איבר רובוטי סופר-מספרי גמיש ולביש לחולי שבץ כרוני
Summary
פרוטוקול זה מציג איבר רובוטי סופר-מספרי גמיש ולביש המותאם לסייע בשיקום אצבעות לחולי שבץ. העיצוב משלב חיישן כיפוף כדי להקל על אינטראקציה חלקה בין אדם לרובוט. תיקוף באמצעות ניסויים הכוללים מתנדבים בריאים וחולי שבץ מדגיש את היעילות והאמינות של המחקר המוצע.
Abstract
במחקר זה, אנו מציגים גפה רובוטית גמישה לבישה, סופר-מספרית, המסייעת לחולי שבץ כרוני בשיקום אצבעות ובתנועות אחיזה. העיצוב של איבר חדשני זה שואב השראה מכיפוף שרירים פניאומטיים ומהמאפיינים הייחודיים של קצה החדק של פיל. הוא שם דגש חזק על גורמים מכריעים כגון בנייה קלה, בטיחות, תאימות, איטום, והשגת יחס תפוקה למשקל/לחץ גבוה. המבנה המוצע מאפשר לגפה הרובוטית לבצע הן אחיזת מעטפת והן אחיזת קצות אצבעות. אינטראקציה בין אדם לרובוט מתאפשרת באמצעות חיישן כיפוף גמיש, המזהה את תנועות האצבעות של העונד ומחבר אותן לבקרת תנועה באמצעות שיטת פילוח סף. בנוסף, המערכת ניידת לשימוש יומיומי רב-תכליתי. כדי לאמת את יעילותו של חידוש זה, נערכו ניסויים בעולם האמיתי שכללו שישה חולי שבץ כרוני ושלושה מתנדבים בריאים. המשוב שהתקבל באמצעות שאלונים מצביע על כך שהמנגנון שתוכנן טומן בחובו הבטחה עצומה לסייע לחולי שבץ כרוני בפעילויות האחיזה היומיומיות שלהם, ולשפר את איכות חייהם ואת תוצאות השיקום.
Introduction
על פי מחקר קודם1, נכון לשנת 2019, היו יותר מ -100 מיליון מקרים של שבץ ברחבי העולם. כשני שלישים מהמקרים הללו הסתיימו בהמשכנות המיפלגית, ויותר מ-80% מחולי שבץ המיפלגי חמור לא הצליחו לשחזר באופן מלא את תפקוד היד והזרוע2. יתר על כן, האוכלוסייה המזדקנת צפויה להמשיך ולגדול בעשורים הקרובים, מה שיוביל לגידול משמעותי במספר נפגעי השבץ הפוטנציאליים. הליקויים המתמשכים בגפיים העליונות לאחר שבץ מוחי יכולים להשפיע באופן משמעותי על פעילויות היומיום (ADLs), ושיקום היד הוכר קלינית כיעד קריטי לשיפור הפעילות וההשתתפות של חולי שבץ כרוני3.
התקני גפיים עליונות רובוטיים מסורתיים המונעים על ידי מנוע יכולים לספק כוח מניע משמעותי, אך המבנים הקשיחים שלהם מתורגמים לעתים קרובות לגדלים גדולים ולמשקלים גבוהים. יתר על כן, הם מהווים את הסיכון של גרימת נזק בלתי הפיך לגוף האדם אם הם היו תקלה. לעומת זאת, מפעילים פניאומטיים רכים הוכיחו פוטנציאל ניכר בשיקום4, סיוע5 ויישומים כירורגיים6. היתרונות שלהם כוללים בטיחות, מבנה קל משקל ותאימות מובנית.
בשנים האחרונות, רובוטים לבישים גמישים רבים הופיעו, תוכננו והתפתחו סביב מפעילים פניאומטיים רכים. רובוטים אלה נועדו לשיקום ולסיוע לאחר שיקום של הגפיים העליונות של חולי שבץ. הם כוללים בעיקר שלד חיצוני של היד7,8, וגפיים סופר-מספריות 9,10. למרות ששניהם משמשים בתחומי רובוטיקה לבישה ושיקום, הראשון מקיים אינטראקציה ישירה עם גוף האדם, מה שעלול להגביל שרירים או מפרקים, ואילו האחרון משלים את סביבת העבודה או התנועה האנושית ללא אילוץ ישיר11,12. אצבעות רובוטיות סופר-מספריות לבישות המבוססות על מנועי סרוו פותחו כדי לסייע למרפאים בעיסוק בפעילויות של חיי היומיום (ADLs) אימון9. גישה דומה ניתן למצוא במחקרים אחרים10. שתי קטגוריות אלה של אצבעות רובוטיות הציגו אפשרויות חדשות ליישום רובוטים כאלה בסיוע שיקומי של חולים המיפארטיים. עם זאת, ראוי לציין כי המבנה הקשיח המשמש בעיצובים רובוטיים אלה עשוי להציג שיקולים פוטנציאליים לגבי נוחות המשתמש ובטיחותו. התכנון, הייצור וההערכה של כפפה רובוטית לבישה רכה הוצגו13, אשר יכולה לשמש לשיקום ידיים ואימון ספציפי למשימה במהלך דימות תהודה מגנטית תפקודי (fMRI). הכפפה משתמשת במפעילים פניאומטיים רכים