Summary
यह प्रोटोकॉल स्ट्रोक रोगियों के लिए उंगली पुनर्वास में सहायता के लिए सिलवाया एक लचीला पहनने योग्य सुपरन्यूमरी रोबोट अंग पेश करता है। डिजाइन में सहज मानव-रोबोट इंटरैक्शन की सुविधा के लिए एक झुकने वाला सेंसर शामिल है। स्वस्थ स्वयंसेवकों और स्ट्रोक रोगियों दोनों को शामिल करने वाले प्रयोगों के माध्यम से सत्यापन प्रस्तावित अध्ययन की प्रभावकारिता और निर्भरता को रेखांकित करता है।
Abstract
इस अध्ययन में, हम एक लचीला पहनने योग्य सुपरन्यूमरेरी रोबोटिक अंग प्रस्तुत करते हैं जो पुरानी स्ट्रोक रोगियों को उंगली पुनर्वास और लोभी आंदोलनों में मदद करता है। इस अभिनव अंग का डिजाइन झुकने वाली वायवीय मांसपेशियों और हाथी की सूंड की नोक की अनूठी विशेषताओं से प्रेरणा लेता है। यह हल्के निर्माण, सुरक्षा, अनुपालन, वॉटरप्रूफिंग और उच्च आउटपुट-टू-वेट/दबाव अनुपात प्राप्त करने जैसे महत्वपूर्ण कारकों पर जोर देता है। प्रस्तावित संरचना रोबोट अंग को लिफाफा और उंगलियों दोनों को पकड़ने में सक्षम बनाती है। मानव-रोबोट इंटरैक्शन को एक लचीले झुकने वाले सेंसर के माध्यम से सुगम बनाया जाता है, पहनने वाले की उंगली की गतिविधियों का पता लगाता है और उन्हें थ्रेशोल्ड सेगमेंटेशन विधि के माध्यम से गति नियंत्रण से जोड़ता है। इसके अतिरिक्त, सिस्टम बहुमुखी दैनिक उपयोग के लिए पोर्टेबल है। इस नवाचार की प्रभावशीलता को मान्य करने के लिए, छह क्रोनिक स्ट्रोक रोगियों और तीन स्वस्थ स्वयंसेवकों से जुड़े वास्तविक दुनिया के प्रयोग आयोजित किए गए थे। प्रश्नावली के माध्यम से प्राप्त प्रतिक्रिया इंगित करती है कि डिज़ाइन किया गया तंत्र क्रोनिक स्ट्रोक रोगियों को उनकी दैनिक लोभी गतिविधियों के साथ सहायता करने में बहुत अधिक वादा करता है, संभावित रूप से उनके जीवन की गुणवत्ता और पुनर्वास परिणामों में सुधार करता है।
Introduction
पिछले शोध1 के अनुसार, 2019 तक, दुनिया भर में स्ट्रोक के 100 मिलियन से अधिक मामले थे। इन मामलों में से लगभग दो-तिहाई के परिणामस्वरूप हेमिप्लेजिक सीक्वेल हुआ, और 80% से अधिक गंभीर हेमिप्लेजिक स्ट्रोक रोगी हाथ और हाथ के कार्यको पूरी तरह से ठीक नहीं कर सके। इसके अलावा, आने वाले दशकों में उम्र बढ़ने की आबादी बढ़ने की उम्मीद है, जिससे संभावित स्ट्रोक पीड़ितों की संख्या में उल्लेखनीय वृद्धि हुई है। एक स्ट्रोक के बाद लगातार ऊपरी छोर हानि दैनिक जीवन (एडीएल) की गतिविधियों को काफी प्रभावित कर सकती है, और हाथ पुनर्वास को क्रोनिक स्ट्रोकरोगियों की गतिविधि और भागीदारी को बढ़ाने के लिए एक महत्वपूर्ण उद्देश्य के रूप में चिकित्सकीय रूप से मान्यता दी गई है।
पारंपरिक मोटर चालित रोबोट ऊपरी अंग उपकरण पर्याप्त ड्राइविंग बल प्रदान कर सकते हैं, लेकिन उनकी कठोर संरचनाएं अक्सर बड़े आकार और उच्च वजन में अनुवाद करती हैं। इसके अलावा, वे मानव शरीर को अपरिवर्तनीय नुकसान पहुंचाने का जोखिम पैदा करते हैं यदि वे खराब हो जाते हैं। इसके विपरीत, नरम वायवीय एक्ट्यूएटर्स ने पुनर्वास4, सहायता5, और सर्जिकल अनुप्रयोगों6 में काफी क्षमता का प्रदर्शन किया है। उनके फायदों में सुरक्षा, हल्के निर्माण और अंतर्निहित अनुपालन शामिल हैं।
हाल के वर्षों में, कई लचीले पहनने योग्य रोबोट उभरे हैं, डिजाइन किए गए हैं और नरम वायवीय एक्ट्यूएटर्स के आसपास विकसित हुए हैं। इन रोबोटों का उद्देश्य स्ट्रोक रोगियों के ऊपरी अंगों के पुनर्वास और पुनर्वास के बाद की सहायता के लिए किया गया है। वे मुख्य रूप से हाथ exoskeletons7,8, और supernumerary अंगों 9,10 शामिल. हालांकि दोनों पहनने योग्य रोबोटिक्स और पुनर्वास के क्षेत्र में उपयोग किया जाता है, पूर्व सीधे मानव शरीर के साथ बातचीत करता है, संभावित रूप से मांसपेशियों या जोड़ों को विवश करता है, जबकि बाद में मानव कार्यक्षेत्र या आंदोलन को प्रत्यक्ष बाधा11,12 के बिना पूरक करता है। सर्वो मोटर्स पर आधारित पहनने योग्य सुपरन्यूमरी रोबोटिक उंगलियों को दैनिक जीवन (एडीएल) प्रशिक्षण 9 की गतिविधियों में व्यावसायिक चिकित्सक की सहायता के लिए विकसित किया गया था। एक समान दृष्टिकोण अन्य शोध10 में पाया जा सकता है. रोबोटिक