Summary
Denne protokol introducerer et fleksibelt bærbart overtalligt robotlem, der er skræddersyet til at hjælpe med fingerrehabilitering for slagtilfældepatienter. Designet indeholder en bøjningssensor for at lette problemfri interaktion mellem menneske og robot. Validering gennem eksperimenter, der involverer både raske frivillige og slagtilfældepatienter, understreger effektiviteten og pålideligheden af den foreslåede undersøgelse.
Abstract
I denne undersøgelse præsenterer vi et fleksibelt bærbart overtalligt robotlem, der hjælper patienter med kronisk slagtilfælde med fingerrehabilitering og gribebevægelser. Designet af dette innovative lem er inspireret af bøjning af pneumatiske muskler og de unikke egenskaber ved en elefants snabelspids. Det lægger stor vægt på afgørende faktorer som letvægtskonstruktion, sikkerhed, overholdelse, vandtætning og opnåelse af et højt output-til-vægt / trykforhold. Den foreslåede struktur gør det muligt for robotbenet at udføre både konvolut og fingerspidsgreb. Menneske-robot-interaktion lettes gennem en fleksibel bøjningssensor, der registrerer brugerens fingerbevægelser og forbinder dem til bevægelsesstyring via en tærskelsegmenteringsmetode. Derudover er systemet bærbart til alsidig daglig brug. For at validere effektiviteten af denne innovation blev der udført virkelige eksperimenter, der involverede seks patienter med kronisk slagtilfælde og tre raske frivillige. Den feedback, der modtages gennem spørgeskemaer, indikerer, at den designede mekanisme har et enormt løfte om at hjælpe patienter med kronisk slagtilfælde med deres daglige gribeaktiviteter, hvilket potentielt forbedrer deres livskvalitet og rehabiliteringsresultater.
Introduction
Ifølge tidligere forskning1 var der fra 2019 mere end 100 millioner tilfælde af slagtilfælde på verdensplan. Ca. to tredjedele af disse tilfælde resulterede i hemiplegiske følgevirkninger, og over 80% af patienterne med svær hemiplegisk slagtilfælde kunne ikke fuldt ud genvinde hånd- og armfunktion2. Desuden forventes den aldrende befolkning at fortsætte med at vokse i de kommende årtier, hvilket fører til en betydelig stigning i antallet af potentielle slagtilfældeofre. De vedvarende øvre ekstremitetsforringelser efter et slagtilfælde kan påvirke dagligdagens aktiviteter betydeligt (ADL'er), og håndrehabilitering er klinisk anerkendt som et kritisk mål for at øge aktiviteten og deltagelsen hos patienter med kronisk slagtilfælde3.
Traditionelle motordrevne robotenheder i overekstremiteterne kan give betydelig drivkraft, men deres stive strukturer oversættes ofte til store størrelser og høje vægte. Desuden udgør de risikoen for at forårsage uoprettelig skade på menneskekroppen, hvis de skulle fungere. I modsætning hertil har bløde pneumatiske aktuatorer vist et betydeligt potentiale i rehabilitering4, assistance5 og kirurgiske applikationer6. Deres fordele omfatter sikkerhed, letvægtskonstruktion og iboende overholdelse.
