Summary
Detta protokoll introducerar en flexibel bärbar övertalig robotlem som är skräddarsydd för att hjälpa till med fingerrehabilitering för strokepatienter. Designen innehåller en böjningssensor för att underlätta sömlös interaktion mellan människa och robot. Validering genom experiment med både friska frivilliga och strokepatienter understryker effektiviteten och tillförlitligheten hos den föreslagna studien.
Abstract
I den här studien presenterar vi en flexibel bärbar övertalig robotlem som hjälper patienter med kronisk stroke med fingerrehabilitering och grepprörelser. Utformningen av denna innovativa lem hämtar inspiration från böjda pneumatiska muskler och de unika egenskaperna hos en elefants snabel spets. Den lägger stor vikt vid avgörande faktorer som lättviktskonstruktion, säkerhet, följsamhet, vattentäthet och att uppnå ett högt förhållande mellan effekt och vikt/tryck. Den föreslagna strukturen gör det möjligt för robotlemmen att utföra både kuvert- och fingertoppsgrepp. Interaktionen mellan människa och robot underlättas genom en flexibel böjningssensor som känner av användarens fingerrörelser och ansluter dem till rörelsestyrning via en tröskelsegmenteringsmetod. Dessutom är systemet bärbart för mångsidig daglig användning. För att validera effektiviteten av denna innovation genomfördes verkliga experiment med sex patienter med kronisk stroke och tre friska frivilliga. Den feedback som erhållits genom frågeformulär indikerar att den designade mekanismen är oerhört lovande när det gäller att hjälpa patienter med kronisk stroke med deras dagliga gripande aktiviteter, vilket potentiellt kan förbättra deras livskvalitet och rehabiliteringsresultat.
Introduction
Enligt tidigare forskning1 fanns det 2019 mer än 100 miljoner fall av stroke i världen. Ungefär två tredjedelar av dessa fall resulterade i hemiplegiska följdsjukdomar, och över 80 % av patienterna med svår hemiplegisk stroke kunde inte helt återfå hand- ocharmfunktion2. Dessutom förväntas den åldrande befolkningen fortsätta att växa under de kommande decennierna, vilket leder till en betydande ökning av antalet potentiella strokeoffer. De ihållande funktionsnedsättningarna i de övre extremiteterna efter en stroke kan avsevärt påverka aktiviteter i det dagliga livet (ADL), och handrehabilitering har kliniskt erkänts som ett kritiskt mål för att förbättra aktiviteten och deltagandet hos patienter med kronisk stroke.
Traditionella motordrivna robotanordningar för övre extremiteter kan ge betydande drivkraft, men deras styva strukturer leder ofta till stora storlekar och höga vikter. Dessutom utgör de en risk för att orsaka oåterkalleliga skador på människokroppen om de skulle fungera dåligt. Däremot har mjuka pneumatiska ställdon visat stor potential inom rehabilitering4, assistans5 och kirurgiska tillämpningar6. Deras fördelar inkluderar säkerhet, lättviktskonstruktion och inneboende efterlevnad.