उंगलियों की इन दो श्रेणियों ने हेमिपेरेटिक रोगियों के पुनर्वास सहायता में ऐसे रोबोटों के आवेदन के लिए उपन्यास संभावनाएं पेश की हैं। बहरहाल, यह ध्यान देने योग्य है कि इन रोबोट डिजाइनों में नियोजित कठोर संरचना उपयोगकर्ता आराम और सुरक्षा के संबंध में संभावित विचारों को पेश कर सकती है। डिजाइन, निर्माण, और एक नरम पहनने योग्य रोबोट दस्ताने का मूल्यांकन13, जो कार्यात्मक चुंबकीय अनुनाद इमेजिंग (एफएमआरआई) के दौरान हाथ पुनर्वास और कार्य-विशिष्ट प्रशिक्षण के लिए इस्तेमाल किया जा सकता है प्रस्तुत किया गया. दस्ताने उंगली संयुक्त गति उत्पन्न करने के लिए सिलिकॉन इलास्टोमर्स से बने नरम वायवीय एक्ट्यूएटर का उपयोग करता है, और डिवाइस एफएमआरआई छवियों में कलाकृतियों के बिना एमआर-संगत है। यूं एट अल एक्सो-दस्ताने पीएम, एक अनुकूलन नरम वायवीय सहायक दस्ताने है कि एक विधानसभा आधारित दृष्टिकोण14 का उपयोग करता है की शुरुआत की. इस अभिनव डिजाइन में छोटे मॉड्यूल और उनके बीच समायोज्य दूरी है, जिससे उपयोगकर्ता स्पेसर का उपयोग करके अपनी फालेंज लंबाई के आधार पर दस्ताने को अनुकूलित कर सकते हैं। यह दृष्टिकोण कस्टम निर्माण की आवश्यकता के बिना आराम और प्रदर्शन को अधिकतम करता है। शोधकर्ताओं ने वायवीय नेटवर्क15 के रूप में कार्य कर रहे एकीकृत चैनलों के साथ इलास्टोमेरिक सामग्री से बना नरम actuators प्रस्तुत किया. ये एक्ट्यूएटर झुकने की गति उत्पन्न करते हैं जो सुरक्षित रूप से मानव उंगली आंदोलनों के अनुरूप होते हैं। इसके अतिरिक्त, शोधकर्ताओं ने AirExGlove, एक हल्का और अनुकूलनीय inflatable नरम एक्सोस्केलेटन डिवाइस16 पेश किया। यह प्रणाली लागत प्रभावी है, विभिन्न हाथों के आकार के लिए अनुकूलन योग्य है, और मांसपेशियों की लोच के विभिन्न स्तरों वाले रोगियों को सफलतापूर्वक समायोजित किया है। यह कठोर-लिंक्ड रोबोट सिस्टम की तुलना में अधिक एर्गोनोमिक और लचीला समाधान प्रदान करता है। हालांकि इन अध्ययनों ने लचीले पहनने योग्य हाथ पुनर्वास और सहायक रोबोटों के विकास में महत्वपूर्ण योगदान दिया है, यह ध्यान देने योग्य है कि उनमें से किसी ने भी पूर्ण पोर्टेबिलिटी और मानव-रोबोट इंटरैक्शन नियंत्रण हासिल नहीं किया है।
कई अध्ययनों ने जैविक संकेतों के बीच संबंध का पता लगाया है, जैसे इलेक्ट्रोएन्सेफलोग्राम (ईईजी)17 या इलेक्ट्रोमोग्राम (ईएमजी) सिग्नल18, और मानव इरादा। हालांकि, मौजूदा उपकरणों और तकनीकी स्थितियों की बाधाओं के भीतर दोनों दृष्टिकोणों की कुछ सीमाएं हैं। आक्रामक इलेक्ट्रोड को मानव शरीर पर सर्जिकल प्रक्रियाओं की आवश्यकता होती है, जबकि गैर-इनवेसिव इलेक्ट्रोड उच्च शोर स्तर और सिग्नल अधिग्रहण में अविश्वसनीयता जैसे मुद्दों से पीड़ित होते हैं। इन सीमाओं की विस्तृत चर्चा साहित्य19,20 में पाई जा सकती है। इसलिए, लचीले पहनने योग्य सुपरन्यूमरी रोबोटिक अंगों की पोर्टेबिलिटी और उपयोगकर्ता के अनुकूल मानव-मशीन इंटरैक्शन क्षमताओं में अनुसंधान की खोज अत्यधिक प्रासंगिक बनी हुई है।
इस अध्ययन में, एक अद्वितीय लचीला पहनने योग्य सुपरन्यूमरेरी रोबोटिक अंग को डिजाइन किया गया था और उंगली पुनर्वास और मनोरंजक सहायता में पुराने स्ट्रोक रोगियों की सहायता के लिए बनाया गया था। इस रोबोटिक अंग को इसके हल्के, सुरक्षा, अनुपालन, वॉटरप्रूफिंग और प्रभावशाली आउटपुट-टू-वेट/दबाव अनुपात की विशेषता है। पोर्टेबिलिटी बनाए रखने और उपयोगकर्ता के अनुकूल मानव-रोबोट इंटरैक्शन सुनिश्चित करते हुए दो मनोरंजक मोड, लिफाफा और उंगलियों को पकड़ना, हासिल किया गया है। प्रोटोकॉल वायवीय ग्रिपर और पहनने योग्य योजना के डिजाइन और निर्माण प्रक्रिया का विवरण देता है। इसके अतिरिक्त, लचीले झुकने वाले सेंसर के आधार पर एक मानव-रोबोट इंटरैक्शन विधि प्रस्तावित की गई है, जो थ्रेशोल्ड विभाजन के माध्यम से सुविधाजनक और उपयोगकर्ता के अनुकूल नियंत्रण की अनुमति देती है। इन सभी पहलुओं को व्यावहारिक प्रयोगों के माध्यम से मान्य किया गया है।
