Summary
Dit protocol introduceert een flexibele, draagbare boventallige robotledemaat die is afgestemd om te helpen bij vingerrevalidatie voor patiënten met een beroerte. Het ontwerp bevat een buigsensor om een naadloze interactie tussen mens en robot mogelijk te maken. Validatie door middel van experimenten met zowel gezonde vrijwilligers als patiënten met een beroerte onderstreept de werkzaamheid en betrouwbaarheid van de voorgestelde studie.
Abstract
In deze studie presenteren we een flexibele draagbare boventallige robotledemaat die patiënten met een chronische beroerte helpt bij vingerrevalidatie en grijpbewegingen. Het ontwerp van deze innovatieve ledemaat is geïnspireerd op buigende pneumatische spieren en de unieke eigenschappen van de slurfpunt van een olifant. Het legt een sterke nadruk op cruciale factoren zoals lichtgewicht constructie, veiligheid, naleving, waterdichtheid en het bereiken van een hoge output-gewichts/drukverhouding. De voorgestelde structuur stelt de robotledemaat in staat om zowel de envelop als de vingertoppen vast te grijpen. De interactie tussen mens en robot wordt vergemakkelijkt door een flexibele buigsensor, die de vingerbewegingen van de drager detecteert en deze verbindt met bewegingsbesturing via een drempelsegmentatiemethode. Bovendien is het systeem draagbaar voor veelzijdig dagelijks gebruik. Om de effectiviteit van deze innovatie te valideren, werden praktijkexperimenten uitgevoerd met zes patiënten met een chronische beroerte en drie gezonde vrijwilligers. De feedback die via vragenlijsten is ontvangen, geeft aan dat het ontworpen mechanisme enorm veelbelovend is bij het helpen van patiënten met een chronische beroerte bij hun dagelijkse grijpactiviteiten, waardoor hun kwaliteit van leven en revalidatieresultaten mogelijk worden verbeterd.
Introduction
Volgens eerder onderzoek1 waren er vanaf 2019 wereldwijd meer dan 100 miljoen gevallen van een beroerte. Ongeveer tweederde van deze gevallen resulteerde in hemiplegische gevolgen en meer dan 80% van de patiënten met een ernstige hemiplegische beroerte kon de hand- en armfunctie niet volledig herstellen. Bovendien wordt verwacht dat de vergrijzing van de bevolking de komende decennia zal blijven groeien, wat zal leiden tot een aanzienlijke toename van het aantal potentiële slachtoffers van een beroerte. De aanhoudende beperkingen van de bovenste ledematen na een beroerte kunnen de activiteiten van het dagelijks leven (ADL's) aanzienlijk beïnvloeden, en handrevalidatie is klinisch erkend als een cruciaal doel voor het verbeteren van de activiteit en deelname van patiënten met een chronische beroerte3.
Traditionele motoraangedreven robotachtige apparaten voor de bovenste ledematen kunnen een aanzienlijke aandrijfkracht leveren, maar hun stijve structuren vertalen zich vaak in grote afmetingen en hoge gewichten. Bovendien vormen ze het risico onomkeerbare schade aan het menselijk lichaam toe te brengen als ze niet goed zouden werken. Daarentegen hebben zachte pneumatische actuatoren een aanzienlijk potentieel aangetoond in revalidatie4, assistentie5 en chirurgische toepassingen6. Hun voordelen zijn onder meer veiligheid, lichtgewicht constructie en inherente naleving.
