Summary
Dieses Protokoll führt eine flexible, tragbare, überzählige Robotergliedmaße ein, die auf die Unterstützung der Fingerrehabilitation von Schlaganfallpatienten zugeschnitten ist. Das Design enthält einen Biegesensor, um eine nahtlose Mensch-Roboter-Interaktion zu ermöglichen. Die Validierung durch Experimente sowohl mit gesunden Probanden als auch mit Schlaganfallpatienten unterstreicht die Wirksamkeit und Zuverlässigkeit der vorgeschlagenen Studie.
Abstract
In dieser Studie stellen wir ein flexibles, tragbares, überzähliges Roboterglied vor, das chronischen Schlaganfallpatienten bei der Rehabilitation von Fingern und Greifbewegungen hilft. Das Design dieses innovativen Gliedes ist inspiriert von der Beugung pneumatischer Muskeln und den einzigartigen Eigenschaften der Rüsselspitze eines Elefanten. Es legt großen Wert auf entscheidende Faktoren wie Leichtbau, Sicherheit, Konformität, Wasserdichtigkeit und das Erreichen eines hohen Leistungs-Gewichts-Druck-Verhältnisses. Die vorgeschlagene Struktur ermöglicht es der Robotergliedmaße, sowohl die Hülle als auch die Fingerspitze zu greifen. Die Mensch-Roboter-Interaktion wird durch einen flexiblen Biegesensor erleichtert, der die Fingerbewegungen des Trägers erkennt und sie über eine Schwellensegmentierungsmethode mit der Bewegungssteuerung verbindet. Darüber hinaus ist das System tragbar für den vielseitigen täglichen Einsatz. Um die Wirksamkeit dieser Innovation zu validieren, wurden reale Experimente mit sechs chronischen Schlaganfallpatienten und drei gesunden Probanden durchgeführt. Die Rückmeldungen, die über Fragebögen eingegangen sind, deuten darauf hin, dass der entwickelte Mechanismus ein immenses Potenzial für die Unterstützung von Patienten mit chronischem Schlaganfall bei ihren täglichen Greifaktivitäten darstellt und möglicherweise ihre Lebensqualität und ihre Rehabilitationsergebnisse verbessert.
Introduction
Nach früheren Untersuchungen1 gab es im Jahr 2019 weltweit mehr als 100 Millionen Schlaganfallfälle. Etwa zwei Drittel dieser Fälle führten zu halbseitig gelähmten Folgeerkrankungen, und über 80 % der Patienten mit schwerem hemiplegischem Schlaganfall konnten die Hand- und Armfunktion nicht vollständig wiederherstellen2. Darüber hinaus wird erwartet, dass die alternde Bevölkerung in den kommenden Jahrzehnten weiter zunehmen wird, was zu einem deutlichen Anstieg der Zahl potenzieller Schlaganfallopfer führen wird. Die anhaltenden Beeinträchtigungen der oberen Extremitäten nach einem Schlaganfall können die Aktivitäten des täglichen Lebens erheblich beeinträchtigen, und die Handrehabilitation wurde klinisch als kritisches Ziel für die Verbesserung der Aktivität und Beteiligung von Patienten mit chronischem Schlaganfall anerkannt3.
Herkömmliche motorbetriebene Roboter für die oberen Gliedmaßen können eine erhebliche Antriebskraft liefern, aber ihre starren Strukturen führen oft zu großen Abmessungen und hohen Gewichten. Darüber hinaus bergen sie das Risiko, den menschlichen Körper irreversibel zu schädigen, wenn sie nicht richtig funktionieren. Im Gegensatz dazu haben weiche pneumatische Aktuatoren ein erhebliches Potenzial in der Rehabilitation4, der Assistenz5 und der chirurgischen Anwendung6 gezeigt. Zu ihren Vorteilen gehören Sicherheit, Leichtbau und inhärente Nachgiebigkeit.