इस अध्ययन के मुख्य योगदान निम्नानुसार संक्षेप में हैं: (1) क्रोनिक स्ट्रोक रोगियों के लिए एक हल्के, मैत्रीपूर्ण और पहनने योग्य लचीला सुपरन्यूमरेरी रोबोट अंग डिजाइन और निर्मित किया गया है। (2) लचीले झुकने वाले सेंसर के आधार पर मानव-रोबोट इंटरैक्शन की एक विश्वसनीय विधि का एहसास हुआ है। (3) प्रस्तावित तंत्र और विधि की प्रभावशीलता और विश्वसनीयता को सत्यापित करने के लिए वास्तविक दुनिया के प्रयोग किए गए हैं, जिसमें आउटपुट बल परीक्षण शामिल है और छह पुराने स्ट्रोक रोगियों को शामिल किया गया है।
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Protocol
इस प्रोटोकॉल को यूनियन हॉस्पिटल, टोंगजी मेडिकल कॉलेज, हुआझोंग यूनिवर्सिटी ऑफ साइंस एंड टेक्नोलॉजी के एथिक्स रिव्यू बोर्ड द्वारा अनुमोदित किया गया है। ऊपरी अंग कार्यात्मक विकारों वाले मरीज़ जो नैदानिक मानदंडों को पूरा करते थे और लेखक के अस्पताल के पुनर्वास विभाग में उपचार प्राप्त कर रहे थे, आउट पेशेंट और इनपेशेंट इकाइयों को प्रतिभागियों के रूप में चुना गया था। मरीजों की मोटर समारोह वसूली Brunnstrom वसूली चरणों21 के अनुसार मूल्यांकन किया गया था, और चरणों 3-5 में रोगियों प्रयोगों में भाग लेने के लिए चुना गया. अध्ययन में भाग लेने वाले रोगियों से लिखित सूचित सहमति प्राप्त की गई थी। प्रक्रिया में वायवीय ग्रिपर के लिए मोल्ड डिजाइन, ठीक सिलिकॉन रबर के आधार पर वायवीय ग्रिपर की निर्माण प्रक्रिया, पोर्टेबल उपकरणों का एकीकरण, और समझ इरादे का पता लगाने के लिए सॉफ्टवेयर और हार्डवेयर कार्यान्वयन शामिल हैं। सिलिकॉन, रबर और आम कपड़ों को छोड़कर, सभी पहनने योग्य घटकों का उत्पादन 3 डी प्रिंटिंग तकनीक का उपयोग करके किया जाता है ( पूरक कोडिंग फ़ाइलें 1-5 देखें)।
1. वायवीय ग्रिपर को डिजाइन और निर्माण करना
- पूर्व-डिज़ाइन किए गए मोल्ड22 को इकट्ठा करें जैसा कि चित्र 1A, B में दिखाया गया है। फिर मोल्ड में निर्दिष्ट पदों पर ग्लास फाइबर को सुरक्षित करने के लिए गर्म पिघल गोंद का उपयोग करें, जैसा कि चित्र 1 सी में दर्शाया गया है। किसी भी संभावित क्षेत्रों को सील करने के लिए गर्म पिघल गोंद का उपयोग करना सुनिश्चित करें जो सिलिकॉन रिसाव का कारण बन सकता है।
- सिलिकॉन इलास्टोमेर (वजन से 9: 1) के घटक ए और घटक बी की उचित मात्रा का वजन करें ( सामग्री की तालिकादेखें), और उन्हें निर्दिष्ट अनुपात में मिलाएं। मिश्रण के बाद, मशीन के आंतरिक पूर्व निर्धारित कार्यक्रम द्वारा निर्धारित एक चर केन्द्रापसारक बल के साथ एक वैक्यूम मिश्रण और degassing मशीन का उपयोग करें। एक बार मिश्रण तैयार हो जाने के बाद, तुरंत इसे इकट्ठे सांचे में इंजेक्ट करें, जैसा कि चित्र 1D में दिखाया गया है।
नोट: चर केन्द्रापसारक बल को वैक्यूम मिश्रण और degassing मशीन द्वारा अपने आंतरिक पूर्व निर्धारित कार्यक्रम के माध्यम से नियंत्रित किया जाता है ( सामग्री की तालिकादेखें)। सिलिकॉन रबर के पूरी तरह से मिश्रण और किसी भी फंसे हुए हवा के बुलबुले को हटाने के लिए केन्द्रापसारक बल को वृद्धिशील रूप से बढ़ाया जाना चाहिए। - मोल्ड को लगभग 30 एस तक बैठने दें, फिर इसे लगभग 1 मिनट के लिए वैक्यूम ड्रायर में रखें ताकि सिलिकॉन रबर में किसी भी छोटे हवाई बुलबुले को बचने में सक्षम बनाया जा सके। ड्रायर से मोल्ड निकालें और इसे 12 घंटे के लिए 30 डिग्री सेल्सियस पर सेट थर्मोस्टेटिक कक्ष में पूरी तरह से रखें, जिससे सिलिकॉन रबर ठीक हो सके।
- चित्र 1E में दिखाए गए मोल्ड में मिश्रित सिलिकॉन रबर को इंजेक्ट करके दूसरे चरण में उल्लिखित चरणों को दोहराएं। इसके बाद, चित्रा 1F में दिखाए गए डिमोल्ड किए गए रबर बॉडी को सिलिकॉन रबर से भरे मोल्ड में रखें। सिलिकॉन रबर को ठीक करने की अनुमति देने के लिए 12 घंटे के लिए 30 डिग्री सेल्सियस पर सेट थर्मोस्टैटिक कक्ष में पूरी विधानसभा रखो।
- मोल्ड से ठीक सिलिकॉन रबर बॉडी निकालें और किसी भी अतिरिक्त सिलिकॉन रबर को ट्रिम करें। लचीले ग्रिपर का निर्माण अब पूरा हो गया है।
नोट: गुहा में वायवीय ग्रिड के दो सेट होते हैं, जो एक दूसरे से स्वतंत्र होते हैं। ग्लास फाइबर और नालीदार संरचना के बीच लोचदार मापांक में महत्वपूर्ण अंतर के कारण, फुलाए जाने पर वायवीय ग्रिपर अंदर की ओर झुकता है, जिससे लिफाफा-लोभी क्रियाएं होती हैं। उंगलियों को एक हाथी की सूंड जैसा दिखने वाला फलाव के साथ डिज़ाइन किया गया है, जिससे उंगलियों की नोक को पकड़ने वाली क्रियाएं सक्षम होती हैं।
