Kronik İnme Hastaları için Esnek Giyilebilir Supernumerary Robotik Uzuv
Summary
Bu protokol, inme hastaları için parmak rehabilitasyonuna yardımcı olmak üzere uyarlanmış esnek, giyilebilir bir süper sayısal robotik uzuv sunar. Tasarım, kesintisiz insan-robot etkileşimini kolaylaştırmak için bir bükülme sensörü içerir. Hem sağlıklı gönüllüleri hem de inme hastalarını içeren deneyler yoluyla doğrulama, önerilen çalışmanın etkinliğini ve güvenilirliğini vurgulamaktadır.
Abstract
Bu çalışmada, kronik inme hastalarına parmak rehabilitasyonu ve kavrama hareketlerinde yardımcı olan esnek, giyilebilir bir süpernümerer robotik uzuv sunulmuştur. Bu yenilikçi uzvun tasarımı, bükülen pnömatik kaslardan ve bir filin hortum ucunun benzersiz özelliklerinden ilham alıyor. Hafif yapı, güvenlik, uyumluluk, su geçirmezlik ve yüksek çıktı-ağırlık/basınç oranı elde etme gibi önemli faktörlere güçlü bir vurgu yapar. Önerilen yapı, robotik uzvun hem zarf hem de parmak ucu kavrama işlemini gerçekleştirmesini sağlar. İnsan-robot etkileşimi, kullanıcının parmak hareketlerini algılayan ve bunları bir eşik segmentasyon yöntemiyle hareket kontrolüne bağlayan esnek bir bükülme sensörü aracılığıyla kolaylaştırılır. Ek olarak, sistem çok yönlü günlük kullanım için taşınabilir. Bu yeniliğin etkinliğini doğrulamak için, altı kronik inme hastası ve üç sağlıklı gönüllüyü içeren gerçek dünya deneyleri yapıldı. Anketler aracılığıyla alınan geri bildirimler, tasarlanan mekanizmanın kronik inme hastalarına günlük kavrama aktivitelerinde yardımcı olmada, potansiyel olarak yaşam kalitelerini ve rehabilitasyon sonuçlarını iyileştirmede büyük umut vaat ettiğini göstermektedir.
Introduction
Önceki araştırmalaragöre 1, 2019 itibariyle dünya çapında 100 milyondan fazla inme vakası vardı. Bu vakaların yaklaşık üçte ikisi hemiplejik sekel ile sonuçlandı ve şiddetli hemiplejik inme hastalarının %80’inden fazlası el ve kol fonksiyonlarını tam olarak iyileştiremedi2. Ayrıca, yaşlanan nüfusun önümüzdeki yıllarda artmaya devam etmesi ve potansiyel inme kurbanlarının sayısında önemli bir artışa yol açması bekleniyor. İnme sonrası kalıcı üst ekstremite bozuklukları günlük yaşam aktivitelerini (ADL’ler) önemli ölçüde etkileyebilir ve el rehabilitasyonu, kronik inme hastalarının aktivitesini ve katılımını artırmak için klinik olarak kritik bir hedef olarak kabul edilmiştir3.
Geleneksel motor tahrikli robotik üst ekstremite cihazları önemli bir itici güç sağlayabilir, ancak sert yapıları genellikle büyük boyutlara ve yüksek ağırlıklara dönüşür. Ayrıca, arızalanmaları durumunda insan vücuduna geri dönüşü olmayan zararlar verme riski taşırlar. Buna karşılık, yumuşak pnömatik aktüatörler rehabilitasyon4, yardım5 ve cerrahi uygulamalarda6 önemli bir potansiyel göstermiştir. Avantajları arasında güvenlik, hafif yapı ve doğal uyumluluk yer alır.
Son yıllarda, yumuşak pnömatik aktüatörler etrafında çok sayıda esnek giyilebilir robot ortaya çıktı, tasarlandı ve geliştirildi. Bu robotlar, inme hastalarının üst ekstremitelerinin rehabilitasyonu ve rehabilitasyon sonrası yardımı için tasarlanmıştır. Öncelikle el dış iskeletlerini 7,8 ve süper nümerik uzuvları 9,10 kapsarlar. Her ikisi de giyilebilir robotik ve rehabilitasyon alanlarında kullanılsa da, birincisi insan vücudu ile doğrudan etkileşime girerek potansiyel olarak kasları veya eklemleri kısıtlarken, ikincisi doğrudan kısıtlama olmaksızın insan çalışma alanını veya hareketini tamamlar11,12. Ergoterapistlere günlük yaşam aktiviteleri (ADL’ler) eğitiminde yardımcı olmak için servo motorlara dayalı giyilebilir süper nümerik robotik parmaklargeliştirilmiştir 9. Benzer bir yaklaşım diğer araştırmalardada bulunabilir 10. Bu iki robotik parmak kategorisi, hemiparetik hastaların rehabilitasyon yardımında bu tür robotların uygulanması için yeni olanaklar getirmiştir. Bununla birlikte, bu robotik tasarımlarda kullanılan sert yapının, kullanıcı konforu ve güvenliği ile ilgili potansiyel hususları beraberinde getirebileceğini belirtmekte fayda var. Fonksiyonel Manyetik Rezonans Görüntüleme (fMRI) sırasında el rehabilitasyonu ve göreve özel eğitim için kullanılabilecek yumuşak giyilebilir bir robotik eldivenin tasarımı, üretimi ve değerlendirilmesi13 sunuldu. Eldiven, parmak eklem hareketi oluşturmak