Summary
פרוטוקול זה מציג איבר רובוטי סופר-מספרי גמיש ולביש המותאם לסייע בשיקום אצבעות לחולי שבץ. העיצוב משלב חיישן כיפוף כדי להקל על אינטראקציה חלקה בין אדם לרובוט. תיקוף באמצעות ניסויים הכוללים מתנדבים בריאים וחולי שבץ מדגיש את היעילות והאמינות של המחקר המוצע.
Abstract
במחקר זה, אנו מציגים גפה רובוטית גמישה לבישה, סופר-מספרית, המסייעת לחולי שבץ כרוני בשיקום אצבעות ובתנועות אחיזה. העיצוב של איבר חדשני זה שואב השראה מכיפוף שרירים פניאומטיים ומהמאפיינים הייחודיים של קצה החדק של פיל. הוא שם דגש חזק על גורמים מכריעים כגון בנייה קלה, בטיחות, תאימות, איטום, והשגת יחס תפוקה למשקל/לחץ גבוה. המבנה המוצע מאפשר לגפה הרובוטית לבצע הן אחיזת מעטפת והן אחיזת קצות אצבעות. אינטראקציה בין אדם לרובוט מתאפשרת באמצעות חיישן כיפוף גמיש, המזהה את תנועות האצבעות של העונד ומחבר אותן לבקרת תנועה באמצעות שיטת פילוח סף. בנוסף, המערכת ניידת לשימוש יומיומי רב-תכליתי. כדי לאמת את יעילותו של חידוש זה, נערכו ניסויים בעולם האמיתי שכללו שישה חולי שבץ כרוני ושלושה מתנדבים בריאים. המשוב שהתקבל באמצעות שאלונים מצביע על כך שהמנגנון שתוכנן טומן בחובו הבטחה עצומה לסייע לחולי שבץ כרוני בפעילויות האחיזה היומיומיות שלהם, ולשפר את איכות חייהם ואת תוצאות השיקום.
Introduction
על פי מחקר קודם1, נכון לשנת 2019, היו יותר מ -100 מיליון מקרים של שבץ ברחבי העולם. כשני שלישים מהמקרים הללו הסתיימו בהמשכנות המיפלגית, ויותר מ-80% מחולי שבץ המיפלגי חמור לא הצליחו לשחזר באופן מלא את תפקוד היד והזרוע2. יתר על כן, האוכלוסייה המזדקנת צפויה להמשיך ולגדול בעשורים הקרובים, מה שיוביל לגידול משמעותי במספר נפגעי השבץ הפוטנציאליים. הליקויים המתמשכים בגפיים העליונות לאחר שבץ מוחי יכולים להשפיע באופן משמעותי על פעילויות היומיום (ADLs), ושיקום היד הוכר קלינית כיעד קריטי לשיפור הפעילות וההשתתפות של חולי שבץ כרוני3.
התקני גפיים עליונות רובוטיים מסורתיים המונעים על ידי מנוע יכולים לספק כוח מניע משמעותי, אך המבנים הקשיחים שלהם מתורגמים לעתים קרובות לגדלים גדולים ולמשקלים גבוהים. יתר על כן, הם מהווים את הסיכון של גרימת נזק בלתי הפיך לגוף האדם אם הם היו תקלה. לעומת זאת, מפעילים פניאומטיים רכים הוכיחו פוטנציאל ניכר בשיקום4, סיוע5 ויישומים כירורגיים6. היתרונות שלהם כוללים בטיחות, מבנה קל משקל ותאימות מובנית.
בשנים האחרונות, רובוטים לבישים גמישים רבים הופיעו, תוכננו והתפתחו סביב מפעילים פניאומטיים רכים. רובוטים אלה נועדו לשיקום ולסיוע לאחר שיקום של הגפיים העליונות של חולי שבץ. הם כוללים בעיקר שלד חיצוני של היד7,8, וגפיים סופר-מספריות 9,10. למרות ששניהם משמשים בתחומי רובוטיקה לבישה ושיקום, הראשון מקיים אינטראקציה ישירה עם גוף האדם, מה שעלול להגביל שרירים או מפרקים, ואילו האחרון משלים את סביבת העבודה או התנועה האנושית ללא אילוץ ישיר11,12. אצבעות רובוטיות סופר-מספריות לבישות המבוססות על מנועי סרוו פותחו כדי לסייע למרפאים בעיסוק בפעילויות של חיי היומיום (ADLs) אימון9. גישה דומה ניתן למצוא במחקרים אחרים10. שתי קטגוריות אלה של אצבעות רובוטיות הציגו אפשרויות חדשות ליישום רובוטים כאלה בסיוע שיקומי של חולים המיפארטיים. עם זאת, ראוי לציין כי המבנה הקשיח המשמש בעיצובים רובוטיים אלה עשוי להציג שיקולים פוטנציאליים לגבי נוחות המשתמש ובטיחותו. התכנון, הייצור וההערכה של כפפה רובוטית לבישה רכה הוצגו13, אשר יכולה לשמש לשיקום ידיים ואימון ספציפי למשימה במהלך דימות תהודה מגנטית תפקודי (fMRI). הכפפה משתמשת במפעילים פניאומטיים רכים העשויים מאלסטומרים מסיליקון כדי ליצור תנועה של מפרק האצבע, והמכשיר תואם MR מבלי לגרום לממצאים בתמונות fMRI. יון