2. पहनने योग्य लचीले सुपरन्यूमरेरी रोबोटिक अंग को असेंबल करना
नोट: पहनने योग्य सुपरन्यूमरी रोबोटिक अंग में एक मिनी एयर पंप, एयर वाल्व, एक सिंगल-चिप माइक्रो कंप्यूटर, वायवीय ग्रिपर, बिजली की आपूर्ति, लचीला झुकने वाले सेंसर, एक पहनने योग्य दस्ताने, और वायवीय और विद्युत कनेक्शन के लिए सहायक उपकरण शामिल हैं ( सामग्री की तालिकादेखें), जैसा कि चित्र 2 में दिखाया गया है।
- एक दर्जी की मदद से पहनने योग्य दस्ताने को सावधानीपूर्वक हस्तशिल्प करें। सुनिश्चित करें कि यह पहनने वाले की प्रतिक्रिया और दर्जी के अनुभव के आधार पर कई पुनरावृत्तियों और सुधारों से गुजरता है।
- वायवीय ग्रिपर को 3 डी-मुद्रित भागों के साथ सुरक्षित करें और चिपकने वाली टेप का उपयोग करके दस्ताने पर उपयुक्त स्थिति में संलग्न करें।
- दस्ताने में चित्रा 3 में दिखाए गए अनुसार तीन लचीले झुकने वाले सेंसर (सामग्री की तालिकादेखें) एम्बेड करें। उन्हें क्रमशः सूचकांक, मध्य और अनामिका उंगलियों पर रखें, उन्हें उंगलियों के पीछे के साथ संरेखित करें। सेंसर से संकेतों को रिकॉर्ड करने के लिए डेटा अधिग्रहण कार्ड का उपयोग करें।
- सेंसर संकेतों को बढ़ाएं और उन्हें एक Arduino पर ले जाएं ( सामग्री की तालिकादेखें)। इन संकेतों को एक स्लाइडिंग विंडो और Arduino23 के भीतर फ़िल्टरिंग कम से कम वर्गों का उपयोग करके संसाधित करें। आशय का पता लगाने के लिए आधारभूत डेटा के रूप में इन अनुमानित मूल्यों का उपयोग करें।
- पोर्टेबिलिटी के लिए बैकपैक में एयर पंप, एयर वाल्व, कंट्रोल बोर्ड और बिजली की आपूर्ति जैसे घटकों को रखें। पहनने के प्रभाव का एक दृश्य प्रतिनिधित्व के लिए चित्रा 4 का संदर्भ लें.
3. लोभी इरादे का पता लगाना
नोट: जब पहनने वाले की उंगलियां गति उत्पन्न करती हैं, तो सेंसर फीडबैक सिग्नल तदनुसार बदल जाता है। यह सर्किट में प्रतिरोध को बढ़ाकर काम करता है क्योंकि घटक अधिक झुकता है। चित्रा 5 एक स्वयंसेवक की उंगली आंदोलन के दौरान लचीला झुकने सेंसर के दर्ज संकेत मूल्यों से पता चलता है. तीन वक्र तीन उंगलियों पर रखे सेंसर से प्राप्त संकेतों के अनुरूप हैं। हेमिपेरेसिस वाले मरीजों में अक्सर उंगली की गतिशीलता सीमित होती है, लेकिन सेंसर महत्वपूर्ण परिवर्तनों का पता लगाने में सक्षम होता है।
- उंगली आंदोलनों के दौरान सेंसर परिवर्तनों की सीमा और पैटर्न पर डेटा एकत्र करें। पंप सक्रियण को नियंत्रित करने के लिए पता लगाए गए सेंसर आयाम के आधार पर उपयुक्त थ्रेशोल्ड मानों का चयन करें। प्रतिभागियों को अपनी क्षमता की सीमा के भीतर अपनी उंगलियों को स्वतंत्र रूप से स्थानांतरित करने का निर्देश दें। सेंसर प्रतिक्रिया के शिखर और घाटी मूल्यों के औसत के रूप में दहलीज मूल्यों का निर्धारण करें।
नोट: जब सेंसर सिग्नल सेट थ्रेशोल्ड मान से अधिक हो जाता है, तो पंप काम करना शुरू कर देता है। जैसे-जैसे उंगलियां आगे झुकती हैं, हवा का दबाव बढ़ता जाता है। इसके विपरीत, जब उंगलियों का झुकने वाला कोण कम हो जाता है, और सेंसर थ्रेशोल्ड के नीचे एक संकेत का पता लगाता है, तो वायु वाल्व दबाव को शून्य तक छोड़ देता है, और वायवीय ग्रिपर रिलीज होता है। - उपयोगकर्ता को वायवीय ग्रिपर की स्थिति का निरीक्षण करने के लिए कहें और हवा को फुलाए जाने से रोकने और आगे उंगली झुकने से रोकने के लिए उपयुक्त समय निर्धारित करें।
- एक उचित सीमा स्थापित करने और इस उपकरण का उपयोग करने से परिचित होने के लिए उपरोक्त परीक्षणों को दोहराएं।
4. स्वस्थ स्वयंसेवकों के साथ डिवाइस का परीक्षण करना
- प्रोटोटाइप के पहनने और लोभी प्रभावों की पुष्टि करने के लिए अध्ययन के लिए सामान्य ऊपरी अंग मोटर क्षमताओं के साथ तीन स्वस्थ स्वयंसेवकों को सूचीबद्ध करें।
- वायवीय ग्रिपर के लिए अधिकतम हवा का दबाव 100 kPa पर सेट करें। प्रतिभागियों को फ्लेक्स करने और अपनी उंगलियों का विस्तार करने का निर्देश दें। क्या प्रतिभागियों ने प्रोटोटाइप पहना है और पहले बताई गई विधि का उपयोग करके विभिन्न आकृतियों की वस्तुओं पर मनोरंजक और जारी करने के प्रयोग किए हैं।
