUE : Lorsque le signal du capteur dépasse la valeur de seuil définie, la pompe commence à fonctionner. La pression de l’air augmente au fur et à mesure que les doigts se plient. À l’inverse, lorsque l’angle de flexion des doigts diminue et que le capteur détecte un signal en dessous du seuil, la soupape d’air relâche la pression à zéro et la pince pneumatique se libère. - Demandez à l’utilisateur d’observer l’état de la pince pneumatique et de déterminer le moment approprié pour arrêter de gonfler l’air et cesser de plier davantage les doigts.
- Répétez les tests ci-dessus pour établir un seuil raisonnable et vous familiariser avec l’utilisation de cet appareil.
4. Tester l’appareil avec des volontaires sains
- Recruter trois volontaires en bonne santé ayant des capacités motrices normales des membres supérieurs pour l’étude afin de confirmer les effets d’usure et de préhension du prototype.
- Réglez la pression d’air maximale pour le préhenseur pneumatique à 100 kPa. Demandez aux participants de fléchir et d’étendre leurs doigts. Demandez aux participants de porter le prototype et de mener des expériences de préhension et de libération sur des objets de différentes formes en utilisant la méthode mentionnée précédemment.
- Sollicitez les commentaires des porteurs concernant leur expérience et ajustez le schéma de port en fonction de leurs suggestions.
REMARQUE : Comme le montre la figure 6, les participants ont réussi à envelopper et à saisir des objets cylindriques de différentes tailles à l’aide du prototype. De plus, ils ont également effectué des tâches de préhension du bout des doigts sur des objets rectangulaires en forme de bloc.
5. Rééducation et aide à la préhension pour les patients
- Évaluer la récupération de la fonction motrice des patients selon les stades de récupération de Brunnström21 par des professionnels de la santé. N’autorisez les patients des stades 3 à 5 à participer aux expériences que pour la rééducation, l’entraînement ou l’assistance quotidienne.
- Recruter six patients hémiparétiques chroniques pour valider la fiabilité et l’efficacité du prototype. Demandez aux patients de porter le gant de manière indépendante (à l’exception du sac à dos) et de déplacer leurs doigts dans leur plage de capacité pour calibrer les valeurs seuils.
- Pendant la phase de rééducation, encouragez les patients à s’engager dans diverses tâches de préhension pour exercer les muscles de leurs doigts. Demandez aux patients de s’asseoir au bord d’une table et d’utiliser le prototype pour effectuer une série d’activités de préhension, notamment la saisie d’une bouteille d’eau, d’une banane, d’un cube et d’une brosse à dents.
- Demandez aux patients de remplir des questionnaires d’enquête pertinents (Fichier supplémentaire 1) en fonction de leurs expériences personnelles après l’expérience. Évaluez les six sentiments subjectifs suivants : la confiance dans le fonctionnement du système ; facilité d’utilisation ; la commodité et le confort de le porter ; l’efficacité et l’utilité pour la réadaptation ; l’efficacité et l’utilité dans la vie quotidienne ; domaines qui doivent encore être améliorés.
- Évaluez leurs réponses sur une échelle de 1 à 5, où 1 représente un pas du tout d’accord et 5 signifie qu’il est tout à fait d’accord. Enregistrez les données et analysez les problèmes liés au prototype et les domaines potentiels d’amélioration en fonction du questionnaire.
REMARQUE : Cela ajoute non seulement de l’intérêt à la formation en réadaptation, mais améliore également la volonté du patient de participer au processus de rétablissement. Dans les cas où les patients ont atteint un état stable mais ont encore du mal à effectuer des tâches de préhension avec leurs doigts, l’utilisation du membre robotique peut aider à effectuer certaines actions de préhension quotidiennes nécessaires à la vie quotidienne.
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Representative Results
Expériences de force de sortie
La figure 7 illustre de manière vivante la conception structurelle et les dimensions de notre actionneur, fournissant une illustration en coupe transversale. Cet actionneur comprend deux ensembles distincts de chambres, chacune contenant cinq chambres à air élégamment incurvées. Remarquablement, à l’extrémité de l’actionneur, nous avons ingénieusement intégré une structure saillante, rappelant l’extrémité d’une trompe d’éléphant, élargissant considérablement le rayon de préhension de l’actionneur.
