Summary
Этот протокол представляет собой гибкую носимую сверхштатную роботизированную конечность, предназначенную для помощи в реабилитации пальцев у пациентов, перенесших инсульт. Конструкция включает в себя датчик изгиба, обеспечивающий бесшовное взаимодействие человека и робота. Валидация с помощью экспериментов с участием как здоровых добровольцев, так и пациентов с инсультом подчеркивает эффективность и надежность предлагаемого исследования.
Abstract
В этом исследовании мы представляем гибкую носимую сверхштатную роботизированную конечность, которая помогает пациентам с хроническим инсультом в реабилитации пальцев и хватательных движений. Дизайн этой инновационной конечности черпает вдохновение в сгибании пневматических мышц и уникальных характеристиках кончика хобота слона. Он уделяет большое внимание таким важным факторам, как легкая конструкция, безопасность, соответствие требованиям, гидроизоляция и достижение высокого соотношения мощности к весу и давлению. Предложенная конструкция позволяет роботизированной конечности выполнять как захват огибающей, так и захват кончиками пальцев. Взаимодействие человека и робота облегчается с помощью гибкого датчика изгиба, который обнаруживает движения пальцев пользователя и подключает их к управлению движением с помощью метода пороговой сегментации. Кроме того, система портативна для универсального ежедневного использования. Чтобы подтвердить эффективность этой инновации, были проведены реальные эксперименты с участием шести пациентов с хроническим инсультом и трех здоровых добровольцев. Обратная связь, полученная с помощью анкет, указывает на то, что разработанный механизм имеет огромные перспективы в оказании помощи пациентам с хроническим инсультом в их повседневной хватательной деятельности, потенциально улучшая качество их жизни и результаты реабилитации.
Introduction
Согласно предыдущемуисследованию1, по состоянию на 2019 год во всем мире было зарегистрировано более 100 миллионов случаев инсульта. Примерно две трети этих случаев закончились гемиплегическими последствиями, и более 80% пациентов с тяжелым гемиплегическим инсультом не смогли полностьювосстановить функцию кисти и руки. Кроме того, ожидается, что в ближайшие десятилетия старение населения продолжит расти, что приведет к значительному увеличению числа потенциальных жертв инсульта. Стойкие нарушения здоровья верхних конечностей после инсульта могут существенно повлиять на повседневную деятельность (ADL), и реабилитация рук была клинически признана важнейшей целью для повышения активности и участия пациентов с хроническим инсультом3.
Традиционные роботизированные устройства верхних конечностей с моторным приводом могут обеспечить значительную движущую силу, но их жесткие конструкции часто приводят к большим размерам и большому весу. Более того, они представляют риск нанесения необратимого вреда организму человека в случае их неисправности. В отличие от них, мягкие пневматические приводы продемонстрировали значительный потенциал в реабилитации4, ассистировании5 и хирургическом применении6. К их преимуществам относятся безопасность, легкая конструкция и неотъемлемая податливость.