Under de senaste åren har många flexibla bärbara robotar dykt upp, designade och utvecklade kring mjuka pneumatiska ställdon. Dessa robotar har varit avsedda för rehabilitering och efterrehabilitering av strokepatienters övre extremiteter. De omfattar främst handexoskelett7,8 och övertaliga extremiteter 9,10. Även om båda används inom områdena bärbar robotik och rehabilitering, interagerar den förstnämnda direkt med människokroppen, vilket kan begränsa muskler eller leder, medan den senare kompletterar den mänskliga arbetsytan eller rörelsen utan direkta begränsningar11,12. Bärbara övertaliga robotfingrar baserade på servomotorer utvecklades för att hjälpa arbetsterapeuter i aktiviteter i det dagliga livet (ADL) utbildning9. Ett liknande tillvägagångssätt finns i annan forskning10. Dessa två kategorier av robotfingrar har introducerat nya möjligheter för användning av sådana robotar i rehabiliteringshjälpen av hemiparetiska patienter. Icke desto mindre är det värt att notera att den stela strukturen som används i dessa robotkonstruktioner kan medföra potentiella överväganden om användarkomfort och säkerhet. Designen, tillverkningen och utvärderingen av en mjuk bärbar robothandske presenterades,13, som kan användas för handrehabilitering och uppgiftsspecifik träning under funktionell magnetisk resonanstomografi (fMRI). Handsken använder mjuka pneumatiska ställdon gjorda av silikonelastomerer för att generera fingerledsrörelser, och enheten är MR-kompatibel utan att orsaka artefakter i fMRI-bilder. Yun et al. introducerade Exo-Glove PM, en anpassningsbar mjuk pneumatisk hjälphandske som använder ett monteringsbaserat tillvägagångssätt14. Denna innovativa design har små moduler och justerbara avstånd mellan dem, vilket gör det möjligt för användare att anpassa handsken baserat på deras falanglängd med hjälp av distanser. Detta tillvägagångssätt maximerar komfort och prestanda utan behov av anpassad tillverkning. Forskarna presenterade mjuka aktuatorer som består av elastomermaterial med integrerade kanaler som fungerar som pneumatiska nätverk15. Dessa ställdon genererar böjrörelser som på ett säkert sätt anpassar sig till mänskliga fingerrörelser. Dessutom introducerade forskarna AirExGlove, en lätt och anpassningsbar uppblåsbar mjuk exoskelettenhet16. Detta system är kostnadseffektivt, anpassningsbart för olika handstorlekar och har framgångsrikt tagit emot patienter med olika nivåer av muskelspasticitet. Det erbjuder en mer ergonomisk och flexibel lösning jämfört med stelkopplade robotsystem. Även om dessa studier har gett betydande bidrag till utvecklingen av flexibla bärbara handrehabiliterings- och hjälprobotar, är det värt att notera att ingen av dem har uppnått fullständig portabilitet och interaktionskontroll mellan människa och robot.
Många studier har undersökt sambandet mellan biologiska signaler, såsom elektroencefalogram (EEG)17 eller elektromyogramsignaler (EMG)18, och mänsklig avsikt. Båda tillvägagångssätten har dock vissa begränsningar inom ramen för befintliga enheter och tekniska förhållanden. Invasiva elektroder kräver kirurgiska ingrepp på människokroppen, medan icke-invasiva elektroder lider av problem som höga brusnivåer och otillförlitlighet vid signalinsamling. Detaljerade diskussioner om dessa begränsningar finns i litteraturen19,20. Därför är forskningen om bärbarhet och användarvänlig interaktion mellan människa och maskin hos flexibla bärbara övertaliga robotlemmar fortfarande mycket relevant.
I denna studie designades och tillverkades en unik flexibel bärbar övertalig robotlem för att hjälpa patienter med kronisk stroke att rehabilitera fingrarna och få hjälp med att gripa tag i kroppen. Denna robotlem kännetecknas av sin låga vikt, säkerhet, följsamhet, vattentäthet och imponerande effekt-till-vikt/tryckförhållande. Två grepplägen, kuvert och fingertoppsgrepp, har uppnåtts samtidigt som bärbarheten bibehålls och en användarvänlig interaktion mellan människa och robot säkerställs. Protokollet beskriver design- och tillverkningsprocessen för det pneumatiska gripdonet och det bärbara schemat. Dessutom har en människa-robot-interaktionsmetod baserad på flexibla böjningssensorer föreslagits, vilket möjliggör bekväm och användarvänlig styrning genom tröskelsegmentering. Alla dessa aspekter har validerats genom praktiska experiment.
