Summary
Bu protokol, inme hastaları için parmak rehabilitasyonuna yardımcı olmak üzere uyarlanmış esnek, giyilebilir bir süper sayısal robotik uzuv sunar. Tasarım, kesintisiz insan-robot etkileşimini kolaylaştırmak için bir bükülme sensörü içerir. Hem sağlıklı gönüllüleri hem de inme hastalarını içeren deneyler yoluyla doğrulama, önerilen çalışmanın etkinliğini ve güvenilirliğini vurgulamaktadır.
Abstract
Bu çalışmada, kronik inme hastalarına parmak rehabilitasyonu ve kavrama hareketlerinde yardımcı olan esnek, giyilebilir bir süpernümerer robotik uzuv sunulmuştur. Bu yenilikçi uzvun tasarımı, bükülen pnömatik kaslardan ve bir filin hortum ucunun benzersiz özelliklerinden ilham alıyor. Hafif yapı, güvenlik, uyumluluk, su geçirmezlik ve yüksek çıktı-ağırlık/basınç oranı elde etme gibi önemli faktörlere güçlü bir vurgu yapar. Önerilen yapı, robotik uzvun hem zarf hem de parmak ucu kavrama işlemini gerçekleştirmesini sağlar. İnsan-robot etkileşimi, kullanıcının parmak hareketlerini algılayan ve bunları bir eşik segmentasyon yöntemiyle hareket kontrolüne bağlayan esnek bir bükülme sensörü aracılığıyla kolaylaştırılır. Ek olarak, sistem çok yönlü günlük kullanım için taşınabilir. Bu yeniliğin etkinliğini doğrulamak için, altı kronik inme hastası ve üç sağlıklı gönüllüyü içeren gerçek dünya deneyleri yapıldı. Anketler aracılığıyla alınan geri bildirimler, tasarlanan mekanizmanın kronik inme hastalarına günlük kavrama aktivitelerinde yardımcı olmada, potansiyel olarak yaşam kalitelerini ve rehabilitasyon sonuçlarını iyileştirmede büyük umut vaat ettiğini göstermektedir.
Introduction
Önceki araştırmalaragöre 1, 2019 itibariyle dünya çapında 100 milyondan fazla inme vakası vardı. Bu vakaların yaklaşık üçte ikisi hemiplejik sekel ile sonuçlandı ve şiddetli hemiplejik inme hastalarının %80'inden fazlası el ve kol fonksiyonlarını tam olarak iyileştiremedi2. Ayrıca, yaşlanan nüfusun önümüzdeki yıllarda artmaya devam etmesi ve potansiyel inme kurbanlarının sayısında önemli bir artışa yol açması bekleniyor. İnme sonrası kalıcı üst ekstremite bozuklukları günlük yaşam aktivitelerini (ADL'ler) önemli ölçüde etkileyebilir ve el rehabilitasyonu, kronik inme hastalarının aktivitesini ve katılımını artırmak için klinik olarak kritik bir hedef olarak kabul edilmiştir3.
Geleneksel motor tahrikli robotik üst ekstremite cihazları önemli bir itici güç sağlayabilir, ancak sert yapıları genellikle büyük boyutlara ve yüksek ağırlıklara dönüşür. Ayrıca, arızalanmaları durumunda insan vücuduna geri dönüşü olmayan zararlar verme riski taşırlar. Buna karşılık, yumuşak pnömatik aktüatörler rehabilitasyon4, yardım5 ve cerrahi uygulamalarda6 önemli bir potansiyel göstermiştir. Avantajları arasında güvenlik, hafif yapı ve doğal uyumluluk yer alır.
