En flexibel bärbar övertalig robotlem för patienter med kronisk stroke
Summary
Detta protokoll introducerar en flexibel bärbar övertalig robotlem som är skräddarsydd för att hjälpa till med fingerrehabilitering för strokepatienter. Designen innehåller en böjningssensor för att underlätta sömlös interaktion mellan människa och robot. Validering genom experiment med både friska frivilliga och strokepatienter understryker effektiviteten och tillförlitligheten hos den föreslagna studien.
Abstract
I den här studien presenterar vi en flexibel bärbar övertalig robotlem som hjälper patienter med kronisk stroke med fingerrehabilitering och grepprörelser. Utformningen av denna innovativa lem hämtar inspiration från böjda pneumatiska muskler och de unika egenskaperna hos en elefants snabel spets. Den lägger stor vikt vid avgörande faktorer som lättviktskonstruktion, säkerhet, följsamhet, vattentäthet och att uppnå ett högt förhållande mellan effekt och vikt/tryck. Den föreslagna strukturen gör det möjligt för robotlemmen att utföra både kuvert- och fingertoppsgrepp. Interaktionen mellan människa och robot underlättas genom en flexibel böjningssensor som känner av användarens fingerrörelser och ansluter dem till rörelsestyrning via en tröskelsegmenteringsmetod. Dessutom är systemet bärbart för mångsidig daglig användning. För att validera effektiviteten av denna innovation genomfördes verkliga experiment med sex patienter med kronisk stroke och tre friska frivilliga. Den feedback som erhållits genom frågeformulär indikerar att den designade mekanismen är oerhört lovande när det gäller att hjälpa patienter med kronisk stroke med deras dagliga gripande aktiviteter, vilket potentiellt kan förbättra deras livskvalitet och rehabiliteringsresultat.
Introduction
Enligt tidigare forskning1 fanns det 2019 mer än 100 miljoner fall av stroke i världen. Ungefär två tredjedelar av dessa fall resulterade i hemiplegiska följdsjukdomar, och över 80 % av patienterna med svår hemiplegisk stroke kunde inte helt återfå hand- ocharmfunktion2. Dessutom förväntas den åldrande befolkningen fortsätta att växa under de kommande decennierna, vilket leder till en betydande ökning av antalet potentiella strokeoffer. De ihållande funktionsnedsättningarna i de övre extremiteterna efter en stroke kan avsevärt påverka aktiviteter i det dagliga livet (ADL), och handrehabilitering har kliniskt erkänts som ett kritiskt mål för att förbättra aktiviteten och deltagandet hos patienter med kronisk stroke.
Traditionella motordrivna robotanordningar för övre extremiteter kan ge betydande drivkraft, men deras styva strukturer leder ofta till stora storlekar och höga vikter. Dessutom utgör de en risk för att orsaka oåterkalleliga skador på människokroppen om de skulle fungera dåligt. Däremot har mjuka pneumatiska ställdon visat stor potential inom rehabilitering4, assistans5 och kirurgiska tillämpningar6. Deras fördelar inkluderar säkerhet, lättviktskonstruktion och inneboende efterlevnad.
Under de senaste åren har många flexibla bärbara robotar dykt upp, designade och utvecklade kring mjuka pneumatiska ställdon. Dessa robotar har varit avsedda för rehabilitering och efterrehabilitering av strokepatienters övre extremiteter. De omfattar främst handexoskelett7,8 och övertaliga extremiteter 9,10. Även om båda används inom områdena bärbar robotik och rehabilitering, interagerar den förstnämnda direkt med människokroppen, vilket kan begränsa muskler eller leder, medan den senare kompletterar den mänskliga arbetsytan eller rörelsen utan direkta begränsningar11,12. Bärbara övertaliga robotfingrar baserade på servomotorer utvecklades för att hjälpa arbetsterapeuter i aktiviteter i det dagliga livet (ADL) utbildning9. Ett liknande tillvägagångssätt finns i annan forskning10. Dessa två kategorier av robotfingrar har introducerat nya möjligheter för användning av sådana robotar i rehabiliteringshjälpen av hemiparetiska patienter. Icke desto mindre är det värt att notera att den stela strukturen som används i dessa robotkonstruktioner kan medföra potentiella överväganden om användarkomfort och säkerhet. Designen, tillverkningen och utvärderingen av en mjuk bärbar robothandske presenterades,13, som kan användas för handrehabilitering och uppgiftsspecifik träning under funktionell magnetisk resonanstomografi (fMRI). Handsken använder mjuka pneumatiska ställdon gjorda av silikonelastomerer för att generera fingerledsrörelser, och enheten är MR-kompatibel utan att orsaka artefakter i fMRI-bilder. Yun et al. introducerade Exo-Glove PM, en anpassningsbar mjuk pneumatisk hjälphandske som använder ett monteringsbaserat tillvägagångssätt14. Denna innovativa design har små moduler och justerbara avstånd mellan dem, vilket gör det möjligt för användare att anpassa handsken baserat på deras falanglängd med hjälp av distanser. Detta tillvägagångssätt maximerar komfort och prestanda utan behov av anpassad tillverkning. Forskarna presenterade mjuka aktuatorer som består av elastomermaterial med integrerade kanaler som fungerar som pneumatiska nätverk15. Dessa ställdon genererar böjrörelser som på ett säkert sätt anpassar sig till mänskliga fingerrörelser. Dessutom introducerade forskarna AirExGlove, en lätt och anpassningsbar uppblåsbar mjuk exoskelettenhet16. Detta system är kostnadseffektivt, anpassningsbart för olika handstorlekar och har framgångsrikt tagit emot patienter med olika nivåer av muskelspasticitet. Det erbjuder en mer ergonomisk och flexibel lösning jämfört med stelkopplade robotsystem. Även om dessa studier har gett betydande bidrag till utvecklingen av flexibla bärbara handrehabiliterings- och hjälprobotar, är det värt att notera att ingen av dem har uppnått fullständig portabilitet och interaktionskontroll mellan människa och robot.
