Bärbar armband överför konstgjorda beröringskänslor

Forskare vid Florida Atlantic University har genomfört en ny och innovativ studie med haptisk/beröringsåterkoppling, elektromyogram (EMG)-styrning och ett bärbart mjukt robotarmband som kan dramatiskt hjälpa användare av proteser. De nya resultaten kan förändra sättet som framtida konstgjorda händer styrs av användare.

Forskarna vid universitetets College of Engineering and Computer Science arbetade tillsammans med FAU:s Charles E. Schmidt College of Science för att undersöka om människor kunde exakt styra greppkraften som applicerades på två olika föremål som greppades samtidigt med en konstgjord hand.

Laget undersökte också hur visuell återkoppling kunde underlätta den komplexa multitaskingmodellen genom att systematiskt blockera visuell och haptisk återkoppling. De studerade också hur ett samtidigt föremålstransportexperiemang kunde spara tid och satte ut för att designa ett multikanals bärbart mjukt robotarmband som kunde överföra konstgjorda beröringskänslor till användare av robotarmar.

Resultaten av studien publicerades i tidskriften Scientific Reports.

Använder flera kanaler för haptisk återkoppling

Studien visade att flera kanaler för haptisk återkoppling möjliggjorde för användare att greppa och transportera två föremål samtidigt med den dexterösa konstgjorda handen. De kunde utföra dessa uppgifter utan att bryta eller släppa föremålen, vilket gällde även när användarna hade sin syn hindrad.

Den nya metoden förbättrade också den tid som krävdes för att transportera och leverera båda föremålen, och användarna kvalitativt betygsatte haptisk återkoppling som betydligt viktigare än visuell återkoppling.

Erik Engeberg, Ph.D., är korresponderande författare, professor och medlem i FAU:s Center for Complex Systems and Brain Sciences, I-SENSE och FAU Stiles-Nicholson Brain Institute.

“Vår studie är den första som visar möjligheten att utföra denna komplexa samtidiga kontrolluppgift medan man integrerar flera kanaler för haptisk återkoppling på ett icke-invasivt sätt”, sa Engeberg. “Ingen av våra studiepersoner hade tidigare erfarenhet av att använda EMG-styrda konstgjorda händer, men de kunde lära sig att utnyttja denna multitaskingfunktionalitet efter två korta träningspass.”

Design av anpassat tillverkat robotarmband

Forskningslaget tillhandahöll haptisk återkoppling genom att arbeta med EMG-styrning och design av det anpassade tillverkade mjuka robotarmbandet. De samarbetade med Emmanuelle Tognoli, Ph.D., som är medförfattare och forskningsprofessor vid FAU Department of Psychology och Center for Complex Systems and Brain Sciences.

Laget utrustade armbandet med mjuka aktuatorer, som hjälpte till att överföra en proportionell känsla av kontakt krafter. De inkluderade också vibrotaktila stimulatorer för att indikera om de greppade föremålen hade gått sönder.

Tre platser på armbandet var utformade för haptisk återkoppling: tummen, pekfingret och lillfingret. Dessa tre områden är tillräckliga för att överföra kraften som appliceras på båda föremålen som greppas av handen. Armbandet har också tre luftkammare som var och en proportionellt motsvarar en av de tre BioTacs, som är monterade på fingertopparna på handen. Utöver allt detta har armbandet tre vibrotaktila aktuatorer som indikerar till användaren om föremålen hade gått sönder.

Moaed A. Abd är första författare och en Ph.D.-student vid FAU:s Department of Ocean and Mechanical Engineering.

“Exempel på multifunktionell kontroll som demonstrerades i vår studie inkluderade proportionell kontroll av ett kort som klämdes mellan pekfingret och mittersta fingret samtidigt som tummen och lillfingret användes för att skruva av locket på en vattenflaska. Ett annat exempel på samtidig kontroll var med en boll som greppades med tre fingrar medan lillfingret samtidigt användes för att växla en ljusströmbrytare”, sa Abd.

Den nya innovativa studien kunde användas för att möjliggöra för personer med frånvarande överarm att följa karriärvägar och andra fritidsaktiviteter.

Stella Batalama, Ph.D., är dekan vid FAU College of Engineering and Computer Science.

“Att möjliggöra raffinerad dexterös kontroll är ett mycket komplext problem att lösa och fortsätter att vara ett aktivt forskningsområde eftersom det kräver inte bara tolkning av mänskliga greppkontrollavsikter, utan också kompletterande haptisk återkoppling av taktila sensationer”, sa Batalama. “Med denna innovativa studie adresserar våra forskare förlusten av taktila sensationer, som för närvarande är ett stort hinder för att förhindra att personer med frånvarande överarm kan multitaska eller använda full dexteritet i sina proteser.”