Son yıllarda, yumuşak pnömatik aktüatörler etrafında çok sayıda esnek giyilebilir robot ortaya çıktı, tasarlandı ve geliştirildi. Bu robotlar, inme hastalarının üst ekstremitelerinin rehabilitasyonu ve rehabilitasyon sonrası yardımı için tasarlanmıştır. Öncelikle el dış iskeletlerini 7,8 ve süper nümerik uzuvları 9,10 kapsarlar. Her ikisi de giyilebilir robotik ve rehabilitasyon alanlarında kullanılsa da, birincisi insan vücudu ile doğrudan etkileşime girerek potansiyel olarak kasları veya eklemleri kısıtlarken, ikincisi doğrudan kısıtlama olmaksızın insan çalışma alanını veya hareketini tamamlar11,12. Ergoterapistlere günlük yaşam aktiviteleri (ADL'ler) eğitiminde yardımcı olmak için servo motorlara dayalı giyilebilir süper nümerik robotik parmaklargeliştirilmiştir 9. Benzer bir yaklaşım diğer araştırmalardada bulunabilir 10. Bu iki robotik parmak kategorisi, hemiparetik hastaların rehabilitasyon yardımında bu tür robotların uygulanması için yeni olanaklar getirmiştir. Bununla birlikte, bu robotik tasarımlarda kullanılan sert yapının, kullanıcı konforu ve güvenliği ile ilgili potansiyel hususları beraberinde getirebileceğini belirtmekte fayda var. Fonksiyonel Manyetik Rezonans Görüntüleme (fMRI) sırasında el rehabilitasyonu ve göreve özel eğitim için kullanılabilecek yumuşak giyilebilir bir robotik eldivenin tasarımı, üretimi ve değerlendirilmesi13 sunuldu. Eldiven, parmak eklem hareketi oluşturmak için silikon elastomerlerden yapılmış yumuşak pnömatik aktüatörler kullanır ve cihaz, fMRI görüntülerinde artefaktlara neden olmadan MR uyumludur. Yun ve ark. montaj tabanlı bir yaklaşım kullanan özelleştirilebilir yumuşak pnömatik yardımcı eldiven olan Exo-Glove PM'yi tanıttı14. Bu yenilikçi tasarım, küçük modüllere ve aralarında ayarlanabilir mesafelere sahiptir ve kullanıcıların ara parçalar kullanarak eldiveni falanks uzunluklarına göre özelleştirmelerine olanak tanır. Bu yaklaşım, özel üretime gerek kalmadan konfor ve performansı en üst düzeye çıkarır. Araştırmacılar, pnömatik ağlar olarak işlev gören entegre kanallara sahip elastomerik malzemelerden oluşan yumuşak aktüatörler sundular15. Bu aktüatörler, insan parmak hareketlerine güvenli bir şekilde uyan bükme hareketleri üretir. Ek olarak, araştırmacılar hafif ve uyarlanabilir bir şişirilebilir yumuşak dış iskelet cihazı olan AirExGlove'u tanıttı16. Bu sistem uygun maliyetlidir, farklı el boyutları için özelleştirilebilir ve farklı seviyelerde kas spastisitesi olan hastaları başarıyla barındırmıştır. Rijit bağlantılı robotik sistemlere kıyasla daha ergonomik ve esnek bir çözüm sunar. Bu çalışmalar esnek giyilebilir el rehabilitasyonu ve yardımcı robotların geliştirilmesine önemli katkılar sağlamış olsa da, hiçbirinin tam taşınabilirlik ve insan-robot etkileşimi kontrolüne ulaşmadığını belirtmekte fayda var.
Çok sayıda çalışma, elektroensefalogram (EEG)17 veya elektromiyogram (EMG) sinyalleri18 gibi biyolojik sinyaller ile insan niyeti arasındaki ilişkiyi araştırmıştır. Bununla birlikte, her iki yaklaşımın da mevcut cihazların ve teknolojik koşulların kısıtlamaları dahilinde belirli sınırlamaları vardır. İnvaziv elektrotlar insan vücudunda cerrahi prosedürler gerektirirken, non-invaziv elektrotlar yüksek gürültü seviyeleri ve sinyal alımında güvenilmezlik gibi sorunlardan muzdariptir. Bu sınırlılıkların ayrıntılı tartışmaları literatürde bulunabilir19,20. Bu nedenle, esnek giyilebilir süper nümerik robotik uzuvların taşınabilirliği ve kullanıcı dostu insan-makine etkileşimi yeteneklerine yönelik araştırma arayışı oldukça alakalı olmaya devam etmektedir.
Bu çalışmada, kronik inme hastalarına parmak rehabilitasyonu ve kavrama yardımında yardımcı olmak için benzersiz bir esnek, giyilebilir süpernümerer robotik uzuv tasarlandı ve üretildi. Bu robotik uzuv, hafifliği, güvenliği, uyumluluğu, su geçirmezliği ve etkileyici çıktı-ağırlık/basınç oranı ile karakterize edilir. Taşınabilirliği korurken ve kullanıcı dostu bir insan-robot etkileşimi sağlarken, zarf ve parmak ucu kavrama olmak üzere iki kavrama modu elde edilmiştir. Protokol, pnömatik tutucunun ve giyilebilir şemanın tasarım ve üretim sürecini detaylandırır. Ek olarak, eşik segmentasyonu yoluyla uygun ve kullanıcı dostu kontrole izin veren esnek bükme sensörlerine dayalı bir insan-robot etkileşim yöntemi önerilmiştir. Tüm bu yönler pratik deneylerle doğrulanmıştır.