- पहनने वालों से उनके अनुभव के बारे में प्रतिक्रिया मांगना और उनके सुझावों के आधार पर पहनने की योजना को समायोजित करना।
नोट: जैसा कि चित्रा 6 में दर्शाया गया है, प्रतिभागियों ने प्रोटोटाइप का उपयोग करके विभिन्न आकारों की बेलनाकार वस्तुओं को सफलतापूर्वक लिफाफा और समझा। इसके अतिरिक्त, उन्होंने आयताकार ब्लॉक के आकार की वस्तुओं पर उंगलियों को पकड़ने के कार्यों को भी पूरा किया।
5. रोगियों के लिए पुनर्वास और समझ सहायता
- चिकित्सा पेशेवरों द्वारा ब्रन्नस्ट्रॉम रिकवरी चरणों21 के अनुसार मरीजों की मोटर फ़ंक्शन रिकवरी का मूल्यांकन करें। केवल चरण 3-5 में रोगियों को पुनर्वास प्रशिक्षण या दैनिक सहायता के लिए प्रयोगों में भाग लेने की अनुमति दें।
- प्रोटोटाइप की विश्वसनीयता और प्रभावशीलता को मान्य करने के लिए छह क्रोनिक हेमिपेरेटिक रोगियों को सूचीबद्ध करें। रोगियों को स्वतंत्र रूप से दस्ताने (बैकपैक को छोड़कर) पहनने का निर्देश दें और थ्रेशोल्ड मूल्यों को कैलिब्रेट करने के लिए अपनी उंगलियों को अपनी क्षमता की सीमा के भीतर ले जाएं।
- पुनर्वास चरण के दौरान, रोगियों को अपनी उंगली की मांसपेशियों का व्यायाम करने के लिए विभिन्न मनोरंजक कार्यों में संलग्न होने के लिए प्रोत्साहित करें। क्या मरीज़ एक टेबल के किनारे पर बैठते हैं और प्रोटोटाइप का उपयोग लोभी गतिविधियों की एक श्रृंखला करने के लिए करते हैं, जिसमें पानी की बोतल, एक केला, एक क्यूब और एक टूथब्रश को पकड़ना शामिल है।
- प्रयोग के बाद अपने व्यक्तिगत अनुभवों के आधार पर रोगियों को प्रासंगिक सर्वेक्षण प्रश्नावली (पूरक फ़ाइल 1) को पूरा करने के लिए कहें। निम्नलिखित छह व्यक्तिपरक भावनाओं का आकलन करें: सिस्टम के कार्य में विश्वास; उपयोग में आसानी; इसे पहनने की सुविधा और आराम; पुनर्वास के लिए प्रभावशीलता और उपयोगिता; दैनिक जीवन में प्रभावशीलता और उपयोगिता; जिन क्षेत्रों में अभी भी सुधार की आवश्यकता है।
- 1 से 5 के पैमाने पर उनकी प्रतिक्रियाओं को रेट करें, जहां 1 दृढ़ता से असहमत का प्रतिनिधित्व करता है और 5 दृढ़ता से सहमत का प्रतिनिधित्व करता है। डेटा रिकॉर्ड करें और प्रश्नावली के आधार पर प्रोटोटाइप और सुधार के लिए संभावित क्षेत्रों के साथ मुद्दों का विश्लेषण करें।
नोट: यह न केवल पुनर्वास प्रशिक्षण में रुचि जोड़ता है बल्कि रोगी की पुनर्प्राप्ति प्रक्रिया में भाग लेने की इच्छा को भी बढ़ाता है। ऐसे मामलों में जहां रोगी एक स्थिर स्थिति में पहुंच गए हैं, लेकिन फिर भी अपनी उंगलियों के साथ मनोरंजक कार्यों को करने के लिए संघर्ष करते हैं, रोबोटिक अंग का उपयोग रोजमर्रा की जिंदगी के लिए आवश्यक कुछ दैनिक लोभी कार्यों को करने में सहायता कर सकता है।
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Representative Results
आउटपुट बल प्रयोग
चित्रा 7 स्पष्ट रूप से हमारे एक्ट्यूएटर के संरचनात्मक डिजाइन और आयामों को दर्शाता है, जो एक क्रॉस-अनुभागीय चित्रण प्रदान करता है। इस एक्ट्यूएटर में कक्षों के दो अलग-अलग सेट होते हैं, जिनमें से प्रत्येक में पांच सुरुचिपूर्ण ढंग से घुमावदार वायु कक्ष होते हैं। उल्लेखनीय रूप से, एक्ट्यूएटर के टर्मिनस पर, हमने एक उभरी हुई संरचना को सरलता से एकीकृत किया है, जो एक हाथी की सूंड की नोक की याद दिलाता है, जो एक्ट्यूएटर के मनोरंजक त्रिज्या का काफी विस्तार करता है।
नरम वायवीय एक्ट्यूएटर के उत्पादन बल का आकलन करने के लिए, स्थिर लोभी प्रयोगों की एक श्रृंखला आयोजित की गई थी। व्यक्तिगत रूप से 20 ग्राम, 50 ग्राम, 100 ग्राम, 200 ग्राम और 500 ग्राम वजन वाले वजन का चयन किया गया था। एक्ट्यूएटर को उचित रूप से तैनात करने और फुलाए जाने के बाद, इसे फिसलन का मूल्यांकन करने के लिए वजन के झुकने और ढंकने के बाद ऊपर की ओर उठाया गया था। प्रयोगात्मक परिणामों चित्रा 8 डी एफ लिफाफा लोभी के प्रयोगात्मक परिणाम प्रदर्शित करते हुए, जबकि चित्रा 8 डी एफ उंगलियों लोभी के प्रयोगात्मक परिणामों का प्रतिनिधित्व के साथ चित्रा 8 में दर्शाया गया है.