In den letzten Jahren sind zahlreiche flexible tragbare Roboter entstanden, die um weiche pneumatische Aktuatoren herum entworfen und entwickelt wurden. Diese Roboter sind für die Rehabilitation und Nachsorge der oberen Gliedmaßen von Schlaganfallpatienten vorgesehen. Sie umfassen in erster Linie Hand-Exoskelette7,8 und überzählige Gliedmaßen 9,10. Obwohl beide in den Bereichen tragbare Robotik und Rehabilitation eingesetzt werden, interagiert erstere direkt mit dem menschlichen Körper und schränkt möglicherweise Muskeln oder Gelenke ein, während letztere den menschlichen Arbeitsbereich oder die Bewegung ohne direkte Einschränkung ergänzt11,12. Tragbare, überzählige Roboterfinger, die auf Servomotoren basieren, wurden entwickelt, um Ergotherapeuten bei Aktivitäten des täglichen Lebens (ADLs) zu unterstützen9. Ein ähnlicher Ansatz findet sich in anderen Untersuchungen10. Diese beiden Kategorien von Roboterfingern haben neue Möglichkeiten für den Einsatz solcher Roboter in der Rehabilitationshilfe von hemiparetischen Patienten eröffnet. Nichtsdestotrotz ist es erwähnenswert, dass die starre Struktur, die in diesen Roboterdesigns verwendet wird, potenzielle Überlegungen in Bezug auf Benutzerkomfort und -sicherheit mit sich bringen kann. Das Design, die Herstellung und die Evaluierung eines weichen, tragbaren Roboterhandschuhswurden vorgestellt 13, der für die Handrehabilitation und das aufgabenspezifische Training während der funktionellen Magnetresonanztomographie (fMRT) verwendet werden kann. Der Handschuh verwendet weiche pneumatische Aktuatoren aus Silikonelastomeren, um eine Fingergelenkbewegung zu erzeugen, und das Gerät ist MR-kompatibel, ohne Artefakte in fMRT-Bildern zu verursachen. Yun et al. stellten den Exo-Glove PM vor, einen anpassbaren weichen, pneumatischen Hilfshandschuh, der einen montagebasierten Ansatz verwendet14. Dieses innovative Design zeichnet sich durch kleine Module und einstellbare Abstände zwischen ihnen aus, die es dem Benutzer ermöglichen, den Handschuh mithilfe von Abstandshaltern an seine Phalangelänge anzupassen. Dieser Ansatz maximiert Komfort und Leistung, ohne dass eine kundenspezifische Fertigung erforderlich ist. Die Forscher präsentierten weiche Aktuatoren, die aus elastomeren Materialien mit integrierten Kanälen bestehen, die als pneumatische Netzwerke fungieren15. Diese Aktuatoren erzeugen Biegebewegungen, die sich den menschlichen Fingerbewegungen sicher anpassen. Darüber hinaus stellten die Forscher den AirExGlove vor, ein leichtes und anpassungsfähiges aufblasbares, weiches Exoskelett-Gerät16. Dieses System ist kostengünstig, kann an verschiedene Handgrößen angepasst werden und hat erfolgreich Patienten mit unterschiedlichen Graden an Muskelspastik aufgenommen. Es bietet eine ergonomischere und flexiblere Lösung im Vergleich zu starr gekoppelten Robotersystemen. Während diese Studien einen bedeutenden Beitrag zur Entwicklung flexibler tragbarer Handrehabilitations- und Assistenzroboter geleistet haben, ist es erwähnenswert, dass keine von ihnen eine vollständige Portabilität und Steuerung der Mensch-Roboter-Interaktion erreicht hat.
Zahlreiche Studien haben den Zusammenhang zwischen biologischen Signalen, wie z. B. Elektroenzephalogramm (EEG)17 oder Elektromyogramm (EMG)-Signalen18, und menschlicher Intention untersucht. Beide Ansätze haben jedoch gewisse Einschränkungen innerhalb der Einschränkungen bestehender Geräte und technologischer Bedingungen. Invasive Elektroden erfordern chirurgische Eingriffe am menschlichen Körper, während nicht-invasive Elektroden unter Problemen wie hohem Rauschpegel und Unzuverlässigkeit bei der Signalerfassung leiden. Ausführliche Erörterungen dieser Einschränkungen finden sich in der Literatur19,20. Daher bleibt die Erforschung der Portabilität und der benutzerfreundlichen Mensch-Maschine-Interaktionsfähigkeiten von flexiblen, tragbaren, überzähligen Robotergliedmaßen von großer Bedeutung.
In dieser Studie wurde eine einzigartige, flexible, tragbare, überzählige Robotergliedmaße entworfen und hergestellt, um Patienten mit chronischem Schlaganfall bei der Rehabilitation der Finger und der Unterstützung beim Greifen zu unterstützen. Dieses Roboterglied zeichnet sich durch sein geringes Gewicht, seine Sicherheit, seine Nachgiebigkeit, seine Wasserdichtigkeit und sein beeindruckendes Verhältnis von Leistung zu Gewicht/Druck aus. Zwei Greifmodi, Hüllkurve und Fingerspitzengreifen, wurden erreicht, während die Portabilität erhalten bleibt und eine benutzerfreundliche Mensch-Roboter-Interaktion gewährleistet ist. Das Protokoll beschreibt den Konstruktions- und Herstellungsprozess des pneumatischen Greifers und des Wearable-Schemas. Darüber hinaus wurde eine Mensch-Roboter-Interaktionsmethode vorgeschlagen, die auf flexiblen Biegesensoren basiert und eine bequeme und benutzerfreundliche Steuerung durch Schwellwertsegmentierung ermöglicht. All diese Aspekte wurden durch praktische Experimente validiert.