Bu çalışmanın ana katkıları şu şekilde özetlenmiştir: (1) Kronik inme hastaları için hafif, kullanıcı dostu ve giyilebilir esnek bir süper nümerik robotik uzuv tasarlanmış ve üretilmiştir. (2) Esnek bükme sensörlerine dayalı güvenilir bir insan-robot etkileşimi yöntemi gerçekleştirilmiştir. (3) Önerilen mekanizma ve yöntemin etkinliğini ve güvenilirliğini doğrulamak için, çıktı kuvveti testini içeren ve altı kronik inme hastasını içeren gerçek dünya deneyleri yapılmıştır.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Protocol
Bu protokol, Huazhong Bilim ve Teknoloji Üniversitesi, Tongji Tıp Fakültesi, Union Hastanesi Etik İnceleme Kurulu tarafından onaylanmıştır. Tanı kriterlerini karşılayan ve yazarın hastanesinin rehabilitasyon bölümünde ayakta ve yatan hasta birimlerinde tedavi gören üst ekstremite fonksiyonel bozukluğu olan hastalar katılımcı olarak seçildi. Hastaların motor fonksiyon iyileşmesi Brunnstrom iyileşme evreleri21'e göre değerlendirildi ve evre 3-5'teki hastalar deneylere katılmak üzere seçildi. Çalışmaya katılan hastalardan yazılı bilgilendirilmiş onam alındı. Prosedür, pnömatik tutucu için kalıp tasarımını, kürlenmiş silikon kauçuğa dayalı pnömatik tutucunun üretim sürecini, taşınabilir cihazların entegrasyonunu ve kavrama niyeti tespiti için yazılım ve donanım uygulamasını içerir. Silikon kauçuk ve yaygın kumaşlar dışında, tüm giyilebilir bileşenler 3D baskı teknolojisi kullanılarak üretilir (bkz. Ek Kodlama Dosyaları 1-5).
1. Pnömatik tutucunun tasarlanması ve imalatı
- Önceden tasarlanmış kalıbı22 Şekil 1A,B'de gösterildiği gibi monte edin. Ardından, Şekil 1C'de gösterildiği gibi, cam elyafları kalıpta belirtilen konumlarda sabitlemek için sıcakta eriyen yapıştırıcı kullanın. Silikon sızıntısına neden olabilecek olası alanları kapatmak için sıcakta eriyen yapıştırıcı kullandığınızdan emin olun.
- Silikon elastomerin A Bileşeni ve B Bileşenini uygun miktarda tartın (ağırlıkça 9:1) ( Malzeme Tablosuna bakın) ve bunları belirtilen oranda karıştırın. Karıştırdıktan sonra, makinenin dahili ön ayar programı tarafından belirlenen, değişken merkezkaç kuvvetine sahip bir vakumlu karıştırma ve gaz giderme makinesi kullanın. Karışım hazır olduğunda, Şekil 1D'de gösterildiği gibi derhal monte edilmiş kalıba enjekte edin.
NOT: Değişken merkezkaç kuvveti, dahili ön ayar programı aracılığıyla vakumlu karıştırma ve gaz giderme makinesi tarafından kontrol edilir (Malzeme Tablosuna bakın). Silikon kauçuğun iyice karışmasını ve sıkışan hava kabarcıklarının giderilmesini sağlamak için merkezkaç kuvveti kademeli olarak artırılmalıdır. - Kalıbın yaklaşık 30 saniye oturmasına izin verin, ardından silikon kauçuktaki küçük hava kabarcıklarının çıkmasını sağlamak için yaklaşık 1 dakika vakumlu kurutucuya koyun. Kalıbı kurutucudan çıkarın ve bir bütün olarak 12 saat boyunca 30 °C'ye ayarlanmış termostatik bir odaya yerleştirin ve silikon kauçuğun sertleşmesine izin verin.
- Karışık silikon kauçuğu Şekil 1E'de gösterilen kalıba enjekte ederek ikinci adımda belirtilen adımları tekrarlayın. Ardından, Şekil 1F'de gösterilen kalıptan çıkarılmış kauçuk gövdeyi silikon kauçukla doldurulmuş kalıba yerleştirin. Silikon kauçuğun kürlenmesini sağlamak için tüm düzeneği 12 saat boyunca 30 °C'ye ayarlanmış termostatik bir odaya koyun.
