Et fleksibelt bærbart overtalligt robotlem til patienter med kronisk slagtilfælde

Summary

Denne protokol introducerer et fleksibelt bærbart overtalligt robotlem, der er skræddersyet til at hjælpe med fingerrehabilitering for slagtilfældepatienter. Designet indeholder en bøjningssensor for at lette problemfri interaktion mellem menneske og robot. Validering gennem eksperimenter, der involverer både raske frivillige og slagtilfældepatienter, understreger effektiviteten og pålideligheden af den foreslåede undersøgelse.

Abstract

I denne undersøgelse præsenterer vi et fleksibelt bærbart overtalligt robotlem, der hjælper patienter med kronisk slagtilfælde med fingerrehabilitering og gribebevægelser. Designet af dette innovative lem er inspireret af bøjning af pneumatiske muskler og de unikke egenskaber ved en elefants snabelspids. Det lægger stor vægt på afgørende faktorer som letvægtskonstruktion, sikkerhed, overholdelse, vandtætning og opnåelse af et højt output-til-vægt / trykforhold. Den foreslåede struktur gør det muligt for robotbenet at udføre både konvolut og fingerspidsgreb. Menneske-robot-interaktion lettes gennem en fleksibel bøjningssensor, der registrerer brugerens fingerbevægelser og forbinder dem til bevægelsesstyring via en tærskelsegmenteringsmetode. Derudover er systemet bærbart til alsidig daglig brug. For at validere effektiviteten af denne innovation blev der udført virkelige eksperimenter, der involverede seks patienter med kronisk slagtilfælde og tre raske frivillige. Den feedback, der modtages gennem spørgeskemaer, indikerer, at den designede mekanisme har et enormt løfte om at hjælpe patienter med kronisk slagtilfælde med deres daglige gribeaktiviteter, hvilket potentielt forbedrer deres livskvalitet og rehabiliteringsresultater.

Introduction

Ifølge tidligere forskning¹ var der fra 2019 mere end 100 millioner tilfælde af slagtilfælde på verdensplan. Ca. to tredjedele af disse tilfælde resulterede i hemiplegiske følgevirkninger, og over 80% af patienterne med svær hemiplegisk slagtilfælde kunne ikke fuldt ud genvinde hånd- og armfunktion². Desuden forventes den aldrende befolkning at fortsætte med at vokse i de kommende årtier, hvilket fører til en betydelig stigning i antallet af potentielle slagtilfældeofre. De vedvarende øvre ekstremitetsforringelser efter et slagtilfælde kan påvirke dagligdagens aktiviteter betydeligt (ADL’er), og håndrehabilitering er klinisk anerkendt som et kritisk mål for at øge aktiviteten og deltagelsen hos patienter med kronisk slagtilfælde³.

Traditionelle motordrevne robotenheder i overekstremiteterne kan give betydelig drivkraft, men deres stive strukturer oversættes ofte til store størrelser og høje vægte. Desuden udgør de risikoen for at forårsage uoprettelig skade på menneskekroppen, hvis de skulle fungere. I modsætning hertil har bløde pneumatiske aktuatorer vist et betydeligt potentiale i rehabilitering⁴, assistance⁵ og kirurgiske applikationer⁶. Deres fordele omfatter sikkerhed, letvægtskonstruktion og iboende overholdelse.

I de senere år er adskillige fleksible bærbare robotter dukket op, designet og udviklet omkring bløde pneumatiske aktuatorer. Disse robotter er beregnet til rehabilitering og post-rehabilitering af slagtilfælde patienters øvre lemmer. De omfatter primært håndeksoskeletter^7,8 og overtallige lemmer ^9,10. Selvom begge bruges inden for bærbar robotik og rehabilitering, interagerer førstnævnte direkte med menneskekroppen og begrænser potentielt muskler eller led, mens sidstnævnte supplerer det menneskelige arbejdsområde eller bevægelse uden direkte begrænsning^11,12. Bærbare overtallige robotfingre baseret på servomotorer blev udviklet til at hjælpe ergoterapeuter i daglige aktiviteter (ADL’er) træning⁹. En lignende tilgang kan findes i anden forskning¹⁰. Disse to kategorier af robotfingre har introduceret nye muligheder for anvendelse af sådanne robotter i rehabiliteringshjælp til hemiparetiske patienter. Ikke desto mindre er det værd at bemærke, at den stive struktur, der anvendes i disse robotdesign, kan introducere potentielle overvejelser vedrørende brugerkomfort og sikkerhed. Design, fremstilling og evaluering af en blød bærbar robothandske blev præsenteret¹³, som kan bruges til håndrehabilitering og opgavespecifik træning under funktionel magnetisk resonansbilleddannelse (fMRI). Handsken bruger bløde pneumatiske aktuatorer lavet af silikoneelastomerer til at generere fingerledsbevægelse, og enheden er MR-kompatibel uden at forårsage artefakter i fMRI-billeder. Yun et al. introducerede Exo-Glove PM, en tilpasselig blød pneumatisk hjælpehandske, der bruger en samlingsbaseret tilgang¹⁴. Dette innovative design har små moduler og justerbare afstande mellem dem, så brugerne kan tilpasse handsken baseret på deres phalangelængde ved hjælp af afstandsstykker. Denne tilgang maksimerer komfort og ydeevne uden behov for brugerdefineret fremstilling. Forskere præsenterede bløde aktuatorer sammensat af elastomere materialer med integrerede kanaler, der fungerer som pneumatiske netværk¹⁵. Disse aktuatorer genererer bøjningsbevægelser, der sikkert er i overensstemmelse med menneskelige fingerbevægelser. Derudover introducerede forskere AirExGlove, en let og tilpasningsdygtig oppustelig blød exoskeletenhed¹⁶. Dette system er omkostningseffektivt, kan tilpasses til forskellige håndstørrelser og har med succes imødekommet patienter med forskellige niveauer af muskelspasticitet. Det giver en mere ergonomisk og fleksibel løsning sammenlignet med stivbundne robotsystemer. Selvom disse undersøgelser har ydet betydelige bidrag til udviklingen af fleksibel bærbar håndrehabilitering og hjælperobotter, er det værd at bemærke, at ingen af dem har opnået fuldstændig bærbarhed og menneske-robot-interaktionskontrol.

