Summary
Denne protokollen introduserer en fleksibel bærbar supernumerær robotlem skreddersydd for å hjelpe til med fingerrehabilitering for slagpasienter. Designet inneholder en bøyesensor for å lette sømløs interaksjon mellom menneske og robot. Validering gjennom eksperimenter som involverer både friske frivillige og slagpasienter understreker effekten og påliteligheten til den foreslåtte studien.
Abstract
I denne studien presenterer vi en fleksibel bærbar supernumerær robotlem som hjelper kroniske slagpasienter med fingerrehabilitering og gripebevegelser. Utformingen av denne innovative lemmen henter inspirasjon fra bøyende pneumatiske muskler og de unike egenskapene til en elefants stammespiss. Det legger stor vekt på viktige faktorer som lett konstruksjon, sikkerhet, samsvar, vanntetting og å oppnå et høyt effekt-til-vekt / trykkforhold. Den foreslåtte strukturen gjør det mulig for robotlemmen å utføre både konvolutt og fingertuppgrep. Menneske-robot-interaksjon forenkles gjennom en fleksibel bøyesensor, som oppdager brukerens fingerbevegelser og kobler dem til bevegelseskontroll via en terskelsegmenteringsmetode. I tillegg er systemet bærbart for allsidig daglig bruk. For å validere effektiviteten av denne innovasjonen ble det utført virkelige eksperimenter som involverte seks kroniske slagpasienter og tre friske frivillige. Tilbakemeldingene mottatt gjennom spørreskjemaer indikerer at den utformede mekanismen har et enormt løfte om å hjelpe kroniske slagpasienter med deres daglige gripeaktiviteter, potensielt forbedre livskvaliteten og rehabiliteringsresultatene.
Introduction
Ifølge tidligere forskning1, fra og med 2019, var det mer enn 100 millioner tilfeller av hjerneslag over hele verden. Omtrent to tredeler av disse tilfellene resulterte i hemiplegisk sekvele, og over 80 % av pasientene med alvorlig hemiplegisk hjerneslag klarte ikke fullt ut å gjenopprette hånd- og armfunksjon2. Videre forventes den aldrende befolkningen å fortsette å vokse i de kommende tiårene, noe som fører til en betydelig økning i antall potensielle slagofre. De vedvarende svekkelsene i overekstremitetene etter hjerneslag kan påvirke dagliglivets aktiviteter (ADL) betydelig, og håndrehabilitering har blitt klinisk anerkjent som et kritisk mål for å øke aktiviteten og deltakelsen til kroniske slagpasienter3.
Tradisjonelle motordrevne robotiske øvre lemmer kan gi betydelig drivkraft, men deres stive strukturer oversetter ofte til store størrelser og høye vekter. Videre utgjør de risikoen for å forårsake irreversibel skade på menneskekroppen hvis de skulle fungere feil. I motsetning til dette har myke pneumatiske aktuatorer vist betydelig potensial i rehabilitering4, assistanse5 og kirurgiske applikasjoner6. Deres fordeler inkluderer sikkerhet, lett konstruksjon og iboende samsvar.