In de afgelopen jaren zijn er tal van flexibele draagbare robots ontstaan, ontworpen en ontwikkeld rond zachte pneumatische actuatoren. Deze robots zijn bedoeld voor de revalidatie en post-revalidatie van de bovenste ledematen van patiënten met een beroerte. Ze omvatten voornamelijk handexoskeletten7,8 en boventallige ledematen 9,10. Hoewel beide worden gebruikt op het gebied van draagbare robotica en revalidatie, heeft de eerste een directe wisselwerking met het menselijk lichaam, waardoor spieren of gewrichten mogelijk worden beperkt, terwijl de laatste de menselijke werkruimte of beweging zonder directe beperking aanvult11,12. Draagbare boventallige robotvingers op basis van servomotoren werden ontwikkeld om ergotherapeuten te helpen bij activiteiten van het dagelijks leven (ADL's)training 9. Een vergelijkbare benadering is te vinden in ander onderzoek10. Deze twee categorieën robotvingers hebben nieuwe mogelijkheden geïntroduceerd voor de toepassing van dergelijke robots bij de revalidatiebegeleiding van hemipareticapatiënten. Desalniettemin is het vermeldenswaard dat de stijve structuur die in deze robotontwerpen wordt gebruikt, mogelijke overwegingen met betrekking tot gebruikerscomfort en veiligheid met zich mee kan brengen. Het ontwerp, de fabricage en de evaluatie van een zachte, draagbare robothandschoen werden gepresenteerd13, die kan worden gebruikt voor handrevalidatie en taakspecifieke training tijdens functionele Magnetic Resonance Imaging (fMRI). De handschoen maakt gebruik van zachte pneumatische actuatoren gemaakt van siliconenelastomeren om vingergewrichtsbeweging te genereren, en het apparaat is MR-compatibel zonder artefacten in fMRI-beelden te veroorzaken. Yun et al. introduceerden de Exo-Glove PM, een aanpasbare zachte pneumatische hulphandschoen die gebruik maakt van een op assemblage gebaseerde benadering14. Dit innovatieve ontwerp heeft kleine modules en instelbare afstanden ertussen, waardoor gebruikers de handschoen kunnen aanpassen op basis van hun vingerlengte met behulp van afstandhouders. Deze aanpak maximaliseert het comfort en de prestaties zonder dat er maatwerk nodig is. Onderzoekers presenteerden zachte actuatoren die zijn samengesteld uit elastomeermaterialen met geïntegreerde kanalen die functioneren als pneumatische netwerken15. Deze actuatoren genereren buigbewegingen die zich veilig aanpassen aan menselijke vingerbewegingen. Daarnaast introduceerden onderzoekers de AirExGlove, een lichtgewicht en aanpasbaar opblaasbaar zacht exoskelet16. Dit systeem is kosteneffectief, aanpasbaar voor verschillende handgroottes en heeft met succes patiënten met verschillende niveaus van spierspasticiteit ondergebracht. Het biedt een meer ergonomische en flexibele oplossing in vergelijking met starre gekoppelde robotsystemen. Hoewel deze onderzoeken een belangrijke bijdrage hebben geleverd aan de ontwikkeling van flexibele draagbare handrevalidatie- en ondersteunende robots, is het vermeldenswaard dat geen van hen volledige draagbaarheid en controle over de interactie tussen mens en robot heeft bereikt.
Talrijke studies hebben de correlatie onderzocht tussen biologische signalen, zoals elektro-encefalogram (EEG)17 of elektromyogram (EMG) signalen18, en menselijke intentie. Beide benaderingen hebben echter bepaalde beperkingen binnen de beperkingen van bestaande apparaten en technologische omstandigheden. Invasieve elektroden vereisen chirurgische ingrepen op het menselijk lichaam, terwijl niet-invasieve elektroden last hebben van problemen zoals hoge ruisniveaus en onbetrouwbaarheid bij signaalacquisitie. Gedetailleerde besprekingen van deze beperkingen zijn te vinden in de literatuur19,20. Daarom blijft het nastreven van onderzoek naar de draagbaarheid en gebruiksvriendelijke mens-machine-interactiemogelijkheden van flexibele draagbare boventallige robotledematen zeer relevant.
In deze studie werd een unieke, flexibele, draagbare boventallige robotledemaat ontworpen en gefabriceerd om patiënten met een chronische beroerte te helpen bij vingerrevalidatie en grijphulp. Deze robotledemaat wordt gekenmerkt door zijn lichtgewicht, veiligheid, flexibiliteit, waterdichtheid en indrukwekkende output-gewichts/drukverhouding. Er zijn twee grijpmodi bereikt, envelop en vingertopgrijpen, met behoud van draagbaarheid en het garanderen van een gebruiksvriendelijke interactie tussen mens en robot. Het protocol beschrijft het ontwerp- en fabricageproces van de pneumatische grijper en het draagbare schema. Daarnaast is een mens-robot-interactiemethode voorgesteld op basis van flexibele buigsensoren, waardoor een gemakkelijke en gebruiksvriendelijke bediening mogelijk is door middel van drempelsegmentatie. Al deze aspecten zijn gevalideerd door middel van praktijkexperimenten.
