Ich möchte die technische Hilfe von Brian Zenowich, Daniel Evestedt und Winsean Lin anerkennen.

Einführung Es gibt einen wachsenden Bedarf in allen der Mensch-Maschine-Interaktion (MMI) für intuitive und effiziente interaktive Umgebungen. Zahlreiche Branchen weiterhin stärker abhängig von HMI, wie zum Beispiel: Rehabilitationsrobotik, der Automobilindustrie, Metall verarbeitenden, Verpackungsmaschinen, Pharma-, Lebensmittel-, Getränke-und Versorgungsunternehmen. Technologies in diesen Bereichen tätig sind: Display-Terminals, PCs und HMI Software. Diese Technologien können miteinander kombiniert werden, um unbegrenzte Funktionen ausführen. Roboter können zur direkten Interaktion mit den Nutzern, wie beispielsweise die Bereitstellung als Musiklehrer zu erleichtern. Zum Beispiel haben Forscher an der Waseda Universität ein Roboter, der das Saxophon zu den Menschen, wie zu spielen zu lehren und die Interaktion zwischen Lehrer und Schüler ein Verständnis spielt geschaffen. Andere Robotik-Forscher haben eine Vision-basierte fliegenden Roboter vorgenommen, um festzustellen, wie künstliche Intelligenz kann in intelligente Interaktionen mit der Umwelt 2 zu entwickeln. Die besondere Konzentration dieses Papier befindet sich innerhalb Rehabilitationsrobotik. Im Bereich der Forschung und Industrie, wird die schnelle Tempo des Wandels für neue Produkte und Anforderungen der Nutzer wachsen. Diese Forderungen durchzusetzen größeren Herausforderungen bei der Skalierbarkeit. Deshalb Code-Design geworden ist integraler bei der Erfüllung der Bedürfnisse dieser Personen in einer fristgerechten Weise. Daher würden die Qualität eines starken architektonischen Kandidaten sind leicht austauschbar Grafik-Roboter-Systeme, die Treiber-Unterstützung beinhalten. Die H3DAPI Architektur erfüllt diese Anforderungen und damit eine Wrapper-Klasse erstellt wurde. Darüber hinaus ist H3D für Virtual-Reality-Umgebungen, wie sie in Rehabilitationsrobotik benötigte. Neural Rehabilitationsrobotik will Roboter zum Zwecke der Unterstützung der Rehabilitation Profis zu nutzen. Die Hilfe, die diese Roboter liefern kommt in Form einer Kraft-Feld. Passed Motor Befehl Forscher wie Shadmehr und Mussa-Ivaldi, Gewalt-Felder Motoranpassung zu fördern, und haben gefunden, 1) Anpassung an einer von außen angelegten Kraftfeld tritt mit verschiedenen Klassen von Bewegungen einschließlich, aber nicht zu erreichen Bewegungen begrenzt, und 2) Anpassung verallgemeinert über verschiedene Bewegungen, die den gleichen Regionen des äußeren Feldes 3 zu besuchen. Forschung aus biomechanischen Ingenieure in Performance-Based Progressive Robot-Assisted-Therapie zeigt, dass sich wiederholende, task-specific, zielgerichtet, roboter-assistierte Therapie wirksam bei der Verringerung motorischen Beeinträchtigungen in den betroffenen Arm nach Schlaganfall 4 ist, aber die genaue therapeutische Effekte und Parameter weiterhin ein Feld der Forschung sein. Sensorisches Feedback wirkt sich Lern-und Anpassungsprozess. Daher ist die nächste logische Frage wäre zu fragen, ob oder nicht künstlich erhöht das Ausmaß solcher Rückmeldungen würden schneller oder mehr vollständige Lernen / Anpassung zu fördern. Einige Forscher haben herausgefunden, dass die Anwendung mehr sensorisches Feedback Kräfte oder visuelle