Summary
Este protocolo introduz um membro robótico supernumerário vestível flexível adaptado para auxiliar na reabilitação dos dedos para pacientes com AVC. O projeto incorpora um sensor de flexão para facilitar a interação perfeita entre humanos e robôs. A validação por meio de experimentos envolvendo voluntários saudáveis e pacientes com AVC ressalta a eficácia e a confiabilidade do estudo proposto.
Abstract
Neste estudo, apresentamos um membro robótico supernumerário vestível flexível que ajuda pacientes com AVC crônico com movimentos de reabilitação e preensão dos dedos. O design deste membro inovador inspira-se na flexão dos músculos pneumáticos e nas características únicas da ponta da tromba de um elefante. Ele coloca uma forte ênfase em fatores cruciais, como construção leve, segurança, conformidade, impermeabilização e obtenção de uma alta relação peso/pressão. A estrutura proposta permite que o membro robótico realize tanto a preensão do envelope quanto a ponta do dedo. A interação humano-robô é facilitada através de um sensor de flexão flexível, detectando os movimentos dos dedos do usuário e conectando-os ao controle de movimento por meio de um método de segmentação de limiar. Além disso, o sistema é portátil para uso diário versátil. Para validar a eficácia dessa inovação, experimentos do mundo real envolvendo seis pacientes com AVC crônico e três voluntários saudáveis foram realizados. O feedback recebido por meio de questionários indica que o mecanismo projetado é uma imensa promessa na assistência a pacientes com AVC crônico com suas atividades diárias de preensão, potencialmente melhorando sua qualidade de vida e resultados de reabilitação.
Introduction
De acordo com pesquisas anteriores1, em 2019, havia mais de 100 milhões de casos de AVC em todo o mundo. Aproximadamente dois terços desses casos resultaram em sequelas hemiplégicas, e mais de 80% dos pacientes com AVC hemiplégico grave não conseguiram recuperar totalmente a função da mão e do braço2. Além disso, espera-se que o envelhecimento populacional continue crescendo nas próximas décadas, levando a um aumento significativo no número de potenciais vítimas de AVC. Os comprometimentos persistentes dos membros superiores após um AVC podem afetar significativamente as atividades de vida diária (AVD), e a reabilitação da mão tem sido clinicamente reconhecida como um objetivo crítico para aumentar a atividade e a participação de pacientes com AVC crônico3.
Os dispositivos robóticos tradicionais de membros superiores acionados por motor podem fornecer força motriz substancial, mas suas estruturas rígidas geralmente se traduzem em grandes tamanhos e pesos elevados. Além disso, eles representam o risco de causar danos irreversíveis ao corpo humano se funcionarem mal. Em contraste, atuadores pneumáticos moles têm demonstrado considerável potencial na reabilitação4, assistência5 e aplicações cirúrgicas6. Suas vantagens incluem segurança, construção leve e conformidade inerente.