De belangrijkste bijdragen van deze studie worden als volgt samengevat: (1) Er is een lichtgewicht, vriendelijke en draagbare flexibele boventallige robotledemaat voor patiënten met een chronische beroerte ontworpen en gefabriceerd. (2) Er is een betrouwbare methode van mens-robot-interactie gerealiseerd op basis van flexibele buigsensoren. (3) Er zijn praktijkexperimenten uitgevoerd om de effectiviteit en betrouwbaarheid van het voorgestelde mechanisme en de voorgestelde methode te verifiëren, waaronder het testen van de uitgangskracht en waarbij zes patiënten met een chronische beroerte betrokken zijn.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Protocol
Dit protocol is goedgekeurd door de Ethics Review Board van Union Hospital, Tongji Medical College, Huazhong University of Science and Technology. Patiënten met functionele stoornissen van de bovenste ledematen die aan de diagnostische criteria voldeden en werden behandeld op de revalidatieafdeling van het ziekenhuis van de auteur, poliklinische en intramurale afdelingen, werden geselecteerd als deelnemers. Het herstel van de motorische functie van de patiënten werd beoordeeld volgens de Brunnstrom-herstelstadia21, en patiënten in stadia 3-5 werden gekozen om deel te nemen aan de experimenten. Schriftelijke geïnformeerde toestemming werd verkregen van de patiënten die aan het onderzoek deelnamen. De procedure omvat het ontwerp van de matrijs voor de pneumatische grijper, het fabricageproces van de pneumatische grijper op basis van uitgehard siliconenrubber, de integratie van draagbare apparaten en de implementatie van software en hardware voor het detecteren van grijpintenties. Met uitzondering van siliconenrubber en gewone stoffen, worden alle draagbare componenten geproduceerd met behulp van 3D-printtechnologie (zie aanvullende coderingsbestanden 1-5).
1. Ontwerpen en fabriceren van de pneumatische grijper
- Monteer de vooraf ontworpen mal22 zoals weergegeven in afbeelding 1A,B. Gebruik vervolgens smeltlijm om de glasvezels op de daarvoor bestemde plaatsen in de mal vast te zetten, zoals afgebeeld in figuur 1C. Zorg ervoor dat u smeltlijm gebruikt om mogelijke gebieden af te dichten die siliconenlekkage kunnen veroorzaken.
- Weeg een geschikte hoeveelheid component A en component B van het siliconenelastomeer af (9:1 in gewicht) (zie materiaaltabel) en meng ze in de gespecificeerde verhouding. Gebruik na het mengen een vacuümmeng- en ontgassingsmachine met een variabele middelpuntvliedende kracht, bepaald door het interne vooraf ingestelde programma van de machine. Zodra het mengsel klaar is, injecteert u het onmiddellijk in de gemonteerde mal, zoals geïllustreerd in figuur 1D.
NOTITIE: De variabele middelpuntvliedende kracht wordt geregeld door de vacuümmeng- en ontgassingsmachine via het interne vooraf ingestelde programma (zie Materiaaltabel). De middelpuntvliedende kracht moet stapsgewijs worden verhoogd om een grondige menging van het siliconenrubber en de verwijdering van eventuele ingesloten luchtbellen te garanderen. - Laat de mal ongeveer 30 s staan en plaats hem vervolgens ongeveer 1 minuut in een vacuümdroger om eventuele kleine luchtbelletjes in het siliconenrubber te laten ontsnappen. Haal de mal uit de droger en plaats deze in zijn geheel in een thermostatische kamer die is ingesteld op 30 °C gedurende 12 uur, zodat het siliconenrubber kan uitharden.