Många studier har undersökt sambandet mellan biologiska signaler, såsom elektroencefalogram (EEG)17 eller elektromyogramsignaler (EMG)18, och mänsklig avsikt. Båda tillvägagångssätten har dock vissa begränsningar inom ramen för befintliga enheter och tekniska förhållanden. Invasiva elektroder kräver kirurgiska ingrepp på människokroppen, medan icke-invasiva elektroder lider av problem som höga brusnivåer och otillförlitlighet vid signalinsamling. Detaljerade diskussioner om dessa begränsningar finns i litteraturen19,20. Därför är forskningen om bärbarhet och användarvänlig interaktion mellan människa och maskin hos flexibla bärbara övertaliga robotlemmar fortfarande mycket relevant.
I denna studie designades och tillverkades en unik flexibel bärbar övertalig robotlem för att hjälpa patienter med kronisk stroke att rehabilitera fingrarna och få hjälp med att gripa tag i kroppen. Denna robotlem kännetecknas av sin låga vikt, säkerhet, följsamhet, vattentäthet och imponerande effekt-till-vikt/tryckförhållande. Två grepplägen, kuvert och fingertoppsgrepp, har uppnåtts samtidigt som bärbarheten bibehålls och en användarvänlig interaktion mellan människa och robot säkerställs. Protokollet beskriver design- och tillverkningsprocessen för det pneumatiska gripdonet och det bärbara schemat. Dessutom har en människa-robot-interaktionsmetod baserad på flexibla böjningssensorer föreslagits, vilket möjliggör bekväm och användarvänlig styrning genom tröskelsegmentering. Alla dessa aspekter har validerats genom praktiska experiment.
De viktigaste bidragen från denna studie sammanfattas enligt följande: (1) En lätt, vänlig och bärbar flexibel övertalig robotlem för patienter med kronisk stroke har designats och tillverkats. (2) En tillförlitlig metod för interaktion mellan människa och robot har realiserats baserad på flexibla böjningssensorer. (3) Verkliga experiment har utförts för att verifiera effektiviteten och tillförlitligheten hos den föreslagna mekanismen och metoden, som inkluderar testning av utgående kraft och involverar sex patienter med kronisk stroke.
Protocol
Representative Results
Discussion
Denna studie presenterar en innovativ, flexibel, bärbar övertalig robotlem som är utformad för att hjälpa patienter med kronisk stroke i fingerrehabilitering och greppuppgifter. Detta robotsystem prioriterar bärbarhet och erbjuder både kuvertgrepp och fingertoppsgrepp. Den har en flexibel böjningssensor för användarvänlig interaktionskontroll mellan människa och maskin. Statiska greppexperiment validerar greppförmågan hos den designade mekanismen i två distinkta grepplägen. Studien involverar experiment m…
Divulgazioni
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
Detta arbete stöds av National Natural Science Foundation of China under Grant U1913207 och av Program for HUST Academic Frontier Youth Team. Författarna vill tacka för stödet från dessa stiftelser.
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 |
Riferimenti
- Feigin, V. L., et al. Global, regional, and national burden of stroke and its risk factors, 1990-2019: A systematic analysis for the global burden of disease study 2019. The Lancet Neurology. 20 (10), 795-820 (2021).
- Nakayma, H., Jørgensen, H. S., Raaschou, H. O., Olsen, T. S. Compensation in recovery of upper extremity function after stroke: The copenhagen stroke study. Archives of Physical Medicine and Rehabilitation. 75 (8), 852-857 (1994).
- Faria-Fortini, I., Michaelsen, S. M., Cassiano, J. G., Teixeira-Salmela, L. F. Upper extremity function in stroke subjects: Relationships between the international classification of functioning, disability, and health domains. Journal of Hand Therapy. 24 (3), 257-265 (2011).