I de senere år har mange fleksible bærbare roboter dukket opp, designet og utviklet rundt myke pneumatiske aktuatorer. Disse robotene har vært ment for rehabilitering og etterrehabiliteringshjelp av slagpasienters øvre lemmer. De omfatter primært håndeksoskjeletter 7,8 og supernumerære lemmer 9,10. Selv om begge brukes innen bærbar robotikk og rehabilitering, samhandler førstnevnte direkte med menneskekroppen, potensielt begrenser muskler eller ledd, mens sistnevnte supplerer det menneskelige arbeidsområdet eller bevegelsen uten direkte begrensning11,12. Bærbare supernumerære robotfingre basert på servomotorer ble utviklet for å hjelpe ergoterapeuter i dagliglivets aktiviteter (ADL) trening9. En lignende tilnærming finnes i annen forskning10. Disse to kategoriene av robotfingre har introdusert nye muligheter for anvendelse av slike roboter i rehabiliteringshjelp av hemiparetiske pasienter. Ikke desto mindre er det verdt å merke seg at den stive strukturen som brukes i disse robotdesignene, kan introdusere potensielle hensyn til brukerkomfort og sikkerhet. Design, fabrikasjon og evaluering av en myk bærbar robothanske ble presentert13, som kan brukes til håndrehabilitering og oppgavespesifikk trening under funksjonell magnetresonanstomografi (fMRI). Hansken bruker myke pneumatiske aktuatorer laget av silikonelastomerer for å generere fingerleddbevegelse, og enheten er MR-kompatibel uten å forårsake artefakter i fMRI-bilder. Yun et al. introduserte Exo-Glove PM, en tilpassbar myk pneumatisk hjelpehanske som bruker en monteringsbasert tilnærming14. Denne innovative designen har små moduler og justerbare avstander mellom dem, slik at brukerne kan tilpasse hansken basert på deres phalanglengde ved hjelp av avstandsstykker. Denne tilnærmingen maksimerer komfort og ytelse uten behov for tilpasset produksjon. Forskere presenterte myke aktuatorer sammensatt av elastomere materialer med integrerte kanaler som fungerer som pneumatiske nettverk15. Disse aktuatorene genererer bøyebevegelser som trygt samsvarer med menneskelige fingerbevegelser. I tillegg introduserte forskere AirExGlove, en lett og tilpasningsdyktig oppblåsbar myk eksoskjelettenhet16. Dette systemet er kostnadseffektivt, kan tilpasses for forskjellige håndstørrelser, og har vellykket innkvartert pasienter med varierende grad av muskelspastisitet. Det gir en mer ergonomisk og fleksibel løsning sammenlignet med stive koblede robotsystemer. Selv om disse studiene har gitt betydelige bidrag til utviklingen av fleksibel bærbar håndrehabilitering og hjelperoboter, er det verdt å merke seg at ingen av dem har oppnådd fullstendig portabilitet og interaksjonskontroll mellom menneske og robot.
Tallrike studier har undersøkt sammenhengen mellom biologiske signaler, som elektroencefalogram (EEG)17 eller elektromyogram (EMG) signaler18, og menneskelig intensjon. Imidlertid har begge tilnærmingene visse begrensninger innenfor begrensningene til eksisterende enheter og teknologiske forhold. Invasive elektroder krever kirurgiske prosedyrer på menneskekroppen, mens ikke-invasive elektroder lider av problemer som høye støynivåer og upålitelighet ved signaloppkjøp. Detaljerte drøftinger av disse begrensningene finnes i litteraturen19,20. Derfor er jakten på forskning på bærbarhet og brukervennlige menneske-maskin-interaksjonsevner av fleksible bærbare supernumerære robotlemmer fortsatt svært relevant.
I denne studien ble en unik fleksibel bærbar supernumerær robotlem designet og produsert for å hjelpe kroniske slagpasienter i fingerrehabilitering og gripehjelp. Denne robotlemmen er preget av sin lette, sikkerhet, samsvar, vanntetting og imponerende utgang-til-vekt / trykkforhold. To gripemoduser, konvolutt og fingertuppgrep, er oppnådd samtidig som bærbarheten opprettholdes og sikrer en brukervennlig menneske-robot-interaksjon. Protokollen beskriver design- og fabrikasjonsprosessen til den pneumatiske griperen og den bærbare ordningen. I tillegg er det foreslått en menneske-robot-interaksjonsmetode basert på fleksible bøyesensorer, noe som muliggjør praktisk og brukervennlig kontroll gjennom terskelsegmentering. Alle disse aspektene har blitt validert gjennom praktiske eksperimenter.