ואחרים הציגו את Exo-Glove PM, כפפת עזר פנאומטית רכה הניתנת להתאמה אישית המשתמשת בגישה מבוססת הרכבה14. עיצוב חדשני זה כולל מודולים קטנים ומרחקים מתכווננים ביניהם, המאפשרים למשתמשים להתאים אישית את הכפפה בהתבסס על אורך הפלנגות שלהם באמצעות ספייסרים. גישה זו ממקסמת את הנוחות והביצועים ללא צורך בייצור מותאם אישית. החוקרים הציגו מפעילים רכים המורכבים מחומרים אלסטומריים עם תעלות משולבות המתפקדות כרשתות פנאומטיות15. מפעילים אלה מייצרים תנועות כיפוף התואמות בבטחה לתנועות אצבעות אנושיות. בנוסף, החוקרים הציגו את AirExGlove, מכשיר שלד חיצוני רך מתנפח קל משקל וניתן להתאמה16. מערכת זו חסכונית, ניתנת להתאמה אישית לגדלים שונים של כפות ידיים, והתאימה בהצלחה מטופלים עם רמות שונות של ספסטיות שרירים. הוא מציע פתרון ארגונומי וגמיש יותר בהשוואה למערכות רובוטיות קשיחות. בעוד שמחקרים אלה תרמו תרומה משמעותית לפיתוח שיקום ידיים לביש גמיש ורובוטים מסייעים, ראוי לציין שאף אחד מהם לא השיג ניידות מלאה ובקרת אינטראקציה בין אדם לרובוט.
מחקרים רבים בחנו את הקשר בין אותות ביולוגיים, כגון אלקטרואנצפלוגרם (EEG)17 או אלקטרומיוגרמה (EMG)אותות 18, לבין הכוונה האנושית. עם זאת, לשתי הגישות יש מגבלות מסוימות בתוך האילוצים של המכשירים הקיימים והתנאים הטכנולוגיים. אלקטרודות פולשניות דורשות הליכים כירורגיים בגוף האדם, בעוד אלקטרודות לא פולשניות סובלות מבעיות כגון רמות רעש גבוהות וחוסר אמינות בקליטת אותות. דיון מפורט במגבלות אלה ניתן למצוא בספרות19,20. לכן, המרדף אחר מחקר על ניידות ויכולות אינטראקציה ידידותיות למשתמש בין אדם למכונה של גפיים רובוטיות גמישות לבישות-על מספריות נשאר רלוונטי מאוד.
במחקר זה, גפה רובוטית סופר-מספרית גמישה וגמישה תוכננה ויוצרה כדי לסייע לחולי שבץ כרוני בשיקום אצבעות וסיוע באחיזה. איבר רובוטי זה מאופיין במשקל קל, בטיחות, תאימות, איטום ויחס תפוקה למשקל/לחץ מרשים. שני מצבי אחיזה, אחיזת מעטפה ואחיזה בקצות האצבעות, הושגו תוך שמירה על ניידות והבטחת אינטראקציה ידידותית בין אדם לרובוט למשתמש. הפרוטוקול מפרט את תהליך התכנון והייצור של האחיזה הפנאומטית והתוכנית הלבישה . בנוסף, הוצעה שיטת אינטראקציה בין אדם לרובוט המבוססת על חיישני כיפוף גמישים, המאפשרת שליטה נוחה וידידותית למשתמש באמצעות פילוח סף. כל ההיבטים הללו אומתו באמצעות ניסויים מעשיים.
התרומות העיקריות של מחקר זה מסוכמות כדלקמן: (1) איבר רובוטי סופר-מספרי גמיש קל, ידידותי ולביש עבור חולי שבץ כרוני תוכנן ויוצר. (2) שיטה אמינה לאינטראקציה בין אדם לרובוט מומשה על בסיס חיישני כיפוף גמישים. (3) נערכו ניסויים בעולם האמיתי כדי לאמת את יעילותם ומהימנותם של המנגנון והשיטה המוצעים, הכוללים בדיקות כוח פלט ומעורבים בהם שישה חולי שבץ כרוני.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Protocol
פרוטוקול זה אושר על ידי מועצת האתיקה של בית החולים יוניון, המכללה הרפואית טונג'י, אוניברסיטת Huazhong למדע וטכנולוגיה. כמשתתפים נבחרו מטופלים עם הפרעות תפקודיות בגפיים העליונות שעמדו בקריטריונים האבחנתיים וקיבלו טיפול במחלקות האשפוז והאשפוז של בית החולים לשיקום של המחבר. התאוששות התפקוד המוטורי של החולים הוערכה על פי שלבי ההתאוששות של ברונסטרום21, וחולים בשלבים 3-5 נבחרו להשתתף בניסויים. הסכמה מדעת בכתב התקבלה מהמטופלים שהשתתפו במחקר. ההליך כולל תכנון עובש עבור האחיזה הפנאומטית, תהליך הייצור של האחיזה הפנאומטית המבוססת על גומי סיליקון נרפא, שילוב של מכשירים ניידים, ויישום תוכנה וחומרה לזיהוי כוונת אחיזה. למעט גומי סיליקון ובדים נפוצים, כל הרכיבים הלבישים מיוצרים באמצעות טכנולוגיית הדפסה תלת-ממדית (ראה קובצי קידוד משלימים 1-5).