Talrige undersøgelser har undersøgt sammenhængen mellem biologiske signaler, såsom elektroencefalogram (EEG)¹⁷ eller elektromyogram (EMG) signaler¹⁸, og menneskelig hensigt. Begge tilgange har dog visse begrænsninger inden for rammerne af eksisterende enheder og teknologiske forhold. Invasive elektroder kræver kirurgiske procedurer på menneskekroppen, mens ikke-invasive elektroder lider af problemer som høje støjniveauer og upålidelighed i signaloptagelse. Detaljerede diskussioner af disse begrænsninger findes i litteraturen^19,20. Derfor er det fortsat yderst relevant at forske i bærbarheden og de brugervenlige menneske-maskine-interaktionsmuligheder for fleksible overtallige robotlemmer.

I denne undersøgelse blev en unik fleksibel bærbar overtallig robotlem designet og fremstillet til at hjælpe patienter med kronisk slagtilfælde i fingerrehabilitering og gribehjælp. Denne robotlem er kendetegnet ved dens lette, sikkerhed, overholdelse, vandtætning og imponerende output-til-vægt / trykforhold. Der er opnået to gribefunktioner, konvolut og fingerspidsgreb, samtidig med at bærbarheden bevares, og der sikres en brugervenlig interaktion mellem menneske og robot. Protokollen beskriver design- og fremstillingsprocessen for den pneumatiske griber og det bærbare skema. Derudover er der foreslået en menneske-robot-interaktionsmetode baseret på fleksible bøjningssensorer, der giver mulighed for praktisk og brugervenlig styring gennem tærskelsegmentering. Alle disse aspekter er blevet valideret gennem praktiske eksperimenter.

De vigtigste bidrag fra denne undersøgelse er opsummeret som følger: (1) Et let, venligt og bærbart fleksibelt overtalligt robotlem til patienter med kronisk slagtilfælde er designet og fremstillet. (2) Der er gennemført en pålidelig metode til menneske-robot-interaktion baseret på fleksible bøjningssensorer. (3) Der er udført forsøg i den virkelige verden for at verificere effektiviteten og pålideligheden af den foreslåede mekanisme og metode, som omfatter outputkrafttest og involverer seks patienter med kronisk slagtilfælde.

Protocol

Denne protokol er godkendt af Ethics Review Board of Union Hospital, Tongji Medical College, Huazhong University of Science and Technology. Patienter med funktionelle lidelser i overekstremiteterne, der opfyldte de diagnostiske kriterier og modtog behandling på forfatterhospitalets rehabiliteringsafdeling, ambulante og ambulante enheder, blev udvalgt som deltagere. Patienternes motoriske funktionsgendannelse blev vurderet i henhold til Brunnstrom-genopretningsstadierne21, og patienter i trin 3-5 …

Representative Results

Eksperimenter med udgangskraftFigur 7 viser levende det strukturelle design og dimensionerne af vores aktuator og giver en tværsnitsillustration. Denne aktuator består af to forskellige sæt kamre, der hver indeholder fem elegant buede luftkamre. Bemærkelsesværdigt nok har vi ved aktuatorens endestation genialt integreret en fremspringende struktur, der minder om en elefants snabelspids, hvilket udvider aktuatorens griberadius betydeligt. …

Discussion

Denne undersøgelse præsenterer et innovativt, fleksibelt, bærbart overtalligt robotlem designet til at hjælpe patienter med kronisk slagtilfælde i fingerrehabilitering og gribeopgaver. Dette robotsystem prioriterer bærbarhed og tilbyder både konvolutgreb og fingerspidsgrebsfunktioner. Den indeholder en fleksibel bøjningssensor til brugervenlig menneske-maskine-interaktionskontrol. Statiske gribeeksperimenter validerer den designede mekanismes gribeevne i to forskellige gribetilstande. Undersøgelsen involverer ek…

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