- Sertleşmiş silikon kauçuk gövdeyi kalıptan çıkarın ve fazla silikon kauçuğu kesin. Esnek tutucunun imalatı artık tamamlanmıştır.
NOT: Boşluk, birbirinden bağımsız iki set pnömatik ızgaradan oluşur. Cam elyaflar ve oluklu yapı arasındaki elastik modüldeki önemli fark nedeniyle, pnömatik tutucu şişirildiğinde içe doğru bükülür ve zarf kavrama hareketlerine izin verir. Parmak ucu, fil hortumunu andıran bir çıkıntı ile tasarlanmıştır ve parmak ucunu kavrama eylemlerine olanak tanır.
2. Giyilebilir esnek süper nümerik robotik uzuv montajı
NOT: Giyilebilir süper nümerik robotik uzuv, bir mini hava pompası, hava valfleri, tek çipli bir mikro bilgisayar, pnömatik tutucu, güç kaynağı, esnek bükme sensörleri, giyilebilir bir eldiven ve pnömatik ve elektrik bağlantıları için aksesuarlar içerir (bkz.
- Giyilebilir eldiveni bir terzi yardımıyla titizlikle el işçiliği ile yapılır. Kullanıcı geri bildirimlerine ve terzinin deneyimine dayalı olarak birden fazla yineleme ve iyileştirmeden geçtiğinden emin olun.
- Pnömatik tutucuyu 3D baskılı parçalarla sabitleyin ve yapışkan bant kullanarak eldiven üzerinde uygun konuma takın.
- Şekil 3'te gösterildiği gibi üç esnek bükme sensörünü (Malzeme Tablosuna bakın) eldivenin içine yerleştirin. Bunları sırasıyla işaret, orta ve yüzük parmaklarına yerleştirin ve parmakların arka tarafıyla hizalayın. Sensörlerden gelen sinyalleri kaydetmek için bir veri toplama kartı kullanın.
- Sensör sinyallerini yükseltin ve bunları bir Arduino'ya yönlendirin (Malzeme Tablosuna bakın). Bu sinyalleri Arduino23 içinde kayan bir pencere ve en küçük kareler filtrelemesi kullanarak işleyin. Bu tahmini değerleri, amaç algılama için temel veriler olarak kullanın.
- Hava pompası, hava valfleri, kontrol panosu ve güç kaynağı gibi bileşenleri taşınabilirlik için bir sırt çantasına yerleştirin. Aşınma etkisinin görsel bir temsili için Şekil 4'e bakın.
3. Kavrama niyetini tespit etmek
NOT: Kullanıcının parmakları hareket oluşturduğunda, sensör geri bildirim sinyali buna göre değişir. Bileşen daha fazla büküldükçe devredeki direnci artırarak çalışır. Şekil 5 , bir gönüllünün parmak hareketi sırasında esnek bükme sensörünün kaydedilen sinyal değerlerini göstermektedir. Üç eğri, üç parmağa yerleştirilen sensörlerden elde edilen sinyallere karşılık gelir. Heimparezili hastalar genellikle sınırlı parmak hareketliliğine sahiptir, ancak sensör önemli değişiklikleri tespit edebilir.
- Parmak hareketleri sırasında sensör değişikliklerinin aralığı ve modeli hakkında veri toplayın. Pompa aktivasyonunu kontrol etmek için algılanan sensör genliğine göre uygun eşik değerlerini seçin. Katılımcılara parmaklarını kendi yetenekleri dahilinde serbestçe hareket ettirmelerini söyleyin. Eşik değerlerini, sensör geri bildiriminin tepe ve vadi değerlerinin ortalamaları olarak belirleyin.
NOT: Sensör sinyali ayarlanan eşik değerini aştığında pompa çalışmaya başlar. Parmaklar daha fazla büküldükçe hava basıncı artar. Tersine, parmakların bükülme açısı azaldığında ve sensör eşiğin altında bir sinyal algıladığında, hava valfi basıncı sıfıra bırakır ve pnömatik tutucu serbest kalır. - Kullanıcıdan pnömatik tutucunun durumunu gözlemlemesini ve havayı şişirmeyi durdurmak ve daha fazla parmak bükmeyi durdurmak için uygun zamanı belirlemesini isteyin.
- Makul bir eşik oluşturmak ve bu cihazı kullanmaya aşina olmak için yukarıdaki testleri tekrarlayın.