Nos últimos anos, inúmeros robôs vestíveis flexíveis surgiram, projetados e desenvolvidos em torno de atuadores pneumáticos macios. Esses robôs foram destinados à reabilitação e assistência pós-reabilitação dos membros superiores de pacientes com AVC. Englobam principalmente exoesqueletos de mão7,8 e membros supranumerários 9,10. Embora ambos sejam utilizados nos campos da robótica vestível e da reabilitação, o primeiro interage diretamente com o corpo humano, potencialmente restringindo músculos ou articulações, enquanto o segundo complementa o espaço de trabalho ou movimento humano sem restrição direta11,12. Dedos robóticos supranumerários vestíveis baseados em servomotores foram desenvolvidos para auxiliar terapeutas ocupacionais no treinamento das atividades de vida diária (AVDs)9. Abordagem semelhante pode ser encontrada em outras pesquisas10. Essas duas categorias de dedos robóticos introduziram novas possibilidades para a aplicação desses robôs na assistência à reabilitação de pacientes hemiparéticos. No entanto, vale ressaltar que a estrutura rígida empregada nesses projetos robóticos pode introduzir potenciais considerações em relação ao conforto e segurança do usuário. Foram apresentados o projeto, a fabricação e a avaliação de uma luva robótica soft wearable13, que pode ser usada para reabilitação da mão e treinamento específico de tarefas durante a Ressonância Magnética funcional (RMf). A luva utiliza atuadores pneumáticos macios feitos de elastômeros de silicone para gerar o movimento articular dos dedos, e o dispositivo é compatível com RM sem causar artefatos em imagens de RMf. introduziram a Exo-Glove PM, uma luva de assistência pneumática macia personalizável que utiliza uma abordagem baseada em montagem14. Este design inovador apresenta pequenos módulos e distâncias ajustáveis entre eles, permitindo que os usuários personalizem a luva com base em seu comprimento de falange usando espaçadores. Essa abordagem maximiza o conforto e o desempenho sem a necessidade de fabricação personalizada. Pesquisadores apresentaram atuadores macios compostos de materiais elastoméricos com canais integrados funcionando como redespneumáticas 15. Esses atuadores geram movimentos de flexão que se ajustam com segurança aos movimentos dos dedos humanos. Além disso, os pesquisadores apresentaram o AirExGlove, um dispositivo de exoesqueleto macio inflável leve e adaptável16. Esse sistema é econômico, personalizável para diferentes tamanhos de mão e tem acomodado com sucesso pacientes com diferentes níveis de espasticidade muscular. Ele oferece uma solução mais ergonômica e flexível em comparação com sistemas robóticos rígidos. Embora esses estudos tenham feito contribuições significativas para o desenvolvimento de robôs flexíveis de reabilitação de mãos vestíveis e assistivos, vale a pena notar que nenhum deles alcançou portabilidade completa e controle de interação humano-robô.
Numerosos estudos têm explorado a correlação entre sinais biológicos, como eletroencefalograma (EEG)17 ou eletromiograma (EMG)18, e a intenção humana. No entanto, ambas as abordagens têm certas limitações dentro das restrições dos dispositivos existentes e das condições tecnológicas. Eletrodos invasivos requerem procedimentos cirúrgicos no corpo humano, enquanto eletrodos não invasivos sofrem problemas como altos níveis de ruído e falta de confiabilidade na aquisição do sinal. Discussões detalhadas sobre essas limitações podem ser encontradas na literatura19,20. Portanto, a busca de pesquisas sobre a portabilidade e as capacidades de interação homem-máquina fáceis de usar de membros robóticos supernumerários vestíveis flexíveis permanece altamente relevante.
Neste estudo, um membro robótico supernumerário flexível e flexível foi projetado e fabricado para auxiliar pacientes com AVC crônico na reabilitação dos dedos e assistência de preensão. Este membro robótico é caracterizado por sua leveza, segurança, conformidade, impermeabilização e impressionante relação peso/pressão. Dois modos de preensão, envelope e preensão na ponta do dedo, foram alcançados, mantendo a portabilidade e garantindo uma interação amigável entre humanos e robôs. O protocolo detalha o projeto e o processo de fabricação da pinça pneumática e do esquema vestível. Além disso, um método de interação humano-robô baseado em sensores de flexão flexíveis foi proposto, permitindo um controle conveniente e fácil de usar através da segmentação de limiar. Todos esses aspectos foram validados por meio de experimentos práticos.
As principais contribuições deste estudo são resumidas da seguinte forma: (1) Um membro robótico supernumerário flexível leve, amigável e vestível para pacientes com AVC crônico foi projetado e fabricado. (2) Um método confiável de interação humano-robô foi realizado com base em sensores de flexão flexíveis. (3) Experimentos do mundo real foram conduzidos para verificar a efetividade e a confiabilidade do mecanismo e do método propostos, que incluem testes de força de saída e envolvem seis pacientes com AVC crônico.
