Design and Characterization of a Dual-DOF Soft Shoulder Exosuit with Volume-Optimized Pneumatic Actuator

إليك ملخص تقني مفصل لورقة البحث بعنوان: "تصميم وتوصيف بدلة هيكلية ناعمة للكتف بـ درجتين من الحرية (2-DOF) مع مشغل هوائي محسن الحجم."

1. بيان المشكلة

تواجه البدلات الهيكلية الناعمة المحمولة التي تعمل بالهواء والمخصصة للكتف مقايضة حرجة بين عزم الدوران الناتج والاستجابة الديناميكية.

• قيود النظام: تعتمد الأنظمة الهوائية المحمولة على ضواغط وخزانات صغيرة. إن إضافة مشغلات متعددة (المطلوبة لحركة الكتف المعقدة ذات الدرجتين مثل التبعيد والثني) تزيد من استهلاك الهواء، مما يقلل من عدد التكرارات الممكنة.
• القيود التصميمية: الحلول الحالية غالبًا ما تستخدم مشغلات أسطوانية موحدة. لزيادة عزم الدوران، يجب أن تكون المشغلات أكبر (مما يزيد الحجم وطلب الهواء)، وهذا يبطئ الاستجابة الديناميكية (زمن الصعود/الهبوط). وعلى العكس من ذلك، فإن المشغلات الأصغر تستجيب بشكل أسرع ولكنها توفر عزم دوران غير كافٍ.
• الفجوة: هناك نقص في البدلات الهيكلية الناعمة للكتف ذات الدرجتين (2-DOF) التي توازن بفعالية بين هذه القيود مع توفير المساعدة لكل من تبعيد الكتف والثني/التقريب الأفقي.

2. المنهجية

أ. تصميم المشغل: المشغل المائل ذو الشكل المغزلي (SSAA)

اقترح المؤلفون تحسينًا هندسيًا لحل مقايضة (الحجم-العزم-الاستجابة).

• المفهوم: على عكس المشغلات الزاوية الأسطوانية الموحدة (UCAA) ذات المقاطع العرضية الثابتة، يتميز الـ SSAA بمقطع عرضي غير منتظم يضيق نحو كلا الطرفين (شكل مغزلي).
• الأساس المنطقي: في المشغلات الانثنائية، تكون القوة المطلوبة عند الأطراف البعيدة (الأبعد عن المركز) أقل منها عند المركز. ومن خلال تقليل مساحة المقطع العرضي عند الأطراف، يتم تقليل إجمالي حجم الهواء دون المساس بذراع العزم أو توليد ذروة عزم الدوران في النطاق التشغيلي.
• الهندسة: يحافظ الـ SSAA على نفس العرض الأوسط ($w_2$) الخاص بالـ UCAA، ولكنه يقلل من العرض العلوي ($w_1$) والسفلي ($w_3$).

ب. تكامل النظام

تم دمج هندسة الـ SSAA في بدلة هيكلية نسيجية ذات درجتين من الحرية (الوزن الإجمالي: 390 جم):

1. مشغل التبعيد المنحني (CAA): مشغل على شكل حرف Y يتكون من وحدتي SSAA وطبقات تقييد. وهو يساعد في عملية تبعيد الكتف.
2. مشغل التقريب الأفقي (HAA): يعتمد على محركات كيسية قماشية متراكمة، ويساعد في التقريب الأفقي والثني.

• أنماط التشغيل:
  • التبعيد (Abduction): يعمل الـ CAA فقط.
  • الثني (Flexion): يعمل الـ CAA + HAA (تشغيل متزامن).
  • التقريب الأفقي (Horizontal Adduction): يتم تشغيل الـ HAA بعد الـ CAA.

ج. التوصيف والنمذجة

• الاختبار الميكانيكي: تم اختبار الـ SSAA والـ CAA من حيث خصائص (العزم-الزاوية)، والاستجابة الترددية (مخططات Bode)، والمتانة (أكثر من 2000 دورة).
• النمذجة التحليلية: تم تطوير نموذج تحليلي مبسط للـ HAA (المحرك الكيسي) للتنبؤ بعلاقات (القوة-الارتفاع) و(العزم-الزاوية)، وتم التحقق من صحته مقابل البيانات التجريبية.

د. دراسة المستخدم

• المشاركون: 10 أشخاص أصحاء (5 ذكور، 5 إناث).
• البروتوكول: مهام ديناميكية تتضمن ثني وتبعيد الكتف تحت ثلاثة ظروف:
  1. بدون بدلة هيكلية (الأساس/المرجع).
  2. مشغل واحد (CAA فقط للتبعيد؛ CAA+HAA للثني).
  3. مشغلان (CAA + HAA).
• المقاييس: تم تسجيل تخطيط العضلات الكهربائي السطحي (sEMG) من 7 عضلات (العضلة ثنائية الرؤوس، العضلة فوق الشوكية، العضلة شبه المنحرفة، العضلة الصدرية الكبيرة، والعضلات الدالية الأمامية/الخلفية/الوسطى). كما تم جمع بيانات مدى الحركة (ROM) واستبيانات التعب والراحة الذاتية.

3. المساهمات الرئيسية

1. تصميم مشغل محسن الحجم (C1):

   • تقديم الـ SSAA، الذي حقق خفضًا في الحجم بنسبة 35.7% (357 مل مقابل 555 مل) مقارنة بالتصاميم الأسطوانية الموحدة.
   • حافظ على 94.2% من عزم الدوران الناتج في النطاق التشغيلي ($\theta > 90^\circ$).
   • حقق استجابة ديناميكية أسرع بنسبة 35.2% (تقليل زمن الصعود/الهبوط) بسبب متطلبات حجم الهواء الأقل.