Die Hauptbeiträge dieser Studie sind wie folgt zusammengefasst: (1) Ein leichtes, freundliches und tragbares, flexibles, überzähliges Roboterglied für chronische Schlaganfallpatienten wurde entworfen und hergestellt. (2) Es wurde eine zuverlässige Methode der Mensch-Roboter-Interaktion auf Basis flexibler Biegesensoren realisiert. (3) Es wurden Experimente unter realen Bedingungen durchgeführt, um die Wirksamkeit und Zuverlässigkeit des vorgeschlagenen Mechanismus und der vorgeschlagenen Methode zu überprüfen, die Leistungskrafttests umfassen und an denen sechs Patienten mit chronischem Schlaganfall beteiligt sind.
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Protocol
Dieses Protokoll wurde vom Ethikausschuss des Union Hospital, Tongji Medical College, Huazhong University of Science and Technology genehmigt. Als Teilnehmer wurden Patienten mit Funktionsstörungen der oberen Extremitäten ausgewählt, die die diagnostischen Kriterien erfüllten und in der Rehabilitationsabteilung, den ambulanten und stationären Abteilungen des Krankenhauses des Autors behandelt wurden. Die Wiederherstellung der motorischen Funktion der Patienten wurde gemäß den Brunnstrom-Erholungsstadien21 beurteilt, und Patienten in den Stadien 3-5 wurden ausgewählt, um an den Experimenten teilzunehmen. Von den Patienten, die an der Studie teilnahmen, wurde eine schriftliche Einverständniserklärung eingeholt. Das Verfahren umfasst das Werkzeugdesign für den pneumatischen Greifer, den Herstellungsprozess des pneumatischen Greifers auf Basis von ausgehärtetem Silikonkautschuk, die Integration tragbarer Geräte sowie die Implementierung von Software und Hardware für die Erkennung der Greifabsicht. Mit Ausnahme von Silikonkautschuk und gängigen Stoffen werden alle tragbaren Komponenten im 3D-Druckverfahren hergestellt (siehe Ergänzende Codierungsdateien 1-5).
1. Konstruktion und Herstellung des pneumatischen Greifers
- Montieren Sie die vorgefertigte Form22 wie in Abbildung 1A, B gezeigt. Verwenden Sie dann Schmelzkleber, um die Glasfasern an den vorgesehenen Stellen in der Form zu befestigen, wie in Abbildung 1C dargestellt. Stellen Sie sicher, dass Sie Schmelzkleber verwenden, um alle potenziellen Bereiche abzudichten, die zum Austreten von Silikon führen können.
- Wiegen Sie eine angemessene Menge der Komponenten A und B des Silikonelastomers (9:1 nach Gewicht) (siehe Materialtabelle) und mischen Sie sie im angegebenen Verhältnis. Verwenden Sie nach dem Mischen eine Vakuummisch- und Entgasungsmaschine mit einer variablen Zentrifugalkraft, die durch das interne voreingestellte Programm der Maschine bestimmt wird. Sobald die Mischung fertig ist, spritzen Sie sie umgehend in die montierte Form, wie in Abbildung 1D dargestellt.
HINWEIS: Die variable Zentrifugalkraft wird von der Vakuummisch- und Entgasungsmaschine über ihr internes voreingestelltes Programm gesteuert (siehe Materialtabelle). Die Zentrifugalkraft muss schrittweise erhöht werden, um eine gründliche Durchmischung des Silikonkautschuks und die Entfernung eingeschlossener Luftblasen zu gewährleisten. - Lassen Sie die Form ca. 30 s stehen und legen Sie sie dann für ca. 1 min in einen Vakuumtrockner, damit kleine Luftblasen im Silikonkautschuk entweichen können. Nehmen Sie die Form aus dem Trockner und stellen Sie sie als Ganzes 12 Stunden lang in eine Thermostatkammer, die auf 30 °C eingestellt ist, damit der Silikonkautschuk aushärten kann.
- Wiederholen Sie die im zweiten Schritt beschriebenen Schritte, indem Sie den gemischten Silikonkautschuk in die in Abbildung 1E gezeigte Form spritzen. Legen Sie als Nächstes den in Abbildung 1F gezeigten entformten Gummikörper in die mit Silikonkautschuk gefüllte Form. Stellen Sie die gesamte Baugruppe 12 Stunden lang in eine Thermostatkammer, die auf 30 °C eingestellt ist, damit der Silikonkautschuk aushärten kann.