Hinweise, um Fehler verbessern kann eine angemessene neurologische Impulse zu geben, um höhere Ebenen der Anpassung / Lernen 5,6 zu fördern. Dies wird als &quot;Fehler Augmentation&quot; bezeichnet. Dieses Phänomen kann aufgrund der Tatsache, dass, sobald die Ergebnisse einer Motorsteuerung Aktion von der idealen abweicht, unser internes Modell selbst passt je nach Größe des Fehlers. Folglich wird, wie unser internes Modell nähert sich der äußeren Umgebung, Fehler bei der Ausführung einer Aufgabe ab. Forschung weiterhin anhaltende Praxis der funktionell relevanten Aktivitäten zur Wiederherstellung der Funktion zu unterstützen, obwohl viele aktuelle Gesundheitspolitik der Höhe der Zeit Patienten einschränken können Zeit mit Therapeuten zu verbringen. Die zwingende Frage ist, ob diese neuen Anwendungen der Technologie können noch weiter gehen, als einfach was eine höhere Dosierung von den aktuellen Stand der Pflege. Mensch-Maschine-Interaktion Studien haben neue Perspektiven in den Bereichen des motorischen Lernens ergeben, und kann in einigen Fällen bieten Wert für den therapeutischen Prozess aufgenommen. Spezialisierte Roboter-Geräte mit Computer-Displays kombiniert werden können erweitern Feedback der Fehler in Ordnung zu beschleunigen, zu verbessern oder Trigger-Motor Umlernen. Dieser Beitrag stellt eine Methode der Verwendung eines entwickelten Systems für eine klinische Intervention als ein Beispiel der Anwendung dieser Technologie. 1. Gründung HAPI Wrapper-Klasse für einen Roboter <ol><li> Erstellen Sie einen Wrapper für HAPI die Haptik Bibliothek, indem Sie eigene. Cpp und Header-Datei. Zum Beispiel verwenden wir den Namen HAPIWAM.cpp und HAPIWAM.h. </li><li> Legen Sie HAPIWAM.cpp in das Quellverzeichnis: HAPI / src </li><li> Legen Sie HAPIWAM.h in die Header-Datei-Verzeichnis: HAPI / include / HAPI </li><li> An der Spitze der HAPIWAM.h gehören zu den Haupt-Header-Datei (en) Ihrer Roboter, im Falle des Barrett WAM, das wäre: </li></ol> &lt;em&gt; extern &quot;C&quot; { # Include &lt;include/btwam.h&gt; } # Include &lt;HAPI/HAPIHapticsDevice.h&gt; Hinweis: extern &quot;C&quot; ist erforderlich, um Compiler Mangeln zu lösen, weil die mitgelieferten Bibliothek in &#39;C&#39; geschrieben wird und die H3DAPI ist in C + + geschrieben. <ol start="5"><li> In HAPIWAM.h, erstellen Sie Ihre Klasse und die folgenden 4 Funktionen </li></ol> bool initHapticsDevice (int); bool releaseHapticsDevice (); void updateDeviceValues ​​(DeviceValues ​​&amp; dv, HAPITime dt); void sendOutput (HAPIHapticsDevice: DeviceOutput &amp; d, HAPITime t); <ol start="6"><li> Vergewissern Sie sich, Ihre Klasse erbt öffentlich von der HAPIhapticsdevice Klasse. </li><li> Erstellen Sie eine Kopfzeile Schutz für Ihre Klasse. </li><li> Erstellen Sie statische DeviceOutput und statische HapticsDeviceRegistration Attribute unter dem HAPIWAM Klasse. </li><li> Erstellen Sie statische Member-Funktionen für Rückrufe. </li><li> Definieren Sie Ihre Konstruktor und Destruktor in HAPIWAM.cpp. </li><li> Registrieren Sie Ihr Gerät in HAPIWAM.cpp. </li><li> Definieren Sie Ihre 4 geerbt Funktionen und Rückrufe in HAPIWAM.cpp. </li></ol> 2. HAPI Bibliothek Schöpfung <ol><li> Nun, da haben wir die HAPI Wrapper-Klasse erstellt haben, müssen wir Ihre Wrapper in die HAPI Bibliothek zu bauen. Die