I de senere år er adskillige fleksible bærbare robotter dukket op, designet og udviklet omkring bløde pneumatiske aktuatorer. Disse robotter er beregnet til rehabilitering og post-rehabilitering af slagtilfælde patienters øvre lemmer. De omfatter primært håndeksoskeletter7,8 og overtallige lemmer 9,10. Selvom begge bruges inden for bærbar robotik og rehabilitering, interagerer førstnævnte direkte med menneskekroppen og begrænser potentielt muskler eller led, mens sidstnævnte supplerer det menneskelige arbejdsområde eller bevægelse uden direkte begrænsning11,12. Bærbare overtallige robotfingre baseret på servomotorer blev udviklet til at hjælpe ergoterapeuter i daglige aktiviteter (ADL'er) træning9. En lignende tilgang kan findes i anden forskning10. Disse to kategorier af robotfingre har introduceret nye muligheder for anvendelse af sådanne robotter i rehabiliteringshjælp til hemiparetiske patienter. Ikke desto mindre er det værd at bemærke, at den stive struktur, der anvendes i disse robotdesign, kan introducere potentielle overvejelser vedrørende brugerkomfort og sikkerhed. Design, fremstilling og evaluering af en blød bærbar robothandske blev præsenteret13, som kan bruges til håndrehabilitering og opgavespecifik træning under funktionel magnetisk resonansbilleddannelse (fMRI). Handsken bruger bløde pneumatiske aktuatorer lavet af silikoneelastomerer til at generere fingerledsbevægelse, og enheden er MR-kompatibel uden at forårsage artefakter i fMRI-billeder. Yun et al. introducerede Exo-Glove PM, en tilpasselig blød pneumatisk hjælpehandske, der bruger en samlingsbaseret tilgang14. Dette innovative design har små moduler og justerbare afstande mellem dem, så brugerne kan tilpasse handsken baseret på deres phalangelængde ved hjælp af afstandsstykker. Denne tilgang maksimerer komfort og ydeevne uden behov for brugerdefineret fremstilling. Forskere præsenterede bløde aktuatorer sammensat af elastomere materialer med integrerede kanaler, der fungerer som pneumatiske netværk15. Disse aktuatorer genererer bøjningsbevægelser, der sikkert er i overensstemmelse med menneskelige fingerbevægelser. Derudover introducerede forskere AirExGlove, en let og tilpasningsdygtig oppustelig blød exoskeletenhed16. Dette system er omkostningseffektivt, kan tilpasses til forskellige håndstørrelser og har med succes imødekommet patienter med forskellige niveauer af muskelspasticitet. Det giver en mere ergonomisk og fleksibel løsning sammenlignet med stivbundne robotsystemer. Selvom disse undersøgelser har ydet betydelige bidrag til udviklingen af fleksibel bærbar håndrehabilitering og hjælperobotter, er det værd at bemærke, at ingen af dem har opnået fuldstændig bærbarhed og menneske-robot-interaktionskontrol.
Talrige undersøgelser har undersøgt sammenhængen mellem biologiske signaler, såsom elektroencefalogram (EEG)17 eller elektromyogram (EMG) signaler18, og menneskelig hensigt. Begge tilgange har dog visse begrænsninger inden for rammerne af eksisterende enheder og teknologiske forhold. Invasive elektroder kræver kirurgiske procedurer på menneskekroppen, mens ikke-invasive elektroder lider af problemer som høje støjniveauer og upålidelighed i signaloptagelse. Detaljerede diskussioner af disse begrænsninger findes i litteraturen19,20. Derfor er det fortsat yderst relevant at forske i bærbarheden og de brugervenlige menneske-maskine-interaktionsmuligheder for fleksible overtallige robotlemmer.
I denne undersøgelse blev en unik fleksibel bærbar overtallig robotlem designet og fremstillet til at hjælpe patienter med kronisk slagtilfælde i fingerrehabilitering og gribehjælp. Denne robotlem er kendetegnet ved dens lette, sikkerhed, overholdelse, vandtætning og imponerende output-til-vægt / trykforhold. Der er opnået to gribefunktioner, konvolut og fingerspidsgreb, samtidig med at bærbarheden bevares, og der sikres en brugervenlig interaktion mellem menneske og robot. Protokollen beskriver design- og fremstillingsprocessen for den pneumatiske griber og det bærbare skema. Derudover er der foreslået en menneske-robot-interaktionsmetode baseret på fleksible bøjningssensorer, der giver mulighed for praktisk og brugervenlig styring gennem tærskelsegmentering. Alle disse aspekter er blevet valideret gennem praktiske eksperimenter.