2. تكامل نظام ذي درجتين من الحرية (C2):

   • تطوير والتحقق من بدلة هيكلية نسيجية خفيفة الوزن (390 جم) قادرة على تقديم مساعدة متعددة الأنماط (التبعيد، الثني، التقريب الأفقي).
   • توفير نماذج تحليلية للـ HAA والتحقق التجريبي من خصائص (العزم-الزاوية) والتردد للـ CAA.

3. التوصيف التجريبي (C3):

   • إجراء تقييم منهجي لـ sEMG عبر سبع عضلات.
   • تحديد الفائدة المتزايدة لإضافة مشغل ثانٍ (HAA) إلى نظام المشغل الواحد لدى المستخدمين الأصحاء.

4. النتائج

أداء المشغل

• عزم الدوران: حقق الـ CAA (باستخدام SSAC) ذروة عزم دوران بلغت 9.7 نيوتن متر عند 90 كيلو باسكال و90 درجة، وهي مقاربة للأنظمة الحديثة السابقة ولكن بحجم أقل بكثير.
• الاستجابة: أظهر الـ SSAA انخفاضًا بنسبة 20-30% في زمن الصعود وما يصل إلى 35.2% في زمن الهبوط مقارنة بالـ UCAA.
• المتانة: لم يلاحظ أي تدهور في القوة الناتجة بعد 2000 دورة من النفخ والتفريغ.

نتائج دراسة المستخدم

• تبعيد الكتف:
  • قللت البدلة الهيكلية (CAA فقط) بشكل كبير من النشاط العضلي في جميع العضلات السبعة.
  • أقصى انخفاض: تقليل يصل إلى 59% في نشاط العضلة ثنائية الرؤوس (Biceps Brachii).
  • تأثر مدى الحركة (ROM) بشكل طفيف (انخفاض بنسبة 1.9%)، وهو انخفاض ذو دلالة إحصائية ولكنه غير مؤثر عمليًا.
• ثني الكتف:
  • قللت كل من تكوينات المشغل الواحد (HAA فقط، رغم أن النص يشير ضمنيًا إلى CAA+HAA للثني، إلا أن قسم النتائج يوضح المقارنة بين CAA-only مقابل CAA+HAA) والمشغل المزدوج من نشاط الـ EMG بنسبة تصل إلى 63.7%.
  • الفائدة الإضافية: تقديم إضافة الـ HAA إلى الـ CAA وفر فائدة إضافية محدودة للمستخدمين الأصحاء أثناء عملية الثني. لوحظت انخفاضات إضافية ذات دلالة إحصائية فقط في العضلة الصدرية الكبرى. أظهرت عضلات أخرى (مثل فوق الشوكية، وشبه المنحرفة العلوية) زيادة في النشاط أو عدم تغير ملموس، مما يشير إلى حدوث "انقباض تعويضي" (co-contraction) لتثبيت المفصل ضد ناقل القوة الجديد.
• التغذية الراجعة الذاتية: أفاد المستخدمون براحة عالية، وسهولة في الارتداء والخلع، وانخفاض ملحوظ في التعب مع المساعدة.

5. الأهمية والآثار المترتبة

• توجيه التصميم: تثبت الدراسة أن المقاطع العرضية غير المنتظمة (SSAs) هي استراتيجية قابلة للتطبيق لتحسين الأنظمة الهوائية المحمولة، مما يسمح بأوقات استجابة أسرع دون التضحية بعزم الدوران. وهذا أمر بالغ الأهمية للأجهزة التأهيلية المحمولة التي تعمل بالبطارية.
• الرؤية السريرية: تشير النتيجة التي مفادها أن المساعدة ذات الدرجتين تقدم فائدة إضافية محدودة مقارنة بالمساعدة ذات الدرجة الواحدة لدى المستخدمين الأصحاء إلى أن التحكم العصبي العضلي السليم قد يؤدي إلى آليات تعويضية (الانقباض المشترك) تبطل فوائد درجات الحرية الإضافية.
• الفئة المستهدفة: يفترض المؤلفون أن المرضى الذين يعانون من ضعف حركي (مثل حالات السكتة الدماغية أو إصابات الحبل الشوكي) الذين يفتقرون إلى القدرة على التعويض قد يستفيدون بشكل أكبر بكثير من المساعدة ذات الدرجتين. وهذا يسلط الض الضوء على الحاجة إلى التحقق المستقبلي في المجموعات السريرية.
• استراتيجيات التحكم المستقبلية: تشير النتائج إلى أن التنشيط المدرك للمهام (تنشيط الـ HAA فقط خلال مراحل معينة مثل التقريب الأفقي) قد يكون أكثر فعالية من التنشيط المستمر المتزامن لتجنب تحفيز الانقباض التعويضي للمثبتات.

في الختام، يقدم هذا العمل منهجية تصميم قوية للبدلات الهيكلية الناعمة خفيفة الوزن وسريعة الاستجابة، ويقدم بيانات بالغة الأهمية حول كيفية تفاعل المساعدة متعددة الدرجات مع التحكم العصدي العضلي البشري، مما يوجه تطوير الجيل القادم من الروبوتات التأهيلية.