1. תכנון וייצור ידית האחיזה הפנאומטית
- הרכיבו את תבנית22 שתוכננה מראש כפי שמוצג באיור 1A,B. לאחר מכן השתמשו בדבק מותך חם כדי לאבטח את סיבי הזכוכית במיקומים המיועדים בתבנית, כפי שמתואר באיור 1C. הקפידו להשתמש בדבק נמס חם כדי לאטום אזורים פוטנציאליים שעלולים לגרום לדליפת סיליקון.
- שקול כמות מתאימה של רכיב A ורכיב B של אלסטומר הסיליקון (9:1 לפי משקל) (ראה טבלת חומרים), וערבב אותם ביחס שצוין. לאחר הערבוב, השתמש במכונת ערבוב ואקום ופירוק גז עם כוח צנטריפוגלי משתנה, שנקבע על ידי התוכנית הפנימית שנקבעה מראש של המכונה. ברגע שהתערובת מוכנה, הזריקו אותה מיד לתוך התבנית שהורכבה, כפי שמודגם באיור 1D.
הערה: הכוח הצנטריפוגלי המשתנה נשלט על ידי מכונת הערבוב והגזים באמצעות התוכנית הפנימית המוגדרת מראש שלה (ראה טבלת חומרים). יש להגדיל בהדרגה את הכוח הצנטריפוגלי כדי להבטיח ערבוב יסודי של גומי הסיליקון והסרת בועות אוויר כלואות. - הניחו לתבנית לשבת כ-30 שניות, ולאחר מכן הכניסו אותה למייבש ואקום למשך כדקה כדי לאפשר לבועות אוויר קטנות בגומי הסיליקון לברוח. הוציאו את התבנית מהמייבש והניחו אותה בשלמותה בתא תרמוסטטי בטמפרטורה של 30°C למשך 12 שעות, מה שמאפשר לגומי הסיליקון להירפא.
- חזרו על השלבים המתוארים בשלב השני על-ידי הזרקת גומי הסיליקון המעורב לתוך התבנית שמוצגת באיור 1E. לאחר מכן, הניחו את גוף הגומי המעוצב שמוצג באיור 1F לתוך תבנית מלאה בגומי סיליקון. הניחו את כל המכלול בתא תרמוסטטי בטמפרטורה של 30°C למשך 12 שעות כדי לאפשר לגומי הסיליקון להירפא.
- הסר את גוף גומי הסיליקון הנרפא מהתבנית וחתוך את עודפי גומי הסיליקון. ייצור ידית האחיזה הגמישה הושלם כעת.
הערה: החלל מורכב משתי קבוצות של רשתות פנאומטיות, שאינן תלויות זו בזו. בשל ההבדל המשמעותי במודולוס האלסטי בין סיבי הזכוכית לבין המבנה הגלי, ידית האחיזה הפנאומטית מתכופפת פנימה כאשר היא מנופחת, ומאפשרת פעולות אחיזת מעטפות. קצה האצבע מעוצב עם בליטה המזכירה חדק פיל, המאפשר פעולות אחיזה בקצות האצבעות.
2. הרכבת איבר רובוטי סופר-מספרי גמיש ולביש
הערה: הגפה הרובוטית הסופר-מספרית הלבישה כוללת משאבת אוויר קטנה, שסתומי אוויר, מיקרו-מחשב בעל שבב יחיד, ידית אחיזה פנאומטית, ספק כוח, חיישני כיפוף גמישים, כפפה לבישה ואביזרים לחיבורים פניאומטיים וחשמליים (ראו טבלת חומרים), כפי שמוצג באיור 2.
- צרו בעבודת יד קפדנית את הכפפה הלבישה בעזרת חייט. ודא שהוא עובר חזרות ושיפורים מרובים בהתבסס על משוב הלובש ועל חוויית החייט.
- אבטחו את ידית האחיזה הפנאומטית באמצעות חלקים מודפסים בתלת-ממד וחברו אותה למיקום המתאים על הכפפה באמצעות סרט הדבקה.
- הטמיעו שלושה חיישני כיפוף גמישים (ראו טבלת חומרים) כפי שמוצג באיור 3 בתוך הכפפה. הניחו אותם על האצבע המורה, האמצעית והטבעתית, בהתאמה, ויישרו אותם עם החלק האחורי של האצבעות. השתמש בכרטיס רכישת נתונים כדי להקליט אותות מהחיישנים.
- הגבירו את אותות החיישן וניתבו אותם לארדואינו (ראו טבלת חומרים). עבד אותות אלה באמצעות חלון הזזה וריבועים לפחות סינון בתוך Arduino23. השתמש בערכים משוערים אלה כנתונים בסיסיים לזיהוי כוונות.