De viktigste bidragene til denne studien er oppsummert som følger: (1) En lett, vennlig og bærbar fleksibel supernumerær robotlem for kroniske slagpasienter er designet og produsert. (2) En pålitelig metode for menneske-robot-interaksjon har blitt realisert basert på fleksible bøyesensorer. (3) Virkelige eksperimenter har blitt utført for å verifisere effektiviteten og påliteligheten til den foreslåtte mekanismen og metoden, som inkluderer utgangskrafttesting og involverer seks kroniske slagpasienter.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Protocol
Denne protokollen er godkjent av Ethics Review Board of Union Hospital, Tongji Medical College, Huazhong University of Science and Technology. Pasienter med funksjonsforstyrrelser i overekstremitetene som oppfylte diagnosekriteriene og fikk behandling ved forfatterens rehabiliteringsavdeling, poliklinikk og døgnenhet, ble trukket ut som deltakere. Pasientenes motoriske funksjonsgjenoppretting ble vurdert i henhold til Brunnstrom utvinning trinn21, og pasienter i trinn 3-5 ble valgt til å delta i forsøkene. Det ble innhentet skriftlig informert samtykke fra pasientene som deltok i studien. Prosedyren inkluderer formdesign for den pneumatiske griperen, fabrikasjonsprosessen til den pneumatiske griperen basert på herdet silikongummi, integrering av bærbare enheter og implementering av programvare og maskinvare for å forstå intensjonsdeteksjon. Med unntak av silikongummi og vanlige stoffer, produseres alle bærbare komponenter ved hjelp av 3D-utskriftsteknologi (se Supplerende kodefiler 1-5).
1. Design og fremstilling av den pneumatiske griperen
- Monter den forhåndsdesignede formen22 som vist i figur 1A, B. Bruk deretter smeltelim for å feste glassfibrene på de angitte posisjonene i formen, som vist i figur 1C. Sørg for å bruke smeltelim for å forsegle potensielle områder som kan forårsake silikonlekkasje.
- Vei en passende mengde komponent A og komponent B i silikonelastomeren (9: 1 vekt) (se materialtabellen), og bland dem i det angitte forholdet. Etter blanding, bruk en vakuumblandings- og avgassingsmaskin med en variabel sentrifugalkraft, bestemt av maskinens interne forhåndsinnstilte program. Når blandingen er klar, injiser den straks i den monterte formen, som illustrert i figur 1D.
MERK: Den variable sentrifugalkraften styres av vakuumblandings- og avgassingsmaskinen gjennom det interne forhåndsinnstilte programmet (se materialfortegnelsen). Sentrifugalkraften må økes trinnvis for å sikre grundig blanding av silikongummi og fjerning av eventuelle fangede luftbobler. - La formen sitte i ca. 30 s, og legg den deretter i en støvføner i ca. 1 min for å la eventuelle små luftbobler i silikongummien slippe ut. Fjern formen fra tørketrommelen og plasser den som en helhet i et termostatkammer satt til 30 °C i 12 timer, slik at silikongummien herder.
- Gjenta trinnene som er beskrevet i det andre trinnet ved å injisere den blandede silikongummien i formen vist i figur 1E. Deretter plasserer du den demoldede gummikroppen vist i figur 1F i formen fylt med silikongummi. Sett hele forsamlingen i et termostatkammer satt til 30 °C i 12 timer for å la silikongummien herde.
- Fjern den herdede silikongummikroppen fra formen og trim av overflødig silikongummi. Fabrikasjonen av den fleksible griperen er nå fullført.
MERK: Hulrommet består av to sett med pneumatiske gitter, som er uavhengige av hverandre. På grunn av den betydelige forskjellen i elastisk modul mellom glassfibrene og den korrugerte strukturen, bøyer den pneumatiske griperen innover når den blåses opp, noe som muliggjør konvoluttgripende handlinger. Fingertuppen er utformet med et fremspring som ligner en elefantstamme, noe som muliggjør fingertuppgripende handlinger.
2. Montering av den bærbare fleksible supernumerære robotlemmen
MERK: Den bærbare supernumerære robotlemmen inkluderer en miniluftpumpe, luftventiler, en mikrodatamaskin med en enkelt brikke, pneumatisk griper, strømforsyning, fleksible bøyesensorer, en bærbar hanske og tilbehør for pneumatiske og elektriske tilkoblinger (se materialfortegnelse), som vist i figur 2.
- Omhyggelig håndlaget den bærbare hansken ved hjelp av en skredder. Sørg for at den gjennomgår flere iterasjoner og forbedringer basert på tilbakemeldinger fra brukeren og skredderens opplevelse.
- Fest den pneumatiske griperen med 3D-printede deler og fest den til riktig posisjon på hansken ved hjelp av tape.
- Legg inn tre fleksible bøyesensorer (se materialfortegnelse) som vist i figur 3 i hansken. Plasser dem på henholdsvis peke-, mellom- og ringfingeren, og juster dem med baksiden av fingrene. Bruk et datainnsamlingskort til å registrere signaler fra sensorene.