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Protocol
Este protocolo foi aprovado pelo Comitê de Ética do Union Hospital, Tongji Medical College, Huazhong University of Science and Technology. Foram selecionados como participantes pacientes com distúrbios funcionais dos membros superiores que preenchiam os critérios diagnósticos e estavam em tratamento no ambulatório e nas unidades de internação do departamento de reabilitação do hospital autor. A recuperação da função motora dos pacientes foi avaliada de acordo com os estágios de recuperação de Brunnstrom21, e os pacientes nos estágios 3-5 foram escolhidos para participar dos experimentos. Consentimento informado foi obtido dos pacientes que participaram do estudo. O procedimento inclui o projeto do molde para a pinça pneumática, o processo de fabricação da pinça pneumática à base de borracha de silicone curada, a integração de dispositivos portáteis e a implementação de software e hardware para detecção de intenção de preensão. Com exceção da borracha de silicone e dos tecidos comuns, todos os componentes vestíveis são produzidos usando a tecnologia de impressão 3D (consulte Arquivos de codificação suplementares 1-5).
1. Projetando e fabricando a pinça pneumática
- Montar o moldepré-projetado 22 como mostrado na Figura 1A,B. Em seguida, use cola hot melt para fixar as fibras de vidro nas posições designadas no molde, conforme ilustrado na Figura 1C. Certifique-se de usar cola hot melt para selar quaisquer áreas potenciais que possam causar vazamento de silicone.
- Pesar uma quantidade adequada de componentes A e B do elastômero de silicone (9:1 em peso) (ver Tabela de materiais) e misturá-los na proporção especificada. Após a mistura, utilizar uma máquina de mistura e desgaseificação a vácuo com uma força centrífuga variável, determinada pelo programa predefinido interno da máquina. Assim que a mistura estiver pronta, injete-a imediatamente no molde montado, conforme ilustrado na Figura 1D.
NOTA: A força centrífuga variável é controlada pela máquina de mistura e desgaseificação a vácuo através do seu programa predefinido interno (ver Tabela de Materiais). A força centrífuga deve ser aumentada gradualmente para garantir a mistura completa da borracha de silicone e a remoção de quaisquer bolhas de ar aprisionadas. - Deixe o molde descansar por aproximadamente 30 s e, em seguida, coloque-o em um secador a vácuo por cerca de 1 min para permitir que quaisquer pequenas bolhas de ar na borracha de silicone escapem. Retire o molde do secador e coloque-o como um todo em uma câmara termostática regulada a 30 °C por 12 h, permitindo a cura da borracha de silicone.
- Repita as etapas descritas na segunda etapa injetando a borracha de silicone misturada no molde mostrado na Figura 1E. Em seguida, coloque o corpo de borracha desmoldada mostrado na Figura 1F no molde preenchido com borracha de silicone. Coloque todo o conjunto em uma câmara termostática regulada a 30 °C por 12 h para permitir que a borracha de silicone cure.
- Remova o corpo de borracha de silicone curada do molde e corte qualquer excesso de borracha de silicone. A fabricação da garra flexível está concluída.
NOTA: A cavidade é composta por dois conjuntos de grades pneumáticas, que são independentes uma da outra. Devido à diferença significativa no módulo de elasticidade entre as fibras de vidro e a estrutura corrugada, a pinça pneumática dobra-se para dentro quando inflada, permitindo ações de apreensão do envelope. A ponta do dedo é projetada com uma saliência semelhante a uma tromba de elefante, permitindo ações de agarrar a ponta dos dedos.
2. Montagem do membro robótico supernumerário flexível vestível
NOTA: O membro robótico supranumerário vestível inclui uma mini bomba de ar, válvulas de ar, um microcomputador de chip único, pinça pneumática, fonte de alimentação, sensores de flexão flexíveis, uma luva vestível e acessórios para conexões pneumáticas e elétricas (consulte a Tabela de Materiais), conforme mostrado na Figura 2.
- Meticulosamente artesanal a luva vestível com a ajuda de um alfaiate. Certifique-se de que ele passe por várias iterações e melhorias com base no feedback do usuário e na experiência do alfaiate.
- Fixe a pinça pneumática com peças impressas em 3D e fixe-a na posição apropriada na luva usando fita adesiva.
- Incorpore três sensores de flexão flexíveis (consulte a Tabela de Materiais), conforme mostrado na Figura 3 , na luva. Coloque-os nos dedos indicador, médio e anelar, respectivamente, alinhando-os com a parte de trás dos dedos. Use um cartão de aquisição de dados para gravar sinais dos sensores.