- הכנס רכיבים כגון משאבת אוויר, שסתומי אוויר, לוח בקרה וספק כוח לתרמיל גב לצורך ניידות. עיינו באיור 4 לייצוג חזותי של אפקט השחיקה.
3. גילוי כוונת האחיזה
הערה: כאשר אצבעותיו של העונד מייצרות תנועה, אות המשוב של החיישן משתנה בהתאם. זה עובד על ידי הגדלת ההתנגדות במעגל ככל שהרכיב מתכופף יותר. איור 5 מראה את ערכי האות המוקלטים של חיישן הכיפוף הגמיש במהלך תנועת האצבעות של מתנדב אחד. שלוש העקומות תואמות את האותות המתקבלים מחיישנים המוצבים על שלוש האצבעות. חולים עם hemiparesis לעתים קרובות יש ניידות אצבע מוגבלת, אבל החיישן מסוגל לזהות שינויים משמעותיים.
- אסוף נתונים על הטווח והתבנית של שינויי חיישן במהלך תנועות אצבעות. בחר ערכי סף מתאימים בהתבסס על משרעת החיישן שזוהתה כדי לשלוט בהפעלת המשאבה. הנחו את המשתתפים להניע את אצבעותיהם בחופשיות בטווח היכולת שלהם. קבע את ערכי הסף כממוצעים של ערכי השיא והעמק של משוב החיישן.
הערה: כאשר אות החיישן חורג מערך הסף שנקבע, המשאבה מתחילה לפעול. לחץ האוויר עולה ככל שהאצבעות מתכופפות עוד יותר. לעומת זאת, כאשר זווית הכיפוף של האצבעות פוחתת, והחיישן מזהה אות מתחת לסף, שסתום האוויר משחרר את הלחץ לאפס, והאחיזה הפנאומטית משתחררת. - בקש מהמשתמש להתבונן במצב האחיזה הפנאומטי ולקבוע את הזמן המתאים להפסיק לנפח את האוויר ולהפסיק לכיפוף אצבעות נוסף.
- חזור על הבדיקות לעיל כדי לקבוע סף סביר ולהכיר את השימוש במכשיר זה.
4. בדיקת המכשיר עם מתנדבים בריאים
- גייסו שלושה מתנדבים בריאים עם יכולות מוטוריות תקינות בגפיים העליונות למחקר כדי לאשר את השפעות השחיקה והאחיזה של אב הטיפוס.
- הגדר את לחץ האוויר המרבי עבור ידית האחיזה הפנאומטית ל- 100 kPa. הנחו את המשתתפים להגמיש ולהושיט את אצבעותיהם. בקשו מהמשתתפים ללבוש את אב הטיפוס ולערוך ניסויי אחיזה ושחרור על עצמים בצורות שונות בשיטה שהוזכרה קודם לכן.
- בקש משוב מהלובשים לגבי החוויה שלהם והתאם את ערכת הלבוש בהתבסס על הצעותיהם.
הערה: כפי שמתואר באיור 6, המשתתפים עטפו ותפסו בהצלחה עצמים גליליים בגדלים שונים באמצעות אב הטיפוס. בנוסף, הם גם השלימו משימות אחיזה בקצות האצבעות על אובייקטים מלבניים בצורת גוש.
5. סיוע שיקומי ותפיסתי לחולים
- להעריך את התאוששות התפקוד המוטורי של המטופלים על פי שלבי ההחלמה של Brunnstrom21 על ידי אנשי מקצוע רפואיים. לאפשר רק לחולים בשלבים 3-5 להשתתף בניסויים לצורך הכשרה שיקומית או סיוע יומי.
- גייסו שישה חולים המיפארטיים כרוניים כדי לאמת את האמינות והיעילות של אב הטיפוס. יש להנחות את המטופלים ללבוש את הכפפה באופן עצמאי (למעט הילקוט) ולהניע את אצבעותיהם בטווח יכולתם לכייל את ערכי הסף.
- במהלך שלב השיקום, עודדו את המטופלים לעסוק במשימות אחיזה שונות כדי להפעיל את שרירי האצבעות שלהם. בקש מהמטופלים לשבת בקצה שולחן ולהשתמש באב-טיפוס כדי לבצע סדרה של פעולות אחיזה, כולל אחיזה בבקבוק מים, בננה, קובייה ומברשת שיניים.
- בקשו מהמטופלים למלא שאלוני סקר רלוונטיים (קובץ משלים 1) על סמך חוויותיהם האישיות לאחר הניסוי. להעריך את ששת הרגשות הסובייקטיביים הבאים: אמון בתפקוד המערכת; קלות שימוש; נוחות ונוחות ללבוש אותו; יעילות ותועלת לשיקום; יעילות ותועלת בחיי היומיום; תחומים שעדיין טעונים שיפור.
- דרג את תשובותיהם בסולם של 1 עד 5, כאשר 1 מייצג אי הסכמה חזקה ו- 5 מייצג הסכמה חזקה. רשום את הנתונים ונתח את הבעיות עם אב הטיפוס ותחומים פוטנציאליים לשיפור בהתבסס על השאלון.