- Forsterk sensorsignalene og rute dem til en Arduino (se Materialfortegnelse). Behandle disse signalene ved hjelp av et skyvevindu og minste firkanter filtrering i Arduino23. Bruk disse estimerte verdiene som grunnlinjedata for intensjonsdeteksjon.
- Plasser komponenter som luftpumpe, luftventiler, kontrollkort og strømforsyning i en ryggsekk for bærbarhet. Se figur 4 for en visuell fremstilling av slitasjeeffekten.
3. Oppdage gripeintensjonen
MERK: Når brukerens fingre genererer bevegelse, endres sensorens tilbakemeldingssignal tilsvarende. Det fungerer ved å øke motstanden i kretsen når komponenten bøyes mer. Figur 5 viser de registrerte signalverdiene til den fleksible bøyesensoren under fingerbevegelsen til en frivillig. De tre kurvene tilsvarer signalene fra sensorer plassert på de tre fingrene. Pasienter med hemiparese har ofte begrenset fingermobilitet, men sensoren er i stand til å oppdage betydelige endringer.
- Samle inn data om rekkevidden og mønsteret av sensorendringer under fingerbevegelser. Velg passende terskelverdier basert på sensoramplituden for å kontrollere pumpeaktivering. Be deltakerne om å bevege fingrene fritt innenfor sitt evneområde. Bestem terskelverdiene som gjennomsnittet av topp- og dalverdiene for sensortilbakemeldingen.
MERK: Når sensorsignalet overskrider den innstilte terskelverdien, begynner pumpen å fungere. Lufttrykket øker etter hvert som fingrene bøyer seg ytterligere. Omvendt, når fingrenes bøyevinkel reduseres, og sensoren oppdager et signal under terskelen, frigjør luftventilen trykket til null, og den pneumatiske griperen slipper ut. - Be brukeren om å observere tilstanden til den pneumatiske griperen og bestemme riktig tidspunkt for å slutte å blåse opp luften og slutte å bøye fingeren ytterligere.
- Gjenta testene ovenfor for å etablere en rimelig terskel og bli kjent med å bruke denne enheten.
4. Testing av enheten med friske frivillige
- Verv tre friske frivillige med normale motoriske evner i øvre lemmer for studien for å bekrefte slitasje- og gripeeffekten av prototypen.
- Sett maksimalt lufttrykk for den pneumatiske griperen til 100 kPa. Be deltakerne bøye og strekke ut fingrene. La deltakerne bære prototypen og gjennomføre gripende og frigjøre eksperimenter på objekter av forskjellige former ved hjelp av metoden nevnt tidligere.
- Be om tilbakemelding fra brukerne om deres erfaring og juster slitasjeskjemaet basert på deres forslag.
MERK: Som vist i figur 6, innhyllet deltakerne og grep sylindriske gjenstander av forskjellige størrelser ved hjelp av prototypen. I tillegg fullførte de også fingertuppgripeoppgaver på rektangulære blokkformede gjenstander.
5. Rehabilitering og hjelp til pasienter
- Evaluer pasientenes motoriske funksjonsgjenoppretting i henhold til Brunnstrom utvinning stadier21 av medisinske fagfolk. La bare pasienter i trinn 3-5 delta i forsøkene for rehabilitering, trening eller daglig assistanse.
- Få seks kroniske hemiparetiske pasienter til å validere påliteligheten og effektiviteten til prototypen. Be pasientene om å bruke hansken uavhengig (unntatt ryggsekken) og bevege fingrene innenfor sitt evneområde for kalibrering av terskelverdiene.
- Under rehabiliteringsfasen, oppmuntre pasientene til å engasjere seg i ulike gripende oppgaver for å trene fingermusklene. Få pasientene til å sitte på kanten av et bord og bruke prototypen til å utføre en rekke gripeaktiviteter, inkludert å ta tak i en vannflaske, en banan, en terning og en tannbørste.
- Be pasientene fylle ut relevante spørreskjemaer (tilleggsfil 1) basert på deres personlige erfaringer etter eksperimentet. Vurder følgende seks subjektive følelser: tillit til systemets funksjon; brukervennlighet; bekvemmelighet og komfort ved å bruke den; effektivitet og nytte for rehabilitering; effektivitet og nytte i dagliglivet; områder som fortsatt trenger forbedring.