- Herhaal de stappen die in de tweede stap worden beschreven door het gemengde siliconenrubber in de mal te injecteren die wordt weergegeven in afbeelding 1E. Plaats vervolgens het ontvormde rubberen lichaam dat wordt weergegeven in afbeelding 1F in de mal gevuld met siliconenrubber. Plaats het geheel gedurende 12 uur in een thermostatische kamer die is ingesteld op 30 °C om het siliconenrubber te laten uitharden.
- Verwijder de uitgeharde behuizing van siliconenrubber uit de mal en snijd overtollig siliconenrubber af. De fabricage van de flexibele grijper is nu voltooid.
NOTITIE: De spouw bestaat uit twee sets pneumatische roosters, die onafhankelijk van elkaar zijn. Door het aanzienlijke verschil in elasticiteitsmodulus tussen de glasvezels en de gegolfde structuur, buigt de pneumatische grijper naar binnen wanneer hij wordt opgeblazen, waardoor omhullende acties mogelijk zijn. De vingertop is ontworpen met een uitsteeksel dat lijkt op een olifantenslurf, waardoor vingertopgrijpen mogelijk is.
2. Het assembleren van de draagbare flexibele boventallige robotledemaat
NOTITIE: De draagbare boventallige robotledemaat bevat een mini-luchtpomp, luchtkleppen, een microcomputer met één chip, een pneumatische grijper, voeding, flexibele buigsensoren, een draagbare handschoen en accessoires voor pneumatische en elektrische verbindingen (zie Materiaaltabel), zoals weergegeven in afbeelding 2.
- Maak de draagbare handschoen zorgvuldig met de hand met de hulp van een kleermaker. Zorg ervoor dat het meerdere iteraties en verbeteringen ondergaat op basis van feedback van de drager en de ervaring van de kleermaker.
- Zet de pneumatische grijper vast met 3D-geprinte onderdelen en bevestig deze met plakband op de juiste positie op de handschoen.
- Integreer drie flexibele buigsensoren (zie Tabel met materialen) zoals weergegeven in afbeelding 3 in de handschoen. Plaats ze respectievelijk op de wijs-, middel- en ringvinger en lijn ze uit met de achterkant van de vingers. Gebruik een data-acquisitiekaart om signalen van de sensoren op te nemen.
- Versterk de sensorsignalen en leid ze naar een Arduino (zie Tabel met materialen). Verwerk deze signalen met behulp van een schuifvenster en het filteren van kleinste kwadraten binnen de Arduino23. Gebruik deze geschatte waarden als basisgegevens voor intentiedetectie.
- Plaats componenten zoals de luchtpomp, luchtkleppen, besturingskaart en voeding in een rugzak voor draagbaarheid. Zie afbeelding 4 voor een visuele weergave van het draageffect.
3. Het detecteren van de grijpintentie
NOTITIE: Wanneer de vingers van de drager beweging genereren, verandert het feedbacksignaal van de sensor dienovereenkomstig. Het werkt door de weerstand in het circuit te verhogen naarmate het onderdeel meer buigt. Figuur 5 toont de geregistreerde signaalwaarden van de flexibele buigsensor tijdens de vingerbeweging van één vrijwilliger. De drie curven komen overeen met de signalen die worden verkregen van sensoren die op de drie vingers zijn geplaatst. Patiënten met hemiparese hebben vaak een beperkte vingermobiliteit, maar de sensor is in staat om significante veranderingen te detecteren.
- Verzamel gegevens over het bereik en het patroon van sensorveranderingen tijdens vingerbewegingen. Selecteer de juiste drempelwaarden op basis van de gedetecteerde sensoramplitude om de pompactivering te regelen. Instrueer deelnemers om hun vingers vrij te bewegen binnen hun vaardigheidsbereik. Bepaal de drempelwaarden als gemiddelden van de piek- en dalwaarden van de sensorfeedback.
NOTITIE: Wanneer het sensorsignaal de ingestelde drempelwaarde overschrijdt, begint de pomp te werken. De luchtdruk neemt toe naarmate de vingers verder buigen. Omgekeerd, wanneer de buighoek van de vingers afneemt en de sensor een signaal onder de drempel detecteert, laat het luchtventiel de druk tot nul ontsnappen en laat de pneumatische grijper los. - Vraag de gebruiker om de toestand van de pneumatische grijper te observeren en het juiste moment te bepalen om te stoppen met het opblazen van de lucht en te stoppen met verder buigen met de vingers.