הערה: זה לא רק מוסיף עניין לאימון השיקום, אלא גם מגביר את נכונותו של המטופל להשתתף בתהליך ההחלמה. במקרים בהם החולים הגיעו למצב יציב אך עדיין מתקשים לבצע משימות אחיזה עם אצבעותיהם, השימוש בגפה הרובוטית יכול לסייע בביצוע פעולות אחיזה יומיומיות מסוימות הנדרשות לחיי היומיום.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Representative Results
ניסויי כוח פלט
איור 7 מתאר בצורה חיה את העיצוב המבני והממדים של המפעיל שלנו, ומספק המחשה של חתך רוחב. מפעיל זה מורכב משתי קבוצות נפרדות של תאים, שכל אחת מהן מכילה חמישה תאי אוויר מעוקלים באלגנטיות. למרבה הפלא, בנקודת הסיום של המפעיל, שילבנו בצורה גאונית מבנה בולט, המזכיר קצה חדק של פיל, והרחבנו משמעותית את רדיוס האחיזה של המפעיל.
כדי להעריך את כוח המוצא של המפעיל הפנאומטי הרך, נערכה סדרה של ניסויי אחיזה סטטית. נבחרו משקולות, במשקל 20 גרם, 50 גרם, 100 גרם, 200 גרם ו-500 גרם. לאחר שהמפעיל הוצב ונופח כראוי, הוא הורם כלפי מעלה בעקבות כיפוף ומעטפת המשקולות כדי להעריך החלקה. תוצאות הניסוי מתוארות באיור 8, כאשר איור 8A-C מייצג את תוצאות הניסוי של אחיזת קצות האצבעות, ואילו איור 8D-F מציג את תוצאות הניסוי של אחיזת מעטפות.
בששת תנאי האחיזה הנ"ל, לחץ האוויר הנכנס למפעיל נע בין 0.62 מגפ"ס ל-0.94 מגפ"ס. בשל שינויים בתהליכי הייצור ובמבנה שכבת האילוץ בין מפעילים שונים, טווח מספרי זה עשוי להשתנות עבור מפעילים שונים. בהתחשב בכך שהמפעיל עצמו שוקל רק 63 גרם, ניתן להוכיח כי מפעילים כאלה מציגים יחס כוח למשקל/לחץ אוויר משמעותי. יתר על כן, כפי שמתואר באיור 8F, ניתן לראות כי עם עומס הולך וגדל, המפעיל עובר עיוות משמעותי במהלך תהליך התפיסה. זה מיוחס לנוקשות המוגבלת של המפעיל הרך עצמו.
הערכה סובייקטיבית של מטופלים
תרשים 9 מציג את תוצאות סקר השאלונים של שישה מטופלים. ניכר כי קיים קונצנזוס בקרב רוב המשתתפים לגבי הנוחות והידידותיות למשתמש של המערכת הלבישה המעוצבת. עם זאת, חריג מובהק, משתתף 5, מספק הערכה כללית פחות חיובית ומעלה חששות משמעותיים לגבי המכשיר. יש לציין כי התשובות לשאלה הראשונה מציגות שונות רבה בין המשתתפים, אשר ניתן לייחס להבדלים במצב התאוששות היד ועקומת הלמידה הקשורה לשימוש במכונה. יתר על כן, תחושה רווחת של ספקנות עולה בקרב רוב המשתתפים לגבי פונקציונליות המערכת בחיי היומיום שלהם, המדגישה את היכולת לשיפורים משמעותיים במכשיר.
איור 1: ייצור והרכבה של מפעילים. (A-C) להמחיש את מבנה התבנית ואת הליך ההרכבה המשמש בתהליך ייצור המפעיל. (D) מראה את המצב לאחר יציקת גומי הסיליקון, והתוצאה היא שתי קבוצות של תאים. (E) ו-(F) מציגים לראווה את התבנית לאיטום התחתית ואת תוצאת ההרכבה המתאימה. אנא לחץ כאן כדי להציג גרסה גדולה יותר של איור זה.
איור 2: איבר רובוטי סופר-מספרי. איור זה מציג את כל רכיבי החומרה הכלולים באיבר הרובוטי הסופר-מספרי, למעט תיק הגב הנייד. אנא לחץ כאן כדי להציג גרסה גדולה יותר של איור זה.
איור 3: חיישן Flex. סקירה כללית של חיישן הכיפוף הגמיש המוטמע בכפפה. אנא לחץ כאן כדי להציג גרסה גדולה יותר של איור זה.
איור 4: אפקט שחיקת אב-טיפוס. איור זה ממחיש את אפקט השחיקה הכולל של אב הטיפוס. המסה הכוללת של חלק שחיקת הזרוע היא פחות מ -300 גרם. אנא לחץ כאן כדי להציג גרסה גדולה יותר של איור זה.
איור 5: אותות חיישן כיפוף גמיש. איור זה מציג קטע של ערכי חיישנים שנרשם כאשר המטופל לובש את הכפפה ומזיז את אצבעותיו בחופשיות. שלוש העקומות תואמות את האותות המתקבלים מחיישנים המוצבים על שלוש האצבעות. אנא לחץ כאן כדי להציג גרסה גדולה יותר של איור זה.