De vigtigste bidrag fra denne undersøgelse er opsummeret som følger: (1) Et let, venligt og bærbart fleksibelt overtalligt robotlem til patienter med kronisk slagtilfælde er designet og fremstillet. (2) Der er gennemført en pålidelig metode til menneske-robot-interaktion baseret på fleksible bøjningssensorer. (3) Der er udført forsøg i den virkelige verden for at verificere effektiviteten og pålideligheden af den foreslåede mekanisme og metode, som omfatter outputkrafttest og involverer seks patienter med kronisk slagtilfælde.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Protocol
Denne protokol er godkendt af Ethics Review Board of Union Hospital, Tongji Medical College, Huazhong University of Science and Technology. Patienter med funktionelle lidelser i overekstremiteterne, der opfyldte de diagnostiske kriterier og modtog behandling på forfatterhospitalets rehabiliteringsafdeling, ambulante og ambulante enheder, blev udvalgt som deltagere. Patienternes motoriske funktionsgendannelse blev vurderet i henhold til Brunnstrom-genopretningsstadierne21, og patienter i trin 3-5 blev valgt til at deltage i eksperimenterne. Der blev indhentet skriftligt informeret samtykke fra de patienter, der deltog i undersøgelsen. Proceduren omfatter formdesign til den pneumatiske griber, fremstillingsprocessen for den pneumatiske griber baseret på hærdet silikonegummi, integration af bærbare enheder og software- og hardwareimplementering til detektion af gribehensigt. Bortset fra silikonegummi og almindelige stoffer fremstilles alle bærbare komponenter ved hjælp af 3D-printteknologi (se supplerende kodningsfiler 1-5).
1. Design og fremstilling af den pneumatiske griber
- Saml den foruddesignede form22 som vist i figur 1A, B. Brug derefter smeltelim til at fastgøre glasfibrene på de udpegede positioner i formen, som afbildet i figur 1C. Sørg for at bruge smeltelim til at forsegle eventuelle områder, der kan forårsage silikonelækage.
- En passende mængde komponent A og komponent B i silikoneelastomeren (9:1 efter vægt) (se materialetabellen), og bland dem i det specificerede forhold. Efter blanding anvendes en vakuumblande- og afgasningsmaskine med variabel centrifugalkraft, bestemt af maskinens interne forudindstillede program. Når blandingen er klar, injiceres den straks i den samlede form, som illustreret i figur 1D.
BEMÆRK: Den variable centrifugalkraft styres af vakuumblandings- og afgasningsmaskinen gennem dens interne forudindstillede program (se materialetabellen). Centrifugalkraften skal øges trinvist for at sikre grundig blanding af silikonegummiet og fjernelse af eventuelle fangede luftbobler. - Lad formen sidde i ca. 30 sekunder, og læg den derefter i en vakuumtørrer i ca. 1 minut for at gøre det muligt for små luftbobler i silikonegummiet at slippe ud. Fjern formen fra tørretumbleren, og anbring den som helhed i et termostatkammer, der er indstillet til 30 °C i 12 timer, så silikonegummiet kan hærde.
- Gentag trinnene beskrevet i andet trin ved at injicere den blandede silikonegummi i formen vist i figur 1E. Placer derefter det afmonterede gummilegeme vist i figur 1F i formen fyldt med silikonegummi. Anbring hele enheden i et termostatisk kammer, der er indstillet til 30 °C i 12 timer, så silikonegummiet kan hærde.
- Fjern den hærdede silikonegummikrop fra formen, og trim overskydende silikonegummi af. Fremstillingen af den fleksible griber er nu færdig.
BEMÆRK: Hulrummet består af to sæt pneumatiske gitter, som er uafhængige af hinanden. På grund af den betydelige forskel i elastisk modul mellem glasfibrene og den bølgede struktur bøjer den pneumatiske griber indad, når den pustes op, hvilket giver mulighed for konvolutgribende handlinger. Fingerspidsen er designet med et fremspring, der ligner en elefantsnabel, hvilket muliggør fingerspidsgribende handlinger.
2. Montering af det bærbare fleksible overtallige robotlem
BEMÆRK: Den bærbare overtallige robotlem inkluderer en miniluftpumpe, luftventiler, en enkeltchipmikrocomputer, pneumatisk griber, strømforsyning, fleksible bøjningssensorer, en bærbar handske og tilbehør til pneumatiske og elektriske forbindelser (se materialetabel), som vist i figur 2.
- Håndlav omhyggeligt den bærbare handske med hjælp fra en skrædder. Sørg for, at den gennemgår flere iterationer og forbedringer baseret på brugerfeedback og skrædderens erfaring.
- Fastgør den pneumatiske griber med 3D-printede dele, og fastgør den til den rigtige position på handsken ved hjælp af tape.