4. Cihazı sağlıklı gönüllülerle test etmek
- Prototipin aşınma ve kavrama etkilerini doğrulamak için çalışma için normal üst ekstremite motor yeteneklerine sahip üç sağlıklı gönüllüyü görevlendirin.
- Pnömatik tutucu için maksimum hava basıncını 100 kPa'ya ayarlayın. Katılımcılara parmaklarını esnetmelerini ve uzatmalarını söyleyin. Katılımcıların prototipi giymelerini ve daha önce bahsedilen yöntemi kullanarak çeşitli şekillerdeki nesneler üzerinde kavrama ve bırakma deneyleri yapmalarını sağlayın.
- Kullanıcılardan deneyimleriyle ilgili geri bildirim isteyin ve onların önerilerine göre kullanım şemasını ayarlayın.
NOT: Şekil 6'da gösterildiği gibi, katılımcılar prototipi kullanarak farklı boyutlardaki silindirik nesneleri başarıyla sardılar ve kavradılar. Ek olarak, dikdörtgen blok şeklindeki nesneler üzerinde parmak ucu kavrama görevlerini de tamamladılar.
5. Hastalar için rehabilitasyon ve kavrama yardımı
- Tıp uzmanları tarafından Brunnstrom iyileşme aşamalarına21 göre hastaların motor fonksiyon iyileşmesini değerlendirin. Sadece 3-5. aşamalardaki hastaların rehabilitasyon eğitimi veya günlük yardım için deneylere katılmasına izin verin.
- Prototipin güvenilirliğini ve etkinliğini doğrulamak için altı kronik hemiparetik hastayı görevlendirin. Hastalara eldiveni bağımsız olarak giymelerini (sırt çantası hariç) ve parmaklarını eşik değerlerini kalibre etme yetenekleri dahilinde hareket ettirmelerini söyleyin.
- Rehabilitasyon aşamasında, hastaları parmak kaslarını çalıştırmak için çeşitli kavrama görevlerine katılmaya teşvik edin. Hastaların bir masanın kenarına oturmasını sağlayın ve bir su şişesi, bir muz, bir küp ve bir diş fırçası kavramak da dahil olmak üzere bir dizi kavrama etkinliği gerçekleştirmek için prototipi kullanın.
- Hastalardan deneyden sonra kişisel deneyimlerine dayanarak ilgili anket anketlerini (Ek Dosya 1) doldurmalarını isteyin. Aşağıdaki altı öznel duyguyu değerlendirin: sistemin işlevine güven; kullanım kolaylığı; giymenin rahatlığı ve rahatlığı; rehabilitasyon için etkinlik ve kullanışlılık; günlük yaşamda etkinlik ve kullanışlılık; hala iyileştirilmesi gereken alanlar.
- Yanıtlarını 1'den 5'e kadar derecelendirin, burada 1 kesinlikle katılmıyorum, 5 ise kesinlikle katılıyorum. Verileri kaydedin ve ankete dayalı olarak prototiple ilgili sorunları ve potansiyel iyileştirme alanlarını analiz edin.
NOT: Bu sadece rehabilitasyon eğitimine ilgi katmakla kalmaz, aynı zamanda hastanın iyileşme sürecine katılma isteğini de artırır. Hastaların stabil bir duruma ulaştığı ancak yine de parmaklarıyla kavrama görevlerini yerine getirmekte zorlandığı durumlarda, robotik uzvun kullanımı, günlük yaşam için gerekli olan belirli günlük kavrama eylemlerinin gerçekleştirilmesine yardımcı olabilir.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Representative Results
Çıkış kuvveti deneyleri
Şekil 7 , aktüatörümüzün yapısal tasarımını ve boyutlarını canlı bir şekilde tasvir ederek kesitsel bir gösterim sağlar. Bu aktüatör, her biri beş zarif kavisli hava odası içeren iki ayrı oda setinden oluşur. Dikkat çekici bir şekilde, aktüatörün ucunda, bir filin hortum ucunu andıran çıkıntılı bir yapıyı ustaca entegre ettik ve aktüatörün kavrama yarıçapını önemli ölçüde genişlettik.
Yumuşak pnömatik aktüatörün çıkış kuvvetini değerlendirmek için bir dizi statik kavrama deneyi yapılmıştır. Ayrı ayrı 20 g, 50 g, 100 g, 200 g ve 500 g ağırlığındaki ağırlıklar seçildi. Aktüatör uygun şekilde konumlandırıldıktan ve şişirildikten sonra, kaymayı değerlendirmek için bükülmesi ve ağırlıkların sarılmasının ardından yukarı doğru kaldırıldı. Deneysel sonuçlar Şekil 8'de gösterilmiştir, Şekil 8A-C parmak ucu kavramanın deneysel sonuçlarını temsil ederken, Şekil 8D-F zarf kavramanın deneysel sonuçlarını göstermektedir.