De viktigaste bidragen från denna studie sammanfattas enligt följande: (1) En lätt, vänlig och bärbar flexibel övertalig robotlem för patienter med kronisk stroke har designats och tillverkats. (2) En tillförlitlig metod för interaktion mellan människa och robot har realiserats baserad på flexibla böjningssensorer. (3) Verkliga experiment har utförts för att verifiera effektiviteten och tillförlitligheten hos den föreslagna mekanismen och metoden, som inkluderar testning av utgående kraft och involverar sex patienter med kronisk stroke.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Protocol
Detta protokoll har godkänts av Ethics Review Board of Union Hospital, Tongji Medical College, Huazhong University of Science and Technology. Patienter med funktionsstörningar i övre extremiteter som uppfyllde de diagnostiska kriterierna och som fick behandling på författarens sjukhuss rehabiliteringsavdelning, öppenvårds- och slutenvårdsenheter valdes ut som deltagare. Patienternas motoriska funktionsåterhämtning bedömdes enligt Brunnströms återhämtningsstadium21, och patienter i stadierna 3-5 valdes ut för att delta i experimenten. Skriftligt informerat samtycke inhämtades från de patienter som deltog i studien. Proceduren inkluderar formdesign för det pneumatiska gripdonet, tillverkningsprocessen för det pneumatiska gripdonet baserat på härdat silikongummi, integration av bärbara enheter och implementering av programvara och hårdvara för detektering av greppavsikt. Med undantag för silikongummi och vanliga tyger tillverkas alla bärbara komponenter med hjälp av 3D-utskriftsteknik (se kompletterande kodningsfiler 1-5).
1. Konstruktion och tillverkning av det pneumatiska gripdonet
- Montera den fördesignade formen22 som visas i figur 1A,B. Använd sedan smältlim för att fästa glasfibrerna på de avsedda positionerna i formen, som visas i figur 1C. Se till att använda smältlim för att täta eventuella områden som kan orsaka silikonläckage.
- Väg upp en lämplig mängd komponent A och komponent B i silikonelastomeren (9:1 i vikt) (se materialtabell) och blanda dem i det angivna förhållandet. Efter blandning, använd en vakuumblandnings- och avgasningsmaskin med en variabel centrifugalkraft, bestämd av maskinens interna förinställda program. När blandningen är klar, injicera den omedelbart i den monterade formen, som illustreras i figur 1D.
OBS: Den variabla centrifugalkraften styrs av vakuumblandnings- och avgasningsmaskinen genom dess interna förinställda program (se materialförteckning). Centrifugalkraften måste ökas stegvis för att säkerställa noggrann blandning av silikongummit och avlägsnande av eventuella instängda luftbubblor. - Låt formen sitta i cirka 30 s och placera den sedan i en vakuumtork i cirka 1 minut så att eventuella små luftbubblor i silikongummit kan komma ut. Ta bort formen från torktumlaren och placera den i sin helhet i en termostatisk kammare inställd på 30 °C i 12 timmar, så att silikongummit härdar.
- Upprepa stegen som beskrivs i det andra steget genom att injicera det blandade silikongummit i formen som visas i figur 1E. Placera sedan den avformade gummikroppen som visas i figur 1F i formen fylld med silikongummi. Placera hela enheten i en termostatisk kammare inställd på 30 °C i 12 timmar så att silikongummit kan härda.
- Ta bort den härdade silikongummikroppen från formen och trimma bort överflödigt silikongummi. Tillverkningen av det flexibla gripdonet är nu klar.
OBS: Kaviteten består av två uppsättningar pneumatiska galler, som är oberoende av varandra. På grund av den betydande skillnaden i elasticitetsmodul mellan glasfibrerna och den korrugerade strukturen, böjer sig det pneumatiska gripdonet inåt när det blåses upp, vilket möjliggör kuvertgreppande åtgärder. Fingertoppen är utformad med ett utsprång som liknar en elefantsnabel, vilket gör det möjligt att greppa med fingertopparna.
2. Montering av den bärbara flexibla övertaliga robotlemmen
OBS: Den bärbara övertaliga robotlemmen inkluderar en miniluftpump, luftventiler, en mikrodator med ett chip, pneumatisk gripare, strömförsörjning, flexibla böjningssensorer, en bärbar handske och tillbehör för pneumatiska och elektriska anslutningar (se materialtabell), som visas i figur 2.
- Tillverka den bärbara handsken minutiöst för hand med hjälp av en skräddare. Se till att den genomgår flera iterationer och förbättringar baserat på feedback från bäraren och skräddarens erfarenhet.
- Fäst det pneumatiska gripdonet med 3D-printade delar och fäst det i lämplig position på handsken med hjälp av tejp.