- Integrer tre fleksible bøjningssensorer (se materialetabellen) som vist i figur 3 i handsken. Placer dem på henholdsvis pege-, midter- og ringfingrene, og juster dem med bagsiden af fingrene. Brug et dataindsamlingskort til at registrere signaler fra sensorerne.
- Forstærk sensorsignalerne og diriger dem til en Arduino (se materialetabel). Behandl disse signaler ved hjælp af et glidende vindue og mindst kvadraters filtrering inden for Arduino23. Brug disse estimerede værdier som grundlinjedata til registrering af hensigt.
- Placer komponenter som luftpumpe, luftventiler, kontrolkort og strømforsyning i en rygsæk for bærbarhed. Se figur 4 for en visuel gengivelse af slidstyrken.
3. Afsløring af gribeintentionen
BEMÆRK: Når brugerens fingre genererer bevægelse, ændres sensorens feedbacksignal tilsvarende. Det virker ved at øge modstanden i kredsløbet, når komponenten bøjer mere. Figur 5 viser de registrerede signalværdier for den fleksible bøjningssensor under fingerbevægelsen af en frivillig. De tre kurver svarer til signalerne fra sensorer placeret på de tre fingre. Patienter med hemiparese har ofte begrænset fingermobilitet, men sensoren er i stand til at detektere betydelige ændringer.
- Indsaml data om rækkevidden og mønsteret af sensorændringer under fingerbevægelser. Vælg passende tærskelværdier baseret på den detekterede sensoramplitude for at styre pumpeaktiveringen. Instruer deltagerne i at bevæge fingrene frit inden for deres rækkevidde. Bestem tærskelværdierne som gennemsnittet af top- og dalværdierne for sensorfeedbacken.
BEMÆRK: Når sensorsignalet overskrider den indstillede tærskelværdi, begynder pumpen at køre. Lufttrykket stiger, når fingrene bøjes yderligere. Omvendt, når fingrenes bøjningsvinkel falder, og sensoren registrerer et signal under tærsklen, frigiver luftventilen trykket til nul, og den pneumatiske griber frigives. - Bed brugeren om at observere den pneumatiske gribers tilstand og bestemme det passende tidspunkt for at stoppe med at puste luften op og ophøre med yderligere fingerbøjning.
- Gentag ovenstående test for at etablere en rimelig tærskel og for at blive fortrolig med at bruge denne enhed.
4. Test af enheden med raske frivillige
- Få tre raske frivillige med normale motoriske evner i overekstremiteterne til undersøgelsen for at bekræfte prototypens slid- og gribeeffekt.
- Indstil det maksimale lufttryk for den pneumatiske griber til 100 kPa. Bed deltagerne om at bøje og strække fingrene ud. Lad deltagerne bære prototypen og udføre gribende og frigivende eksperimenter på objekter i forskellige former ved hjælp af den tidligere nævnte metode.
- Bed om feedback fra brugerne om deres oplevelse, og juster slidskemaet baseret på deres forslag.
BEMÆRK: Som vist i figur 6 omsluttede og greb deltagerne med succes cylindriske genstande i forskellige størrelser ved hjælp af prototypen. Derudover udførte de også fingerspidsgribeopgaver på rektangulære blokformede genstande.
5. Rehabilitering og gribehjælp til patienter
- Evaluer patienternes motoriske funktionsgendannelse i henhold til Brunnstrom opsvingtrin 21 af læger. Tillad kun patienter i trin 3-5 at deltage i forsøgene til rehabiliteringstræning eller daglig hjælp.
- Få seks kroniske hemiparetiske patienter til at validere prototypens pålidelighed og effektivitet. Instruer patienterne i selvstændigt at bære handsken (undtagen rygsækken) og bevæge fingrene inden for deres evne til at kalibrere tærskelværdierne.
- I rehabiliteringsfasen opmuntre patienterne til at engagere sig i forskellige gribeopgaver for at udøve deres fingermuskler. Lad patienterne sidde ved kanten af et bord og bruge prototypen til at udføre en række gribeaktiviteter, herunder at gribe en vandflaske, en banan, en terning og en tandbørste.