В последние годы появилось множество гибких носимых роботов, спроектированных и разработанных на основе мягких пневматических приводов. Эти роботы предназначены для реабилитации и постреабилитационной помощи пациентам, перенесшим инсульт. В основном они охватывают экзоскелеты рук 7,8 и сверхштатные конечности 9,10. Несмотря на то, что оба используются в области носимой робототехники и реабилитации, первый напрямую взаимодействует с человеческим телом, потенциально ограничивая мышцы или суставы, в то время как второй дополняет рабочее пространство или движение человека без прямого ограничения11,12. Носимые сверхштатные роботизированные пальцы на основе серводвигателей были разработаны для оказания помощи эрготерапевтам в обучении повседневной деятельности (ADL)9. Аналогичный подход можно найти и в других исследованиях10. Эти две категории роботизированных пальцев открыли новые возможности для применения таких роботов в реабилитационной помощи гемипаретическим пациентам. Тем не менее, стоит отметить, что жесткая конструкция, используемая в этих роботизированных конструкциях, может привести к потенциальным соображениям относительно комфорта и безопасности пользователя. Былипредставлены дизайн, изготовление и оценка мягкой носимой роботизированной перчатки, которая может быть использована для реабилитации рук и тренировки конкретных задач во время функциональной магнитно-резонансной томографии (фМРТ). В перчатке используются мягкие пневматические приводы из силиконовых эластомеров для создания движения суставов пальцев, и устройство совместимо с МРТ, не вызывая артефактов на изображениях фМРТ. Yun et al. представили Exo-Glove PM, настраиваемую мягкую пневматическую вспомогательную перчатку, в которой используется подход, основанный на сборке14. Эта инновационная конструкция отличается небольшими модулями и регулируемыми расстояниями между ними, что позволяет пользователям настраивать перчатку в зависимости от длины фаланги с помощью проставок. Такой подход обеспечивает максимальный комфорт и производительность без необходимости изготовления по индивидуальному заказу. Исследователи представили мягкие приводы, состоящие из эластомерных материалов со встроенными каналами, функционирующими как пневматические сети15. Эти приводы генерируют изгибающие движения, которые безопасно соответствуют движениям пальцев человека. Кроме того, исследователи представили AirExGlove, легкий и адаптируемый надувной мягкий экзоскелет16. Эта система экономична, настраивается для разных размеров рук и успешно подходит для пациентов с различными уровнями спастичности мышц. Он предлагает более эргономичное и гибкое решение по сравнению с жестко-связанными роботизированными системами. Несмотря на то, что эти исследования внесли значительный вклад в разработку гибких носимых средств для реабилитации рук и вспомогательных роботов, стоит отметить, что ни одно из них не достигло полной портативности и контроля взаимодействия человека и робота.
Многочисленные исследования изучали корреляцию между биологическими сигналами, такими как сигналы электроэнцефалограммы (ЭЭГ)17 или электромиограммы (ЭМГ)18, и намерением человека. Однако оба подхода имеют определенные ограничения в рамках существующих устройств и технологических условий. Инвазивные электроды требуют хирургических процедур на человеческом теле, в то время как неинвазивные электроды страдают от таких проблем, как высокий уровень шума и ненадежность при приеме сигнала. Подробное обсуждение этих ограничений можно найти в литературе19,20. Таким образом, исследования портативности и удобных для пользователя возможностей взаимодействия человека и машины гибких носимых сверхштатных роботизированных конечностей остаются весьма актуальными.
В этом исследовании была разработана и изготовлена уникальная гибкая носимая сверхштатная роботизированная конечность, чтобы помочь пациентам с хроническим инсультом в реабилитации пальцев и помощи при захвате. Эта роботизированная конечность отличается легким весом, безопасностью, соответствием требованиям, водонепроницаемостью и впечатляющим соотношением производительности к весу и давлению. Два режима захвата, захват огибающей и захват кончиками пальцев, были достигнуты при сохранении портативности и обеспечении удобного взаимодействия человека и робота. В протоколе подробно описывается конструкция и процесс изготовления пневматического захвата, а также схема носимого устройства. Кроме того, предложен метод взаимодействия человека и робота на основе гибких датчиков изгиба, позволяющий удобно и удобно управлять с помощью сегментации порогов. Все эти аспекты проверены практическими экспериментами.
Основные результаты этого исследования сводятся к следующему: (1) Разработана и изготовлена легкая, удобная и удобная в ношении гибкая роботизированная конечность для пациентов с хроническим инсультом. (2) Реализован надежный метод взаимодействия человека и робота на основе гибких датчиков изгиба. (3) Были проведены реальные эксперименты для проверки эффективности и надежности предложенного механизма и метода, которые включают в себя тестирование выходной силы и включают в себя шесть пациентов с хроническим инсультом.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Protocol
Этот протокол был одобрен Советом по этике больницы Юнион, Медицинского колледжа Тунцзи, Хуачжунского университета науки и технологий. В качестве участников были отобраны пациенты с функциональными нарушениями верхних конечностей, которые соответствовали диагностическим критериям и проходили лечение в реабилитационном отделении больницы автора. Восстановление двигательной функции пациентов оценивали по21 этапу восстановления по шкале Бруннстрома, а для участия в экспериментах отбирали пациентов на 3-5 стадиях. От пациентов, участвовавших в исследовании, было получено письменное информированное согласие. Процедура включает в себя разработку пресс-формы для пневматического захвата, процесс изготовления пневматического захвата на основе отвержденного силиконового каучука, интеграцию портативных устройств, а также программно-аппаратную реализацию для определения намерения захвата. За исключением силиконовой резины и обычных тканей, все носимые компоненты производятся с использованием технологии 3D-печати (см. Дополнительные файлы кодирования 1-5).