- Amplifice os sinais do sensor e encaminhe-os para um Arduino (veja Tabela de Materiais). Processe esses sinais usando uma janela deslizante e filtragem de mínimos quadrados dentro do Arduino23. Utilize esses valores estimados como dados de linha de base para detecção de intenção.
- Coloque componentes como a bomba de ar, válvulas de ar, placa de controle e fonte de alimentação em uma mochila para portabilidade. Consulte a Figura 4 para obter uma representação visual do efeito de desgaste.
3. Detectando a intenção de apreensão
NOTA: Quando os dedos do usuário geram movimento, o sinal de feedback do sensor muda de acordo. Ele funciona aumentando a resistência no circuito à medida que o componente se curva mais. A Figura 5 mostra os valores registrados do sinal do sensor de flexão flexível durante o movimento dos dedos de um voluntário. As três curvas correspondem aos sinais obtidos dos sensores colocados nos três dedos. Pacientes com hemiparesia geralmente têm mobilidade limitada dos dedos, mas o sensor é capaz de detectar alterações significativas.
- Colete dados sobre o alcance e o padrão de mudanças do sensor durante os movimentos dos dedos. Selecione os valores limite apropriados com base na amplitude do sensor detectado para controlar a ativação da bomba. Instrua os participantes a mover os dedos livremente dentro de sua faixa de habilidade. Determine os valores limite como as médias dos valores de pico e vale da realimentação do sensor.
NOTA: Quando o sinal do sensor excede o valor limite definido, a bomba começa a funcionar. A pressão do ar aumenta à medida que os dedos se dobram ainda mais. Por outro lado, quando o ângulo de flexão dos dedos diminui e o sensor detecta um sinal abaixo do limiar, a válvula de ar libera a pressão para zero e a pinça pneumática é liberada. - Peça ao usuário que observe o estado da pinça pneumática e determine o momento adequado para parar de inflar o ar e parar de dobrar mais os dedos.
- Repita os testes acima para estabelecer um limite razoável e se familiarizar com o uso deste dispositivo.
4. Testando o dispositivo com voluntários saudáveis
- Recrutar três voluntários saudáveis com habilidades motoras normais de membros superiores para o estudo para confirmar os efeitos de desgaste e preensão do protótipo.
- Ajuste a pressão máxima de ar para a pinça pneumática para 100 kPa. Instrua os participantes a flexionar e estender os dedos. Peça aos participantes que usem o protótipo e realizem experimentos de agarramento e liberação em objetos de várias formas usando o método mencionado anteriormente.
- Solicite feedback dos usuários sobre sua experiência e ajuste o esquema de uso com base em suas sugestões.
NOTA: Conforme ilustrado na Figura 6, os participantes envolveram e agarraram com sucesso objetos cilíndricos de diferentes tamanhos usando o protótipo. Além disso, eles também completaram tarefas de preensão na ponta dos dedos em objetos retangulares em forma de bloco.
5. Reabilitação e assistência de apreensão para pacientes
- Avaliar a recuperação da função motora dos pacientes de acordo com os estágios de recuperação de Brunnstrom21 por profissionais médicos. Só permitir que pacientes nos estágios 3-5 participem dos experimentos para treinamento de reabilitação ou assistência diária.
- Recrutar seis pacientes hemiparéticos crônicos para validar a confiabilidade e eficácia do protótipo. Instruir os pacientes a usar a luva de forma independente (excluindo a mochila) e mover os dedos dentro de sua faixa de habilidade para calibrar os valores limiares.
- Durante a fase de reabilitação, incentive os pacientes a se envolverem em várias tarefas de preensão para exercitar os músculos dos dedos. Peça aos pacientes que se sentem à beira de uma mesa e usem o protótipo para realizar uma série de atividades de preensão, incluindo agarrar uma garrafa de água, uma banana, um cubo e uma escova de dentes.