- Nehmen Sie den ausgehärteten Silikonkautschukkörper aus der Form und schneiden Sie überschüssigen Silikonkautschuk ab. Die Fertigung des flexiblen Greifers ist nun abgeschlossen.
HINWEIS: Die Kavität besteht aus zwei Sätzen von pneumatischen Gittern, die unabhängig voneinander sind. Aufgrund des signifikanten Unterschieds im Elastizitätsmodul zwischen den Glasfasern und der gewellten Struktur biegt sich der pneumatische Greifer beim Aufblasen nach innen, was das Greifen der Hülle ermöglicht. Die Fingerkuppe ist mit einem Vorsprung versehen, der einem Elefantenrüssel ähnelt und ein Greifen mit der Fingerspitze ermöglicht.
2. Zusammenbau der tragbaren, flexiblen, überzähligen Robotergliedmaße
HINWEIS: Das tragbare, überzählige Roboterglied umfasst eine Mini-Luftpumpe, Luftventile, einen Ein-Chip-Mikrocomputer, einen pneumatischen Greifer, ein Netzteil, flexible Biegesensoren, einen tragbaren Handschuh und Zubehör für pneumatische und elektrische Anschlüsse (siehe Materialtabelle), wie in Abbildung 2 dargestellt.
- Fertigen Sie den tragbaren Handschuh mit Hilfe eines Schneiders in akribischer Handarbeit. Stellen Sie sicher, dass es mehrere Iterationen und Verbesserungen auf der Grundlage des Feedbacks des Trägers und der Erfahrung des Schneiders durchläuft.
- Befestigen Sie den pneumatischen Greifer mit 3D-gedruckten Teilen und befestigen Sie ihn mit Klebeband an der entsprechenden Stelle am Handschuh.
- Betten Sie drei flexible Biegesensoren (siehe Materialtabelle) wie in Abbildung 3 dargestellt in den Handschuh ein. Lege sie auf den Zeige-, Mittel- und Ringfinger und richte sie an der Rückseite der Finger aus. Verwenden Sie eine Datenerfassungskarte, um die Signale der Sensoren aufzuzeichnen.
- Verstärken Sie die Sensorsignale und leiten Sie sie auf einen Arduino (siehe Materialtabelle). Verarbeiten Sie diese Signale mit Hilfe eines gleitenden Fensters und der Filterung der kleinsten Quadrate innerhalb des Arduino23. Verwenden Sie diese geschätzten Werte als Basisdaten für die Absichtserkennung.
- Platzieren Sie Komponenten wie die Luftpumpe, die Luftventile, die Steuerplatine und das Netzteil in einem Rucksack, um sie zu transportieren. Abbildung 4 zeigt eine visuelle Darstellung des Trageeffekts.
3. Erkennen der Greifabsicht
HINWEIS: Wenn die Finger des Trägers eine Bewegung erzeugen, ändert sich das Sensor-Feedback-Signal entsprechend. Es funktioniert, indem es den Widerstand in der Schaltung erhöht, wenn sich das Bauteil stärker biegt. Abbildung 5 zeigt die aufgezeichneten Signalwerte des flexiblen Biegesensors während der Fingerbewegung eines Probanden. Die drei Kurven entsprechen den Signalen, die von Sensoren an den drei Fingern erhalten werden. Patienten mit Hemiparese haben oft eine eingeschränkte Fingerbeweglichkeit, aber der Sensor ist in der Lage, signifikante Veränderungen zu erkennen.
- Sammeln Sie Daten über die Reichweite und das Muster von Sensoränderungen während Fingerbewegungen. Wählen Sie geeignete Schwellenwerte basierend auf der erkannten Sensoramplitude aus, um die Pumpenaktivierung zu steuern. Weisen Sie die Teilnehmer an, ihre Finger innerhalb ihres Leistungsbereichs frei zu bewegen. Bestimmen Sie die Schwellwerte als Mittelwerte der Spitzen- und Talwerte der Sensorrückmeldung.
HINWEIS: Wenn das Sensorsignal den eingestellten Schwellenwert überschreitet, beginnt die Pumpe zu arbeiten. Der Luftdruck steigt, wenn sich die Finger weiter beugen. Umgekehrt, wenn der Biegewinkel der Finger abnimmt und der Sensor ein Signal unterhalb des Schwellenwerts erkennt, gibt das Luftventil den Druck auf Null ab und der pneumatische Greifer löst sich. - Bitten Sie den Benutzer, den Zustand des pneumatischen Greifers zu beobachten und den geeigneten Zeitpunkt zu bestimmen, um das Aufblasen der Luft zu stoppen und das weitere Biegen der Finger zu beenden.
- Wiederholen Sie die obigen Tests, um einen angemessenen Schwellenwert festzulegen und sich mit der Verwendung dieses Geräts vertraut zu machen.