Yukarıda belirtilen altı kavrama koşulunda, aktüatöre giriş hava basıncı 0,62 MPa ile 0,94 MPa arasında değişiyordu. Üretim süreçlerindeki farklılıklar ve farklı aktüatörler arasındaki kısıtlayıcı katmanın yapısı nedeniyle, bu sayısal aralık farklı aktüatörler için değişebilir. Aktüatörün kendisinin yalnızca 63 g ağırlığında olduğu göz önüne alındığında, bu tür aktüatörlerin önemli bir çıkış kuvveti-ağırlık/hava basıncı oranı sergilediği kanıtlanabilir. Ayrıca, Şekil 8F'de gösterildiği gibi, artan bir yük ile aktüatörün kavrama işlemi sırasında önemli deformasyona uğradığı gözlemlenebilir. Bu, yumuşak aktüatörün kendisinin sınırlı sertliğine atfedilir.
Hastalardan subjektif değerlendirme
Şekil 9 , altı hastadan alınan anket anketinin sonuçlarını göstermektedir. Tasarlanan giyilebilir sistemin rahatlığı ve kullanım kolaylığı konusunda katılımcıların çoğunluğu arasında bir fikir birliği olduğu açıktır. Bununla birlikte, belirgin bir aykırı değer olan Katılımcı 5, genel olarak daha az olumlu bir değerlendirme sağlar ve cihazla ilgili önemli endişeleri dile getirir. Özellikle, ilk soruya verilen yanıtlar, katılımcılar arasında önemli ölçüde değişkenlik göstermektedir ve bu, el kurtarma durumundaki farklılıklara ve makine kullanımıyla ilişkili öğrenme eğrisine atfedilebilir. Ayrıca, çoğu katılımcı arasında sistemin günlük yaşamlarındaki işlevselliği konusunda hakim bir şüphecilik duygusu ortaya çıkıyor ve bu da cihazdaki önemli geliştirmelerin kapsamının altını çiziyor.
Şekil 1: Aktüatör imalatı ve montajı. (AC), aktüatör imalat sürecinde kullanılan kalıp yapısını ve montaj prosedürünü göstermektedir. (D), silikon kauçuğu döktükten sonraki durumu gösterir ve iki set hazne ile sonuçlanır. (E) ve (F), tabanı sızdırmaz hale getirmek için kalıbı ve ilgili montaj sonucunu gösterir. Bu rakamın daha büyük bir sürümünü görüntülemek için lütfen buraya tıklayın.
Şekil 2: Süpernümerer robotik uzuv. Bu şekil, taşınabilir sırt çantası hariç, süper nümerik robotik uzuvda bulunan tüm donanım bileşenlerini gösterir. Bu rakamın daha büyük bir sürümünü görüntülemek için lütfen buraya tıklayın.
Şekil 3: Esnek sensör. Eldivene gömülü esnek bükme sensörüne genel bakış. Bu rakamın daha büyük bir sürümünü görüntülemek için lütfen buraya tıklayın.
Şekil 4: Prototip aşınma etkisi. Bu şekil, prototipin genel aşınma etkisini göstermektedir. Kol aşınma parçasının toplam kütlesi 300 g'dan azdır. Bu rakamın daha büyük bir sürümünü görüntülemek için lütfen buraya tıklayın.
Şekil 5: Esnek bükülme sensörü sinyalleri. Bu şekil, hasta eldiveni giydiğinde ve parmaklarını serbestçe hareket ettirdiğinde kaydedilen sensör değerlerinin bir bölümünü sunar. Üç eğri, üç parmağa yerleştirilen sensörlerden elde edilen sinyallere karşılık gelir. Bu rakamın daha büyük bir sürümünü görüntülemek için lütfen buraya tıklayın.
Şekil 6: Sağlıklı gönüllüler tarafından yapılan kavrama deneyleri. (A-C), pnömatik tutucunun üç farklı boyuttaki silindiri kavramasının etkisini gösterir. (D) dikdörtgen blok şeklindeki bir nesneyi kavrama etkisini gösterir. (A) ve (C)'de, çalışma modu zarf kavrayıcıdır. (B) ve (D)'de çalışma modu parmak ucuyla kavranır. Bu rakamın daha büyük bir sürümünü görüntülemek için lütfen buraya tıklayın.