- Bädda in tre flexibla böjningssensorer (se materialtabell) som visas i figur 3 i handsken. Placera dem på pek-, lång- respektive ringfingret och rikta in dem mot baksidan av fingrarna. Använd ett datainsamlingskort för att spela in signaler från sensorerna.
- Förstärk sensorsignalerna och dirigera dem till en Arduino (se materialförteckning). Bearbeta dessa signaler med hjälp av ett skjutfönster och minstakvadratfiltrering i Arduino23. Använd dessa uppskattade värden som baslinjedata för avsiktsidentifiering.
- Placera komponenter som luftpump, luftventiler, styrkort och strömförsörjning i en ryggsäck för bärbarhet. Se figur 4 för en visuell representation av bäreffekten.
3. Att upptäcka greppintentionen
OBS: När bärarens fingrar genererar rörelse ändras sensorns återkopplingssignal i enlighet med detta. Det fungerar genom att öka motståndet i kretsen när komponenten böjs mer. Figur 5 visar de registrerade signalvärdena för den flexibla böjningssensorn under fingerrörelsen hos en frivillig. De tre kurvorna motsvarar signalerna som erhålls från sensorer placerade på de tre fingrarna. Patienter med hemipares har ofta begränsad fingerrörlighet, men sensorn kan upptäcka betydande förändringar.
- Samla in data om omfattningen och mönstret för sensorförändringar under fingerrörelser. Välj lämpliga tröskelvärden baserat på den detekterade sensorn amplituden för att styra pumpaktiveringen. Instruera deltagarna att röra fingrarna fritt inom sitt omfång. Bestäm tröskelvärdena som medelvärdena för topp- och dalvärdena för sensoråterkopplingen.
OBS: När sensorsignalen överstiger det inställda tröskelvärdet börjar pumpen fungera. Lufttrycket ökar när fingrarna böjs ytterligare. Omvänt, när fingrarnas böjningsvinkel minskar och sensorn detekterar en signal under tröskeln, släpper luftventilen trycket till noll och det pneumatiska gripdonet släpper. - Be användaren att observera tillståndet för det pneumatiska gripdonet och bestämma lämplig tid för att sluta blåsa upp luften och upphöra med ytterligare fingerböjning.
- Upprepa ovanstående tester för att fastställa ett rimligt tröskelvärde och för att bekanta dig med att använda den här enheten.
4. Testa enheten med friska frivilliga
- Värva tre friska frivilliga med normala motoriska förmågor i de övre extremiteterna till studien för att bekräfta prototypens bär- och greppeffekter.
- Ställ in det maximala lufttrycket för det pneumatiska gripdonet på 100 kPa. Instruera deltagarna att böja och sträcka ut fingrarna. Låt deltagarna bära prototypen och utföra gripande och släppande experiment på föremål av olika former med hjälp av den tidigare nämnda metoden.
- Be om feedback från bärarna om deras upplevelse och justera bärschemat baserat på deras förslag.
OBS: Som visas i figur 6 lyckades deltagarna omsluta och greppa cylindriska föremål av olika storlekar med hjälp av prototypen. Dessutom utförde de också fingertoppsgreppsuppgifter på rektangulära blockformade föremål.
5. Rehabilitering och grepphjälp för patienter
- Utvärdera patienternas motoriska funktionsåterhämtning enligt Brunnströms återhämtningssteg21 av medicinsk personal. Låt endast patienter i stadierna 3-5 delta i experimenten för rehabiliteringsträning eller daglig hjälp.
- Värva sex patienter med kronisk hemiparetic för att validera prototypens tillförlitlighet och effektivitet. Instruera patienterna att självständigt bära handsken (exklusive ryggsäcken) och röra fingrarna inom sitt räckvidd för att kalibrera tröskelvärdena.
- Under rehabiliteringsfasen ska du uppmuntra patienterna att delta i olika greppuppgifter för att träna fingermusklerna. Låt patienterna sitta vid kanten av ett bord och använd prototypen för att utföra en rad gripande aktiviteter, inklusive att ta tag i en vattenflaska, en banan, en kub och en tandborste.
