En fleksibel bærbar supernumerær robotlem for kroniske slagpasienter

Summary

Denne protokollen introduserer en fleksibel bærbar supernumerær robotlem skreddersydd for å hjelpe til med fingerrehabilitering for slagpasienter. Designet inneholder en bøyesensor for å lette sømløs interaksjon mellom menneske og robot. Validering gjennom eksperimenter som involverer både friske frivillige og slagpasienter understreker effekten og påliteligheten til den foreslåtte studien.

Abstract

I denne studien presenterer vi en fleksibel bærbar supernumerær robotlem som hjelper kroniske slagpasienter med fingerrehabilitering og gripebevegelser. Utformingen av denne innovative lemmen henter inspirasjon fra bøyende pneumatiske muskler og de unike egenskapene til en elefants stammespiss. Det legger stor vekt på viktige faktorer som lett konstruksjon, sikkerhet, samsvar, vanntetting og å oppnå et høyt effekt-til-vekt / trykkforhold. Den foreslåtte strukturen gjør det mulig for robotlemmen å utføre både konvolutt og fingertuppgrep. Menneske-robot-interaksjon forenkles gjennom en fleksibel bøyesensor, som oppdager brukerens fingerbevegelser og kobler dem til bevegelseskontroll via en terskelsegmenteringsmetode. I tillegg er systemet bærbart for allsidig daglig bruk. For å validere effektiviteten av denne innovasjonen ble det utført virkelige eksperimenter som involverte seks kroniske slagpasienter og tre friske frivillige. Tilbakemeldingene mottatt gjennom spørreskjemaer indikerer at den utformede mekanismen har et enormt løfte om å hjelpe kroniske slagpasienter med deres daglige gripeaktiviteter, potensielt forbedre livskvaliteten og rehabiliteringsresultatene.

Introduction

Ifølge tidligere forskning¹, fra og med 2019, var det mer enn 100 millioner tilfeller av hjerneslag over hele verden. Omtrent to tredeler av disse tilfellene resulterte i hemiplegisk sekvele, og over 80 % av pasientene med alvorlig hemiplegisk hjerneslag klarte ikke fullt ut å gjenopprette hånd- og armfunksjon². Videre forventes den aldrende befolkningen å fortsette å vokse i de kommende tiårene, noe som fører til en betydelig økning i antall potensielle slagofre. De vedvarende svekkelsene i overekstremitetene etter hjerneslag kan påvirke dagliglivets aktiviteter (ADL) betydelig, og håndrehabilitering har blitt klinisk anerkjent som et kritisk mål for å øke aktiviteten og deltakelsen til kroniske slagpasienter³.

Tradisjonelle motordrevne robotiske øvre lemmer kan gi betydelig drivkraft, men deres stive strukturer oversetter ofte til store størrelser og høye vekter. Videre utgjør de risikoen for å forårsake irreversibel skade på menneskekroppen hvis de skulle fungere feil. I motsetning til dette har myke pneumatiske aktuatorer vist betydelig potensial i rehabilitering⁴, assistanse⁵ og kirurgiske applikasjoner⁶. Deres fordeler inkluderer sikkerhet, lett konstruksjon og iboende samsvar.

I de senere år har mange fleksible bærbare roboter dukket opp, designet og utviklet rundt myke pneumatiske aktuatorer. Disse robotene har vært ment for rehabilitering og etterrehabiliteringshjelp av slagpasienters øvre lemmer. De omfatter primært håndeksoskjeletter ^7,8 og supernumerære lemmer ^9,10. Selv om begge brukes innen bærbar robotikk og rehabilitering, samhandler førstnevnte direkte med menneskekroppen, potensielt begrenser muskler eller ledd, mens sistnevnte supplerer det menneskelige arbeidsområdet eller bevegelsen uten direkte begrensning^11,12. Bærbare supernumerære robotfingre basert på servomotorer ble utviklet for å hjelpe ergoterapeuter i dagliglivets aktiviteter (ADL) trening⁹. En lignende tilnærming finnes i annen forskning¹⁰. Disse to kategoriene av robotfingre har introdusert nye muligheter for anvendelse av slike roboter i rehabiliteringshjelp av hemiparetiske pasienter. Ikke desto mindre er det verdt å merke seg at den stive strukturen som brukes i disse robotdesignene, kan introdusere potensielle hensyn til brukerkomfort og sikkerhet. Design, fabrikasjon og evaluering av en myk bærbar robothanske ble presentert¹³, som kan brukes til håndrehabilitering og oppgavespesifikk trening under funksjonell magnetresonanstomografi (fMRI). Hansken bruker myke pneumatiske aktuatorer laget av silikonelastomerer for å generere fingerleddbevegelse, og enheten er MR-kompatibel uten å forårsake artefakter i fMRI-bilder. Yun et al. introduserte Exo-Glove PM, en tilpassbar myk pneumatisk hjelpehanske som bruker en monteringsbasert tilnærming¹⁴. Denne innovative designen har små moduler og justerbare avstander mellom dem, slik at brukerne kan tilpasse hansken basert på deres phalanglengde ved hjelp av avstandsstykker. Denne tilnærmingen maksimerer komfort og ytelse uten behov for tilpasset produksjon. Forskere presenterte myke aktuatorer sammensatt av elastomere materialer med integrerte kanaler som fungerer som pneumatiske nettverk¹⁵. Disse aktuatorene genererer bøyebevegelser som trygt samsvarer med menneskelige fingerbevegelser. I tillegg introduserte forskere AirExGlove, en lett og tilpasningsdyktig oppblåsbar myk eksoskjelettenhet¹⁶. Dette systemet er kostnadseffektivt, kan tilpasses for forskjellige håndstørrelser, og har vellykket innkvartert pasienter med varierende grad av muskelspastisitet. Det gir en mer ergonomisk og fleksibel løsning sammenlignet med stive koblede robotsystemer. Selv om disse studiene har gitt betydelige bidrag til utviklingen av fleksibel bærbar håndrehabilitering og hjelperoboter, er det verdt å merke seg at ingen av dem har oppnådd fullstendig portabilitet og interaksjonskontroll mellom menneske og robot.