1. Проектирование и изготовление пневматического захвата
- Соберите предварительно спроектированную пресс-форму22, как показано на фиг.1A,B. Затем используйте клей-расплав, чтобы закрепить стекловолокна в обозначенных местах в форме, как показано на рисунке 1C. Обязательно используйте клей-расплав для герметизации любых потенциальных участков, которые могут вызвать утечку силикона.
- Взвесьте соответствующее количество компонента А и компонента Б силиконового эластомера (9:1 по весу) (см. Таблицу материалов) и смешайте их в указанном соотношении. После смешивания используйте вакуумную смесительно-дегазационную машину с переменной центробежной силой, определяемой внутренней предустановленной программой машины. Как только смесь будет готова, быстро введите ее в собранную форму, как показано на рисунке 1D.
ПРИМЕЧАНИЕ: Переменная центробежная сила контролируется вакуумной смесительно-дегазационной машиной с помощью ее внутренней предварительной программы (см. Таблицу материалов). Центробежная сила должна постепенно увеличиваться, чтобы обеспечить тщательное перемешивание силиконового каучука и удаление любых захваченных пузырьков воздуха. - Дайте форме постоять примерно 30 с, затем поместите ее в вакуумную сушилку примерно на 1 минуту, чтобы мелкие пузырьки воздуха в силиконовой резине вышли наружу. Выньте форму из сушилки и поместите ее целиком в термостатическую камеру, установленную при температуре 30 °C, на 12 часов, чтобы силиконовая резина затвердела.
- Повторите шаги, описанные на втором шаге, впрыснув смешанный силиконовый каучук в форму, показанную на рисунке 1E. Затем поместите извлеченный резиновый корпус, показанный на рисунке 1F , в форму, заполненную силиконовой резиной. Поместите всю сборку в термостатическую камеру, установленную при температуре 30 °C, на 12 часов, чтобы силиконовая резина затвердела.
- Извлеките корпус из затвердевшей силиконовой резины из формы и обрежьте излишки силиконовой резины. Изготовление гибкого захвата завершено.
ПРИМЕЧАНИЕ: Полость состоит из двух комплектов пневматических решеток, которые независимы друг от друга. Из-за значительной разницы в модуле упругости между стекловолокнами и гофрированной структурой пневматический захват при надувании изгибается внутрь, что позволяет выполнять действия по захвату оболочки. Кончик пальца имеет выступ, напоминающий хобот слона, что позволяет хватать его кончиками пальцев.
2. Сборка носимой гибкой внештатной роботизированной конечности
ПРИМЕЧАНИЕ: Носимая сверхштатная роботизированная конечность включает в себя мини-воздушный насос, воздушные клапаны, однокристальный микрокомпьютер, пневматический захват, источник питания, гибкие датчики изгиба, носимую перчатку и аксессуары для пневматических и электрических соединений (см. Таблицу материалов), как показано на рисунке 2.
- Кропотливая ручная работа по изготовлению носимых перчаток с помощью портного. Убедитесь, что он претерпевает множество итераций и улучшений на основе отзывов владельца и опыта портного.
- Закрепите пневматический захват деталями, напечатанными на 3D-принтере, и прикрепите его к соответствующему положению на перчатке с помощью клейкой ленты.
- Вставьте в перчатку три гибких датчика изгиба (см. таблицу материалов), как показано на рисунке 3 . Разместите их на указательном, среднем и безымянном пальцах соответственно, совместив с тыльной стороной пальцев. Используйте плату сбора данных для записи сигналов с датчиков.