उपरोक्त छह लोभी स्थितियों में, एक्ट्यूएटर के लिए इनपुट हवा का दबाव 0.62 एमपीए से 0.94 एमपीए तक था। विनिर्माण प्रक्रियाओं में भिन्नता और विभिन्न एक्ट्यूएटर्स के बीच बाधा परत की संरचना के कारण, यह संख्यात्मक सीमा विभिन्न एक्ट्यूएटर्स के लिए भिन्न हो सकती है। यह देखते हुए कि एक्ट्यूएटर का वजन केवल 63 ग्राम है, यह प्रमाणित किया जा सकता है कि ऐसे एक्ट्यूएटर पर्याप्त आउटपुट बल-से-वजन/वायु दबाव अनुपात प्रदर्शित करते हैं। इसके अलावा, जैसा कि चित्रा 8F में दर्शाया गया है, यह देखा जा सकता है कि बढ़ते भार के साथ, एक्ट्यूएटर लोभी प्रक्रिया के दौरान महत्वपूर्ण विरूपण से गुजरता है। यह नरम एक्ट्यूएटर की सीमित कठोरता के लिए जिम्मेदार है।
रोगियों से व्यक्तिपरक मूल्यांकन
चित्रा 9 छह रोगियों से प्रश्नावली सर्वेक्षण के परिणाम प्रदर्शित करता है। यह स्पष्ट है कि डिज़ाइन किए गए पहनने योग्य प्रणाली के आराम और उपयोगकर्ता-मित्रता के बारे में अधिकांश प्रतिभागियों के बीच एक आम सहमति मौजूद है। फिर भी, एक अलग बाहरी, प्रतिभागी 5, एक समग्र कम अनुकूल मूल्यांकन प्रदान करता है और डिवाइस के बारे में महत्वपूर्ण चिंताओं को उठाता है। विशेष रूप से, पहले प्रश्न के जवाब प्रतिभागियों के बीच काफी परिवर्तनशीलता प्रदर्शित करते हैं, जिसे हाथ की वसूली की स्थिति और मशीन के उपयोग से जुड़े सीखने की अवस्था में अंतर के लिए जिम्मेदार ठहराया जा सकता है। इसके अलावा, अधिकांश प्रतिभागियों के बीच उनके दैनिक जीवन में सिस्टम की कार्यक्षमता के बारे में संदेह की एक प्रचलित भावना उभरती है, जो डिवाइस में पर्याप्त वृद्धि की गुंजाइश को रेखांकित करती है।
चित्रा 1: एक्ट्यूएटर निर्माण और विधानसभा। (एसी) एक्ट्यूएटर निर्माण प्रक्रिया में उपयोग की जाने वाली मोल्ड संरचना और असेंबली प्रक्रिया का वर्णन करें। (डी) सिलिकॉन रबर डालने के बाद राज्य दिखाता है, जिसके परिणामस्वरूप कक्षों के दो सेट होते हैं। (ई) और (एफ) नीचे और संबंधित विधानसभा परिणाम को सील करने के लिए मोल्ड का प्रदर्शन करते हैं। कृपया इस चित्र का एक बड़ा संस्करण देखने के लिए यहाँ क्लिक करें.
चित्रा 2: सुपरन्यूमरी रोबोटिक अंग। यह आंकड़ा पोर्टेबल बैकपैक को छोड़कर, सुपरन्यूमरी रोबोटिक अंग में शामिल सभी हार्डवेयर घटकों को प्रदर्शित करता है। कृपया इस चित्र का एक बड़ा संस्करण देखने के लिए यहाँ क्लिक करें.
चित्रा 3: फ्लेक्स सेंसर। दस्ताने में एम्बेडेड लचीले झुकने वाले सेंसर का अवलोकन। कृपया इस चित्र का एक बड़ा संस्करण देखने के लिए यहाँ क्लिक करें.
चित्रा 4: प्रोटोटाइप पहनने का प्रभाव। यह आंकड़ा प्रोटोटाइप के समग्र पहनने के प्रभाव को दर्शाता है। हाथ पहनने वाले हिस्से का कुल द्रव्यमान 300 ग्राम से कम है। कृपया इस चित्र का एक बड़ा संस्करण देखने के लिए यहाँ क्लिक करें.
चित्रा 5: लचीला झुकने सेंसर संकेत। यह आंकड़ा सेंसर मूल्यों के एक खंड को दर्ज करता है जब रोगी दस्ताने पहनता है और अपनी उंगलियों को स्वतंत्र रूप से स्थानांतरित करता है। तीन वक्र तीन उंगलियों पर रखे सेंसर से प्राप्त संकेतों के अनुरूप हैं। कृपया इस चित्र का एक बड़ा संस्करण देखने के लिए यहाँ क्लिक करें.
चित्रा 6: स्वस्थ स्वयंसेवकों द्वारा लोभी प्रयोग। (एसी) सिलेंडरों के तीन अलग-अलग आकारों को पकड़ने वाले वायवीय ग्रिपर के प्रभाव को प्रदर्शित करता है। (डी) एक आयताकार ब्लॉक के आकार की वस्तु को पकड़ने का प्रभाव दिखाता है। (ए) और (सी) में, ऑपरेटिंग मोड लिफाफा-लोभी है। (बी) और (डी) में, ऑपरेटिंग मोड उंगलियों की नोक-लोभी है। कृपया इस चित्र का एक बड़ा संस्करण देखने के लिए यहाँ क्लिक करें.