איור 6: ניסויי אחיזה של מתנדבים בריאים. (A-C) להדגים את ההשפעה של אחיזה פנאומטית האוחזת בשלושה גדלים שונים של צילינדרים. (D) מראה את ההשפעה של אחיזת עצם מלבני בצורת גוש. ב-(A) וב-(C), מצב ההפעלה הוא אחיזת מעטפות. ב-(B) וב-(D), מצב ההפעלה הוא אחיזה בקצות האצבעות. אנא לחץ כאן כדי להציג גרסה גדולה יותר של איור זה.
איור 7: מידות ומבנה של חיישן כיפוף גמיש. תמונה זו מפרטת את מידות המפתח ואת המבנה של חיישן הכיפוף הגמיש. הוא מספק מידע על עובי דופן המפעיל, מידות חיצוניות וגדלי תאים, כולל מבט חתך רוחב של מבנה המפעיל. אנא לחץ כאן כדי להציג גרסה גדולה יותר של איור זה.
איור 8: תוצאות ניסוי של כוחות פלט. (A-C) הדגימו תוצאות אחיזה בקצות האצבעות עם משקלי עומס של 20 גרם, 50 גרם ו-100 גרם, בהתאמה. (D-F) מציג תוצאות אחיזה עוטפות עם משקלי עומס של 200 גרם, 500 גרם ו-700 גרם, בהתאמה, בשני מצבי אחיזה. אנא לחץ כאן כדי להציג גרסה גדולה יותר של איור זה.
תרשים 9: תוצאות סקר השאלונים. מוצגות תוצאות סקר שאלונים של שישה מטופלים. הדירוגים נעים בין 1 ל-5, כאשר 1 פירושו "לגמרי לא מסכים", ו-5 פירושו "מסכים לחלוטין". אנא לחץ כאן כדי להציג גרסה גדולה יותר של איור זה.
קובץ משלים 1: שאלות למטופלים על סמך חוויותיהם האישיות לאחר הניסוי. אנא לחץ כאן כדי להוריד קובץ זה.
קבצי קידוד משלימים 1-5: עיצובים לייצור רכיבים לבישים באמצעות טכנולוגיית הדפסה תלת מימדית. אנא לחץ כאן כדי להוריד קובץ זה.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Discussion
מחקר זה מציג איבר רובוטי חדשני, גמיש ולביש שנועד לסייע לחולי שבץ כרוני במשימות שיקום אצבעות ואחיזה. מערכת רובוטית זו נותנת עדיפות לניידות ומציעה הן אחיזת מעטפה והן פונקציונליות אחיזת קצות אצבעות. הוא משלב חיישן כיפוף גמיש לבקרת אינטראקציה ידידותית למשתמש בין אדם למכונה. ניסויי אחיזה סטטית מאמתים את יכולות האחיזה של המנגנון המתוכנן בשני מצבי אחיזה נפרדים. המחקר כולל ניסויים עם חולים המיפארטיים כדי לאשר את פונקציונליות האחיזה ולהעריך את חוויית המשתמש, ומראה את הפוטנציאל של רובוט זה בסיוע לחולי שבץ כרוני במהלך פעילויות שיקום ותפיסה.
בהקשר של מחקר זה, ניתן לסכם בתמציתיות צעדים פרוצדורליים קריטיים כדלקמן: (1) במהלך תהליך הזרקת הסיליקון לתבנית, הכרחי לשמור על מהירות הזרקה אופטימלית. הזרקה מהירה מדי עלולה להוביל לשפע יתר של בועות אוויר, בעוד הזרקה איטית מדי עלולה לפגוע בנזילות הסיליקון. (2) לאחר הזרקת סיליקון ניתן להסיר בועות אוויר זעירות בתוך הסיליקון באמצעות משאבת ואקום. עם זאת, חשוב לנקוט משנה זהירות ולהימנע מחשיפה ממושכת למשאבת הוואקום, שכן הדבר עלול לגרום להצפת סיליקון. (3) כדי להבטיח את אחידות התנועה במפעילים המפוברקים, חשוב ביותר לשמור על רמה גבוהה של סימטריה באבטחת סיבי הזכוכית. (4) לפני הניסוי חובה לוודא בקפדנות את אטימות המפעילים ואת בטיחות הציוד הנלווה, לרבות משאבת האוויר. אמצעי זהירות זה מבטיח כי המעגלים יישארו נקיים מכל סיכון של קצר חשמלי. (5) לאור השונות הרבה בין המטופלים מבחינת מצבם הרפואי וההבדלים המשמעותיים במידות הידיים עקב הבדלים מגדריים, ייצור כפפות בגדלים שונים הוא הכרחי כדי לספק את הצרכים האישיים.
