Una extremidad robótica supernumeraria portátil y flexible para pacientes con accidente cerebrovascular crónico
Summary
Este protocolo presenta una extremidad robótica supernumeraria portátil y flexible diseñada para ayudar en la rehabilitación de los dedos de los pacientes con accidente cerebrovascular. El diseño incorpora un sensor de flexión para facilitar la interacción fluida entre humanos y robots. La validación a través de experimentos con voluntarios sanos y pacientes con accidente cerebrovascular subraya la eficacia y fiabilidad del estudio propuesto.
Abstract
En este estudio, presentamos una extremidad robótica supernumeraria portátil flexible que ayuda a los pacientes con accidente cerebrovascular crónico con la rehabilitación de los dedos y los movimientos de agarre. El diseño de esta innovadora extremidad se inspira en la flexión de los músculos neumáticos y en las características únicas de la punta de la trompa de un elefante. Pone un fuerte énfasis en factores cruciales como la construcción liviana, la seguridad, el cumplimiento, la impermeabilidad y el logro de una alta relación rendimiento-peso/presión. La estructura propuesta permite que la extremidad robótica realice tanto el agarre de la envoltura como la punta de los dedos. La interacción humano-robot se facilita a través de un sensor de flexión flexible, que detecta los movimientos de los dedos del usuario y los conecta al control de movimiento a través de un método de segmentación de umbral. Además, el sistema es portátil para un uso diario versátil. Para validar la eficacia de esta innovación, se llevaron a cabo experimentos en el mundo real en los que participaron seis pacientes con ictus crónico y tres voluntarios sanos. Los comentarios recibidos a través de cuestionarios indican que el mecanismo diseñado es muy prometedor para ayudar a los pacientes con accidente cerebrovascular crónico con sus actividades diarias de agarre, lo que podría mejorar su calidad de vida y los resultados de la rehabilitación.
Introduction
Según investigaciones anteriores1, en 2019 se registraron más de 100 millones de casos de accidente cerebrovascular en todo el mundo. Aproximadamente dos tercios de estos casos resultaron en secuelas hemipléjicas, y más del 80% de los pacientes con accidente cerebrovascular hemipléjico grave no pudieron recuperar completamente la función de la mano y el brazo2. Además, se espera que el envejecimiento de la población siga creciendo en las próximas décadas, lo que conducirá a un aumento significativo en el número de posibles víctimas de accidentes cerebrovasculares. Las deficiencias persistentes de las extremidades superiores después de un accidente cerebrovascular pueden afectar significativamente las actividades de la vida diaria (AVD), y la rehabilitación de la mano se ha reconocido clínicamente como un objetivo crítico para mejorar la actividad y la participación de los pacientes con accidente cerebrovascular crónico3.
Los dispositivos robóticos tradicionales de las extremidades superiores accionados por motor pueden proporcionar una fuerza motriz sustancial, pero sus estructuras rígidas a menudo se traducen en grandes tamaños y pesos elevados. Además, suponen el riesgo de causar daños irreversibles al cuerpo humano si no funcionan correctamente. Por el contrario, los actuadores neumáticos blandos han demostrado un potencial considerable en la rehabilitación4, la asistencia5 y las aplicaciones quirúrgicas6. Sus ventajas incluyen seguridad, construcción liviana y cumplimiento inherente.