- Be patienterna att fylla i relevanta enkäter (tilläggsfil 1) baserat på deras personliga erfarenheter efter experimentet. Bedöm följande sex subjektiva känslor: förtroende för systemets funktion; användarvänlighet; bekvämlighet och komfort att bära den; effektivitet och användbarhet för rehabilitering; effektivitet och användbarhet i det dagliga livet; områden som fortfarande behöver förbättras.
- Betygsätt deras svar på en skala från 1 till 5, där 1 representerar att de inte alls håller med och 5 att de instämmer helt. Registrera data och analysera problemen med prototypen och potentiella förbättringsområden baserat på frågeformuläret.
OBS: Detta ökar inte bara intresset för rehabiliteringsträningen utan ökar också patientens vilja att delta i återhämtningsprocessen. I de fall där patienter har nått ett stabilt tillstånd men fortfarande kämpar för att utföra greppuppgifter med fingrarna, kan användningen av robotlemmen hjälpa till att utföra vissa dagliga greppåtgärder som krävs för vardagen.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Representative Results
Experiment med utgående kraft
Figur 7 visar tydligt den strukturella designen och dimensionerna på vårt ställdon, vilket ger en tvärsnittsillustration. Detta ställdon består av två distinkta uppsättningar kammare, som var och en innehåller fem elegant böjda luftkammare. Anmärkningsvärt nog har vi vid ställdonets ändpunkt på ett genialt sätt integrerat en utskjutande struktur som påminner om en elefantsnabelspets, vilket avsevärt utökar ställdonets greppradie.
För att bedöma utgångskraften hos det mjuka pneumatiska ställdonet utfördes en serie statiska greppexperiment. Vikter som vägde 20 g, 50 g, 100 g, 200 g och 500 g valdes ut. Efter att ställdonet var lämpligt placerat och uppblåst lyftes det uppåt efter att ha böjts och omslutits av vikterna för att utvärdera glidningen. De experimentella resultaten visas i figur 8, där figur 8A-C representerar de experimentella resultaten av fingertoppsgrepp, medan figur 8D-F visar de experimentella resultaten av kuvertgrepp.
Under de ovan nämnda sex greppförhållandena varierade det ingående lufttrycket till ställdonet från 0,62 MPa till 0,94 MPa. På grund av variationer i tillverkningsprocesser och strukturen hos det begränsande skiktet mellan olika ställdon kan detta numeriska intervall variera för olika ställdon. Med tanke på att själva ställdonet i sig endast väger 63 g kan det styrkas att sådana ställdon uppvisar ett betydande förhållande mellan utgångskraft och vikt/lufttryck. Dessutom, som visas i figur 8F, kan det observeras att ställdonet med en ökande belastning genomgår betydande deformation under greppprocessen. Detta beror på den begränsade styvheten hos själva det mjuka ställdonet.
Subjektiv bedömning från patienter
Figur 9 visar resultaten av enkätundersökningen från sex patienter. Det är uppenbart att det finns en konsensus bland majoriteten av deltagarna om komforten och användarvänligheten hos det designade bärbara systemet. En tydlig avvikare, deltagare 5, ger dock en övergripande mindre gynnsam utvärdering och ger upphov till betydande problem med enheten. Noterbart är att svaren på den första frågan uppvisar betydande variation bland deltagarna, vilket kan tillskrivas skillnader i handåterhämtningsstatus och inlärningskurvan i samband med maskinanvändning. Dessutom framträder en rådande känsla av skepsis bland de flesta deltagare när det gäller systemets funktionalitet i deras dagliga liv, vilket understryker utrymmet för betydande förbättringar av enheten.
Figur 1: Tillverkning och montering av ställdon. (A-C) illustrerar formstrukturen och monteringsproceduren som används i ställdonets tillverkningsprocess. (D) visar tillståndet efter att silikongummit har hällts, vilket resulterar i två uppsättningar kammare. (E) och (F) visar formen för tätning av botten och motsvarande monteringsresultat. Klicka här för att se en större version av denna figur.
Figur 2: Övertalig robotlem. Den här bilden visar alla hårdvarukomponenter som ingår i den övertaliga robotdelen, exklusive den bärbara ryggsäcken. Klicka här för att se en större version av denna figur.