4. Testen des Geräts mit gesunden Probanden
- Gewinnen Sie drei gesunde Freiwillige mit normalen motorischen Fähigkeiten der oberen Gliedmaßen für die Studie, um die Verschleiß- und Greifeffekte des Prototyps zu bestätigen.
- Stellen Sie den maximalen Luftdruck für den pneumatischen Greifer auf 100 kPa ein. Weisen Sie die Teilnehmer an, ihre Finger zu beugen und zu strecken. Lassen Sie die Teilnehmer den Prototyp tragen und Greifen- und Loslassexperimente an Objekten verschiedener Formen mit der zuvor erwähnten Methode durchführen.
- Holen Sie Feedback von den Trägern zu ihren Erfahrungen ein und passen Sie das Trageschema auf der Grundlage ihrer Vorschläge an.
HINWEIS: Wie in Abbildung 6 dargestellt, haben die Teilnehmer mit dem Prototyp erfolgreich zylindrische Objekte unterschiedlicher Größe umhüllt und gegriffen. Darüber hinaus führten sie auch Fingerspitzen-Greifaufgaben an rechteckigen blockförmigen Objekten durch.
5. Rehabilitation und Greifhilfe für Patienten
- Beurteilen Sie die motorische Wiederherstellung der Patienten gemäß den Brunnström-Genesungsstufen21 durch medizinisches Fachpersonal. Lassen Sie Patienten in den Stadien 3-5 nur an den Experimenten für Rehabilitationstraining oder tägliche Unterstützung teilnehmen.
- Ziehen Sie sechs Patienten mit chronischer Hemiparese hinzu, um die Zuverlässigkeit und Wirksamkeit des Prototyps zu validieren. Weisen Sie die Patienten an, den Handschuh (mit Ausnahme des Rucksacks) selbstständig zu tragen und ihre Finger innerhalb ihres Bereichs zu bewegen, um die Schwellenwerte zu kalibrieren.
- Ermutigen Sie die Patienten während der Rehabilitationsphase, sich mit verschiedenen Greifaufgaben zu beschäftigen, um ihre Fingermuskeln zu trainieren. Lassen Sie die Patienten an der Kante eines Tisches sitzen und verwenden Sie den Prototyp, um eine Reihe von Greifaktivitäten auszuführen, einschließlich des Greifens einer Wasserflasche, einer Banane, eines Würfels und einer Zahnbürste.
- Bitten Sie die Patienten, relevante Fragebögen (Ergänzungsdatei 1) auszufüllen, die auf ihren persönlichen Erfahrungen nach dem Experiment basieren. Bewerten Sie die folgenden sechs subjektiven Gefühle: Vertrauen in die Funktion des Systems; Benutzerfreundlichkeit; Bequemlichkeit und Komfort des Tragens; Wirksamkeit und Nützlichkeit für die Rehabilitation; Wirksamkeit und Nützlichkeit im täglichen Leben; Bereiche, die noch verbessert werden müssen.
- Bewerten Sie ihre Antworten auf einer Skala von 1 bis 5, wobei 1 für "stimme überhaupt nicht zu" und 5 für "stimme voll und ganz zu" steht. Erfassen Sie die Daten und analysieren Sie die Probleme mit dem Prototyp und mögliche Verbesserungsbereiche auf der Grundlage des Fragebogens.
HINWEIS: Dies erhöht nicht nur das Interesse am Rehabilitationstraining, sondern erhöht auch die Bereitschaft des Patienten, sich am Genesungsprozess zu beteiligen. In Fällen, in denen Patienten einen stabilen Zustand erreicht haben, aber immer noch Schwierigkeiten haben, Greifaufgaben mit ihren Fingern auszuführen, kann der Einsatz der Robotergliedmaße bei der Durchführung bestimmter täglicher Greifhandlungen helfen, die für das tägliche Leben erforderlich sind.
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Representative Results
Experimente mit Ausgangskräften
Abbildung 7 zeigt anschaulich den konstruktiven Aufbau und die Abmessungen unseres Aktuators und bietet eine Querschnittsveranschaulichung. Dieser Antrieb besteht aus zwei unterschiedlichen Kammern, die jeweils fünf elegant gekrümmte Luftkammern enthalten. Bemerkenswert ist, dass wir am Ende des Aktuators eine hervorstehende Struktur integriert haben, die an die Rüsselspitze eines Elefanten erinnert und den Greifradius des Aktuators deutlich erweitert.