için silikon elastomerlerden yapılmış yumuşak pnömatik aktüatörler kullanır ve cihaz, fMRI görüntülerinde artefaktlara neden olmadan MR uyumludur. Yun ve ark. montaj tabanlı bir yaklaşım kullanan özelleştirilebilir yumuşak pnömatik yardımcı eldiven olan Exo-Glove PM’yi tanıttı14. Bu yenilikçi tasarım, küçük modüllere ve aralarında ayarlanabilir mesafelere sahiptir ve kullanıcıların ara parçalar kullanarak eldiveni falanks uzunluklarına göre özelleştirmelerine olanak tanır. Bu yaklaşım, özel üretime gerek kalmadan konfor ve performansı en üst düzeye çıkarır. Araştırmacılar, pnömatik ağlar olarak işlev gören entegre kanallara sahip elastomerik malzemelerden oluşan yumuşak aktüatörler sundular15. Bu aktüatörler, insan parmak hareketlerine güvenli bir şekilde uyan bükme hareketleri üretir. Ek olarak, araştırmacılar hafif ve uyarlanabilir bir şişirilebilir yumuşak dış iskelet cihazı olan AirExGlove’u tanıttı16. Bu sistem uygun maliyetlidir, farklı el boyutları için özelleştirilebilir ve farklı seviyelerde kas spastisitesi olan hastaları başarıyla barındırmıştır. Rijit bağlantılı robotik sistemlere kıyasla daha ergonomik ve esnek bir çözüm sunar. Bu çalışmalar esnek giyilebilir el rehabilitasyonu ve yardımcı robotların geliştirilmesine önemli katkılar sağlamış olsa da, hiçbirinin tam taşınabilirlik ve insan-robot etkileşimi kontrolüne ulaşmadığını belirtmekte fayda var.
Çok sayıda çalışma, elektroensefalogram (EEG)17 veya elektromiyogram (EMG) sinyalleri18 gibi biyolojik sinyaller ile insan niyeti arasındaki ilişkiyi araştırmıştır. Bununla birlikte, her iki yaklaşımın da mevcut cihazların ve teknolojik koşulların kısıtlamaları dahilinde belirli sınırlamaları vardır. İnvaziv elektrotlar insan vücudunda cerrahi prosedürler gerektirirken, non-invaziv elektrotlar yüksek gürültü seviyeleri ve sinyal alımında güvenilmezlik gibi sorunlardan muzdariptir. Bu sınırlılıkların ayrıntılı tartışmaları literatürde bulunabilir19,20. Bu nedenle, esnek giyilebilir süper nümerik robotik uzuvların taşınabilirliği ve kullanıcı dostu insan-makine etkileşimi yeteneklerine yönelik araştırma arayışı oldukça alakalı olmaya devam etmektedir.
Bu çalışmada, kronik inme hastalarına parmak rehabilitasyonu ve kavrama yardımında yardımcı olmak için benzersiz bir esnek, giyilebilir süpernümerer robotik uzuv tasarlandı ve üretildi. Bu robotik uzuv, hafifliği, güvenliği, uyumluluğu, su geçirmezliği ve etkileyici çıktı-ağırlık/basınç oranı ile karakterize edilir. Taşınabilirliği korurken ve kullanıcı dostu bir insan-robot etkileşimi sağlarken, zarf ve parmak ucu kavrama olmak üzere iki kavrama modu elde edilmiştir. Protokol, pnömatik tutucunun ve giyilebilir şemanın tasarım ve üretim sürecini detaylandırır. Ek olarak, eşik segmentasyonu yoluyla uygun ve kullanıcı dostu kontrole izin veren esnek bükme sensörlerine dayalı bir insan-robot etkileşim yöntemi önerilmiştir. Tüm bu yönler pratik deneylerle doğrulanmıştır.
Bu çalışmanın ana katkıları şu şekilde özetlenmiştir: (1) Kronik inme hastaları için hafif, kullanıcı dostu ve giyilebilir esnek bir süper nümerik robotik uzuv tasarlanmış ve üretilmiştir. (2) Esnek bükme sensörlerine dayalı güvenilir bir insan-robot etkileşimi yöntemi gerçekleştirilmiştir. (3) Önerilen mekanizma ve yöntemin etkinliğini ve güvenilirliğini doğrulamak için, çıktı kuvveti testini içeren ve altı kronik inme hastasını içeren gerçek dünya deneyleri yapılmıştır.
Protocol
Representative Results
Discussion
Bu çalışma, kronik inme hastalarına parmak rehabilitasyonu ve kavrama görevlerinde yardımcı olmak için tasarlanmış yenilikçi, esnek, giyilebilir bir süper nümerik robotik uzuv sunmaktadır. Bu robotik sistem taşınabilirliğe öncelik verir ve hem zarf kavrama hem de parmak ucuyla kavrama işlevleri sunar. Kullanıcı dostu insan-makine etkileşimi kontrolü için esnek bir bükülme sensörü içerir. Statik kavrama deneyleri, tasarlanan mekanizmanın kavrama yeteneklerini iki farklı kavrama modunda doğr…
Divulgations
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
Bu çalışma, Grant U1913207 kapsamında Çin Ulusal Doğa Bilimleri Vakfı ve HUST Akademik Sınır Gençlik Ekibi Programı tarafından desteklenmektedir. Yazarlar bu vakıfların desteğine teşekkür eder.
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).
