طرف روبوتي مرن يمكن ارتداؤه لمرضى السكتة الدماغية المزمنة
Summary
يقدم هذا البروتوكول طرفا روبوتيا فائضا مرنا يمكن ارتداؤه مصمما للمساعدة في إعادة تأهيل الأصابع لمرضى السكتة الدماغية. يشتمل التصميم على مستشعر الانحناء لتسهيل التفاعل السلس بين الإنسان والروبوت. يؤكد التحقق من الصحة من خلال التجارب التي تشمل كلا من المتطوعين الأصحاء ومرضى السكتة الدماغية على فعالية وموثوقية الدراسة المقترحة.
Abstract
في هذه الدراسة ، نقدم طرفا روبوتيا فائقا مرنا يمكن ارتداؤه يساعد مرضى السكتة الدماغية المزمنة في إعادة تأهيل الأصابع وحركات الإمساك. يستمد تصميم هذا الطرف المبتكر الإلهام من ثني العضلات الهوائية والخصائص الفريدة لطرف جذع. إنه يركز بشدة على العوامل الحاسمة مثل البناء خفيف الوزن ، والسلامة ، والامتثال ، والعزل المائي ، وتحقيق نسبة عالية من الإنتاج إلى الوزن / الضغط. يمكن الهيكل المقترح الطرف الآلي من أداء كل من الإمساك بالمغلف وأطراف الأصابع. يتم تسهيل التفاعل بين الإنسان والروبوت من خلال مستشعر الانحناء المرن ، واكتشاف حركات أصابع مرتديها وربطها بالتحكم في الحركة عبر طريقة تجزئة العتبة. بالإضافة إلى ذلك ، فإن النظام محمول للاستخدام اليومي متعدد الاستخدامات. للتحقق من فعالية هذا الابتكار ، تم إجراء تجارب في العالم الحقيقي شملت ستة مرضى بالسكتة الدماغية المزمنة وثلاثة متطوعين أصحاء. تشير التعليقات الواردة من خلال الاستبيانات إلى أن الآلية المصممة تحمل وعدا هائلا في مساعدة مرضى السكتة الدماغية المزمنة في أنشطتهم اليومية ، مما قد يؤدي إلى تحسين نوعية حياتهم ونتائج إعادة التأهيل.
Introduction
وفقا للبحث السابق1 ، اعتبارا من عام 2019 ، كان هناك أكثر من 100 مليون حالة من السكتة الدماغية في جميع أنحاء العالم. ما يقرب من ثلثي هذه الحالات أدت إلى عقابيل شلل نصفي ، وأكثر من 80 ٪ من مرضى السكتة الدماغية النصفية الشديدة لم يتمكنوا من استعادة وظيفة اليد والذراع بشكل كامل2. علاوة على ذلك ، من المتوقع أن يستمر شيخوخة السكان في النمو في العقود القادمة ، مما يؤدي إلى زيادة كبيرة في عدد ضحايا السكتة الدماغية المحتملين. يمكن أن تؤثر إعاقات الأطراف العلوية المستمرة بعد السكتة الدماغية بشكل كبير على أنشطة الحياة اليومية (ADLs) ، وقد تم الاعتراف سريريا بإعادة تأهيل اليد كهدف حاسم لتعزيز نشاط ومشاركة مرضى السكتة الدماغية المزمنة3.
يمكن أن توفر أجهزة الأطراف العلوية الروبوتية التقليدية التي تعمل بمحركات قوة دافعة كبيرة ، لكن هياكلها الصلبة غالبا ما تترجم إلى أحجام كبيرة وأوزان عالية. علاوة على ذلك ، فإنها تشكل خطر التسبب في ضرر لا رجعة فيه لجسم الإنسان إذا تعطلت. في المقابل ، أظهرت المحركات الهوائية اللينة إمكانات كبيرة في إعادة التأهيل4 ، والمساعدة5 ، والتطبيقات الجراحية6. تشمل مزاياها السلامة والبناء خفيف الوزن والامتثال المتأصل.
في السنوات الأخيرة ، ظهرت العديد من الروبوتات المرنة القابلة للارتداء وصممت وطورت حول مشغلات تعمل بالهواء المضغوط الناعم. تم تصميم هذه الروبوتات لإعادة التأهيل والمساعدة بعد إعادة التأهيل للأطراف العلوية لمرضى السكتة الدماغية. وهي تشمل في المقام الأول الهياكل الخارجية لليد7,8 ، والأطراف الزائدة 9,10. على الرغم من أن كلاهما يستخدم في مجالات الروبوتات القابلة للارتداء وإعادة التأهيل ، إلا أن الأول يتفاعل بشكل مباشر مع جسم الإنسان ، مما قد يقيد العضلات أو المفاصل ، بينما يكمل الأخير مساحة العمل البشرية أو الحركة دون قيود مباشرة11,12. تم تطوير أصابع روبوتية زائدة يمكن ارتداؤها تعتمد على محركات مؤازرة لمساعدة المعالجين المهنيين في أنشطة تدريب الحياة اليومية (ADLs)9. يمكن العثور على نهج مماثل في أبحاث أخرى10. أدخلت هاتان الفئتان من الأصابع الروبوتية إمكانيات جديدة لتطبيق مثل هذه الروبوتات في مساعدة إعادة تأهيل مرضى شلل نصفي. ومع ذلك ، تجدر الإشارة إلى أن الهيكل الصلب المستخدم في هذه التصميمات الروبوتية قد يقدم اعتبارات محتملة فيما يتعلق براحة المستخدم وسلامته. تم تقديم تصميم وتصنيع وتقييم قفاز روبوتي ناعم يمكن ارتداؤه13 ، والذي يمكن استخدامه لإعادة تأهيل اليد والتدريب الخاص بالمهمة أثناء التصوير بالرنين المغناطيسي الوظيفي (fMRI). يستخدم القفاز مشغلات هوائية