Um die Ausgangskraft des weichpneumatischen Aktuators zu beurteilen, wurde eine Reihe von statischen Greifversuchen durchgeführt. Es wurden Gewichte mit einem Einzelgewicht von 20 g, 50 g, 100 g, 200 g und 500 g ausgewählt. Nachdem der Aktuator entsprechend positioniert und aufgeblasen wurde, wurde er nach dem Biegen und Umhüllen der Gewichte nach oben gehoben, um den Schlupf zu bewerten. Die experimentellen Ergebnisse sind in Abbildung 8 dargestellt, wobei Abbildung 8A-C die experimentellen Ergebnisse des Greifens mit den Fingerspitzen darstellt, während Abbildung 8D-F die experimentellen Ergebnisse des Greifens von Hüllen zeigt.
In den oben genannten sechs Greifbedingungen lag der Eingangsluftdruck zum Aktuator zwischen 0,62 MPa und 0,94 MPa. Aufgrund von Variationen in den Herstellungsprozessen und der Struktur der einschränkenden Schicht zwischen verschiedenen Aktuatoren kann dieser numerische Bereich für verschiedene Aktuatoren variieren. Wenn man bedenkt, dass der Antrieb selbst nur 63 g wiegt, kann nachgewiesen werden, dass solche Antriebe ein erhebliches Verhältnis von Abtriebskraft zu Gewicht / Luftdruck aufweisen. Des Weiteren ist, wie in Figur 8F dargestellt, zu beobachten, dass der Aktuator mit zunehmender Belastung während des Greifvorgangs eine signifikante Verformung erfährt. Dies wird auf die begrenzte Steifigkeit des Soft-Aktuators selbst zurückgeführt.
Subjektive Bewertung durch Patienten
Abbildung 9 zeigt die Ergebnisse der Fragebogenbefragung von sechs Patienten. Es ist offensichtlich, dass unter der Mehrheit der Teilnehmer ein Konsens über den Komfort und die Benutzerfreundlichkeit des entworfenen tragbaren Systems besteht. Nichtsdestotrotz liefert ein deutlicher Ausreißer, Teilnehmer 5, eine insgesamt ungünstigere Bewertung und wirft erhebliche Bedenken hinsichtlich des Geräts auf. Bemerkenswert ist, dass die Antworten auf die erste Frage eine beträchtliche Variabilität zwischen den Teilnehmern aufweisen, was auf Unterschiede im Erholungsstatus der Hände und die mit der Maschinennutzung verbundene Lernkurve zurückzuführen ist. Darüber hinaus herrscht bei den meisten Teilnehmern eine gewisse Skepsis gegenüber der Funktionalität des Systems in ihrem täglichen Leben, was den Spielraum für substanzielle Verbesserungen des Geräts unterstreicht.
Abbildung 1: Herstellung und Montage von Aktuatoren. (A-C) veranschaulichen die Formstruktur und das Montageverfahren, die bei der Herstellung von Aktuatoren verwendet werden. (D) zeigt den Zustand nach dem Gießen des Silikonkautschuks, was zu zwei Sätzen von Kammern führt. (E) und (F) zeigen die Form zum Abdichten des Bodens und das entsprechende Montageergebnis. Bitte klicken Sie hier, um eine größere Version dieser Abbildung anzuzeigen.
Abbildung 2: Überzählige Robotergliedmaße. Diese Abbildung zeigt alle Hardwarekomponenten, die in der überzähligen Robotergliedmaße enthalten sind, mit Ausnahme des tragbaren Rucksacks. Bitte klicken Sie hier, um eine größere Version dieser Abbildung anzuzeigen.
Abbildung 3: Flex-Sensor. Ein Überblick über den flexiblen Biegesensor, der in den Handschuh eingebettet ist. Bitte klicken Sie hier, um eine größere Version dieser Abbildung anzuzeigen.
Abbildung 4: Verschleißeffekt des Prototyps. Diese Abbildung veranschaulicht den gesamten Verschleißeffekt des Prototyps. Die Gesamtmasse des Armverschleißteils beträgt weniger als 300 g. Bitte klicken Sie hier, um eine größere Version dieser Abbildung anzuzeigen.
Abbildung 5: Signale des flexiblen Biegesensors. Diese Abbildung zeigt einen Ausschnitt von Sensorwerten, die aufgezeichnet werden, wenn der Patient den Handschuh trägt und seine Finger frei bewegt. Die drei Kurven entsprechen den Signalen, die von Sensoren an den drei Fingern erhalten werden. Bitte klicken Sie hier, um eine größere Version dieser Abbildung anzuzeigen.
Abbildung 6: Greifversuche von gesunden Probanden. (A-C) zeigen die Wirkung des pneumatischen Greifers beim Greifen von drei verschiedenen Zylindergrößen. (D) zeigt den Effekt des Greifens eines rechteckigen blockförmigen Objekts. In (A) und (C) ist die Betriebsart Hüllkurvengreifen. In (B) und (D) ist die Betriebsart das Greifen mit den Fingerspitzen. Bitte klicken Sie hier, um eine größere Version dieser Abbildung anzuzeigen.