Pour évaluer la force de sortie de l’actionneur pneumatique souple, une série d’expériences de préhension statique ont été effectuées. Les poids de 20 g, 50 g, 100 g, 200 g et 500 g ont été sélectionnés. Une fois que l’actionneur a été correctement positionné et gonflé, il a été soulevé vers le haut après avoir plié et enveloppé les poids pour évaluer le glissement. Les résultats expérimentaux sont illustrés à la figure 8, la figure 8A-C représentant les résultats expérimentaux de la préhension du bout des doigts, tandis que la figure 8D-F montre les résultats expérimentaux de la préhension de l’enveloppe.
Dans les six conditions de préhension susmentionnées, la pression d’air d’entrée de l’actionneur variait de 0,62 MPa à 0,94 MPa. En raison des variations dans les procédés de fabrication et de la structure de la couche de contrainte entre les différents actionneurs, cette plage numérique peut varier pour différents actionneurs. Si l’on considère que l’actionneur lui-même ne pèse que 63 g, il peut être prouvé que ces actionneurs présentent un rapport force/poids/pression d’air de sortie important. De plus, comme le montre la figure 8F, on peut observer qu’avec une charge croissante, l’actionneur subit une déformation importante pendant le processus de préhension. Cela est dû à la rigidité limitée de l’actionneur souple lui-même.
Évaluation subjective des patients
La figure 9 présente les résultats de l’enquête par questionnaire auprès de six patients. Il est évident qu’il existe un consensus parmi la majorité des participants en ce qui concerne le confort et la convivialité du système portable conçu. Néanmoins, une valeur aberrante distincte, le participant 5, fournit une évaluation globalement moins favorable et soulève des préoccupations importantes au sujet de l’appareil. Notamment, les réponses à la première question présentent une variabilité considérable entre les participants, ce qui peut être attribué à des différences dans l’état de récupération de la main et la courbe d’apprentissage associée à l’utilisation de la machine. De plus, un sentiment de scepticisme prévaut chez la plupart des participants quant à la fonctionnalité du système dans leur vie quotidienne, ce qui souligne la possibilité d’améliorations substantielles de l’appareil.
Figure 1 : Fabrication et assemblage de l’actionneur (A-C) illustrent la structure du moule et la procédure d’assemblage utilisées dans le processus de fabrication de l’actionneur. (D) montre l’état après avoir coulé le caoutchouc de silicone, ce qui donne deux ensembles de chambres. (E) et (F) présentent le moule pour sceller le fond et le résultat d’assemblage correspondant. Veuillez cliquer ici pour voir une version agrandie de cette figure.
Figure 2 : Membre robotique surnuméraire. Cette figure montre tous les composants matériels inclus dans le membre robotique surnuméraire, à l’exception du sac à dos portable. Veuillez cliquer ici pour voir une version agrandie de cette figure.
Figure 3 : Capteur de flexion. Vue d’ensemble du capteur de flexion flexible intégré dans le gant. Veuillez cliquer ici pour voir une version agrandie de cette figure.
Figure 4 : Effet d’usure du prototype. Cette figure illustre l’effet d’usure global du prototype. La masse totale de la pièce d’usure du bras est inférieure à 300 g. Veuillez cliquer ici pour voir une version agrandie de cette figure.
Figure 5 : Signaux du capteur de flexion flexible. Cette figure présente une section des valeurs des capteurs enregistrées lorsque le patient porte le gant et bouge librement ses doigts. Les trois courbes correspondent aux signaux obtenus à partir de capteurs placés sur les trois doigts. Veuillez cliquer ici pour voir une version agrandie de cette figure.
Figure 6 : Expériences de préhension par des volontaires sains. (A-C) démontrent l’effet de la pince pneumatique saisissant trois cylindres de tailles différentes. (D) montre l’effet de la saisie d’un objet rectangulaire en forme de bloc. En (A) et (C), le mode de fonctionnement est la saisie de l’enveloppe. En (B) et (D), le mode de fonctionnement est la préhension du bout des doigts. Veuillez cliquer ici pour voir une version agrandie de cette figure.