- Peça aos pacientes que preencham questionários de pesquisa relevantes (Arquivo Suplementar 1) com base em suas experiências pessoais após o experimento. Avalie seis sentimentos subjetivos: confiança na função do sistema; facilidade de uso; comodidade e conforto de usá-lo; efetividade e utilidade para a reabilitação; eficácia e utilidade na vida diária; áreas que ainda precisam de melhorias.
- Classifique suas respostas em uma escala de 1 a 5, onde 1 representa discordo totalmente e 5 representa concordo totalmente. Registre os dados e analise os problemas com o protótipo e potenciais áreas de melhoria com base no questionário.
NOTA: Isso não só agrega interesse ao treinamento de reabilitação, mas também aumenta a disposição do paciente em participar do processo de recuperação. Nos casos em que os pacientes atingiram uma condição estável, mas ainda lutam para realizar tarefas de preensão com os dedos, o uso do membro robótico pode auxiliar na realização de certas ações diárias de preensão necessárias para a vida cotidiana.
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Representative Results
Experimentos de força de saída
A Figura 7 ilustra vividamente o projeto estrutural e as dimensões de nosso atuador, fornecendo uma ilustração transversal. Este atuador é composto por dois conjuntos distintos de câmaras, cada um contendo cinco câmaras de ar elegantemente curvas. Notavelmente, no terminal do atuador, integramos engenhosamente uma estrutura saliente, que lembra a ponta da tromba de um elefante, expandindo significativamente o raio de preensão do atuador.
Para avaliar a força de saída do atuador pneumático macio, uma série de experimentos de preensão estática foi conduzida. Foram selecionados pesos individuais de 20 g, 50 g, 100 g, 200 g e 500 g. Após o atuador ser adequadamente posicionado e inflado, este foi levantado para cima seguindo sua flexão e envelopamento dos pesos para avaliar o deslizamento. Os resultados experimentais estão representados na Figura 8, com a Figura 8A-C representando os resultados experimentais da preensão da ponta do dedo, enquanto a Figura 8D-F mostra os resultados experimentais da preensão do envelope.
Nas seis condições de apreensão mencionadas, a pressão do ar de entrada para o atuador variou de 0,62 MPa a 0,94 MPa. Devido às variações nos processos de fabricação e na estrutura da camada de restrição entre os diferentes atuadores, essa faixa numérica pode variar para diferentes atuadores. Considerando que o atuador em si pesa apenas 63 g, pode-se comprovar que tais atuadores exibem uma relação força-peso/pressão de ar de saída substancial. Além disso, como ilustrado na Figura 8F, pode-se observar que, com o aumento da carga, o atuador sofre deformação significativa durante o processo de preensão. Isso é atribuído à rigidez limitada do próprio atuador macio.
Avaliação subjetiva dos pacientes
A Figura 9 apresenta os resultados do questionário de levantamento de seis pacientes. É evidente que existe um consenso entre a maioria dos participantes em relação ao conforto e facilidade de uso do sistema vestível projetado. No entanto, um outlier distinto, o Participante 5, fornece uma avaliação geral menos favorável e levanta preocupações significativas sobre o dispositivo. Notavelmente, as respostas à primeira questão exibem considerável variabilidade entre os participantes, o que pode ser atribuído a diferenças no status de recuperação da mão e na curva de aprendizado associada ao uso da máquina. Além disso, um sentimento predominante de ceticismo emerge entre a maioria dos participantes em relação à funcionalidade do sistema em suas vidas diárias, ressaltando o escopo para melhorias substanciais no dispositivo.
Figura 1: Fabricação e montagem do atuador. (A-C) ilustram a estrutura do molde e o procedimento de montagem utilizados no processo de fabricação do atuador. (D) mostra o estado após o derramamento da borracha de silicone, resultando em dois conjuntos de câmaras. (E) e (F) mostram o molde para vedação do fundo e o resultado de montagem correspondente. Clique aqui para ver uma versão maior desta figura.
Figura 2: Membro robótico supranumerário. Esta figura exibe todos os componentes de hardware incluídos no membro robótico supranumerário, excluindo a mochila portátil. Clique aqui para ver uma versão maior desta figura.