Abbildung 7: Abmessungen und Struktur des flexiblen Biegesensors. Dieses Bild kommentiert die wichtigsten Abmessungen und den Aufbau des flexiblen Biegesensors. Es liefert Informationen über die Wandstärke des Aktuators, die Außenabmessungen und die Kammergrößen, einschließlich einer Querschnittsansicht der Struktur des Aktuators. Bitte klicken Sie hier, um eine größere Version dieser Abbildung anzuzeigen.
Abbildung 8: Experimentelle Ergebnisse der Ausgangskräfte. (A-C) zeigen Fingerspitzen-Greifergebnisse mit Lastgewichten von 20 g, 50 g bzw. 100 g. (D-F) zeigen umhüllende Greifergebnisse mit Lastgewichten von 200 g, 500 g bzw. 700 g in zwei Greifmodi. Bitte klicken Sie hier, um eine größere Version dieser Abbildung anzuzeigen.
Abbildung 9: Ergebnisse der Fragebogenumfrage. Es werden die Ergebnisse einer Fragebogenerhebung von sechs Patienten vorgestellt. Die Bewertungen reichen von 1 bis 5, wobei 1 "stimme überhaupt nicht zu" und 5 "stimme voll und ganz zu" bedeutet. Bitte klicken Sie hier, um eine größere Version dieser Abbildung anzuzeigen.
Ergänzungsdossier 1: Fragen an die Patienten basierend auf ihren persönlichen Erfahrungen nach dem Experiment. Bitte klicken Sie hier, um diese Datei herunterzuladen.
Ergänzende Codierungsdateien 1-5: Entwürfe für die Herstellung der tragbaren Komponenten mittels 3D-Drucktechnologie. Bitte klicken Sie hier, um diese Datei herunterzuladen.
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Discussion
In dieser Studie wird eine innovative, flexible, tragbare überzählige Robotergliedmaße vorgestellt, die entwickelt wurde, um Patienten mit chronischem Schlaganfall bei der Rehabilitation von Fingern und Greifaufgaben zu unterstützen. Dieses Robotersystem legt Wert auf Portabilität und bietet sowohl Funktionen zum Greifen des Umschlags als auch zum Greifen der Fingerspitzen. Es verfügt über einen flexiblen Biegesensor für eine benutzerfreundliche Steuerung der Mensch-Maschine-Interaktion. Statische Greifexperimente validieren die Greiffähigkeiten des entworfenen Mechanismus in zwei unterschiedlichen Greifmodi. Die Studie umfasst Experimente mit hemiparetischen Patienten, um die Greiffunktionalität zu bestätigen und die Benutzererfahrung zu bewerten, was das Potenzial dieses Roboters bei der Unterstützung von chronischen Schlaganfallpatienten während der Rehabilitation und der Greifaktivitäten zeigt.
Im Rahmen dieser Forschung lassen sich kritische Verfahrensschritte kurz und bündig wie folgt zusammenfassen: (1) Während des Silikoninjektionsprozesses in das Werkzeug ist es zwingend erforderlich, eine optimale Einspritzgeschwindigkeit aufrechtzuerhalten. Eine zu schnelle Injektion kann zu einem Übermaß an Luftblasen führen, während eine zu langsame Injektion die Fließfähigkeit des Silikons beeinträchtigen kann. (2) Nach der Silikoninjektion kann die Entfernung winziger Luftblasen innerhalb des Silikons mit einer Vakuumpumpe erreicht werden. Es ist jedoch wichtig, Vorsicht walten zu lassen und eine längere Exposition gegenüber der Vakuumpumpe zu vermeiden, da dies zu einem Silikonüberlauf führen kann. (3) Um die gleichmäßige Bewegung in den hergestellten Aktuatoren zu gewährleisten, ist es von größter Bedeutung, ein hohes Maß an Symmetrie bei der Sicherung der Glasfasern aufrechtzuerhalten. (4) Vor der Erprobung ist eine sorgfältige Überprüfung der Luftdichtheit der Stellantriebe und der Sicherheit der zugehörigen Ausrüstung, einschließlich der Luftpumpe, vorgeschrieben. Diese Vorsichtsmaßnahme stellt sicher, dass die Schaltung frei von Kurzschlussgefahr bleibt. (5) Angesichts der erheblichen Unterschiede zwischen den Patienten in Bezug auf ihren Gesundheitszustand und der erheblichen Unterschiede in den Handabmessungen aufgrund geschlechtsspezifischer Unterschiede ist die Herstellung von Handschuhen in verschiedenen Größen unerlässlich, um den individuellen Bedürfnissen gerecht zu werden.
