Гибкая носимая роботизированная конечность для пациентов с хроническим инсультом
Summary
Этот протокол представляет собой гибкую носимую сверхштатную роботизированную конечность, предназначенную для помощи в реабилитации пальцев у пациентов, перенесших инсульт. Конструкция включает в себя датчик изгиба, обеспечивающий бесшовное взаимодействие человека и робота. Валидация с помощью экспериментов с участием как здоровых добровольцев, так и пациентов с инсультом подчеркивает эффективность и надежность предлагаемого исследования.
Abstract
В этом исследовании мы представляем гибкую носимую сверхштатную роботизированную конечность, которая помогает пациентам с хроническим инсультом в реабилитации пальцев и хватательных движений. Дизайн этой инновационной конечности черпает вдохновение в сгибании пневматических мышц и уникальных характеристиках кончика хобота слона. Он уделяет большое внимание таким важным факторам, как легкая конструкция, безопасность, соответствие требованиям, гидроизоляция и достижение высокого соотношения мощности к весу и давлению. Предложенная конструкция позволяет роботизированной конечности выполнять как захват огибающей, так и захват кончиками пальцев. Взаимодействие человека и робота облегчается с помощью гибкого датчика изгиба, который обнаруживает движения пальцев пользователя и подключает их к управлению движением с помощью метода пороговой сегментации. Кроме того, система портативна для универсального ежедневного использования. Чтобы подтвердить эффективность этой инновации, были проведены реальные эксперименты с участием шести пациентов с хроническим инсультом и трех здоровых добровольцев. Обратная связь, полученная с помощью анкет, указывает на то, что разработанный механизм имеет огромные перспективы в оказании помощи пациентам с хроническим инсультом в их повседневной хватательной деятельности, потенциально улучшая качество их жизни и результаты реабилитации.
Introduction
Согласно предыдущемуисследованию1, по состоянию на 2019 год во всем мире было зарегистрировано более 100 миллионов случаев инсульта. Примерно две трети этих случаев закончились гемиплегическими последствиями, и более 80% пациентов с тяжелым гемиплегическим инсультом не смогли полностьювосстановить функцию кисти и руки. Кроме того, ожидается, что в ближайшие десятилетия старение населения продолжит расти, что приведет к значительному увеличению числа потенциальных жертв инсульта. Стойкие нарушения здоровья верхних конечностей после инсульта могут существенно повлиять на повседневную деятельность (ADL), и реабилитация рук была клинически признана важнейшей целью для повышения активности и участия пациентов с хроническим инсультом3.
Традиционные роботизированные устройства верхних конечностей с моторным приводом могут обеспечить значительную движущую силу, но их жесткие конструкции часто приводят к большим размерам и большому весу. Более того, они представляют риск нанесения необратимого вреда организму человека в случае их неисправности. В отличие от них, мягкие пневматические приводы продемонстрировали значительный потенциал в реабилитации4, ассистировании5 и хирургическом применении6. К их преимуществам относятся безопасность, легкая конструкция и неотъемлемая податливость.