- Al-Fahaam, H., Davis, S., Nefti-Meziani, S., Theodoridis, T. Novel soft bending actuator-based power augmentation hand exoskeleton controlled by human intention. Intelligent Service Robotics. 11, 247-268 (2018).
- Thalman, C. M., Hsu, J., Snyder, L., Polygerinos, P. IEEE International Conference on Robotics and Automation (ICRA). , 8436-8442 (2019).
- Miron, G., Plante, J. S. Design principles for improved fatigue life of high-strain pneumatic artificial muscles. Soft Robotics. 3 (4), 177-185 (2016).
- Yun, Y., et al. IEEE International Conference on Robotics and Automation (ICRA). , 2904-2910 (2017).
- Tran, P., Jeong, S., Herrin, K. R., Desai, J. P. Hand exoskeleton systems, clinical rehabilitation practices, and future prospects. IEEE Transactions on Medical Robotics and Bionics. 3 (3), 606-622 (2021).
- Ort, T., Wu, F., Hensel, N. C., Asada, H. H. Dynamic Systems and Control Conference. , (2023).
- Hussain, I., et al. A soft supernumerary robotic finger and mobile arm support for grasping compensation and hemiparetic upper limb rehabilitation. Robotics and Autonomous Systems. 93, 1-12 (2017).
- Yang, B., Huang, J., Chen, X., Xiong, C., Hasegawa, Y. Supernumerary robotic limbs: A review and future outlook. IEEE Transactions on Medical Robotics and Bionics. 3 (3), 623-639 (2021).
- Tong, Y., Liu, J. Review of research and development of supernumerary robotic limbs. IEEE/CAA Journal of Automatica Sinica. 8 (5), 929-952 (2021).
- Yap, H. K., et al. A magnetic resonance compatible soft wearable robotic glove for hand rehabilitation and brain imaging. IEEE Transactions on Neural Systems and Rehabilitation Engineering. 25 (6), 782-793 (2016).
- Yun, S. S., Kang, B. B., Cho, K. J. Exo-glove pm: An easily customizable modularized pneumatic assistive glove. IEEE Robotics and Automation Letters. 2 (3), 1725-1732 (2017).
- Polygerinos, P., et al. IEEE International Workshop on Intelligent Robots and Systems (IROS). , 1512-1517 (2013).
- Stilli, A., et al. IEEE International Conference on Soft Robotics (RoboSoft). , 579-584 (2018).
- Zhang, D., et al. Making sense of spatio-temporal preserving representations for eeg-based human intention recognition. IEEE Transactions on Cybernetics. 50 (7), 3033-3044 (2019).
- Sirintuna, D., Ozdamar, I., Aydin, Y., Basdogan, C. IEEE International Workshop on Robot and Human Communication (ROMAN). , 1280-1287 (2020).
- Mahmud, S., Lin, X., Kim, J. H. 2020 10th Annual Computing and Communincation Workshop and Conferenece (CCWC). , 0768-0773 (2020).
- Asghar, A., et al. Review on electromyography based intention for upper limb control using pattern recognition for human-machine interaction. Proceedings of the Institution of Mechanical Engineers, Part H: Journal of Engineering in Medicine. 236 (5), 628-645 (2022).
- Naghdi, S., Ansari, N. N., Mansouri, K., Hasson, S. A neurophysiological and clinical study of brunnstrom recovery stages in the upper limb following stroke. Brain Injury. 24 (11), 1372-1378 (2010).
- Ru, H., Huang, J., Chen, W., Xiong, C. Modeling and identification of rate-dependent and asymmetric hysteresis of soft bending pneumatic actuator based on evolutionary firefly algorithm. Mechanism and Machine Theory. 181, 105169 (2023).
- Qin, L., Wu, W., Tian, Y., Xu, W. Lidar filtering of urban areas with region growing based on moving-window weighted iterative least-squares fitting. IEEE Geoscience and Remote Sensing Letters. 14 (6), 841-845 (2017).
- Liu, S., et al. A two-finger soft-robotic gripper with enveloping and pinching grasping modes. IEEE/ASME Transactions on Mechatronics. 26 (1), 146-155 (2020).
- Tawk, C., Sariyildiz, E., Alici, G. Force control of a 3D printed soft gripper with built-in pneumatic touch sensing chambers. Soft Robotics. 9 (5), 970-980 (2022).
- Zuo, W., Song, G., Chen, Z. Grasping force control of robotic gripper with high stiffness. IEEE/ASME Transactions on Mechatronics. 27 (2), 1105-1116 (2021).
- Watanabe, T., Morino, K., Asama, Y., Nishitani, S., Toshima, R. Variable-grasping-mode gripper with different finger structures for grasping small-sized items. IEEE Robotics and Automation Letters. 6 (3), 5673-5680 (2021).