- Herhaal de bovenstaande tests om een redelijke drempel vast te stellen en vertrouwd te raken met het gebruik van dit apparaat.
4. Het apparaat testen met gezonde vrijwilligers
- Schakel drie gezonde vrijwilligers in met normale motorische vaardigheden van de bovenste ledematen voor het onderzoek om de draag- en grijpeffecten van het prototype te bevestigen.
- Stel de maximale luchtdruk voor de pneumatische grijper in op 100 kPa. Instrueer de deelnemers om hun vingers te buigen en uit te strekken. Laat de deelnemers het prototype dragen en experimenten uitvoeren met het grijpen en loslaten van objecten van verschillende vormen met behulp van de eerder genoemde methode.
- Vraag de dragers om feedback over hun ervaring en pas het draagschema aan op basis van hun suggesties.
OPMERKING: Zoals afgebeeld in figuur 6, hebben de deelnemers met succes cilindrische objecten van verschillende groottes omhuld en vastgepakt met behulp van het prototype. Daarnaast voltooiden ze ook vingertopgrijptaken op rechthoekige blokvormige objecten.
5. Revalidatie en grijphulp voor patiënten
- Evalueer het herstel van de motorische functie van de patiënt volgens de Brunnstrom-herstelfasen21 door medische professionals. Laat patiënten in stadium 3-5 alleen deelnemen aan de experimenten voor revalidatietraining of dagelijkse hulp.
- Schakel zes chronische hemiparetische patiënten in om de betrouwbaarheid en effectiviteit van het prototype te valideren. Instrueer de patiënten om zelfstandig de handschoen te dragen (met uitzondering van de rugzak) en hun vingers te bewegen binnen hun bereik van vermogen om de drempelwaarden te kalibreren.
- Moedig patiënten tijdens de revalidatiefase aan om verschillende grijptaken uit te voeren om hun vingerspieren te trainen. Laat de patiënten aan de rand van een tafel zitten en het prototype gebruiken om een reeks grijpactiviteiten uit te voeren, waaronder het grijpen van een waterfles, een banaan, een blokje en een tandenborstel.
- Vraag de patiënten om relevante enquêtevragenlijsten in te vullen (aanvullend dossier 1) op basis van hun persoonlijke ervaringen na het experiment. Beoordeel de volgende zes subjectieve gevoelens: vertrouwen in de functie van het systeem; gebruiksgemak; gemak en comfort om het te dragen; doeltreffendheid en bruikbaarheid voor revalidatie; effectiviteit en bruikbaarheid in het dagelijks leven; gebieden die nog verbetering behoeven.
- Beoordeel hun antwoorden op een schaal van 1 tot 5, waarbij 1 staat voor helemaal mee oneens en 5 voor helemaal mee eens. Leg de gegevens vast en analyseer de problemen met het prototype en mogelijke verbeterpunten op basis van de vragenlijst.
OPMERKING: Dit maakt de revalidatietraining niet alleen interessanter, maar vergroot ook de bereidheid van de patiënt om deel te nemen aan het herstelproces. In gevallen waarin patiënten een stabiele toestand hebben bereikt, maar nog steeds moeite hebben om grijptaken met hun vingers uit te voeren, kan het gebruik van de robotledemaat helpen bij het uitvoeren van bepaalde dagelijkse grijphandelingen die nodig zijn voor het dagelijks leven.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Representative Results
Experimenten met uitgangskracht
Afbeelding 7 geeft het structurele ontwerp en de afmetingen van onze actuator levendig weer, met een dwarsdoorsnede. Deze actuator bestaat uit twee verschillende sets kamers, elk met vijf elegant gebogen luchtkamers. Opmerkelijk is dat we aan het eindpunt van de actuator op ingenieuze wijze een uitstekende structuur hebben geïntegreerd, die doet denken aan de slurfpunt van een olifant, waardoor de grijpradius van de actuator aanzienlijk is vergroot.