בתחום ייצור המפעילים, הבטחת עקביות מבנית מהווה אתגר משמעותי. בשל המגבלות המובנות של יציקת חומר גמישה ומיקום שכבות מוגבל לא מדויק, עלולות להתעורר בעיות כגון ביצועי מפעיל לא עקביים וא-סימטריה24. יתר על כן, בעוד מפעילים אלה מפגינים תאימות טבעית, הקשיחות הנמוכה שלהם מהווה מגבלה המעכבת התפתחות נוספת. בהקשר של המבנה המתוכנן במחקר זה, המפעילים עוברים עיוות משמעותי כאשר הם נתונים לעומס של 0.7 ק"ג, מה שפוגע ביכולתם להתמודד עם משימות אחיזה כבדות. חוץ מזה, בקרת כוח מדויקת בין המפעילים לבין העומס נותרה נושא מאתגר25,26. בהשוואה לידיים אנושיות, שיש להן גם יכולת לבצע פעולות וגם יכולת תפיסה סביבתית חיצונית חזקה, מבנה העיוות המתמשך, חישת הכוח הגמישה וחישת המישוש היו אתגרים מתמשכים ביישומים קשורים.
מבחינת פונקציונליות, לאחיזה הפנאומטית הנוכחית יש יכולות מוגבלות בהשגת פעולות אחיזה שונות. לעומת זאת, ידיים אנושיות מצטיינות באחיזת חפצים מורכבים שונים ובביצוע פעולות מורכבות כגון קריעה, תנועה ומריחה24,27. הרחבת טווח פונקציות האחיזה מציבה אתגר משמעותי עבור מאחזים פניאומטיים. יתר על כן, למרות שמחקר זה מציע מבנה נייד, משאבת האוויר הזעירה המשמשת מייצרת רמות רעש גבוהות יחסית ומספקת זרימת גז קטנה, מה שמחמיר את השפעות העיוות האלסטי הקיים. לכן, פיתוח מקור אוויר זעיר שקט ויעיל יותר הוא נושא נוסף שיש לטפל בו.
במהלך ניסויי חולים, החוקרים הבחינו כי המשתתפים נטו לחוות התכווצויות אצבעות. באופן ספציפי, המטופלים הראו ירידה הדרגתית בניידות האצבעות ולא הצליחו להשלים את תנועות הארכת האצבע וכיפוף ככל שבילו זמן רב יותר בניסוי. לכן, נדרשת חקירה נוספת כדי לזהות מצבי אצבע חריגים בחולים ולספק תמיכה או תזכורות מתאימות. בנוסף, מכיוון שחולים המיפארטיים אינם יכולים להתאים באופן חופשי את תנוחת הגפיים העליונות שלהם כמו אנשים בריאים, רוב החולים שומרים על זרועותיהם במצב קדמי. התוצאה היא חוסר התאמה חלקי בין ערכת השחיקה הנוכחית לבין מצב הגפיים הפגועות של המטופלים, מה שמוביל להפרעה בין המפעילים לזרועות המטופלים.
במחקר זה, אסטרטגיית האינטראקציה בין אדם למכונה שעיצבנו מתאימה רק למטופלים בשלבים 3-5. הסיבה לכך היא שלמטופלים בשלבים מוקדמים יותר יש טונוס שרירים גבוה יותר באצבע והם אינם יכולים לבצע תנועות הארכת אצבע וכיפוף. לכן, עדיין קיימות מגבלות משמעותיות לאסטרטגיית האינטראקציה בין אדם למכונה המבוססת על תנועות אצבעות.
לסיכום, ישנם נושאים מאתגרים רבים שיש לטפל בהם במחקר של גפיים רובוטיות סופר-מספריות לבישות, כולל תכנון מבני של מפעילים רכים, מידול תפיסה, בקרת כוח אינטראקציה, אסטרטגיות אינטראקציה בין אדם למכונה עבור גפיים רובוטיות לבישות, ועיצוב סכימות לבישות. אתגרים אלה מצדיקים חקירה מתמשכת של חוקרים בתחום הרובוטיקה לבישה.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Disclosures
למחברים אין מה לחשוף.
Acknowledgments
עבודה זו נתמכת על ידי הקרן הלאומית למדעי הטבע של סין תחת מענק U1913207 ועל ידי התוכנית לצוות הנוער של HUST Academic Frontier. המחברים מבקשים להודות על התמיכה מקרנות אלה.
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
- Feigin, V. L., et al. Global, regional, and national burden of stroke and its risk factors, 1990-2019: A systematic analysis for the global burden of disease study 2019. The Lancet Neurology. 20 (10), 795-820 (2021).
- Nakayma, H., Jørgensen, H. S., Raaschou, H. O., Olsen, T. S. Compensation in recovery of upper extremity function after stroke: The copenhagen stroke study. Archives of Physical Medicine and Rehabilitation. 75 (8), 852-857 (1994).
- Faria-Fortini, I., Michaelsen, S. M., Cassiano, J. G., Teixeira-Salmela, L. F. Upper extremity function in stroke subjects: Relationships between the international classification of functioning, disability, and health domains. Journal of Hand Therapy. 24 (3), 257-265 (2011).
- Al-Fahaam, H., Davis, S., Nefti-Meziani, S., Theodoridis, T. Novel soft bending actuator-based power augmentation hand exoskeleton controlled by human intention. Intelligent Service Robotics. 11, 247-268 (2018).