В последние годы появилось множество гибких носимых роботов, спроектированных и разработанных на основе мягких пневматических приводов. Эти роботы предназначены для реабилитации и постреабилитационной помощи пациентам, перенесшим инсульт. В основном они охватывают экзоскелеты рук 7,8 и сверхштатные конечности 9,10. Несмотря на то, что оба используются в области носимой робототехники и реабилитации, первый напрямую взаимодействует с человеческим телом, потенциально ограничивая мышцы или суставы, в то время как второй дополняет рабочее пространство или движение человека без прямого ограничения11,12. Носимые сверхштатные роботизированные пальцы на основе серводвигателей были разработаны для оказания помощи эрготерапевтам в обучении повседневной деятельности (ADL)9. Аналогичный подход можно найти и в других исследованиях10. Эти две категории роботизированных пальцев открыли новые возможности для применения таких роботов в реабилитационной помощи гемипаретическим пациентам. Тем не менее, стоит отметить, что жесткая конструкция, используемая в этих роботизированных конструкциях, может привести к потенциальным соображениям относительно комфорта и безопасности пользователя. Былипредставлены дизайн, изготовление и оценка мягкой носимой роботизированной перчатки, которая может быть использована для реабилитации рук и тренировки конкретных задач во время функциональной магнитно-резонансной томографии (фМРТ). В перчатке используются мягкие пневматические приводы из силиконовых эластомеров для создания движения суставов пальцев, и устройство совместимо с МРТ, не вызывая артефактов на изображениях фМРТ. Yun et al. представили Exo-Glove PM, настраиваемую мягкую пневматическую вспомогательную перчатку, в которой используется подход, основанный на сборке14. Эта инновационная конструкция отличается небольшими модулями и регулируемыми расстояниями между ними, что позволяет пользователям настраивать перчатку в зависимости от длины фаланги с помощью проставок. Такой подход обеспечивает максимальный комфорт и производительность без необходимости изготовления по индивидуальному заказу. Исследователи представили мягкие приводы, состоящие из эластомерных материалов со встроенными каналами, функционирующими как пневматические сети15. Эти приводы генерируют изгибающие движения, которые безопасно соответствуют движениям пальцев человека. Кроме того, исследователи представили AirExGlove, легкий и адаптируемый надувной мягкий экзоскелет16. Эта система экономична, настраивается для разных размеров рук и успешно подходит для пациентов с различными уровнями спастичности мышц. Он предлагает более эргономичное и гибкое решение по сравнению с жестко-связанными роботизированными системами. Несмотря на то, что эти исследования внесли значительный вклад в разработку гибких носимых средств для реабилитации рук и вспомогательных роботов, стоит отметить, что ни одно из них не достигло полной портативности и контроля взаимодействия человека и робота.
Многочисленные исследования изучали корреляцию между биологическими сигналами, такими как сигналы электроэнцефалограммы (ЭЭГ)17 или электромиограммы (ЭМГ)18, и намерением человека. Однако оба подхода имеют определенные ограничения в рамках существующих устройств и технологических условий. Инвазивные электроды требуют хирургических процедур на человеческом теле, в то время как неинвазивные электроды страдают от таких проблем, как высокий уровень шума и ненадежность при приеме сигнала. Подробное обсуждение этих ограничений можно найти в литературе19,20. Таким образом, исследования портативности и удобных для пользователя возможностей взаимодействия человека и машины гибких носимых сверхштатных роботизированных конечностей остаются весьма актуальными.
В этом исследовании была разработана и изготовлена уникальная гибкая носимая сверхштатная роботизированная конечность, чтобы помочь пациентам с хроническим инсультом в реабилитации пальцев и помощи при захвате. Эта роботизированная конечность отличается легким весом, безопасностью, соответствием требованиям, водонепроницаемостью и впечатляющим соотношением производительности к весу и давлению. Два режима захвата, захват огибающей и захват кончиками пальцев, были достигнуты при сохранении портативности и обеспечении удобного взаимодействия человека и робота. В протоколе подробно описывается конструкция и процесс изготовления пневматического захвата, а также схема носимого устройства. Кроме того, предложен метод взаимодействия человека и робота на основе гибких датчиков изгиба, позволяющий удобно и удобно управлять с помощью сегментации порогов. Все эти аспекты проверены практическими экспериментами.
Основные результаты этого исследования сводятся к следующему: (1) Разработана и изготовлена легкая, удобная и удобная в ношении гибкая роботизированная конечность для пациентов с хроническим инсультом. (2) Реализован надежный метод взаимодействия человека и робота на основе гибких датчиков изгиба. (3) Были проведены реальные эксперименты для проверки эффективности и надежности предложенного механизма и метода, которые включают в себя тестирование выходной силы и включают в себя шесть пациентов с хроническим инсультом.
Protocol
Representative Results
Discussion
В этом исследовании представлена инновационная, гибкая, носимая сверхштатная роботизированная конечность, предназначенная для помощи пациентам с хроническим инсультом в реабилитации пальцев и задачах захвата. Эта роботизированная система уделяет первостепенное внимание портативн?…
Disclosures
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
Эта работа поддержана Национальным фондом естественных наук Китая в рамках гранта U1913207 и Программой молодежной команды HUST Academic Frontier. Авторы благодарят эти фонды за поддержку.
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).