- Vurder svarene deres på en skala fra 1 til 5, der 1 representerer svært uenig og 5 representerer helt enig. Registrer dataene og analyser problemene med prototypen og potensielle forbedringsområder basert på spørreskjemaet.
MERK: Dette gir ikke bare interesse for rehabiliteringstreningen, men øker også pasientens vilje til å delta i gjenopprettingsprosessen. I tilfeller der pasienter har nådd en stabil tilstand, men fortsatt sliter med å utføre gripende oppgaver med fingrene, kan bruk av robotlemmen hjelpe til med å utføre visse daglige gripehandlinger som kreves for hverdagen.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Representative Results
Eksperimenter med utgangskraft
Figur 7 viser levende den strukturelle utformingen og dimensjonene til aktuatoren vår, og gir en tverrsnittsillustrasjon. Denne aktuatoren består av to forskjellige sett med kamre, som hver inneholder fem elegant buede luftkamre. Bemerkelsesverdig nok har vi ved aktuatorens endestasjon på genialt vis integrert en utstikkende struktur som minner om en elefants snabelspiss, noe som utvider aktuatorens griperadius betydelig.
For å vurdere utgangskraften til den myke pneumatiske aktuatoren ble det utført en rekke statiske gripeeksperimenter. Vekter, individuelt veier 20 g, 50 g, 100 g, 200 g og 500 g, ble valgt. Etter at aktuatoren var riktig plassert og oppblåst, ble den løftet oppover etter at den var bøyd og innhyllet av vektene for å evaluere glidning. De eksperimentelle resultatene er avbildet i figur 8, der figur 8A-C representerer de eksperimentelle resultatene av fingertuppgrep, mens figur 8D-F viser de eksperimentelle resultatene av konvoluttgrep.
I de nevnte seks gripeforholdene varierte inngangslufttrykket til aktuatoren fra 0, 62 MPa til 0, 94 MPa. På grunn av variasjoner i produksjonsprosesser og strukturen i begrensningslaget mellom forskjellige aktuatorer, kan dette numeriske området variere for forskjellige aktuatorer. Tatt i betraktning at selve aktuatoren bare veier 63 g, kan det godtgjøres at slike aktuatorer har et betydelig forhold mellom utgangskraft og vekt / lufttrykk. Videre, som vist i figur 8F, kan det observeres at aktuatoren med økende belastning gjennomgår betydelig deformasjon under gripeprosessen. Dette tilskrives den begrensede stivheten til selve mykaktuatoren.
Subjektiv vurdering fra pasienter
Figur 9 viser resultatene fra spørreskjemaundersøkelsen fra seks pasienter. Det er tydelig at det er enighet blant flertallet av deltakerne om komforten og brukervennligheten til det designede bærbare systemet. Likevel gir en distinkt uteligger, deltaker 5, en generelt mindre gunstig evaluering og reiser betydelige bekymringer om enheten. Spesielt viser svarene på det første spørsmålet betydelig variabilitet blant deltakerne, noe som kan tilskrives forskjeller i håndgjenopprettingsstatus og læringskurven knyttet til maskinbruk. Videre oppstår en rådende følelse av skepsis blant de fleste deltakere angående systemets funksjonalitet i deres daglige liv, noe som understreker omfanget av betydelige forbedringer i enheten.
Figur 1: Fabrikasjon og montering av aktuator. (A-C) illustrerer formstrukturen og monteringsprosedyren som brukes i aktuatorfabrikasjonsprosessen. (D) viser tilstanden etter å ha hellet silikongummien, noe som resulterer i to sett med kamre. (E) og (F) viser formen for tetting av bunnen og det tilsvarende monteringsresultatet. Klikk her for å se en større versjon av denne figuren.
Figur 2: Supernumerær robotekstremitet. Denne figuren viser alle maskinvarekomponenter som er inkludert i den supernumerære robotlemmen, unntatt den bærbare ryggsekken. Klikk her for å se en større versjon av denne figuren.
Figur 3: Flex-sensor. En oversikt over den fleksible bøyesensoren som er innebygd i hansken. Klikk her for å se en større versjon av denne figuren.