Figura 3: Sensor Flex. Uma visão geral do sensor de flexão flexível embutido na luva. Clique aqui para ver uma versão maior desta figura.
Figura 4: Efeito de desgaste do protótipo. Esta figura ilustra o efeito de desgaste geral do protótipo. A massa total da peça de desgaste do braço é inferior a 300 g. Clique aqui para ver uma versão maior desta figura.
Figura 5: Sinais flexíveis do sensor de flexão. Esta figura apresenta uma seção dos valores do sensor registrados quando o paciente usa a luva e movimenta os dedos livremente. As três curvas correspondem aos sinais obtidos dos sensores colocados nos três dedos. Clique aqui para ver uma versão maior desta figura.
Figura 6: Experimentos de apreensão por voluntários saudáveis. (A-C) demonstram o efeito da pinça pneumática segurando três tamanhos diferentes de cilindros. (D) mostra o efeito de agarrar um objeto em forma de bloco retangular. Em (A) e (C), o modo de operação é de apreensão por envelope. Em (B) e (D), o modo de operação é a ponta dos dedos. Clique aqui para ver uma versão maior desta figura.
Figura 7: Dimensões e estrutura do sensor de flexão flexível. Esta imagem anota as principais dimensões e a estrutura do sensor de flexão flexível. Ele fornece informações sobre a espessura da parede do atuador, dimensões externas e tamanhos de câmara, incluindo uma visão transversal da estrutura do atuador. Clique aqui para ver uma versão maior desta figura.
Figura 8: Resultados experimentais das forças de saída. (A-C) demonstram resultados de preensão na ponta dos dedos com pesos de carga de 20 g, 50 g e 100 g, respectivamente. (D-F) apresentam resultados de preensão envolvente com pesos de carga de 200 g, 500 g e 700 g, respectivamente, em dois modos de preensão. Clique aqui para ver uma versão maior desta figura.
Figura 9: Resultados da pesquisa por questionário. São apresentados os resultados de um questionário com seis pacientes. As classificações variam de 1 a 5, onde 1 significa "discordo totalmente" e 5 significa "concordo totalmente". Clique aqui para ver uma versão maior desta figura.
Arquivo Suplementar 1: Perguntas para os pacientes com base em suas experiências pessoais após o experimento. Clique aqui para baixar este arquivo.
Arquivos de codificação suplementares 1-5: Projetos para fabricar os componentes vestíveis usando a tecnologia de impressão 3D. Clique aqui para baixar este arquivo.
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Discussion
Este estudo apresenta um membro robótico supernumerário inovador, flexível e vestível, projetado para auxiliar pacientes com AVC crônico em tarefas de reabilitação e preensão dos dedos. Este sistema robótico prioriza a portabilidade e oferece funcionalidades de preensão de envelope e de apreensão na ponta do dedo. Ele incorpora um sensor de flexão flexível para controle de interação homem-máquina fácil de usar. Experimentos de preensão estática validam as capacidades de preensão do mecanismo projetado em dois modos de preensão distintos. O estudo envolve experimentos com pacientes hemiparéticos para confirmar a funcionalidade de preensão e avaliar a experiência do usuário, mostrando o potencial desse robô em auxiliar pacientes com AVC crônico durante atividades de reabilitação e preensão.
No contexto desta pesquisa, as etapas críticas do procedimento podem ser resumidas sucintamente da seguinte forma: (1) Durante o processo de injeção de silicone no molde, é imperativo manter uma velocidade ótima de injeção. A injeção excessivamente rápida pode levar a uma superabundância de bolhas de ar, enquanto a injeção excessivamente lenta pode comprometer a fluidez do silicone. (2) Após a injeção de silicone, a remoção de minúsculas bolhas de ar dentro do silicone pode ser obtida usando uma bomba de vácuo. No entanto, é essencial ter cautela e evitar a exposição prolongada à bomba de vácuo, pois isso pode resultar em transbordamento de silicone. (3) Para garantir a uniformidade de movimento nos atuadores fabricados, é fundamental manter um alto grau de simetria na fixação das fibras de vidro. (4) Antes da experimentação, é obrigatória a verificação meticulosa da estanqueidade dos actuadores e da segurança do equipamento associado, incluindo a bomba de ar. Esta medida de precaução garante que o circuito permaneça livre de qualquer risco de curto-circuito. (5) Dada a variabilidade substancial entre os pacientes em termos de suas condições médicas e as diferenças significativas nas dimensões das mãos devido às disparidades de gênero, a produção de luvas em vários tamanhos é indispensável para atender às necessidades individuais.
