Роботизированная реабилитация плечевого сустава после инсульта: Разработка и валидация гибридной тросовой системы экзоскелета
DOI:
https://doi.org/10.52889/1684-9280-2026-77-1-jto035Ключевые слова:
реабилитация после инсульта, плечевой экзоскелет, механизм плечевого пояса, механизм пассивного предварительного натяжения, четырехзвенный шарнирно-рычажный механизмАннотация
Ежегодно нарушения функций верхних конечностей, вызванные инсультом, затрагивают миллионы людей во всем мире, что требует интенсивной реабилитации для восстановления моторного контроля. Хотя традиционная физиотерапия и роботы с концевыми эффекторами уже находят применение, они часто сталкиваются с такими ограничениями, как высокие трудозатраты, утомляемость терапевта и невозможность контролировать избыточность степеней свободы человеческой руки, что может приводить к нефизиологичным компенсаторным движениям. Для решения этих задач в данной работе представлена разработка гибридного плечевого реабилитационного экзоскелета, являющегося усовершенствованной итерацией предыдущего прототипа HYBRID-1.
В гибридном экзоскелете внедрены два основных конструктивных изменения, основанных на оценке производительности и проблемах с натяжением тросов, выявленных в первой версии. Во-первых, был переработан механизм плечевого пояса: инвертированная ползунно-шатунная передача была заменена на плоский четырехзвенный шарнирно-рычажный механизм (кривошип-коромысло), состоящий из четырех вращательных шарниров для лучшего соответствия анатомии человека. Во-вторых, в тросовый параллельный механизм (CDPM) был интегрирован инновационный механизм предварительного натяжения, предназначенный для предотвращения соскакивания тросов и поддержания постоянного натяжения с помощью системы стержней, роликов и пружин сжатия.
Конструкция была предварительно валидирована на напечатанной на 3D-принтере миниатюрной модели и в среде CAD-моделирования, что подтвердило точность моделей прямой и обратной кинематики. Впоследствии был изготовлен полномасштабный прототип с регулируемой плечевой манжетой и дополнительной опорой основания для повышения структурной устойчивости в клинических условиях. Первичная сборка и предварительные испытания показывают, что данные модификации обеспечивают надежную платформу для интенсивной целенаправленной реабилитации. Будущая работа будет сосредоточена на тестировании производительности с участием здоровых испытуемых для оценки адаптивности системы к различным антропометрическим параметрам, таким как рост и диаметр плеча.
Библиографические ссылки
1. Hatem, S. M., Saussez, G., Della Faille, M., Prist, V., Zhang, X., Dispa, D., & Bleyenheuft, Y. (2016). Rehabilitation of motor function after stroke: A multiple systematic review focused on techniques to stimulate upper extremity recovery. Frontiers in Human Neuroscience, 10, 442. https://doi.org/10.3389/fnhum.2016.00442
2. Schwarz, A., Bhagubai, M. M., Nies, S. H., Held, J. P., Veltink, P. H., Buurke, J. H., & Luft, A. R. (2022). Characterization of stroke-related upper limb motor impairments across various upper limb activities by use of kinematic core set measures. Journal of NeuroEngineering and Rehabilitation, 19, 45. https://doi.org/10.1186/s12984-022-01004-3
3. Nelson, M. L. A., McKellar, K. A., Lyons, R., McCreary, C., Hynes, M., Furlan, J., & Teasell, R. (2017). Stroke rehabilitation evidence and comorbidity: A systematic scoping review of randomized controlled trials. Topics in Stroke Rehabilitation, 24(5), 374–380. https://doi.org/10.1080/10749357.2017.1282412
4. Cantú-Brito, C., & García-Grimshaw, M. (2023). A potential forecast for ischemic stroke burden in 2030: Are we there yet? Neurology. Advance online publication. https://doi.org/10.1212/WNL.0000000000207517
5. Krebs, H. I., Volpe, B. T., Williams, D., Celestino, J., Charles, S. K., Lynch, D., & Hogan, N. (2007). Robot-aided neurorehabilitation: A robot for wrist rehabilitation. IEEE Transactions on Neural Systems and Rehabilitation Engineering, 15(3), 327–335. https://doi.org/10.1109/TNSRE.2007.903899
6. Krebs, H. I., Hogan, N., Aisen, M. L., & Volpe, B. T. (1998). Robot-aided neurorehabilitation. IEEE Transactions on Rehabilitation Engineering, 6(1), 75–87. https://doi.org/10.1109/86.662623
7. Squeri, V., Masia, L., Giannoni, P., Sandini, G., & Morasso, P. (2014). Wrist rehabilitation in chronic stroke patients by means of adaptive, progressive robot-aided therapy. IEEE Transactions on Neural Systems and Rehabilitation Engineering, 22(2), 312–325. https://doi.org/10.1109/TNSRE.2013.2250521
8. Mazzoleni, S., Tran, V. D., Dario, P., & Posteraro, F. (2018). Wrist robot assisted rehabilitation treatment in subacute and chronic stroke patients: From distal-to-proximal motor recovery. IEEE Transactions on Neural Systems and Rehabilitation Engineering, 26(9), 1889–1896. https://doi.org/10.1109/TNSRE.2018.2864935