Figur 4: Prototype slitasjeeffekt. Denne figuren illustrerer prototypens generelle slitasjeeffekt. Den totale massen av armslitasjedelen er mindre enn 300 g. Klikk her for å se en større versjon av denne figuren.
Figur 5: Fleksible bøyesensorsignaler. Denne figuren viser et utsnitt av sensorverdier som registreres når pasienten bruker hansken og beveger fingrene fritt. De tre kurvene tilsvarer signalene fra sensorer plassert på de tre fingrene. Klikk her for å se en større versjon av denne figuren.
Figur 6: Gripeeksperimenter utført av friske frivillige. (A-C) demonstrerer effekten av den pneumatiske griperen som griper tre forskjellige størrelser på sylindere. (D) viser effekten av å gripe et rektangulært blokkformet objekt. I (A) og (C) er driftsmodusen konvoluttgripende. I (B) og (D) er driftsmodusen fingertuppgripende. Klikk her for å se en større versjon av denne figuren.
Figur 7: Fleksible dimensjoner og struktur på bøyesensoren. Dette bildet kommenterer viktige dimensjoner og strukturen til den fleksible bøyesensoren. Den gir informasjon om tykkelsen på aktuatorveggen, ytre dimensjoner og kammerstørrelser, inkludert et tverrsnittsbilde av aktuatorens struktur. Klikk her for å se en større versjon av denne figuren.
Figur 8: Eksperimentelle resultater av utgangskrefter. (A-C) viser fingertuppgriperesultater med belastningsvekter på henholdsvis 20 g, 50 g og 100 g. (D-F) viser omsluttende griperesultater med belastningsvekter på henholdsvis 200 g, 500 g og 700 g i to gripemoduser. Klikk her for å se en større versjon av denne figuren.
Figur 9: Resultater fra spørreskjemaundersøkelsen. Resultatene fra en spørreskjemaundersøkelse fra seks pasienter presenteres. Rangeringer varierer fra 1 til 5, der 1 betyr "helt uenig" og 5 betyr "helt enig". Klikk her for å se en større versjon av denne figuren.
Tilleggsfil 1: Spørsmål til pasientene basert på deres personlige erfaringer etter eksperimentet. Klikk her for å laste ned denne filen.
Supplerende kodefiler 1-5: Design for fremstilling av bærbare komponenter ved hjelp av 3D-utskriftsteknologi. Klikk her for å laste ned denne filen.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Discussion
Denne studien presenterer en innovativ, fleksibel, bærbar supernumerær robotlem designet for å hjelpe kroniske slagpasienter i fingerrehabilitering og gripeoppgaver. Dette robotsystemet prioriterer bærbarhet og tilbyr både konvoluttgrep og fingertuppgrepfunksjoner. Den har en fleksibel bøyesensor for brukervennlig menneske-maskin-interaksjonskontroll. Statiske gripeeksperimenter validerer gripeegenskapene til den designede mekanismen i to forskjellige gripemoduser. Studien innebærer eksperimenter med hemiparetiske pasienter for å bekrefte gripefunksjonaliteten og vurdere brukeropplevelsen, og viser potensialet til denne roboten for å hjelpe kroniske slagpasienter under rehabilitering og gripeaktiviteter.
I sammenheng med denne undersøkelsen kan kritiske prosedyretrinn kortfattet oppsummeres som følger: (1) Under silikoninjeksjonsprosessen i formen er det viktig å opprettholde en optimal injeksjonshastighet. For rask injeksjon kan føre til en overflod av luftbobler, mens altfor langsom injeksjon kan kompromittere silikonets fluiditet. (2) Etter silikoninjeksjon kan fjerning av små luftbobler i silikonet oppnås ved hjelp av en vakuumpumpe. Det er imidlertid viktig å utvise forsiktighet og unngå langvarig eksponering for vakuumpumpen, da dette kan føre til silikonoverløp. (3) For å sikre jevn bevegelse i de fremstilte aktuatorene, er det avgjørende å opprettholde en høy grad av symmetri ved sikring av glassfibrene. (4) Før eksperimentering er det obligatorisk å verifisere aktuatorenes lufttetthet og sikkerheten til tilknyttet utstyr, herunder luftpumpen. Dette forsiktighetstiltaket sikrer at kretsene forblir fri for risiko for kortslutning. (5) Gitt den betydelige variasjonen blant pasientene når det gjelder deres medisinske tilstander og betydelige forskjeller i hånddimensjoner på grunn av kjønnsforskjeller, er produksjon av hansker i forskjellige størrelser uunnværlig for å imøtekomme individuelle behov.