No domínio da fabricação de atuadores, garantir a consistência estrutural representa um desafio significativo. Devido às limitações inerentes à moldagem de materiais flexíveis e ao posicionamento impreciso da camada limitada, podem surgir problemas como desempenho inconsistente do atuador e assimetria24. Além disso, embora esses atuadores apresentem complacência natural, sua baixa rigidez apresenta uma limitação que dificulta o desenvolvimento posterior. No contexto da estrutura projetada neste estudo, os atuadores sofrem deformação significativa quando submetidos a uma carga de 0,7 kg, impedindo sua capacidade de lidar com tarefas pesadas de preensão. Além disso, o controle preciso da força entre os atuadores e a carga permanece um desafio25,26. Em comparação com as mãos humanas, que possuem a capacidade de executar ações e uma forte capacidade de percepção ambiental externa, a estrutura de deformação contínua, o sensoriamento de força flexível e o sensoriamento tátil têm sido desafios contínuos em aplicações relacionadas.
Em termos de funcionalidade, a garra pneumática atual tem capacidades limitadas na realização de várias ações de preensão. Em contraste, as mãos humanas se destacam em agarrar vários objetos de formas complexas e realizar ações intrincadas, como rasgar, piscar e manchar24,27. Expandir a gama de funcionalidades de apreensão representa um desafio significativo para as pinças pneumáticas. Além disso, embora este estudo proponha uma estrutura portátil, a bomba de ar em miniatura utilizada gera níveis de ruído relativamente altos e fornece um pequeno fluxo de gás de saída, exacerbando os efeitos de deformação elástica existentes. Portanto, o desenvolvimento de uma fonte de ar em miniatura silenciosa e mais eficiente é outra questão que precisa ser abordada.
Durante os experimentos com os pacientes, os pesquisadores observaram que os participantes eram propensos a experimentar espasmos nos dedos. Especificamente, os pacientes exibiram uma redução gradual na mobilidade dos dedos e foram incapazes de completar os movimentos de extensão e flexão dos dedos à medida que passavam mais tempo no experimento. Portanto, uma exploração mais aprofundada é necessária para detectar estados anormais dos dedos em pacientes e fornecer suporte ou lembretes apropriados. Além disso, como os pacientes hemiparéticos não podem ajustar livremente a postura de seus membros superiores como indivíduos saudáveis, a maioria dos pacientes mantém os braços em posição anterior. Isso resulta em um descompasso parcial entre o esquema de desgaste atual e a condição dos membros afetados dos pacientes, levando à interferência entre os atuadores e os braços dos pacientes.
Neste estudo, a estratégia de interação homem-máquina que projetamos é adequada apenas para pacientes nos estágios 3-5. Isso ocorre porque os pacientes em estágios iniciais têm maior tônus muscular dos dedos e não conseguem realizar movimentos de extensão e flexão dos dedos. Portanto, ainda existem limitações significativas para a estratégia de interação homem-máquina baseada nos movimentos dos dedos.
Em resumo, há inúmeras questões desafiadoras a serem abordadas na pesquisa de membros robóticos supernumerários vestíveis, incluindo o projeto estrutural de atuadores macios, modelagem de percepção, controle de força de interação, estratégias de interação homem-máquina para membros robóticos vestíveis e design de esquemas vestíveis. Esses desafios justificam a exploração contínua por pesquisadores no campo da robótica vestível.
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Disclosures
Os autores não têm nada a revelar.
Acknowledgments
Este trabalho é apoiado pela Fundação Nacional de Ciências Naturais da China sob Grant U1913207 e pelo Programa para Jovens de Fronteira Acadêmica do HUST. Os autores agradecem o apoio dessas fundações.
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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