चित्रा 7: लचीला झुकने सेंसर आयाम और संरचना। यह छवि प्रमुख आयामों और लचीले झुकने वाले सेंसर की संरचना को एनोटेट करती है। यह एक्ट्यूएटर की दीवार की मोटाई, बाहरी आयामों और कक्ष के आकार के बारे में जानकारी प्रदान करता है, जिसमें एक्ट्यूएटर की संरचना का क्रॉस-अनुभागीय दृश्य भी शामिल है। कृपया इस चित्र का एक बड़ा संस्करण देखने के लिए यहाँ क्लिक करें.
चित्रा 8: आउटपुट बलों के प्रायोगिक परिणाम। (एसी) क्रमशः 20 ग्राम, 50 ग्राम और 100 ग्राम के भार भार के साथ उंगलियों के लोभी परिणाम प्रदर्शित करता है। (डी-एफ) क्रमशः 200 ग्राम, 500 ग्राम और 700 ग्राम के भार भार के साथ दो लोभी मोड में लोभी परिणामों को प्रदर्शित करता है। कृपया इस चित्र का एक बड़ा संस्करण देखने के लिए यहाँ क्लिक करें.
चित्रा 9: प्रश्नावली सर्वेक्षण के परिणाम। छह रोगियों से एक प्रश्नावली सर्वेक्षण के परिणाम प्रस्तुत किए जाते हैं। रेटिंग 1 से 5 तक होती है, जहां 1 का अर्थ है "पूरी तरह से असहमत" और 5 का अर्थ है "पूरी तरह से सहमत। कृपया इस चित्र का एक बड़ा संस्करण देखने के लिए यहाँ क्लिक करें.
पूरक फ़ाइल 1: प्रयोग के बाद अपने व्यक्तिगत अनुभवों के आधार पर रोगियों के लिए प्रश्न। कृपया इस फ़ाइल को डाउनलोड करने के लिए यहाँ क्लिक करें.
पूरक कोडिंग फ़ाइलें 1-5: 3 डी प्रिंटिंग तकनीक का उपयोग करके पहनने योग्य घटकों के निर्माण के लिए डिजाइन। कृपया इस फ़ाइल को डाउनलोड करने के लिए यहाँ क्लिक करें.
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Discussion
यह अध्ययन एक अभिनव, लचीला, पहनने योग्य सुपरन्यूमरी रोबोटिक अंग प्रस्तुत करता है जो पुरानी स्ट्रोक रोगियों को उंगली पुनर्वास और मनोरंजक कार्यों में सहायता करने के लिए डिज़ाइन किया गया है। यह रोबोटिक सिस्टम पोर्टेबिलिटी को प्राथमिकता देता है और लिफाफा समझ और उंगलियों की समझ दोनों कार्यात्मकता प्रदान करता है। इसमें उपयोगकर्ता के अनुकूल मानव-मशीन इंटरैक्शन नियंत्रण के लिए एक लचीला झुकने वाला सेंसर शामिल है। स्टेटिक लोभी प्रयोग दो अलग-अलग लोभी मोड में डिज़ाइन किए गए तंत्र की मनोरंजक क्षमताओं को मान्य करते हैं। अध्ययन में हेमिपेरेटिक रोगियों के साथ प्रयोग शामिल हैं ताकि मनोरंजक कार्यक्षमता की पुष्टि की जा सके और उपयोगकर्ता अनुभव का आकलन किया जा सके, पुनर्वास और लोभी गतिविधियों के दौरान पुराने स्ट्रोक रोगियों की सहायता करने में इस रोबोट की क्षमता का प्रदर्शन किया जा सके।
इस शोध के संदर्भ में, महत्वपूर्ण प्रक्रियात्मक चरणों को संक्षेप में निम्नानुसार संक्षेपित किया जा सकता है: (1) मोल्ड में सिलिकॉन इंजेक्शन प्रक्रिया के दौरान, एक इष्टतम इंजेक्शन वेग बनाए रखना अनिवार्य है। अत्यधिक तेजी से इंजेक्शन से हवा के बुलबुले की अधिकता हो सकती है, जबकि अत्यधिक धीमी गति से इंजेक्शन सिलिकॉन की तरलता से समझौता कर सकता है। (2) सिलिकॉन इंजेक्शन के बाद, सिलिकॉन के भीतर मिनट हवा के बुलबुले को हटाने को वैक्यूम पंप का उपयोग करके प्राप्त किया जा सकता है। हालांकि, सावधानी बरतना और वैक्यूम पंप के लंबे समय तक संपर्क से बचना आवश्यक है, क्योंकि इससे सिलिकॉन ओवरफ्लो हो सकता है। (3) गढ़े हुए एक्ट्यूएटर्स में गति की समरूपता सुनिश्चित करने के लिए, ग्लास फाइबर को सुरक्षित करने में उच्च स्तर की समरूपता बनाए रखना सर्वोपरि है। (4) प्रयोग से पहले, एक्ट्यूएटर्स की वायुरोधी और वायु पंप सहित संबंधित उपकरणों की सुरक्षा का सावधानीपूर्वक सत्यापन अनिवार्य है। यह एहतियाती उपाय सुनिश्चित करता है कि सर्किटरी शॉर्ट-सर्किटिंग के किसी भी जोखिम से मुक्त रहे। (5) उनकी चिकित्सा स्थितियों के संदर्भ में रोगियों के बीच पर्याप्त परिवर्तनशीलता और लिंग असमानताओं के कारण हाथ के आयामों में महत्वपूर्ण अंतर को देखते हुए, विभिन्न आकारों में दस्ताने का उत्पादन व्यक्तिगत जरूरतों को पूरा करने के लिए अपरिहार्य है।