ناعمة مصنوعة من اللدائن المصنوعة من السيليكون لتوليد حركة مفصل الإصبع ، والجهاز متوافق مع التصوير بالرنين المغناطيسي دون التسبب في حدوث قطع أثرية في صور الرنين المغناطيسي الوظيفي. قدم Yun et al. Exo-Glove PM ، وهو قفاز مساعد هوائي ناعم قابل للتخصيص يستخدم نهجا قائما على التجميع14. يتميز هذا التصميم المبتكر بوحدات صغيرة ومسافات قابلة للتعديل بينها ، مما يسمح للمستخدمين بتخصيص القفاز بناء على طول الكتائب باستخدام الفواصل. يعمل هذا النهج على زيادة الراحة والأداء دون الحاجة إلى التصنيع المخصص. قدم الباحثون مشغلات ناعمة تتكون من مواد مرنة مع قنوات متكاملة تعمل كشبكات هوائية15. تولد هذه المشغلات حركات انحناء تتوافق بأمان مع حركات الأصابع البشرية. بالإضافة إلى ذلك ، قدم الباحثون AirExGlove ، وهو جهاز هيكل خارجي ناعم خفيف الوزن وقابل للتكيف16. هذا النظام فعال من حيث التكلفة وقابل للتخصيص لأحجام اليد المختلفة ، وقد نجح في استيعاب المرضى الذين يعانون من مستويات متفاوتة من التشنج العضلي. إنه يوفر حلا أكثر راحة ومرونة مقارنة بالأنظمة الروبوتية المرتبطة بالصلبة. في حين أن هذه الدراسات قدمت مساهمات كبيرة في تطوير إعادة تأهيل اليد المرنة القابلة للارتداء والروبوتات المساعدة ، تجدر الإشارة إلى أن أيا منها لم يحقق قابلية كاملة والتحكم في التفاعل بين الإنسان والروبوت.
استكشفت العديد من الدراسات العلاقة بين الإشارات البيولوجية ، مثل مخطط كهربية الدماغ (EEG) 17 أو إشارات مخطط كهربية العضل (EMG)18 ، والنية البشرية. ومع ذلك ، فإن كلا النهجين لهما قيود معينة ضمن قيود الأجهزة الحالية والظروف التكنولوجية. تتطلب الأقطاب الكهربائية الغازية إجراءات جراحية على جسم الإنسان ، بينما تعاني الأقطاب الكهربائية غير الغازية من مشاكل مثل مستويات الضوضاء العالية وعدم الموثوقية في اكتساب الإشارة. يمكن العثور على مناقشات مفصلة لهذه القيود في الأدبيات19،20. لذلك ، فإن متابعة البحث في قابلية النقل وقدرات التفاعل بين الإنسان والآلة سهلة الاستخدام للأطراف الروبوتية المرنة القابلة للارتداء لا تزال ذات أهمية كبيرة.
في هذه الدراسة ، تم تصميم وتصنيع طرف روبوتي مرن فريد يمكن ارتداؤه لمساعدة مرضى السكتة الدماغية المزمنة في إعادة تأهيل الأصابع والمساعدة في الإمساك بها. يتميز هذا الطرف الآلي بخفة وزنه ، والسلامة ، والامتثال ، والعزل المائي ، ونسبة الإخراج إلى الوزن / الضغط المثيرة للإعجاب. تم تحقيق وضعين للإمساك ، المغلف والإمساك بأطراف الأصابع ، مع الحفاظ على قابلية النقل وضمان تفاعل سهل الاستخدام بين الإنسان والروبوت. يفصل البروتوكول عملية تصميم وتصنيع القابض الهوائي والمخطط القابل للارتداء. بالإضافة إلى ذلك ، تم اقتراح طريقة تفاعل بين الإنسان والروبوت تعتمد على مستشعرات الانحناء المرنة ، مما يسمح بالتحكم المريح وسهل الاستخدام من خلال تجزئة العتبة. تم التحقق من صحة كل هذه الجوانب من خلال التجارب العملية.
تم تلخيص المساهمات الرئيسية لهذه الدراسة على النحو التالي: (1) تم تصميم وتصنيع طرف روبوتي مرن خفيف الوزن وودود ويمكن ارتداؤه لمرضى السكتة الدماغية المزمنة. (2) تم تحقيق طريقة موثوقة للتفاعل بين الإنسان والروبوت بناء على مستشعرات الانحناء المرنة. (3) أجريت تجارب في العالم الحقيقي للتحقق من فعالية وموثوقية الآلية والطريقة المقترحة ، والتي تشمل اختبار قوة الإخراج وتشمل ستة مرضى بالسكتة الدماغية المزمنة.
Protocol
Representative Results
Discussion
تقدم هذه الدراسة طرفا روبوتيا مبتكرا ومرنا ويمكن ارتداؤه مصمما لمساعدة مرضى السكتة الدماغية المزمنة في إعادة تأهيل الأصابع ومهام الإمساك. يعطي هذا النظام الروبوتي الأولوية لقابلية النقل ويوفر وظائف الإمساك بالمغلف والإمساك بأطراف الأصابع. وهو يشتمل على مستشعر ثني مرن للتحكم في التفاعل …
Disclosures
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
يتم دعم هذا العمل من قبل المؤسسة الوطنية للعلوم الطبيعية في الصين في إطار Grant U1913207 وبرنامج فريق شباب الحدود الأكاديمية HUST. يود المؤلفون أن يشكروا الدعم المقدم من هذه المؤسسات.
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 |
References
- 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).