Om de uitgangskracht van de zachte pneumatische actuator te beoordelen, werd een reeks statische grijpexperimenten uitgevoerd. Er werden gewichten geselecteerd met een gewicht van 20 g, 50 g, 100 g, 200 g en 500 g. Nadat de actuator op de juiste manier was gepositioneerd en opgeblazen, werd deze omhoog getild na het buigen en omhullen van de gewichten om slippen te evalueren. De experimentele resultaten worden weergegeven in figuur 8, waarbij figuur 8A-C de experimentele resultaten van het grijpen met de vingertoppen weergeeft, terwijl figuur 8D-F de experimentele resultaten van het grijpen van de envelop weergeeft.
In de bovengenoemde zes grijpomstandigheden varieerde de ingangsluchtdruk naar de actuator van 0,62 MPa tot 0,94 MPa. Als gevolg van variaties in productieprocessen en de structuur van de beperkende laag tussen verschillende actuatoren, kan dit numerieke bereik variëren voor verschillende actuatoren. Gezien het feit dat de actuator zelf slechts 63 g weegt, kan worden onderbouwd dat dergelijke actuatoren een substantiële verhouding tussen uitgangskracht en gewicht/luchtdruk vertonen. Bovendien kan worden waargenomen, zoals weergegeven in figuur 8F, dat bij een toenemende belasting de actuator tijdens het grijpproces aanzienlijk vervormt. Dit wordt toegeschreven aan de beperkte stijfheid van de zachte actuator zelf.
Subjectieve evaluatie van patiënten
Figuur 9 toont de resultaten van het vragenlijstonderzoek van zes patiënten. Het is duidelijk dat er onder de meerderheid van de deelnemers consensus bestaat over het comfort en de gebruiksvriendelijkheid van het ontworpen draagbare systeem. Desalniettemin biedt een duidelijke uitbijter, deelnemer 5, een over het algemeen minder gunstige evaluatie en geeft het aanleiding tot aanzienlijke bezorgdheid over het apparaat. Met name de antwoorden op de eerste vraag vertonen een aanzienlijke variabiliteit tussen de deelnemers, wat kan worden toegeschreven aan verschillen in de herstelstatus van de hand en de leercurve die gepaard gaat met machinegebruik. Bovendien ontstaat er bij de meeste deelnemers een overheersend gevoel van scepsis over de functionaliteit van het systeem in hun dagelijks leven, wat de ruimte voor substantiële verbeteringen in het apparaat onderstreept.
Figuur 1: Fabricage en assemblage van actuatoren. (A-C) illustreren de matrijsstructuur en montageprocedure die worden gebruikt in het fabricageproces van actuatoren. (D) toont de toestand na het gieten van het siliconenrubber, wat resulteert in twee sets kamers. (E) en (F) tonen de mal voor het afdichten van de bodem en het bijbehorende montageresultaat. Klik hier om een grotere versie van deze figuur te bekijken.
Figuur 2: Boventallige robotledemaat. Deze afbeelding toont alle hardwarecomponenten die deel uitmaken van de boventallige robotledemaat, met uitzondering van de draagbare rugzak. Klik hier om een grotere versie van deze figuur te bekijken.
Figuur 3: Flex-sensor. Een overzicht van de flexibele buigsensor die in de handschoen is ingebouwd. Klik hier om een grotere versie van deze figuur te bekijken.
Figuur 4: Prototype draageffect. Deze figuur illustreert het algehele slijtage-effect van het prototype. De totale massa van het armslijtagedeel is minder dan 300 g. Klik hier om een grotere versie van deze afbeelding te bekijken.
Figuur 5: Flexibele buigsensorsignalen. Deze figuur geeft een deel van de sensorwaarden weer die zijn geregistreerd wanneer de patiënt de handschoen draagt en zijn vingers vrij kan bewegen. De drie curven komen overeen met de signalen die worden verkregen van sensoren die op de drie vingers zijn geplaatst. Klik hier om een grotere versie van deze figuur te bekijken.
Figuur 6: Grijpexperimenten door gezonde vrijwilligers. (A-C) demonstreren het effect van de pneumatische grijper die drie verschillende cilindergroottes vastgrijpt. (D) toont het effect van het grijpen van een rechthoekig blokvormig voorwerp. In (A) en (C) is de bedrijfsmodus omhullend. In (B) en (D) is de bedrijfsmodus vingertopgrijpen. Klik hier om een grotere versie van deze figuur te bekijken.