Şekil 7: Esnek bükme sensörü boyutları ve yapısı. Bu görüntü, temel boyutları ve esnek bükme sensörünün yapısını açıklar. Aktüatör yapısının enine kesit görünümü de dahil olmak üzere aktüatör duvar kalınlığı, dış boyutlar ve oda boyutları hakkında bilgi sağlar. Bu rakamın daha büyük bir sürümünü görüntülemek için lütfen buraya tıklayın.
Şekil 8: Çıkış kuvvetlerinin deneysel sonuçları. (A-C) sırasıyla 20 g, 50 g ve 100 g yük ağırlıkları ile parmak ucu kavrama sonuçlarını gösterir. (D-F), iki kavrama modunda sırasıyla 200 g, 500 g ve 700 g yük ağırlıkları ile zarflama kavrama sonuçlarını gösterir. Bu rakamın daha büyük bir sürümünü görüntülemek için lütfen buraya tıklayın.
Şekil 9: Anket anketi sonuçları. Altı hastadan yapılan anket sonuçları sunulmuştur. Derecelendirmeler 1 ile 5 arasında değişir, burada 1 "tamamen katılmıyorum" ve 5 "tamamen katılıyorum" anlamına gelir. Bu rakamın daha büyük bir sürümünü görüntülemek için lütfen buraya tıklayın.
Ek Dosya 1: Deney sonrası kişisel deneyimlerine dayanan hastalar için sorular. Bu Dosyayı indirmek için lütfen buraya tıklayın.
Ek Kodlama Dosyaları 1-5: 3D baskı teknolojisini kullanarak giyilebilir bileşenleri üretmek için tasarımlar. Bu Dosyayı indirmek için lütfen buraya tıklayın.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Discussion
Bu çalışma, kronik inme hastalarına parmak rehabilitasyonu ve kavrama görevlerinde yardımcı olmak için tasarlanmış yenilikçi, esnek, giyilebilir bir süper nümerik robotik uzuv sunmaktadır. Bu robotik sistem taşınabilirliğe öncelik verir ve hem zarf kavrama hem de parmak ucuyla kavrama işlevleri sunar. Kullanıcı dostu insan-makine etkileşimi kontrolü için esnek bir bükülme sensörü içerir. Statik kavrama deneyleri, tasarlanan mekanizmanın kavrama yeteneklerini iki farklı kavrama modunda doğrular. Çalışma, kavrama işlevselliğini doğrulamak ve kullanıcı deneyimini değerlendirmek için hemiparetik hastalarla yapılan deneyleri içeriyor ve bu robotun rehabilitasyon ve kavrama faaliyetleri sırasında kronik inme hastalarına yardım etme potansiyelini sergiliyor.
Bu araştırma bağlamında, kritik prosedür adımları kısaca şu şekilde özetlenebilir: (1) Kalıba silikon enjeksiyon işlemi sırasında, optimal bir enjeksiyon hızının korunması zorunludur. Aşırı hızlı enjeksiyon, aşırı miktarda hava kabarcığına neden olabilirken, aşırı yavaş enjeksiyon silikonun akışkanlığını tehlikeye atabilir. (2) Silikon enjeksiyonunu takiben, silikon içindeki küçük hava kabarcıklarının çıkarılması bir vakum pompası kullanılarak sağlanabilir. Bununla birlikte, silikon taşmasına neden olabileceğinden, dikkatli olmak ve vakum pompasına uzun süre maruz kalmaktan kaçınmak önemlidir. (3) Fabrikasyon aktüatörlerde hareketin düzgünlüğünü sağlamak için, cam elyafların sabitlenmesinde yüksek derecede simetri sağlamak çok önemlidir. (4) Deneyden önce, aktüatörlerin hava sızdırmazlığının ve hava pompası da dahil olmak üzere ilgili ekipmanın güvenliğinin titiz bir şekilde doğrulanması zorunludur. Bu ihtiyati tedbir, devrenin herhangi bir kısa devre riskinden uzak kalmasını sağlar. (5) Hastalar arasında tıbbi durumları açısından önemli farklılıklar ve cinsiyet eşitsizlikleri nedeniyle el boyutlarındaki önemli farklılıklar göz önüne alındığında, bireysel ihtiyaçları karşılamak için çeşitli boyutlarda eldiven üretimi vazgeçilmezdir.
