Um membro robótico supernumerário vestível flexível para pacientes com AVC crônico
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.
Protocol
Representative Results
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…
Divulgazioni
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
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
| 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 |
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