Afbeelding 7: Afmetingen en structuur van de flexibele buigsensor. Deze afbeelding annoteert de belangrijkste afmetingen en de structuur van de flexibele buigsensor. Het geeft informatie over de wanddikte van de actuator, de buitenafmetingen en de afmetingen van de kamer, inclusief een dwarsdoorsnede van de structuur van de actuator. Klik hier om een grotere versie van deze figuur te bekijken.
Figuur 8: Experimentele resultaten van de uitgangskrachten. (A-C) demonstreren de resultaten van het grijpen met de vingertoppen met een lastgewicht van respectievelijk 20 g, 50 g en 100 g. (D-F) toont omhullende grijpresultaten met laadgewichten van respectievelijk 200 g, 500 g en 700 g in twee grijpmodi. Klik hier om een grotere versie van deze figuur te bekijken.
Figuur 9: Resultaten vragenlijstonderzoek. De resultaten van een vragenlijstonderzoek van zes patiënten worden gepresenteerd. Beoordelingen variëren van 1 tot 5, waarbij 1 betekent 'helemaal mee oneens' en 5 'helemaal mee eens'. Klik hier om een grotere versie van deze figuur te bekijken.
Aanvullend dossier 1: Vragen voor de patiënten op basis van hun persoonlijke ervaringen na het experiment. Klik hier om dit bestand te downloaden.
Aanvullende coderingsbestanden 1-5: Ontwerpen voor het vervaardigen van de draagbare componenten met behulp van 3D-printtechnologie. Klik hier om dit bestand te downloaden.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Discussion
Deze studie presenteert een innovatieve, flexibele, draagbare overtallige robotledemaat die is ontworpen om patiënten met een chronische beroerte te helpen bij vingerrevalidatie en grijptaken. Dit robotsysteem geeft prioriteit aan draagbaarheid en biedt zowel functies voor het vastgrijpen van de envelop als voor het grijpen van de vingertoppen. Het bevat een flexibele buigsensor voor gebruiksvriendelijke controle van de interactie tussen mens en machine. Statische grijpexperimenten valideren de grijpmogelijkheden van het ontworpen mechanisme in twee verschillende grijpmodi. De studie omvat experimenten met hemiparetische patiënten om de grijpfunctionaliteit te bevestigen en de gebruikerservaring te beoordelen, waarbij het potentieel van deze robot wordt aangetoond bij het helpen van patiënten met een chronische beroerte tijdens revalidatie- en grijpactiviteiten.
In het kader van dit onderzoek kunnen kritische procedurele stappen als volgt worden samengevat: (1) Tijdens het siliconeninjectieproces in de matrijs is het absoluut noodzakelijk om een optimale injectiesnelheid te behouden. Te snelle injectie kan leiden tot een overvloed aan luchtbellen, terwijl een te langzame injectie de vloeibaarheid van de siliconen in gevaar kan brengen. (2) Na siliconeninjectie kan de verwijdering van minuscule luchtbelletjes in de siliconen worden bereikt met behulp van een vacuümpomp. Het is echter essentieel om voorzichtig te zijn en langdurige blootstelling aan de vacuümpomp te vermijden, omdat dit kan leiden tot overlopen van siliconen. (3) Om de gelijkmatigheid van de beweging in de gefabriceerde actuatoren te garanderen, is het van het grootste belang om een hoge mate van symmetrie te behouden bij het vastzetten van de glasvezels. (4) Voorafgaand aan het experiment is een nauwgezette controle van de luchtdichtheid van de actuatoren en de veiligheid van de bijbehorende apparatuur, met inbegrip van de luchtpomp, verplicht. Deze voorzorgsmaatregel zorgt ervoor dat het circuit vrij blijft van elk risico op kortsluiting. (5) Gezien de aanzienlijke verschillen tussen patiënten wat hun medische toestand betreft en de aanzienlijke verschillen in handafmetingen als gevolg van genderongelijkheden, is de productie van handschoenen in verschillende maten onontbeerlijk om aan de individuele behoeften te voldoen.