- Bed patienterne om at udfylde relevante spørgeskemaer (supplerende fil 1) baseret på deres personlige erfaringer efter eksperimentet. Vurder følgende seks subjektive følelser: tillid til systemets funktion; brugervenlighed; bekvemmelighed og komfort ved at bære det; effektivitet og anvendelighed til rehabilitering effektivitet og anvendelighed i det daglige liv områder, der stadig skal forbedres.
- Bedøm deres svar på en skala fra 1 til 5, hvor 1 repræsenterer meget uenig og 5 repræsenterer meget enig. Registrer dataene og analyser problemerne med prototypen og potentielle forbedringsområder baseret på spørgeskemaet.
BEMÆRK: Dette tilføjer ikke kun interesse for rehabiliteringstræningen, men forbedrer også patientens vilje til at deltage i genopretningsprocessen. I tilfælde, hvor patienter har nået en stabil tilstand, men stadig kæmper for at udføre gribeopgaver med fingrene, kan brugen af robotbenet hjælpe med at udføre visse daglige gribehandlinger, der kræves i hverdagen.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Representative Results
Eksperimenter med udgangskraft
Figur 7 viser levende det strukturelle design og dimensionerne af vores aktuator og giver en tværsnitsillustration. Denne aktuator består af to forskellige sæt kamre, der hver indeholder fem elegant buede luftkamre. Bemærkelsesværdigt nok har vi ved aktuatorens endestation genialt integreret en fremspringende struktur, der minder om en elefants snabelspids, hvilket udvider aktuatorens griberadius betydeligt.
For at vurdere udgangskraften af den bløde pneumatiske aktuator blev der udført en række statiske gribeeksperimenter. Vægte, der individuelt vejer 20 g, 50 g, 100 g, 200 g og 500 g, blev valgt. Efter at aktuatoren var korrekt placeret og oppustet, blev den løftet opad efter dens bøjning og omslutning af lodderne for at evaluere glidning. De eksperimentelle resultater er afbildet i figur 8, hvor figur 8A-C repræsenterer de eksperimentelle resultater af fingerspidsgreb, mens figur 8D-F viser de eksperimentelle resultater af konvolutgreb.
Under de førnævnte seks gribeforhold varierede indgangslufttrykket til aktuatoren fra 0,62 MPa til 0,94 MPa. På grund af variationer i fremstillingsprocesser og strukturen af det begrænsende lag blandt forskellige aktuatorer kan dette numeriske interval variere for forskellige aktuatorer. I betragtning af at selve aktuatoren kun vejer 63 g, kan det dokumenteres, at sådanne aktuatorer udviser et betydeligt forhold mellem ydelse og kraft og lufttryk. Som vist i figur 8F kan det desuden observeres, at aktuatoren med en stigende belastning gennemgår betydelig deformation under gribeprocessen. Dette tilskrives den begrænsede stivhed af selve den bløde aktuator.
Subjektiv evaluering fra patienter
Figur 9 viser resultaterne af spørgeskemaundersøgelsen fra seks patienter. Det er tydeligt, at der er enighed blandt flertallet af deltagerne om komforten og brugervenligheden af det designede bærbare system. Ikke desto mindre giver en tydelig outlier, deltager 5, en samlet mindre gunstig evaluering og rejser betydelige bekymringer om enheden. Navnlig udviser svarene på det første spørgsmål betydelig variation blandt deltagerne, hvilket kan tilskrives forskelle i status for håndrestitution og indlæringskurven i forbindelse med maskinbrug. Desuden opstår der en fremherskende følelse af skepsis blandt de fleste deltagere med hensyn til systemets funktionalitet i deres daglige liv, hvilket understreger mulighederne for betydelige forbedringer i enheden.
Figur 1: Fremstilling og samling af aktuatorer. (A-C) illustrerer formstrukturen og monteringsproceduren, der anvendes i aktuatorfremstillingsprocessen. (D) viser tilstanden efter hældning af silikonegummiet, hvilket resulterer i to sæt kamre. (E) og (F) fremvis formen til tætning af bunden og det tilsvarende samlingsresultat. Klik her for at se en større version af denne figur.
Figur 2: Overtallig robotlem. Denne figur viser alle hardwarekomponenter, der er inkluderet i det overtallige robotlem, undtagen den bærbare rygsæk. Klik her for at se en større version af denne figur.