- Усилите сигналы датчика и направьте их на Arduino (см. Таблицу материалов). Обрабатывайте эти сигналы с помощью скользящего окна и фильтрации по методу наименьших квадратов в Arduino23. Используйте эти оценочные значения в качестве исходных данных для обнаружения намерений.
- Поместите такие компоненты, как воздушный насос, воздушные клапаны, плата управления и блок питания, в рюкзак для переноски. На рисунке 4 приведено визуальное представление эффекта износа.
3. Обнаружение цепляющего намерения
ПРИМЕЧАНИЕ: Когда пальцы пользователя создают движение, сигнал обратной связи датчика изменяется соответствующим образом. Он работает за счет увеличения сопротивления в цепи по мере того, как компонент изгибается сильнее. На рисунке 5 показаны записанные значения сигналов датчика гибкого изгиба при движении пальцев одного добровольца. Три кривые соответствуют сигналам, полученным от датчиков, размещенных на трех пальцах. Пациенты с гемипарезом часто имеют ограниченную подвижность пальцев, но датчик способен обнаруживать значительные изменения.
- Собирайте данные о диапазоне и характере изменений датчика во время движений пальцев. Выберите соответствующие пороговые значения на основе обнаруженной амплитуды датчика для управления активацией насоса. Попросите участников свободно двигать пальцами в пределах своих возможностей. Определите пороговые значения как средние значения пиковых и впадинальных значений обратной связи датчика.
ПРИМЕЧАНИЕ: Когда сигнал датчика превышает установленное пороговое значение, насос начинает работать. Давление воздуха увеличивается по мере того, как пальцы сгибаются дальше. И наоборот, когда угол сгибания пальцев уменьшается, и датчик обнаруживает сигнал ниже порога, воздушный клапан сбрасывает давление до нуля, а пневматический захват освобождается. - Попросите пользователя понаблюдать за состоянием пневматического захвата и определить подходящее время, чтобы прекратить надувание воздуха и прекратить дальнейшее сгибание пальцев.
- Повторите вышеуказанные тесты, чтобы установить разумный порог и ознакомиться с использованием этого устройства.
4. Тестирование прибора на здоровых добровольцах
- Привлеките к исследованию трех здоровых добровольцев с нормальными двигательными способностями верхних конечностей, чтобы подтвердить эффект износа и хватания прототипа.
- Установите максимальное давление воздуха для пневматического захвата на 100 кПа. Попросите участников сгибать и разгибать пальцы. Предложите участникам надеть прототип и провести эксперименты по захвату и высвобождению на объектах различной формы, используя метод, упомянутый выше.
- Запрашивайте отзывы пользователей об их опыте и корректируйте схему ношения на основе их предложений.
ПРИМЕЧАНИЕ: Как показано на рисунке 6, участники успешно охватывали и захватывали цилиндрические объекты разных размеров с помощью прототипа. Кроме того, они также выполняли задания по захвату кончиками пальцев на прямоугольных блочных объектах.
5. Реабилитация и помощь пациентам
- Оценка восстановления двигательной функции пациентов в соответствии с21 стадией восстановления по шкале Бруннстрома, проведенной медицинскими специалистами. Допускайте к участию в экспериментах только пациентов на 3-5 стадиях для обучения реабилитации или ежедневной помощи.
- Привлеките шесть пациентов с хроническими гемипаретическими заболеваниями, чтобы проверить надежность и эффективность прототипа. Проинструктируйте пациентов самостоятельно надевать перчатку (исключая рюкзак) и двигать пальцами в пределах своих возможностей для калибровки пороговых значений.
- Во время фазы реабилитации предложите пациентам выполнять различные хватательные задания, чтобы тренировать мышцы пальцев. Предложите пациентам сесть на край стола и использовать прототип для выполнения ряда хватательных действий, включая захват бутылки с водой, банана, кубика и зубной щетки.
- Попросите пациентов заполнить соответствующие анкеты (Дополнительный файл 1), основанные на их личном опыте после эксперимента. Оцените следующие шесть субъективных чувств: уверенность в функционировании системы; простота использования; удобство и комфорт его ношения; эффективность и полезность для реабилитации; эффективность и полезность в повседневной жизни; области, которые все еще нуждаются в улучшении.