Innen aktuatorfabrikasjon er det en betydelig utfordring å sikre strukturell konsistens. På grunn av de iboende begrensningene i fleksibel materialstøping og upresis begrenset lagposisjonering, kan problemer som inkonsekvent aktuatorytelse og asymmetri oppstå24. Videre, mens disse aktuatorene utviser naturlig samsvar, gir deres lave stivhet en begrensning som hindrer videre utvikling. I sammenheng med den designede strukturen i denne studien gjennomgår aktuatorene betydelig deformasjon når de utsettes for en belastning på 0,7 kg, noe som hindrer deres evne til å håndtere tunge gripeoppgaver. Dessuten er presis kraftkontroll mellom aktuatorene og lasten fortsatt et utfordrende problem25,26. I forhold til menneskelige hender, som har både evnen til å utføre handlinger og en sterk ekstern miljøoppfattelsesevne, har den kontinuerlige deformasjonsstrukturen, fleksibel kraftsensing og taktil sensing vært pågående utfordringer i relaterte applikasjoner.
Når det gjelder funksjonalitet, har den nåværende pneumatiske griperen begrensede evner til å oppnå ulike gripehandlinger. I motsetning til dette utmerker menneskelige hender seg ved å gripe forskjellige komplekse objekter og utføre intrikate handlinger som å rive, flikke og smøre24,27. Å utvide utvalget av gripefunksjoner utgjør en betydelig utfordring for pneumatiske gripere. Videre, selv om denne studien foreslår en bærbar struktur, genererer miniatyrluftpumpen som brukes relativt høye støynivåer og gir en liten utgangsgasstrøm, noe som forverrer de eksisterende elastiske deformasjonseffektene. Derfor er utviklingen av en stille og mer effektiv miniatyrluftkilde et annet problem som må tas opp.
Under pasienteksperimenter observerte forskerne at deltakerne var utsatt for å oppleve fingerspasmer. Spesielt viste pasientene en gradvis reduksjon i fingermobilitet og var ikke i stand til å fullføre fingerforlengelse og fleksjonsbevegelser da de brukte mer tid i forsøket. Derfor er ytterligere utforskning nødvendig for å oppdage unormale fingertilstander hos pasienter og gi passende støtte eller påminnelser. I tillegg, fordi hemiparetiske pasienter ikke fritt kan justere stillingen til deres øvre lemmer som friske individer, opprettholder de fleste pasienter armene i en fremoverstilling. Dette resulterer i et delvis misforhold mellom det nåværende slitasjeskjemaet og tilstanden til pasientens berørte lemmer, noe som fører til interferens mellom aktuatorene og pasientens armer.
I denne studien er interaksjonsstrategien mellom menneske og maskin vi designet bare egnet for pasienter i trinn 3-5. Dette skyldes at pasienter i tidligere stadier har høyere muskeltonus i fingeren og ikke kan utføre fingerekstensjon og fleksjonsbevegelser. Derfor er det fortsatt betydelige begrensninger i interaksjonsstrategien mellom menneske og maskin basert på fingerbevegelser.
Oppsummert er det mange utfordrende problemer som skal tas opp i forskningen av bærbare supernumerære robotlemmer, inkludert strukturell utforming av myke aktuatorer, persepsjonsmodellering, interaksjonskraftkontroll, menneske-maskin-interaksjonsstrategier for bærbare robotlemmer og bærbar ordningsdesign. Disse utfordringene garanterer kontinuerlig utforskning av forskere innen bærbar robotikk.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Disclosures
Forfatterne har ingenting å avsløre.
Acknowledgments
Dette arbeidet støttes av National Natural Science Foundation of China under Grant U1913207 og av programmet for HUST Academic Frontier Youth Team. Forfatterne ønsker å takke støtten fra disse stiftelsene.
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).