एक्ट्यूएटर निर्माण के क्षेत्र में, संरचनात्मक स्थिरता सुनिश्चित करना एक महत्वपूर्ण चुनौती है। लचीला सामग्री मोल्डिंग और अभेद्य सीमित परत स्थिति की अंतर्निहित सीमाओं के कारण, इस तरह के असंगत एक्ट्यूएटर प्रदर्शन और विषमता24 के रूप में मुद्दों उत्पन्न हो सकता है. इसके अलावा, जबकि ये एक्ट्यूएटर प्राकृतिक अनुपालन प्रदर्शित करते हैं, उनकी कम कठोरता एक सीमा प्रस्तुत करती है जो आगे के विकास में बाधा डालती है। इस अध्ययन में डिज़ाइन की गई संरचना के संदर्भ में, 0.7 किलोग्राम भार के अधीन होने पर एक्ट्यूएटर्स महत्वपूर्ण विरूपण से गुजरते हैं, जिससे भारी लोभी कार्यों को संभालने की उनकी क्षमता बाधित होती है। इसके अलावा, एक्ट्यूएटर्स और लोड के बीच सटीक बल नियंत्रण एक चुनौतीपूर्ण मुद्दा25,26 बना हुआ है। मानव हाथों की तुलना में, जो क्रियाओं को करने की क्षमता और एक मजबूत बाहरी पर्यावरणीय धारणा क्षमता दोनों के पास हैं, निरंतर विरूपण संरचना, लचीली बल संवेदन और स्पर्श संवेदन संबंधित अनुप्रयोगों में चल रही चुनौतियां हैं।
कार्यक्षमता के संदर्भ में, वर्तमान वायवीय ग्रिपर में विभिन्न लोभी क्रियाओं को प्राप्त करने में सीमित क्षमताएं हैं। इसके विपरीत, मानव हाथ विभिन्न जटिल आकार की वस्तुओं को पकड़ने और जटिल क्रियाओं जैसे फाड़ने, झिलमिलाने और24,27 को धब्बा करने में उत्कृष्टता प्राप्त करते हैं। लोभी कार्यात्मकताओं की सीमा का विस्तार वायवीय ग्रिपर्स के लिए एक महत्वपूर्ण चुनौती बन गया है। इसके अलावा, हालांकि यह अध्ययन एक पोर्टेबल संरचना का प्रस्ताव करता है, उपयोग किया जाने वाला लघु वायु पंप अपेक्षाकृत उच्च शोर स्तर उत्पन्न करता है और एक छोटा आउटपुट गैस प्रवाह प्रदान करता है, जो मौजूदा लोचदार विरूपण प्रभावों को बढ़ाता है। इसलिए, एक शांत और अधिक कुशल लघु वायु स्रोत का विकास एक और मुद्दा है जिसे संबोधित करने की आवश्यकता है।
रोगी प्रयोगों के दौरान, शोधकर्ताओं ने देखा कि प्रतिभागियों को उंगली की ऐंठन का अनुभव होने का खतरा था। विशेष रूप से, रोगियों ने उंगली की गतिशीलता में धीरे-धीरे कमी का प्रदर्शन किया और प्रयोग में अधिक समय बिताने के कारण उंगली विस्तार और फ्लेक्सन आंदोलनों को पूरा करने में असमर्थ थे। इसलिए, रोगियों में असामान्य उंगली की स्थिति का पता लगाने और उचित सहायता या अनुस्मारक प्रदान करने के लिए आगे की खोज की आवश्यकता है। इसके अतिरिक्त, क्योंकि हेमिपेरेटिक रोगी स्वस्थ व्यक्तियों की तरह अपने ऊपरी अंगों की मुद्रा को स्वतंत्र रूप से समायोजित नहीं कर सकते हैं, अधिकांश रोगी अपनी बाहों को आगे की स्थिति में बनाए रखते हैं। इसके परिणामस्वरूप वर्तमान पहनने की योजना और रोगियों के प्रभावित अंगों की स्थिति के बीच आंशिक बेमेल होता है, जिससे एक्चुएटर्स और रोगियों की बाहों के बीच हस्तक्षेप होता है।
इस अध्ययन में, हमारे द्वारा डिज़ाइन की गई मानव-मशीन इंटरैक्शन रणनीति केवल चरण 3-5 में रोगियों के लिए उपयुक्त है। ऐसा इसलिए है क्योंकि पहले के चरणों में रोगियों में उंगली की मांसपेशियों की टोन अधिक होती है और वे उंगली का विस्तार और फ्लेक्सियन आंदोलनों को नहीं कर सकते हैं। इसलिए, उंगली आंदोलनों के आधार पर मानव-मशीन इंटरैक्शन रणनीति के लिए अभी भी महत्वपूर्ण सीमाएं हैं।
संक्षेप में, पहनने योग्य सुपरन्यूमरी रोबोटिक अंगों के शोध में संबोधित किए जाने वाले कई चुनौतीपूर्ण मुद्दे हैं, जिनमें नरम एक्ट्यूएटर्स के संरचनात्मक डिजाइन, धारणा मॉडलिंग, इंटरैक्शन बल नियंत्रण, पहनने योग्य रोबोट अंगों के लिए मानव-मशीन इंटरैक्शन रणनीतियां और पहनने योग्य योजना डिजाइन शामिल हैं। ये चुनौतियां पहनने योग्य रोबोटिक्स के क्षेत्र में शोधकर्ताओं द्वारा निरंतर अन्वेषण की गारंटी देती हैं।
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Disclosures
लेखकों के पास खुलासा करने के लिए कुछ भी नहीं है।
Acknowledgments
यह काम ग्रांट U1913207 के तहत चीन के राष्ट्रीय प्राकृतिक विज्ञान फाउंडेशन और एचयूएसटी अकादमिक फ्रंटियर यूथ टीम के कार्यक्रम द्वारा समर्थित है। लेखक इन नींवों के समर्थन का शुक्रिया अदा करना चाहते हैं।
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
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