- IEEE International Conference on Robotics and Automation (ICRA). Thalman, C. M., Hsu, J., Snyder, L., Polygerinos, P. 2019 International Conference on Robotics and Automation (ICRA), , IEEE. 8436-8442 (2019).
- Miron, G., Plante, J. S. Design principles for improved fatigue life of high-strain pneumatic artificial muscles. Soft Robotics. 3 (4), 177-185 (2016).
- IEEE International Conference on Robotics and Automation (ICRA). Yun, Y., et al. 2017 IEEE International Conference on Robotics and Automation (ICRA), , IEEE. 2904-2910 (2017).
- Tran, P., Jeong, S., Herrin, K. R., Desai, J. P. Hand exoskeleton systems, clinical rehabilitation practices, and future prospects. IEEE Transactions on Medical Robotics and Bionics. 3 (3), 606-622 (2021).
- Dynamic Systems and Control Conference. Ort, T., Wu, F., Hensel, N. C., Asada, H. H. Dynamic Systems and Control Conference, , V002T027A010 American Society of Mechanical Engineers. (2023).
- Hussain, I., et al. A soft supernumerary robotic finger and mobile arm support for grasping compensation and hemiparetic upper limb rehabilitation. Robotics and Autonomous Systems. 93, 1-12 (2017).
- Yang, B., Huang, J., Chen, X., Xiong, C., Hasegawa, Y. Supernumerary robotic limbs: A review and future outlook. IEEE Transactions on Medical Robotics and Bionics. 3 (3), 623-639 (2021).
- Tong, Y., Liu, J. Review of research and development of supernumerary robotic limbs. IEEE/CAA Journal of Automatica Sinica. 8 (5), 929-952 (2021).
- Yap, H. K., et al. A magnetic resonance compatible soft wearable robotic glove for hand rehabilitation and brain imaging. IEEE Transactions on Neural Systems and Rehabilitation Engineering. 25 (6), 782-793 (2016).
- Yun, S. S., Kang, B. B., Cho, K. J. Exo-glove pm: An easily customizable modularized pneumatic assistive glove. IEEE Robotics and Automation Letters. 2 (3), 1725-1732 (2017).
- IEEE International Workshop on Intelligent Robots and Systems (IROS). Polygerinos, P., et al. 2013 IEEE/RSJ International Conference on Intelligent Robots and Systems, , IEEE. 1512-1517 (2013).
- IEEE International Conference on Soft Robotics (RoboSoft). Stilli, A., et al. 2018 IEEE International Conference on Soft Robotics (RoboSoft), , IEEE. 579-584 (2018).
- Zhang, D., et al. Making sense of spatio-temporal preserving representations for eeg-based human intention recognition. IEEE Transactions on Cybernetics. 50 (7), 3033-3044 (2019).
- IEEE International Workshop on Robot and Human Communication (ROMAN). Sirintuna, D., Ozdamar, I., Aydin, Y., Basdogan, C. 2020 29th IEEE International Conference on Robot and Human Interactive Communication (RO-MAN), , IEEE. 1280-1287 (2020).
- 2020 10th Annual Computing and Communincation Workshop and Conferenece (CCWC). Mahmud, S., Lin, X., Kim, J. H. 2020 10th Annual Computing and Communication Workshop and Conference (CCWC), , IEEE. 0768-0773 (2020).
- Asghar, A., et al. Review on electromyography based intention for upper limb control using pattern recognition for human-machine interaction. Proceedings of the Institution of Mechanical Engineers, Part H: Journal of Engineering in Medicine. 236 (5), 628-645 (2022).
- Naghdi, S., Ansari, N. N., Mansouri, K., Hasson, S. A neurophysiological and clinical study of brunnstrom recovery stages in the upper limb following stroke. Brain Injury. 24 (11), 1372-1378 (2010).
- Ru, H., Huang, J., Chen, W., Xiong, C. Modeling and identification of rate-dependent and asymmetric hysteresis of soft bending pneumatic actuator based on evolutionary firefly algorithm. Mechanism and Machine Theory. 181, 105169 (2023).
- Qin, L., Wu, W., Tian, Y., Xu, W. Lidar filtering of urban areas with region growing based on moving-window weighted iterative least-squares fitting. IEEE Geoscience and Remote Sensing Letters. 14 (6), 841-845 (2017).
- Liu, S., et al. A two-finger soft-robotic gripper with enveloping and pinching grasping modes. IEEE/ASME Transactions on Mechatronics. 26 (1), 146-155 (2020).
- Tawk, C., Sariyildiz, E., Alici, G. Force control of a 3D printed soft gripper with built-in pneumatic touch sensing chambers. Soft Robotics. 9 (5), 970-980 (2022).
- Zuo, W., Song, G., Chen, Z. Grasping force control of robotic gripper with high stiffness. IEEE/ASME Transactions on Mechatronics. 27 (2), 1105-1116 (2021).
- Watanabe, T., Morino, K., Asama, Y., Nishitani, S., Toshima, R. Variable-grasping-mode gripper with different finger structures for grasping small-sized items. IEEE Robotics and Automation Letters. 6 (3), 5673-5680 (2021).