En los últimos años, han surgido numerosos robots portátiles flexibles, diseñados y desarrollados en torno a actuadores neumáticos blandos. Estos robots han sido destinados a la rehabilitación y asistencia post-rehabilitación de las extremidades superiores de los pacientes con ictus. Abarcan principalmente los exoesqueletos de las manos7,8 y las extremidades supernumerarias 9,10. Aunque ambos se utilizan en los campos de la robótica portátil y la rehabilitación, el primero interactúa directamente con el cuerpo humano, lo que puede restringir los músculos o las articulaciones, mientras que el segundo complementa el espacio de trabajo o el movimiento humano sin restricciones directas11,12. Se desarrollaron dedos robóticos supernumerarios portátiles basados en servomotores para ayudar a los terapeutas ocupacionales en la formación en actividades de la vida diaria (AVD)9. Un enfoque similar se puede encontrar en otras investigaciones10. Estas dos categorías de dedos robóticos han introducido nuevas posibilidades para la aplicación de dichos robots en la asistencia a la rehabilitación de pacientes hemiparéticos. No obstante, vale la pena señalar que la estructura rígida empleada en estos diseños robóticos puede introducir posibles consideraciones con respecto a la comodidad y seguridad del usuario. Se presentó el diseño, la fabricación y la evaluación de un guante robótico blando y portátil13, que se puede utilizar para la rehabilitación de la mano y el entrenamiento de tareas específicas durante la resonancia magnética funcional (fMRI). El guante utiliza actuadores neumáticos blandos hechos de elastómeros de silicona para generar el movimiento de la articulación de los dedos, y el dispositivo es compatible con RM sin causar artefactos en las imágenes de resonancia magnética funcional. Yun et al. introdujeron el Exo-Glove PM, un guante de asistencia neumático suave personalizable que utiliza un enfoque basado en el ensamblaje14. Este innovador diseño cuenta con pequeños módulos y distancias ajustables entre ellos, lo que permite a los usuarios personalizar el guante en función de la longitud de su falange mediante espaciadores. Este enfoque maximiza la comodidad y el rendimiento sin necesidad de fabricación personalizada. Los investigadores presentaron actuadores blandos compuestos de materiales elastoméricos con canales integrados que funcionan como redes neumáticas15. Estos actuadores generan movimientos de flexión que se ajustan de forma segura a los movimientos de los dedos humanos. Además, los investigadores presentaron el AirExGlove, un dispositivo de exoesqueleto blando inflable ligero y adaptable16. Este sistema es rentable, personalizable para diferentes tamaños de mano y se ha adaptado con éxito a pacientes con diferentes niveles de espasticidad muscular. Ofrece una solución más ergonómica y flexible en comparación con los sistemas robóticos de enlace rígido. Si bien estos estudios han hecho contribuciones significativas al desarrollo de robots flexibles de rehabilitación y asistencia de manos portátiles, vale la pena señalar que ninguno de ellos ha logrado una portabilidad completa y un control completo de la interacción humano-robot.
Numerosos estudios han explorado la correlación entre las señales biológicas, como las señales del electroencefalograma (EEG)17 o del electromiograma (EMG)18, y la intención humana. Sin embargo, ambos enfoques tienen ciertas limitaciones dentro de las limitaciones de los dispositivos y las condiciones tecnológicas existentes. Los electrodos invasivos requieren procedimientos quirúrgicos en el cuerpo humano, mientras que los electrodos no invasivos sufren problemas como altos niveles de ruido y falta de fiabilidad en la adquisición de señales. En la literatura se pueden encontrar discusiones detalladas sobre estas limitaciones 19,20. Por lo tanto, la búsqueda de la investigación sobre la portabilidad y las capacidades de interacción hombre-máquina fáciles de usar de las extremidades robóticas supernumerarias portátiles flexibles sigue siendo muy relevante.
En este estudio, se diseñó y fabricó una extremidad robótica supernumeraria única y flexible para ayudar a los pacientes con accidente cerebrovascular crónico en la rehabilitación de los dedos y la asistencia de agarre. Esta extremidad robótica se caracteriza por su ligereza, seguridad, cumplimiento, impermeabilidad y una impresionante relación rendimiento-peso/presión. Se han logrado dos modos de agarre, envolvente y agarre con la punta de los dedos, manteniendo la portabilidad y asegurando una interacción humano-robot fácil de usar. El protocolo detalla el proceso de diseño y fabricación de la pinza neumática y el esquema de wearable. Además, se ha propuesto un método de interacción hombre-robot basado en sensores de flexión flexibles, que permite un control cómodo y fácil de usar a través de la segmentación de umbrales. Todos estos aspectos han sido validados a través de experimentos prácticos.
Las principales contribuciones de este estudio se resumen de la siguiente manera: (1) Se ha diseñado y fabricado una extremidad robótica supernumeraria flexible liviana, amigable y portátil para pacientes con accidente cerebrovascular crónico. (2) Se ha realizado un método confiable de interacción humano-robot basado en sensores de flexión flexibles. (3) Se han llevado a cabo experimentos en el mundo real para verificar la eficacia y fiabilidad del mecanismo y método propuestos, que incluyen pruebas de fuerza de salida e involucran a seis pacientes con accidente cerebrovascular crónico.
Protocol
Representative Results
Discussion
Este estudio presenta una extremidad robótica supernumeraria innovadora, flexible y portátil diseñada para ayudar a los pacientes con accidente cerebrovascular crónico en la rehabilitación de los dedos y en las tareas de agarre. Este sistema robótico prioriza la portabilidad y ofrece funcionalidades de agarre de envolvente y agarre con la punta de los dedos. Incorpora un sensor de flexión flexible para un control de la interacción hombre-máquina fácil de usar. Los experimentos de agarre estático validan las ca…
Disclosures
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
Este trabajo cuenta con el apoyo de la Fundación Nacional de Ciencias Naturales de China en el marco de una subvención U1913207 y del Programa para el Equipo Juvenil de la Frontera Académica de la HUST. Los autores agradecen el apoyo de estas fundaciones.
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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