Figure 7 : Dimensions et structure du capteur de flexion flexible. Cette image annote les dimensions clés et la structure du capteur de flexion flexible. Il fournit des informations sur l’épaisseur de la paroi de l’actionneur, les dimensions extérieures et la taille de la chambre, y compris une vue en coupe transversale de la structure de l’actionneur. Veuillez cliquer ici pour voir une version agrandie de cette figure.
Figure 8 : Résultats expérimentaux des forces de sortie. (A-C) montrent des résultats de préhension du bout des doigts avec des poids de charge de 20 g, 50 g et 100 g, respectivement. (D-F) présentent des résultats de préhension enveloppants avec des poids de charge de 200 g, 500 g et 700 g, respectivement, dans deux modes de préhension. Veuillez cliquer ici pour voir une version agrandie de cette figure.
Figure 9 : Résultats de l’enquête par questionnaire. Les résultats d’une enquête par questionnaire auprès de six patients sont présentés. Les notes vont de 1 à 5, où 1 signifie « totalement en désaccord » et 5 signifie « tout à fait d’accord ». Veuillez cliquer ici pour voir une version agrandie de cette figure.
Dossier complémentaire 1 : Questions pour les patients sur la base de leurs expériences personnelles après l’expérience. Veuillez cliquer ici pour télécharger ce fichier.
Fichiers de codage supplémentaires 1 à 5 : Conceptions pour la fabrication des composants portables à l’aide de la technologie d’impression 3D. Veuillez cliquer ici pour télécharger ce fichier.
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Discussion
Cette étude présente un membre robotique surnuméraire innovant, flexible et portable conçu pour aider les patients victimes d’un AVC chronique dans les tâches de rééducation et de préhension des doigts. Ce système robotique privilégie la portabilité et offre à la fois des fonctionnalités de préhension de l’enveloppe et de préhension du bout des doigts. Il intègre un capteur de flexion flexible pour un contrôle convivial de l’interaction homme-machine. Des expériences de préhension statique valident les capacités de préhension du mécanisme conçu dans deux modes de préhension distincts. L’étude comprend des expériences avec des patients hémiparétiques pour confirmer la fonctionnalité de préhension et évaluer l’expérience de l’utilisateur, démontrant le potentiel de ce robot pour aider les patients victimes d’un AVC chronique pendant les activités de rééducation et de préhension.
Dans le cadre de cette recherche, les étapes procédurales critiques peuvent être résumées succinctement comme suit : (1) Pendant le processus d’injection de silicone dans le moule, il est impératif de maintenir une vitesse d’injection optimale. Une injection trop rapide peut entraîner une surabondance de bulles d’air, tandis qu’une injection trop lente peut compromettre la fluidité du silicone. (2) Après l’injection de silicone, l’élimination des minuscules bulles d’air à l’intérieur du silicone peut être réalisée à l’aide d’une pompe à vide. Cependant, il est essentiel de faire preuve de prudence et d’éviter une exposition prolongée à la pompe à vide, car cela pourrait entraîner un débordement de silicone. (3) Pour assurer la régularité du mouvement dans les actionneurs fabriqués, il est primordial de maintenir un degré élevé de symétrie dans la fixation des fibres de verre. (4) Avant l’expérimentation, une vérification méticuleuse de l’étanchéité à l’air des actionneurs et de la sécurité des équipements associés, y compris la pompe à air, est obligatoire. Cette mesure de précaution garantit que le circuit reste exempt de tout risque de court-circuit. (5) Compte tenu de la grande variabilité entre les patients en termes de conditions médicales et des différences importantes dans les dimensions des mains dues aux disparités entre les sexes, la production de gants de différentes tailles est indispensable pour répondre aux besoins individuels.
Dans le domaine de la fabrication d’actionneurs, assurer la cohérence structurelle pose un défi de taille. En raison des limitations inhérentes au moulage de matériaux flexibles et au positionnement imprécis des couches limitées, des problèmes tels que des performances incohérentes de l’actionneur et une asymétrie peuvent survenir24. De plus, bien que ces actionneurs présentent une compliance naturelle, leur faible rigidité présente une limitation qui entrave le développement ultérieur. Dans le contexte de la structure conçue dans cette étude, les actionneurs subissent une déformation importante lorsqu’ils sont soumis à une charge de 0,7 kg, ce qui entrave leur capacité à gérer des tâches de préhension lourdes. En outre, le contrôle précis de la force entre les actionneurs et la charge reste un problème difficile25,26. Par rapport aux mains humaines, qui possèdent à la fois la capacité d’effectuer des actions et une forte capacité de perception externe de l’environnement, la structure de déformation continue, la détection de force flexible et la détection tactile ont été des défis permanents dans les applications connexes.