Tallrike studier har undersøkt sammenhengen mellom biologiske signaler, som elektroencefalogram (EEG)¹⁷ eller elektromyogram (EMG) signaler¹⁸, og menneskelig intensjon. Imidlertid har begge tilnærmingene visse begrensninger innenfor begrensningene til eksisterende enheter og teknologiske forhold. Invasive elektroder krever kirurgiske prosedyrer på menneskekroppen, mens ikke-invasive elektroder lider av problemer som høye støynivåer og upålitelighet ved signaloppkjøp. Detaljerte drøftinger av disse begrensningene finnes i litteraturen^19,20. Derfor er jakten på forskning på bærbarhet og brukervennlige menneske-maskin-interaksjonsevner av fleksible bærbare supernumerære robotlemmer fortsatt svært relevant.

I denne studien ble en unik fleksibel bærbar supernumerær robotlem designet og produsert for å hjelpe kroniske slagpasienter i fingerrehabilitering og gripehjelp. Denne robotlemmen er preget av sin lette, sikkerhet, samsvar, vanntetting og imponerende utgang-til-vekt / trykkforhold. To gripemoduser, konvolutt og fingertuppgrep, er oppnådd samtidig som bærbarheten opprettholdes og sikrer en brukervennlig menneske-robot-interaksjon. Protokollen beskriver design- og fabrikasjonsprosessen til den pneumatiske griperen og den bærbare ordningen. I tillegg er det foreslått en menneske-robot-interaksjonsmetode basert på fleksible bøyesensorer, noe som muliggjør praktisk og brukervennlig kontroll gjennom terskelsegmentering. Alle disse aspektene har blitt validert gjennom praktiske eksperimenter.

De viktigste bidragene til denne studien er oppsummert som følger: (1) En lett, vennlig og bærbar fleksibel supernumerær robotlem for kroniske slagpasienter er designet og produsert. (2) En pålitelig metode for menneske-robot-interaksjon har blitt realisert basert på fleksible bøyesensorer. (3) Virkelige eksperimenter har blitt utført for å verifisere effektiviteten og påliteligheten til den foreslåtte mekanismen og metoden, som inkluderer utgangskrafttesting og involverer seks kroniske slagpasienter.

Protocol

Denne protokollen er godkjent av Ethics Review Board of Union Hospital, Tongji Medical College, Huazhong University of Science and Technology. Pasienter med funksjonsforstyrrelser i overekstremitetene som oppfylte diagnosekriteriene og fikk behandling ved forfatterens rehabiliteringsavdeling, poliklinikk og døgnenhet, ble trukket ut som deltakere. Pasientenes motoriske funksjonsgjenoppretting ble vurdert i henhold til Brunnstrom utvinning trinn21, og pasienter i trinn 3-5 ble valgt til å delta i…

Representative Results

Eksperimenter med utgangskraftFigur 7 viser levende den strukturelle utformingen og dimensjonene til aktuatoren vår, og gir en tverrsnittsillustrasjon. Denne aktuatoren består av to forskjellige sett med kamre, som hver inneholder fem elegant buede luftkamre. Bemerkelsesverdig nok har vi ved aktuatorens endestasjon på genialt vis integrert en utstikkende struktur som minner om en elefants snabelspiss, noe som utvider aktuatorens griperadius betydelig. <p class="jo…

Discussion

Denne studien presenterer en innovativ, fleksibel, bærbar supernumerær robotlem designet for å hjelpe kroniske slagpasienter i fingerrehabilitering og gripeoppgaver. Dette robotsystemet prioriterer bærbarhet og tilbyr både konvoluttgrep og fingertuppgrepfunksjoner. Den har en fleksibel bøyesensor for brukervennlig menneske-maskin-interaksjonskontroll. Statiske gripeeksperimenter validerer gripeegenskapene til den designede mekanismen i to forskjellige gripemoduser. Studien innebærer eksperimenter med hemiparetiske…

Materials

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