9. Jonna, P., & Rao, M. (2022). Design of a 6-DOF cost-effective differential drive based robotic system for upper-limb stroke rehabilitation. In Proceedings of the 44th Annual International Conference of the IEEE Engineering in Medicine and Biology Society (EMBC), 1423–1427. https://doi.org/10.1109/EMBC48229.2022.9871426
10. Zimmermann, Y., Sommerhalder, M., Wolf, P., Riener, R., & Hutter, M. (2023). Anyexo 2.0: A fully actuated upper-limb exoskeleton for manipulation and joint-oriented training in all stages of rehabilitation. IEEE Transactions on Robotics, 39(3), 2131–2150. https://doi.org/10.1109/TRO.2022.3226890
11. Wu, G., van der Helm, F. C. T., Veeger, H. E. J., Makhsous, M., Roy, P., Anglin, C., Nagels, J., Karduna, A. R., Wang, X., & Buchholz, B. (2005). ISB recommendation on definitions of joint coordinate systems of various joints for the reporting of human joint motion—Part II: Shoulder, elbow, wrist and hand. Journal of Biomechanics, 38(5), 981–992. https://doi.org/10.1016/j.jbiomech.2004.05.042
12. Zimmermann, Y., Forino, A., Riener, R., & Hutter, M. (2019). Anyexo: A versatile and dynamic upper-limb rehabilitation robot. IEEE Robotics and Automation Letters, 4(4), 3649–3656. https://doi.org/10.1109/LRA.2019.2926958
13. De Caro, J. S., Islam, M. R., Montenegro, E. M., Brahmi, B., & Rahman, M. (2021). Inverse kinematic solution of U-Rob4: A hybrid exoskeleton for stroke rehabilitation. In Proceedings of the 18th International Multi-Conference on Systems, Signals & Devices (SSD), 755–764. https://doi.org/10.1109/SSD52085.2021.9429419
14. Mao, Y., Jin, X., Gera Dutta, G., Scholz, J. P., & Agrawal, S. K. (2015). Human movement training with a cable-driven arm exoskeleton (CAREX). IEEE Transactions on Neural Systems and Rehabilitation Engineering, 23(1), 84–92. https://doi.org/10.1109/TNSRE.2014.2329018
15. Hunt, J., & Lee, H. (2019). Development of a low inertia parallel actuated shoulder exoskeleton robot for the characterization of neuromuscular property during static posture and dynamic movement. In Proceedings of the IEEE International Conference on Robotics and Automation (ICRA), 556–562. https://doi.org/10.1109/ICRA.2019.8794181
16. Chang, D., Hunt, J., Atkins, J., & Lee, H. (2021). Validation of a novel parallel-actuated shoulder exoskeleton robot for the characterization of human shoulder impedance. In Proceedings of the IEEE International Conference on Robotics and Automation (ICRA), 10580–10586. https://doi.org/10.1109/ICRA48506.2021.9561776
17. Niyetkaliyev, A. S., Hussain, S., Ghayesh, M. H., & Alici, G. (2017). Review on design and control aspects of robotic shoulder rehabilitation orthoses. IEEE Transactions on Human-Machine Systems, 47(6), 1134–1145. https://doi.org/10.1109/THMS.2017.2700634
18. Koo, D., Chang, P. H., Sohn, M. K., & Shin, J. H. (2011). Shoulder mechanism design of an exoskeleton robot for stroke patient rehabilitation. In Proceedings of the IEEE International Conference on Rehabilitation Robotics (ICORR), 1–6. https://doi.org/10.1109/ICORR.2011.5975505
19. Niyetkaliyev, A., Sariyildiz, E., & Alici, G. (2018). A hybrid multi-joint robotic shoulder exoskeleton for stroke rehabilitation. In Proceedings of the IEEE/ASME International Conference on Advanced Intelligent Mechatronics (AIM), 857–862. https://doi.org/10.1109/AIM.2018.8452681
20. Niyetkaliyev, A. S., Sariyildiz, E., & Alici, G. (2021). Kinematic modeling and analysis of a novel bio-inspired and cable-driven hybrid shoulder mechanism. Journal of Mechanisms and Robotics, 13(1), 011008. https://doi.org/10.1115/1.4047984
21. Niyetkaliyev, A. (2022). Robot assisted shoulder rehabilitation: Biomechanical modelling, design and performance evaluation (Doctoral dissertation). https://doi.org/10.26190/unsworks/24775
22. Karasheva, M., Turganbayev, A., Aimysheva, A., & Niyetkaliyev, A. (2023). Design of a 3D printed miniature model for human–robot mechanism coupling for shoulder rehabilitation. In Proceedings of the 8th International Conference on Robotics and Automation Engineering (ICRAE), 58–65. https://doi.org/10.1109/ICRAE59816.2023.10458641
23. Yeshmukhametov, A., Koganezawa, K., Seidakhmet, A., & Yamamoto, Y. (2020). A novel passive pretension mechanism for wire-driven discrete continuum manipulators. In Proceedings of the IEEE/SICE International Symposium on System Integration (SII), 1168–1173. https://doi.org/10.1109/SII46433.2020.9025998
24. Yeshmukhametov, A., Koganezawa, K., & Yamamoto, Y. (2019). A novel discrete wire-driven continuum robot arm with passive sliding disc: Design, kinematics and passive tension control. Robotics, 8(3), 51. https://doi.org/10.3390/robotics8030051
Загрузки
Опубликован
Выпуск
Раздел
Лицензия
Это произведение доступно по лицензии Creative Commons «Attribution» («Атрибуция») 4.0 Всемирная.