- Оцените их ответы по шкале от 1 до 5, где 1 означает полное несогласие, а 5 — полное согласие. Запишите данные и проанализируйте проблемы с прототипом и потенциальные области для улучшения на основе анкеты.
ПРИМЕЧАНИЕ: Это не только повышает интерес к реабилитационному обучению, но и повышает желание пациента участвовать в процессе выздоровления. В тех случаях, когда пациенты достигли стабильного состояния, но все еще испытывают трудности при выполнении задач захвата пальцами, использование роботизированной конечности может помочь в выполнении определенных повседневных хватательных действий, необходимых в повседневной жизни.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Representative Results
Эксперименты с выходной силой
На рисунке 7 наглядно показана конструкция и размеры нашего привода, а также иллюстрация поперечного сечения. Этот привод состоит из двух отдельных камер, каждая из которых содержит пять элегантно изогнутых воздушных камер. Примечательно, что на конце привода мы гениально интегрировали выступающую структуру, напоминающую кончик хобота слона, значительно увеличив радиус захвата привода.
Для оценки выходного усилия мягкого пневматического привода была проведена серия статических экспериментов по захвату. Были выбраны гири весом по отдельности 20 г, 50 г, 100 г, 200 г и 500 г. После того, как привод был правильно установлен и накачан, его подняли вверх после изгиба и обхвата груза для оценки проскальзывания. Результаты эксперимента представлены на рисунке 8, где на рисунке 8A-C представлены экспериментальные результаты захвата кончиками пальцев, а на рисунке 8D-F показаны экспериментальные результаты захвата огибающей.
В вышеупомянутых шести режимах захвата давление воздуха на входе в привод составляло от 0,62 МПа до 0,94 МПа. Из-за различий в производственных процессах и структуре ограничивающего слоя у разных приводов этот числовой диапазон может отличаться для разных приводов. Учитывая, что сам привод весит всего 63 г, можно утверждать, что такие приводы демонстрируют существенное соотношение силы к весу и давлению воздуха. Кроме того, как показано на рисунке 8F, можно наблюдать, что при увеличении нагрузки привод претерпевает значительную деформацию в процессе захвата. Это связано с ограниченной жесткостью самого мягкого привода.
Субъективная оценка пациентов
На рисунке 9 представлены результаты анкетного опроса шести пациентов. Очевидно, что среди большинства участников существует консенсус относительно комфорта и удобства использования разработанной носимой системы. Тем не менее, явный выброс, участник 5, дает в целом менее благоприятную оценку и вызывает серьезные опасения по поводу устройства. Примечательно, что ответы на первый вопрос демонстрируют значительную вариативность среди участников, что может быть связано с различиями в статусе восстановления руки и кривой обучения, связанной с использованием тренажера. Более того, среди большинства участников возникает преобладающее чувство скептицизма в отношении функциональности системы в их повседневной жизни, что подчеркивает возможности для существенных улучшений в устройстве.
Рисунок 1: Изготовление и сборка привода. (A-C) иллюстрируют конструкцию пресс-формы и процедуру сборки, используемую в процессе изготовления привода. (D) показывает состояние после заливки силиконовой резины, в результате чего получаются два набора камер. (E) и (F) продемонстрируйте пресс-форму для герметизации днища и соответствующий результат сборки. Пожалуйста, нажмите здесь, чтобы увидеть увеличенную версию этого рисунка.
Рисунок 2: Внештатная роботизированная конечность. На этом рисунке показаны все аппаратные компоненты, входящие в состав сверхштатной роботизированной конечности, за исключением переносного рюкзака. Пожалуйста, нажмите здесь, чтобы увидеть увеличенную версию этого рисунка.
Рисунок 3: Датчик изгиба. Обзор гибкого датчика изгиба, встроенного в перчатку. Пожалуйста, нажмите здесь, чтобы увидеть увеличенную версию этого рисунка.