Figur 3: Flex sensor. En oversigt over den fleksible bøjningssensor, der er indbygget i handsken. Klik her for at se en større version af denne figur.
Figur 4: Prototype slidstyrke. Denne figur illustrerer prototypens samlede slidstyrke. Den samlede masse af armsliddelen er mindre end 300 g. Klik her for at se en større version af denne figur.
Figur 5: Fleksible bøjningssensorsignaler. Denne figur viser et udsnit af sensorværdier, der registreres, når patienten bærer handsken og bevæger fingrene frit. De tre kurver svarer til signalerne fra sensorer placeret på de tre fingre. Klik her for at se en større version af denne figur.
Figur 6: Gribeforsøg udført af raske frivillige. (A-C) demonstrerer effekten af den pneumatiske griber, der griber tre forskellige størrelser cylindre. (D) viser effekten af at gribe fat i en rektangulær blokformet genstand. I (A) og (C) er driftsmåden konvolutgreb. I (B) og (D) er driftstilstanden fingerspidsgreb. Klik her for at se en større version af denne figur.
Figur 7: Fleksibel bøjningssensor dimensioner og struktur. Dette billede kommenterer nøgledimensioner og strukturen af den fleksible bøjningssensor. Den giver oplysninger om aktuatorvæggens tykkelse, udvendige dimensioner og kammerstørrelser, herunder et tværsnitsbillede af aktuatorens struktur. Klik her for at se en større version af denne figur.
Figur 8: Eksperimentelle resultater af udgangskræfter. (A-C) demonstrerer fingerspidsgribende resultater med belastningsvægte på henholdsvis 20 g, 50 g og 100 g. (D-F) fremvis omsluttende griberesultater med lastvægte på henholdsvis 200 g, 500 g og 700 g i to gribetilstande. Klik her for at se en større version af denne figur.
Figur 9: Resultater af spørgeskemaundersøgelser. Resultaterne af en spørgeskemaundersøgelse fra seks patienter præsenteres. Bedømmelser spænder fra 1 til 5, hvor 1 betyder "helt uenig", og 5 betyder "helt enig". Klik her for at se en større version af denne figur.
Supplerende fil 1: Spørgsmål til patienterne baseret på deres personlige erfaringer efter forsøget. Klik her for at downloade denne fil.
Supplerende kodningsfiler 1-5: Design til fremstilling af de bærbare komponenter ved hjælp af 3D-printteknologi. Klik her for at downloade denne fil.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Discussion
Denne undersøgelse præsenterer et innovativt, fleksibelt, bærbart overtalligt robotlem designet til at hjælpe patienter med kronisk slagtilfælde i fingerrehabilitering og gribeopgaver. Dette robotsystem prioriterer bærbarhed og tilbyder både konvolutgreb og fingerspidsgrebsfunktioner. Den indeholder en fleksibel bøjningssensor til brugervenlig menneske-maskine-interaktionskontrol. Statiske gribeeksperimenter validerer den designede mekanismes gribeevne i to forskellige gribetilstande. Undersøgelsen involverer eksperimenter med hemiparetiske patienter for at bekræfte gribefunktionaliteten og vurdere brugeroplevelsen og fremvise potentialet i denne robot til at hjælpe patienter med kronisk slagtilfælde under rehabilitering og gribeaktiviteter.
I forbindelse med denne forskning kan kritiske proceduremæssige trin kortfattet opsummeres som følger: (1) Under silikoneinjektionsprocessen i formen er det bydende nødvendigt at opretholde en optimal injektionshastighed. Overdreven hurtig injektion kan føre til en overflod af luftbobler, mens alt for langsom injektion kan kompromittere silikonens fluiditet. (2) Efter injektion af silikone kan små luftbobler i silikonen fjernes ved hjælp af en vakuumpumpe. Det er dog vigtigt at udvise forsigtighed og undgå langvarig eksponering for vakuumpumpen, da dette kan resultere i silikoneoverløb. (3) For at sikre en jævn bevægelse i de fremstillede aktuatorer er det altafgørende at opretholde en høj grad af symmetri ved fastgørelse af glasfibrene. (4) Før forsøg er det obligatorisk at foretage en omhyggelig kontrol af aktuatorernes lufttæthed og sikkerheden af tilhørende udstyr, herunder luftpumpen. Denne sikkerhedsforanstaltning sikrer, at kredsløbene forbliver fri for enhver risiko for kortslutning. (5) I betragtning af de betydelige forskelle mellem patienterne med hensyn til deres helbredstilstand og betydelige forskelle i hånddimensioner som følge af kønsforskelle er det absolut nødvendigt at fremstille handsker i forskellige størrelser for at imødekomme individuelle behov.