Op het gebied van de fabricage van actuatoren vormt het waarborgen van structurele consistentie een grote uitdaging. Vanwege de inherente beperkingen van het vormen van flexibel materiaal en de onnauwkeurige positionering van de beperkte laag, kunnen problemen zoals inconsistente actuatorprestaties en asymmetrie optreden24. Bovendien, hoewel deze actuatoren een natuurlijke flexibiliteit vertonen, vormt hun lage stijfheid een beperking die verdere ontwikkeling belemmert. In de context van de ontworpen structuur in deze studie ondergaan de actuatoren een aanzienlijke vervorming wanneer ze worden blootgesteld aan een belasting van 0,7 kg, waardoor ze niet in staat zijn om zware grijptaken uit te voeren. Bovendien blijft een nauwkeurige krachtregeling tussen de actuatoren en de belasting een uitdaging25,26. In vergelijking met mensenhanden, die zowel het vermogen hebben om acties uit te voeren als een sterk extern omgevingswaarnemingsvermogen, zijn de continue vervormingsstructuur, flexibele krachtdetectie en tactiele detectie voortdurende uitdagingen geweest in gerelateerde toepassingen.
Qua functionaliteit heeft de huidige pneumatische grijper beperkte mogelijkheden om verschillende grijpacties uit te voeren. Menselijke handen daarentegen blinken uit in het grijpen van verschillende complex gevormde objecten en het uitvoeren van ingewikkelde handelingen zoals scheuren, tikken en smeren24,27. Het uitbreiden van het scala aan grijpfuncties vormt een grote uitdaging voor pneumatische grijpers. Hoewel in deze studie een draagbare structuur wordt voorgesteld, genereert de gebruikte miniatuurluchtpomp bovendien relatief hoge geluidsniveaus en levert hij een kleine uitlaatgasstroom, waardoor de bestaande elastische vervormingseffecten worden verergerd. Daarom is de ontwikkeling van een stille en efficiëntere miniatuurluchtbron een ander probleem dat moet worden aangepakt.
Tijdens patiëntexperimenten merkten onderzoekers op dat deelnemers vatbaar waren voor vingerspasmen. In het bijzonder vertoonden patiënten een geleidelijke vermindering van de vingermobiliteit en waren ze niet in staat om vingerextensie- en flexiebewegingen te voltooien naarmate ze meer tijd in het experiment doorbrachten. Daarom is verder onderzoek nodig om abnormale vingertoestanden bij patiënten te detecteren en passende ondersteuning of herinneringen te bieden. Bovendien, omdat hemiparetipatiënten de houding van hun bovenste ledematen niet vrij kunnen aanpassen zoals gezonde individuen, houden de meeste patiënten hun armen in een voorwaartse positie. Dit resulteert in een gedeeltelijke mismatch tussen het huidige draagschema en de toestand van de aangedane ledematen van de patiënt, wat leidt tot interferentie tussen de actuatoren en de armen van de patiënt.
In deze studie is de door ons ontworpen mens-machine-interactiestrategie alleen geschikt voor patiënten in stadium 3-5. Dit komt omdat patiënten in eerdere stadia een hogere vingerspierspanning hebben en geen vingerstrek- en flexiebewegingen kunnen uitvoeren. Daarom zijn er nog steeds aanzienlijke beperkingen aan de strategie voor interactie tussen mens en machine op basis van vingerbewegingen.
Samenvattend zijn er tal van uitdagende problemen die moeten worden aangepakt in het onderzoek naar draagbare boventallige robotledematen, waaronder het structurele ontwerp van zachte actuatoren, perceptiemodellering, interactiekrachtcontrole, mens-machine-interactiestrategieën voor draagbare robotledematen en het ontwerp van draagbare schema's. Deze uitdagingen vragen om continue verkenning door onderzoekers op het gebied van draagbare robotica.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Disclosures
De auteurs hebben niets te onthullen.
Acknowledgments
Dit werk wordt ondersteund door de National Natural Science Foundation of China onder Grant U1913207 en door het Program for HUST Academic Frontier Youth Team. De auteurs willen de steun van deze stichtingen bedanken.
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).