Im Bereich der Aktuatorenfertigung stellt die Sicherstellung der strukturellen Konsistenz eine große Herausforderung dar. Aufgrund der inhärenten Einschränkungen der Formgebung flexibler Materialien und der ungenauen Positionierung begrenzter Schichten können Probleme wie inkonsistente Aktuatorleistung und Asymmetrie auftreten24. Darüber hinaus weisen diese Aktuatoren zwar eine natürliche Nachgiebigkeit auf, ihre geringe Steifigkeit stellt jedoch eine Einschränkung dar, die die weitere Entwicklung behindert. Im Zusammenhang mit der in dieser Studie entworfenen Struktur erfahren die Aktuatoren eine erhebliche Verformung, wenn sie einer Last von 0,7 kg ausgesetzt werden, was ihre Fähigkeit zur Bewältigung schwerer Greifaufgaben beeinträchtigt. Außerdem bleibt die präzise Kraftregelung zwischen den Aktuatoren und der Last ein schwieriges Thema25,26. Im Vergleich zu menschlichen Händen, die sowohl die Fähigkeit zur Ausführung von Aktionen als auch eine starke externe Umgebungswahrnehmung besitzen, sind die kontinuierliche Verformungsstruktur, die flexible Krafterfassung und die taktile Erfassung ständige Herausforderungen in verwandten Anwendungen.
In Bezug auf die Funktionalität ist der derzeitige pneumatische Greifer nur begrenzt in der Lage, verschiedene Greifvorgänge auszuführen. Im Gegensatz dazu zeichnen sich menschliche Hände dadurch aus, dass sie verschiedene komplex geformte Objekte greifen und komplizierte Aktionen wie Reißen, Schnippen und Verschmieren ausführen24,27. Die Erweiterung des Spektrums an Greiffunktionen stellt eine große Herausforderung für pneumatische Greifer dar. Obwohl in dieser Studie eine tragbare Struktur vorgeschlagen wird, erzeugt die verwendete Miniatur-Luftpumpe einen relativ hohen Geräuschpegel und sorgt für einen geringen Ausgangsgasstrom, wodurch die bestehenden elastischen Verformungseffekte verstärkt werden. Daher ist die Entwicklung einer leiseren und effizienteren Miniatur-Luftquelle ein weiteres Thema, das angegangen werden muss.
Während der Patientenexperimente beobachteten die Forscher, dass die Teilnehmer anfällig für Fingerkrämpfe waren. Insbesondere zeigten die Patienten eine allmähliche Verringerung der Fingerbeweglichkeit und waren nicht in der Lage, Fingerstreck- und Beugebewegungen auszuführen, da sie mehr Zeit im Experiment verbrachten. Daher sind weitere Untersuchungen erforderlich, um abnorme Fingerzustände bei Patienten zu erkennen und entsprechende Unterstützung oder Erinnerungen bereitzustellen. Da hemiparetische Patienten die Haltung ihrer oberen Gliedmaßen nicht wie gesunde Personen frei anpassen können, halten die meisten Patienten ihre Arme in einer nach vorne gerichteten Position. Dies führt zu einer teilweisen Diskrepanz zwischen dem aktuellen Trageschema und dem Zustand der betroffenen Gliedmaßen der Patienten, was zu Interferenzen zwischen den Aktuatoren und den Armen der Patienten führt.
In dieser Studie ist die von uns entwickelte Mensch-Maschine-Interaktionsstrategie nur für Patienten in den Stadien 3-5 geeignet. Dies liegt daran, dass Patienten in früheren Stadien einen höheren Fingermuskeltonus haben und keine Fingerstreck- und Beugebewegungen ausführen können. Daher gibt es immer noch erhebliche Einschränkungen für die Mensch-Maschine-Interaktionsstrategie, die auf Fingerbewegungen basiert.
Zusammenfassend lässt sich sagen, dass es zahlreiche herausfordernde Fragen gibt, die bei der Erforschung tragbarer überzähliger Robotergliedmaßen angegangen werden müssen, darunter das strukturelle Design von weichen Aktuatoren, die Wahrnehmungsmodellierung, die Steuerung der Interaktionskraft, Mensch-Maschine-Interaktionsstrategien für tragbare Robotergliedmaßen und das Design tragbarer Schemata. Diese Herausforderungen müssen von Forschern auf dem Gebiet der tragbaren Robotik kontinuierlich erforscht werden.
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Disclosures
Die Autoren haben nichts zu verraten.
Acknowledgments
Diese Arbeit wird von der National Natural Science Foundation of China im Rahmen von Grant U1913207 und vom Program for HUST Academic Frontier Youth Team unterstützt. Die Autoren bedanken sich für die Unterstützung durch diese Stiftungen.
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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