Inden for aktuatorfremstilling udgør det en betydelig udfordring at sikre strukturel konsistens. På grund af de iboende begrænsninger ved fleksibel materialestøbning og upræcis placering af begrænsede lag kan der opstå problemer som inkonsekvent aktuatorydelse og asymmetri24. Selvom disse aktuatorer udviser naturlig overensstemmelse, udgør deres lave stivhed desuden en begrænsning, der forhindrer yderligere udvikling. I forbindelse med den designede struktur i denne undersøgelse gennemgår aktuatorerne en betydelig deformation, når de udsættes for en belastning på 0,7 kg, hvilket hæmmer deres evne til at håndtere tunge gribeopgaver. Desuden er præcis kraftkontrol mellem aktuatorerne og lasten fortsat et udfordrende problem25,26. Sammenlignet med menneskehænder, som både besidder evnen til at udføre handlinger og en stærk ekstern miljøopfattelsesevne, har den kontinuerlige deformationsstruktur, fleksibel kraftregistrering og taktil sensing været løbende udfordringer i relaterede applikationer.
Med hensyn til funktionalitet har den nuværende pneumatiske griber begrænsede muligheder for at opnå forskellige gribehandlinger. I modsætning hertil udmærker menneskelige hænder sig ved at gribe forskellige komplekse formede genstande og udføre indviklede handlinger som at rive, svirpe og smøre24,27. Udvidelsen af rækkevidden af gribefunktioner udgør en betydelig udfordring for pneumatiske gribere. Selv om denne undersøgelse foreslår en bærbar struktur, genererer den anvendte miniatureluftpumpe relativt høje støjniveauer og giver en lille udgangsgasstrøm, hvilket forværrer de eksisterende elastiske deformationseffekter. Derfor er udviklingen af en stille og mere effektiv miniature luftkilde et andet problem, der skal løses.
Under patientforsøg observerede forskere, at deltagerne var tilbøjelige til at opleve fingerspasmer. Specifikt udviste patienterne en gradvis reduktion i fingermobilitet og var ude af stand til at fuldføre fingerforlængelse og bøjningsbevægelser, da de brugte mere tid i eksperimentet. Derfor er yderligere udforskning nødvendig for at opdage unormale fingertilstande hos patienter og yde passende støtte eller påmindelser. Derudover, fordi hemiparetiske patienter ikke frit kan justere kropsholdningen i deres øvre lemmer som raske individer, holder de fleste patienter deres arme i en fremadrettet position. Dette resulterer i en delvis uoverensstemmelse mellem det nuværende slidskema og tilstanden af patienternes berørte lemmer, hvilket fører til interferens mellem aktuatorerne og patienternes arme.
I denne undersøgelse er den menneske-maskine-interaktionsstrategi, vi designede, kun egnet til patienter i trin 3-5. Dette skyldes, at patienter i tidligere stadier har højere fingermuskeltonus og ikke kan udføre fingerforlængelse og bøjningsbevægelser. Derfor er der stadig betydelige begrænsninger for interaktionsstrategien mellem menneske og maskine baseret på fingerbevægelser.
Sammenfattende er der adskillige udfordrende spørgsmål, der skal behandles i forskningen af bærbare overtallige robotlemmer, herunder strukturelt design af bløde aktuatorer, opfattelsesmodellering, interaktionskraftkontrol, interaktionskraftstrategier for bærbare robotlemmer og bærbart skemadesign. Disse udfordringer berettiger løbende udforskning af forskere inden for bærbar robotik.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Disclosures
Forfatterne har intet at afsløre.
Acknowledgments
Dette arbejde er støttet af National Natural Science Foundation of China under Grant U1913207 og af programmet for HUST Academic Frontier Youth Team. Forfatterne vil gerne takke støtten fra disse fonde.
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).