העשויים מאלסטומרים מסיליקון כדי ליצור תנועה של מפרק האצבע, והמכשיר תואם MR מבלי לגרום לממצאים בתמונות fMRI. יון ואחרים הציגו את Exo-Glove PM, כפפת עזר פנאומטית רכה הניתנת להתאמה אישית המשתמשת בגישה מבוססת הרכבה14. עיצוב חדשני זה כולל מודולים קטנים ומרחקים מתכווננים ביניהם, המאפשרים למשתמשים להתאים אישית את הכפפה בהתבסס על אורך הפלנגות שלהם באמצעות ספייסרים. גישה זו ממקסמת את הנוחות והביצועים ללא צורך בייצור מותאם אישית. החוקרים הציגו מפעילים רכים המורכבים מחומרים אלסטומריים עם תעלות משולבות המתפקדות כרשתות פנאומטיות15. מפעילים אלה מייצרים תנועות כיפוף התואמות בבטחה לתנועות אצבעות אנושיות. בנוסף, החוקרים הציגו את AirExGlove, מכשיר שלד חיצוני רך מתנפח קל משקל וניתן להתאמה16. מערכת זו חסכונית, ניתנת להתאמה אישית לגדלים שונים של כפות ידיים, והתאימה בהצלחה מטופלים עם רמות שונות של ספסטיות שרירים. הוא מציע פתרון ארגונומי וגמיש יותר בהשוואה למערכות רובוטיות קשיחות. בעוד שמחקרים אלה תרמו תרומה משמעותית לפיתוח שיקום ידיים לביש גמיש ורובוטים מסייעים, ראוי לציין שאף אחד מהם לא השיג ניידות מלאה ובקרת אינטראקציה בין אדם לרובוט.
מחקרים רבים בחנו את הקשר בין אותות ביולוגיים, כגון אלקטרואנצפלוגרם (EEG)17 או אלקטרומיוגרמה (EMG)אותות 18, לבין הכוונה האנושית. עם זאת, לשתי הגישות יש מגבלות מסוימות בתוך האילוצים של המכשירים הקיימים והתנאים הטכנולוגיים. אלקטרודות פולשניות דורשות הליכים כירורגיים בגוף האדם, בעוד אלקטרודות לא פולשניות סובלות מבעיות כגון רמות רעש גבוהות וחוסר אמינות בקליטת אותות. דיון מפורט במגבלות אלה ניתן למצוא בספרות19,20. לכן, המרדף אחר מחקר על ניידות ויכולות אינטראקציה ידידותיות למשתמש בין אדם למכונה של גפיים רובוטיות גמישות לבישות-על מספריות נשאר רלוונטי מאוד.
במחקר זה, גפה רובוטית סופר-מספרית גמישה וגמישה תוכננה ויוצרה כדי לסייע לחולי שבץ כרוני בשיקום אצבעות וסיוע באחיזה. איבר רובוטי זה מאופיין במשקל קל, בטיחות, תאימות, איטום ויחס תפוקה למשקל/לחץ מרשים. שני מצבי אחיזה, אחיזת מעטפה ואחיזה בקצות האצבעות, הושגו תוך שמירה על ניידות והבטחת אינטראקציה ידידותית בין אדם לרובוט למשתמש. הפרוטוקול מפרט את תהליך התכנון והייצור של האחיזה הפנאומטית והתוכנית הלבישה . בנוסף, הוצעה שיטת אינטראקציה בין אדם לרובוט המבוססת על חיישני כיפוף גמישים, המאפשרת שליטה נוחה וידידותית למשתמש באמצעות פילוח סף. כל ההיבטים הללו אומתו באמצעות ניסויים מעשיים.
התרומות העיקריות של מחקר זה מסוכמות כדלקמן: (1) איבר רובוטי סופר-מספרי גמיש קל, ידידותי ולביש עבור חולי שבץ כרוני תוכנן ויוצר. (2) שיטה אמינה לאינטראקציה בין אדם לרובוט מומשה על בסיס חיישני כיפוף גמישים. (3) נערכו ניסויים בעולם האמיתי כדי לאמת את יעילותם ומהימנותם של המנגנון והשיטה המוצעים, הכוללים בדיקות כוח פלט ומעורבים בהם שישה חולי שבץ כרוני.
Protocol
Representative Results
Discussion
מחקר זה מציג איבר רובוטי חדשני, גמיש ולביש שנועד לסייע לחולי שבץ כרוני במשימות שיקום אצבעות ואחיזה. מערכת רובוטית זו נותנת עדיפות לניידות ומציעה הן אחיזת מעטפה והן פונקציונליות אחיזת קצות אצבעות. הוא משלב חיישן כיפוף גמיש לבקרת אינטראקציה ידידותית למשתמש בין אדם למכונה. ניסויי אחיזה סטטי…
Disclosures
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
עבודה זו נתמכת על ידי הקרן הלאומית למדעי הטבע של סין תחת מענק U1913207 ועל ידי התוכנית לצוות הנוער של HUST Academic Frontier. המחברים מבקשים להודות על התמיכה מקרנות אלה.
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).