En termes de fonctionnalité, le préhenseur pneumatique actuel a des capacités limitées dans la réalisation de diverses actions de préhension. En revanche, les mains humaines excellent à saisir divers objets de forme complexe et à effectuer des actions complexes telles que déchirer, effleurer et étaler24,27. L’élargissement de la gamme de fonctionnalités de préhension représente un défi de taille pour les préhenseurs pneumatiques. De plus, bien que cette étude propose une structure portable, la pompe à air miniature utilisée génère des niveaux de bruit relativement élevés et fournit un faible débit de gaz de sortie, ce qui exacerbe les effets de déformation élastique existants. Par conséquent, le développement d’une source d’air miniature silencieuse et plus efficace est un autre problème qui doit être abordé.
Au cours d’expériences sur des patients, les chercheurs ont observé que les participants étaient sujets à des spasmes des doigts. Plus précisément, les patients ont présenté une réduction progressive de la mobilité des doigts et ont été incapables d’effectuer des mouvements d’extension et de flexion des doigts au fur et à mesure qu’ils passaient plus de temps dans l’expérience. Par conséquent, une exploration plus approfondie est nécessaire pour détecter les états anormaux des doigts chez les patients et fournir un soutien ou des rappels appropriés. De plus, comme les patients hémiparétiques ne peuvent pas ajuster librement la posture de leurs membres supérieurs comme des individus en bonne santé, la plupart des patients maintiennent leurs bras en position avant. Il en résulte une inadéquation partielle entre le schéma de port actuel et l’état des membres affectés des patients, ce qui entraîne des interférences entre les actionneurs et les bras des patients.
Dans cette étude, la stratégie d’interaction homme-machine que nous avons conçue ne convient qu’aux patients des stades 3 à 5. En effet, les patients à un stade précoce ont un tonus musculaire plus élevé des doigts et ne peuvent pas effectuer de mouvements d’extension et de flexion des doigts. Par conséquent, il existe encore des limites importantes à la stratégie d’interaction homme-machine basée sur les mouvements des doigts.
En résumé, il y a de nombreuses questions difficiles à résoudre dans la recherche sur les membres robotiques surnuméraires portables, y compris la conception structurelle des actionneurs souples, la modélisation de la perception, le contrôle de la force d’interaction, les stratégies d’interaction homme-machine pour les membres robotiques portables et la conception de schémas portables. Ces défis justifient une exploration continue par les chercheurs dans le domaine de la robotique portable.
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Disclosures
Les auteurs n’ont rien à divulguer.
Acknowledgments
Ce travail est soutenu par la Fondation nationale des sciences naturelles de Chine dans le cadre d’une subvention U1913207 et par le programme de l’équipe de jeunes HUST Academic Frontier. Les auteurs tiennent à remercier ces fondations pour leur soutien.
Materials
| Name | Company | Catalog Number | Comments |
| Air Compressor | Xinweicheng | F35L-JJ-24V | Provide air supply for the pneumatic gripper |
| Arduino | Emakefun | Mega 2560 | Single-chip microcomputer/data acquisition card |
| Backpack | Mujin | Integrating external devices | |
| Flex Sensor | Spectra Symbol | Flex Sensor 2.2 | Flexible bending sensors |
| Power supply | Yisenneng | YSN-37019200 | Provide power |
| PU quick-plug connector | Elecall | PU-6 | Connector for PU tube |
| PU tube | Baishehui | ZDmJKJJy | Air line connection |
| Silicone elastomer | Wacker | ELASTOSIL M4601 A/B | Material of the pneumatic gripper |
| Thermostatic chamber | Ruyi | 101-00A | Constant temperature to accelerate the curing of silicone |
| Vacuum dryer | Fujiwara | PC-3 | Further defoaming |
| Vacuum mixing and degassing machine | Smida | TMV-200T | Mix silicone thoroughly and get it defoamed |
| Valve | SMC | NTV1030-312CL | Control the air pressure |
References
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