Bild 3: Flex-sensor. En översikt över den flexibla böjningssensorn som är inbyggd i handsken. Klicka här för att se en större version av denna figur.
Figur 4: Prototypens bäreffekt. Denna figur illustrerar prototypens totala slitageeffekt. Den totala massan av armslitagedelen är mindre än 300 g. Klicka här för att se en större version av denna figur.
Figur 5: Flexibla signaler från böjningssensorn. Denna figur visar en del av sensorvärdena som registreras när patienten bär handsken och rör fingrarna fritt. De tre kurvorna motsvarar signalerna som erhålls från sensorer placerade på de tre fingrarna. Klicka här för att se en större version av denna figur.
Figur 6: Greppexperiment av friska frivilliga. (A-C) demonstrera effekten av det pneumatiska gripdonet som griper tag i tre olika storlekar av cylindrar. (D) visar effekten av att ta tag i ett rektangulärt blockformat föremål. I (A) och (C) är driftläget att gripa tag i kuvertet. I (B) och (D) är driftläget att gripa tag i fingertopparna. Klicka här för att se en större version av denna figur.
Figur 7: Flexibel böjningssensors mått och struktur. Den här bilden kommenterar viktiga dimensioner och strukturen för den flexibla bockningssensorn. Den ger information om ställdonets väggtjocklek, yttermått och kammarstorlekar, inklusive en tvärsnittsvy av ställdonets struktur. Klicka här för att se en större version av denna figur.
Figur 8: Experimentella resultat av utgående krafter. (A-C) visar resultat av fingertoppsgrepp med lastvikter på 20 g, 50 g respektive 100 g. (D-F) visar omslutande greppresultat med lastvikter på 200 g, 500 g respektive 700 g i två grepplägen. Klicka här för att se en större version av denna figur.
Figur 9: Resultat från enkätundersökningen. Resultatet av en enkätundersökning från sex patienter presenteras. Betygen sträcker sig från 1 till 5, där 1 betyder "håller inte alls med" och 5 betyder "håller helt med". Klicka här för att se en större version av denna figur.
Kompletteringsfil 1: Frågor till patienterna baserat på deras personliga erfarenheter efter experimentet. Klicka här för att ladda ner den här filen.
Kompletterande kodningsfiler 1-5: Design för tillverkning av bärbara komponenter med hjälp av 3D-utskriftsteknik. Klicka här för att ladda ner den här filen.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Discussion
Denna studie presenterar en innovativ, flexibel, bärbar övertalig robotlem som är utformad för att hjälpa patienter med kronisk stroke i fingerrehabilitering och greppuppgifter. Detta robotsystem prioriterar bärbarhet och erbjuder både kuvertgrepp och fingertoppsgrepp. Den har en flexibel böjningssensor för användarvänlig interaktionskontroll mellan människa och maskin. Statiska greppexperiment validerar greppförmågan hos den designade mekanismen i två distinkta grepplägen. Studien involverar experiment med hemiparetiska patienter för att bekräfta gripfunktionen och bedöma användarupplevelsen, vilket visar potentialen hos denna robot för att hjälpa patienter med kronisk stroke under rehabilitering och greppaktiviteter.
I samband med denna forskning kan kritiska procedursteg kortfattat sammanfattas enligt följande: (1) Under silikoninjektionsprocessen i formen är det absolut nödvändigt att upprätthålla en optimal injektionshastighet. Alltför snabb injektion kan leda till ett överflöd av luftbubblor, medan alltför långsam injektion kan äventyra silikonets fluiditet. (2) Efter silikoninjektion kan avlägsnandet av små luftbubblor i silikonet uppnås med hjälp av en vakuumpump. Det är dock viktigt att vara försiktig och undvika långvarig exponering för vakuumpumpen, eftersom detta kan leda till att silikon rinner över. (3) För att säkerställa jämnheten i rörelsen i de tillverkade ställdonen är det av största vikt att upprätthålla en hög grad av symmetri för att säkra glasfibrerna. (4) Före experimentet är det obligatoriskt att noggrant kontrollera ställdonens lufttäthet och säkerheten hos tillhörande utrustning, inklusive luftpumpen. Denna försiktighetsåtgärd säkerställer att kretsarna förblir fria från risk för kortslutning. (5) Med tanke på de stora variationerna mellan patienterna när det gäller deras medicinska tillstånd och de stora skillnaderna i handmått på grund av skillnader mellan könen, är det nödvändigt att tillverka handskar i olika storlekar för att tillgodose individuella behov.