Рисунок 4: Эффект износа прототипа. Этот рисунок иллюстрирует общий эффект износа прототипа. Общая масса изнашиваемой части рычага составляет менее 300 г. Пожалуйста, нажмите здесь, чтобы просмотреть увеличенную версию этого рисунка.
Рисунок 5: Сигналы датчика гибкого изгиба. На этом рисунке показан фрагмент показаний датчиков, записанных, когда пациент надевает перчатку и свободно двигает пальцами. Три кривые соответствуют сигналам, полученным от датчиков, размещенных на трех пальцах. Пожалуйста, нажмите здесь, чтобы увидеть увеличенную версию этого рисунка.
Рисунок 6: Захватывающие эксперименты здоровых добровольцев. (A-C) продемонстрировать эффект пневматического захвата, охватывающего три цилиндра разных размеров. (D) показывает эффект захвата прямоугольного блокообразного объекта. В (А) и (В) режим работы - захват огибающей. В (B) и (D) режим работы - захват кончиками пальцев. Пожалуйста, нажмите здесь, чтобы увидеть увеличенную версию этого рисунка.
Иллюстрация 7: Размеры и конструкция датчика гибки. На этом рисунке показаны основные размеры и структура датчика гибкого изгиба. Он предоставляет информацию о толщине стенки привода, внешних размерах и размерах камеры, включая вид конструкции привода в поперечном сечении. Пожалуйста, нажмите здесь, чтобы увидеть увеличенную версию этого рисунка.
Рисунок 8: Экспериментальные результаты расчета выходных сил. (A-C) демонстрируют результаты захвата кончиками пальцев при весе груза 20 г, 50 г и 100 г соответственно. (D-F) демонстрируют обволакивающие результаты захвата с грузом 200 г, 500 г и 700 г соответственно в двух режимах захвата. Пожалуйста, нажмите здесь, чтобы увидеть увеличенную версию этого рисунка.
Рисунок 9: Результаты анкетного опроса. Представлены результаты анкетного опроса шести пациентов. Оценки варьируются от 1 до 5, где 1 означает «полностью не согласен», а 5 — «полностью согласен». Пожалуйста, нажмите здесь, чтобы увидеть увеличенную версию этого рисунка.
Дополнительный файл 1: Вопросы для пациентов, основанные на их личном опыте после эксперимента. Пожалуйста, нажмите здесь, чтобы скачать этот файл.
Дополнительные файлы кодирования 1-5: Проекты для изготовления носимых компонентов с использованием технологии 3D-печати. Пожалуйста, нажмите здесь, чтобы скачать этот файл.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Discussion
В этом исследовании представлена инновационная, гибкая, носимая сверхштатная роботизированная конечность, предназначенная для помощи пациентам с хроническим инсультом в реабилитации пальцев и задачах захвата. Эта роботизированная система уделяет первостепенное внимание портативности и предлагает функции захвата как конвертом, так и захватом кончиками пальцев. Он включает в себя гибкий датчик изгиба для удобного управления взаимодействием человека и машины. Статические эксперименты по захвату подтверждают возможности захвата спроектированного механизма в двух различных режимах захвата. Исследование включает в себя эксперименты с гемипаретическими пациентами для подтверждения функциональности захвата и оценки пользовательского опыта, демонстрируя потенциал этого робота в оказании помощи пациентам с хроническим инсультом во время реабилитации и хватательной деятельности.
В контексте данного исследования важнейшие этапы процедуры можно кратко резюмировать следующим образом: (1) В процессе впрыска силикона в пресс-форму крайне важно поддерживать оптимальную скорость впрыска. Чрезмерно быстрое впрыскивание может привести к переизбытку пузырьков воздуха, в то время как слишком медленное впрыскивание может нарушить текучесть силикона. (2) После впрыска силикона с помощью вакуумного насоса можно удалить мельчайшие пузырьки воздуха внутри силикона. Тем не менее, важно проявлять осторожность и избегать длительного воздействия вакуумного насоса, так как это может привести к переполнению силикона. (3) Для обеспечения равномерности движения изготовленных приводов крайне важно поддерживать высокую степень симметрии при закреплении стекловолокна. (4) Перед началом экспериментов обязательна тщательная проверка герметичности приводов и безопасности связанного с ними оборудования, включая воздушный насос. Эта мера предосторожности гарантирует, что цепь не будет подвержена риску короткого замыкания. (5) Учитывая существенную вариабельность состояния здоровья пациентов и значительные различия в размерах рук из-за гендерных различий, производство перчаток различных размеров является необходимым для удовлетворения индивидуальных потребностей.