Aktüatör üretimi alanında, yapısal tutarlılığın sağlanması önemli bir zorluk teşkil etmektedir. Esnek malzeme kalıplamanın ve kesin olmayan sınırlı katman konumlandırmasının doğasında bulunan sınırlamalar nedeniyle, tutarsız aktüatör performansı ve asimetri gibi sorunlar ortaya çıkabilir24. Ayrıca, bu aktüatörler doğal uyumluluk sergilerken, düşük sertlikleri daha fazla gelişmeyi engelleyen bir sınırlama sunar. Bu çalışmada tasarlanan yapı bağlamında, aktüatörler 0,7 kg'lık bir yüke maruz kaldıklarında önemli deformasyona uğrar ve bu da ağır kavrama görevlerinin üstesinden gelme yeteneklerini engeller. Ayrıca, aktüatörler ve yük arasındaki hassas kuvvet kontrolü zorlu bir konu olmaya devam etmektedir25,26. Hem eylemleri gerçekleştirme kabiliyetine hem de güçlü bir dış çevre algılama kabiliyetine sahip olan insan eliyle karşılaştırıldığında, sürekli deformasyon yapısı, esnek kuvvet algılama ve dokunsal algılama, ilgili uygulamalarda devam eden zorluklar olmuştur.
İşlevsellik açısından, mevcut pnömatik tutucu, çeşitli kavrama eylemlerini gerçekleştirmede sınırlı yeteneklere sahiptir. Buna karşılık, insan elleri çeşitli karmaşık şekilli nesneleri kavramada ve yırtma, fiske vurma ve lekeleme gibi karmaşık eylemleri gerçekleştirmede mükemmeldir24,27. Kavrama fonksiyonlarının kapsamının genişletilmesi, pnömatik tutucular için önemli bir zorluk teşkil etmektedir. Ayrıca, bu çalışma taşınabilir bir yapı önermesine rağmen, kullanılan minyatür hava pompası nispeten yüksek gürültü seviyeleri üretir ve mevcut elastik deformasyon etkilerini şiddetlendirerek küçük bir çıkış gaz akışı sağlar. Bu nedenle, sessiz ve daha verimli bir minyatür hava kaynağının geliştirilmesi, ele alınması gereken başka bir konudur.
Hasta deneyleri sırasında araştırmacılar, katılımcıların parmak spazmları yaşamaya eğilimli olduklarını gözlemlediler. Spesifik olarak, hastalar parmak hareketliliğinde kademeli bir azalma sergilediler ve deneyde daha fazla zaman harcadıkları için parmak uzatma ve fleksiyon hareketlerini tamamlayamadılar. Bu nedenle, hastalarda anormal parmak durumlarını tespit etmek ve uygun destek veya hatırlatıcılar sağlamak için daha fazla araştırma gereklidir. Ek olarak, hemiparetik hastalar sağlıklı bireyler gibi üst ekstremitelerinin duruşunu serbestçe ayarlayamadıkları için çoğu hasta kollarını ileri pozisyonda tutar. Bu, mevcut aşınma şeması ile hastaların etkilenen uzuvlarının durumu arasında kısmi bir uyumsuzluğa neden olur ve aktüatörler ile hastaların kolları arasında parazite yol açar.
Bu çalışmada, tasarladığımız insan-makine etkileşimi stratejisi sadece evre 3-5'teki hastalar için uygundur. Bunun nedeni, daha erken evrelerdeki hastaların daha yüksek parmak kas tonusuna sahip olmaları ve parmak uzatma ve fleksiyon hareketlerini yapamamalarıdır. Bu nedenle, parmak hareketlerine dayalı insan-makine etkileşimi stratejisinde hala önemli sınırlamalar vardır.
Özetle, yumuşak aktüatörlerin yapısal tasarımı, algı modellemesi, etkileşim kuvveti kontrolü, giyilebilir robotik uzuvlar için insan-makine etkileşim stratejileri ve giyilebilir şema tasarımı dahil olmak üzere giyilebilir süper sayısal robotik uzuvların araştırılmasında ele alınması gereken çok sayıda zorlu konu vardır. Bu zorluklar, giyilebilir robotik alanındaki araştırmacılar tarafından sürekli araştırmayı garanti ediyor.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Disclosures
Yazarların açıklayacak hiçbir şeyi yok.
Acknowledgments
Bu çalışma, Grant U1913207 kapsamında Çin Ulusal Doğa Bilimleri Vakfı ve HUST Akademik Sınır Gençlik Ekibi Programı tarafından desteklenmektedir. Yazarlar bu vakıfların desteğine teşekkür eder.
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).