När det gäller ställdonstillverkning är det en stor utmaning att säkerställa strukturell enhetlighet. På grund av de inneboende begränsningarna med flexibel materialgjutning och oprecis begränsad lagerpositionering kan problem som inkonsekvent ställdonsprestanda och asymmetri uppstå24. Dessutom, även om dessa ställdon uppvisar naturlig följsamhet, utgör deras låga styvhet en begränsning som hindrar vidare utveckling. I samband med den designade strukturen i denna studie genomgår ställdonen betydande deformation när de utsätts för en belastning på 0,7 kg, vilket hindrar deras förmåga att hantera tunga greppuppgifter. Dessutom är exakt kraftkontroll mellan ställdonen och lasten fortfarande en utmanande fråga25,26. I jämförelse med mänskliga händer, som har både förmågan att utföra handlingar och en stark förmåga att uppfatta den yttre miljön, har den kontinuerliga deformationsstrukturen, flexibel kraftavkänning och taktil avkänning varit pågående utmaningar i relaterade applikationer.
När det gäller funktionalitet har det nuvarande pneumatiska gripdonet begränsade möjligheter att uppnå olika greppåtgärder. Däremot utmärker sig mänskliga händer för att greppa olika komplexa föremål och utföra intrikata handlingar som att riva, snärta och smetaut 24,27. Att utöka utbudet av gripfunktioner är en stor utmaning för pneumatiska gripdon. Dessutom, även om denna studie föreslår en bärbar struktur, genererar miniatyrluftpumpen som används relativt höga ljudnivåer och ger ett litet utgående gasflöde, vilket förvärrar de befintliga elastiska deformationseffekterna. Därför är utvecklingen av en tyst och effektivare miniatyrluftkälla en annan fråga som måste lösas.
Under patientexperiment observerade forskare att deltagarna var benägna att uppleva fingerspasmer. Specifikt uppvisade patienterna en gradvis minskning av fingerrörligheten och kunde inte slutföra fingerförlängnings- och flexionsrörelser eftersom de tillbringade mer tid i experimentet. Därför krävs ytterligare utforskning för att upptäcka onormala fingertillstånd hos patienter och ge lämpligt stöd eller påminnelser. Dessutom, eftersom hemiparetiska patienter inte fritt kan justera hållningen i sina övre extremiteter som friska individer, håller de flesta patienter armarna i en framåtriktad position. Detta resulterar i en partiell obalans mellan det nuvarande slitageschemat och tillståndet hos patienternas drabbade extremiteter, vilket leder till störningar mellan ställdonen och patienternas armar.
I denna studie är den interaktionsstrategi mellan människa och maskin som vi utformade endast lämplig för patienter i stadierna 3-5. Detta beror på att patienter i tidigare stadier har högre fingermuskeltonus och inte kan utföra fingerextensions- och flexionsrörelser. Därför finns det fortfarande betydande begränsningar för interaktionsstrategin mellan människa och maskin som bygger på fingerrörelser.
Sammanfattningsvis finns det många utmanande frågor att ta itu med i forskningen om bärbara övertaliga robotlemmar, inklusive strukturell design av mjuka ställdon, perceptionsmodellering, interaktionskraftkontroll, interaktionsstrategier för bärbara robotlemmar och design av bärbara scheman. Dessa utmaningar kräver kontinuerlig utforskning av forskare inom området bärbar robotik.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Disclosures
Författarna har inget att avslöja.
Acknowledgments
Detta arbete stöds av National Natural Science Foundation of China under Grant U1913207 och av Program for HUST Academic Frontier Youth Team. Författarna vill tacka för stödet från dessa stiftelser.
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).