В области изготовления приводов обеспечение структурной согласованности представляет собой серьезную проблему. Из-за ограничений, присущих гибкому формованию материала, и неточного ограниченного позиционирования слоев могут возникнуть такие проблемы, как нестабильная работа привода и асимметрия24. Кроме того, несмотря на то, что эти приводы демонстрируют естественную податливость, их низкая жесткость представляет собой ограничение, препятствующее дальнейшему развитию. В контексте конструкции, разработанной в данном исследовании, приводы претерпевают значительную деформацию при нагрузке 0,7 кг, что затрудняет их способность справляться с тяжелыми захватными работами. Кроме того, сложным вопросом остается точное регулирование усилия между приводами и грузом25,26. По сравнению с человеческими руками, которые обладают как способностью выполнять действия, так и сильной способностью воспринимать внешнюю среду, структура непрерывной деформации, гибкое восприятие силы и тактильное восприятие являются постоянными проблемами в смежных приложениях.
С точки зрения функциональности, современный пневматический захват имеет ограниченные возможности в выполнении различных хватательных действий. В отличие от них, человеческие руки превосходно хватают различные предметы сложной формы и выполняют сложные действия, такие как разрыв, щелканье и размазывание24,27. Расширение диапазона функций захвата представляет собой серьезную проблему для пневматических захватов. Кроме того, несмотря на то, что в данном исследовании предлагается портативная конструкция, используемый миниатюрный воздушный насос генерирует относительно высокий уровень шума и обеспечивает небольшой расход газа на выходе, что усугубляет существующие эффекты упругой деформации. Поэтому разработка бесшумного и более эффективного миниатюрного источника воздуха является еще одним вопросом, который необходимо решить.
Во время экспериментов с пациентами исследователи заметили, что участники были склонны испытывать спазмы пальцев. В частности, у пациентов наблюдалось постепенное снижение подвижности пальцев, и они не могли выполнять разгибание и сгибание пальцев, поскольку проводили больше времени в эксперименте. Таким образом, необходимы дальнейшие исследования, чтобы обнаружить аномальные состояния пальцев у пациентов и обеспечить соответствующую поддержку или напоминания. Кроме того, поскольку гемипаретические пациенты не могут свободно регулировать положение верхних конечностей, как здоровые люди, большинство пациентов держат руки в переднем положении. Это приводит к частичному несоответствию между текущей схемой ношения и состоянием пораженных конечностей пациентов, что приводит к интерференции между исполнительными механизмами и руками пациентов.
В этом исследовании разработанная нами стратегия взаимодействия человека и машины подходит только для пациентов на 3-5 стадиях. Это связано с тем, что пациенты на ранних стадиях имеют более высокий тонус мышц пальцев и не могут выполнять разгибательные и сгибательные движения пальцев. Таким образом, стратегия человеко-машинного взаимодействия, основанная на движениях пальцев, по-прежнему имеет существенные ограничения.
Подводя итог, можно сказать, что существует множество сложных вопросов, которые необходимо решить в исследовании носимых сверхштатных роботизированных конечностей, включая структурный дизайн мягких приводов, моделирование восприятия, управление силой взаимодействия, стратегии взаимодействия человека и машины для носимых роботизированных конечностей и дизайн носимых схем. Эти проблемы требуют постоянного изучения исследователями в области носимой робототехники.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Disclosures
Авторам нечего раскрывать.
Acknowledgments
Эта работа поддержана Национальным фондом естественных наук Китая в рамках гранта U1913207 и Программой молодежной команды HUST Academic Frontier. Авторы благодарят эти фонды за поддержку.
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).