WAM hängt von einigen Bibliotheken, die H3DAPI nicht auf in seiner rohen Form abhängen, wird daher diese Bibliotheken müssen auf HAPI hinzugefügt werden. Zum HAPI / HAPI / build und bearbeiten CMakeLists.txt. Fügen Sie die abhängigen Bibliotheken nach der Zeile &quot;SET (OptionalLibs) sagt. </li><li> Öffnen Sie ein Kommandozeilen-Konsole und navigieren Sie zu: HAPI / HAPI / build und geben Sie die folgenden 3 Befehle in dieser Reihenfolge: </li></ol> cmake. sudo make sudo make install 3. H3D-Wrapper-Klasse <ol><li> Zum Erstellen der Wrapper-Klasse für die H3D-Bibliothek mit Ihrem HAPIWAM, erstellen Sie zuerst WAMDevice.cpp im Quellverzeichnis: H3DAPI/src </li><li> Legen Sie WAMDevice.h in die Header-Datei-Verzeichnis: H3DAPI/include/H3D </li><li> WAMDevice.h sollte die Standard-Header-Datei für alle H3DAPI Geräte mit dem Namen ersetzt, um was Sie wollen. </li><li> WAMDevice.cpp sollte die Standard-Quelle für alle H3DAPI Geräte mit dem Namen ersetzt, um was Sie wollen. </li><li> Nun, da der Wrapper-Klasse erstellt wurde, den Wiederaufbau der H3DAPI Bibliothek. Tun Sie dies, indem Sie CMakeLists.txt in der gleichen Weise, in Schritt 2.1 durchgeführt wurde, nur unter dem Verzeichnis: H3DAPI/build. </li><li> Erstellen Sie den H3DAPI Bibliothek unter dem Verzeichnis H3DAPI/build </li></ol> cmake. sudo make sudo make install 4. Finite State Machine <ol><li> Jede gezielte Erreichen Programm erfordert die Schaffung eines endlichen Automaten, um die experimentelle Protokoll oder Praxis-Regime zu kontrollieren. Typische Zustandsmaschinen gehören: Start der Prüfung, Start, Ziel Kontakt, und Ende der Studie. Ein Beispiel für die Funktion eines jeden Staates, und Kriterien, die zwischen den Staaten zu übertragen ist unten aufgeführt. </li><li> Der Start der Testversion erfordert die Zuweisung von einem Ziel. Targets Standorten kann nach dem Zufallsprinzip für jeden Versuch eingestellt werden oder kann aus einer Datei gesetzt werden. Der Beginn der Studie beendet, sobald der Benutzer auf das Ziel vor Geschwindigkeit Schwelle, typischerweise 0,06 Metern pro Sekunde ins Leben gerufen. </li><li> The Launch Zustand tritt nach dem Start der Studie. Dieser Zustand endet entweder einmal Berührt der Benutzer das Ziel oder Aufenthalte im Inneren des Ziels für einen bestimmten Zeitraum. Sobald das Ziel berührt wird, ermöglicht dies das Ziel Kontakt Staat. </li><li> Ziel Kontakt tritt während des Starts Zustand. Es kann zu beenden, sobald das Ziel erreicht oder nach dem Subjekt befindet sich innerhalb des Ziel für einen bestimmten Zeitraum. Ist diese Zeit abgelaufen ist, wird das Ende der Studie Zustand aktiviert. </li><li> The End of Trial Staat Signal der Datenerfassungs-Software, die Daten Datei zu markieren, in welchem ​​die Analyse der Software-Entwickler verwendet wurde, um das Ende der einzelnen Studien zu begrenzen. Sofern die letzte Prüfung abgeschlossen ist, kann das Ende des End of Trial Zustand der Start der Testversion Zustand. </li></ol> 5. Anwendung: Sanierung der Schlaganfall-Patienten <ol><li> Die Roboter-Schnittstelle wurde entwickelt, um Therapeuten Know-how beinhalten, während mit dem Roboter zu etwas, das sonst nicht getan werden kann. Die Technologie-fähige Anwendung (siehe weiter unten) der Fehler Vermehrung, die die Fehler durch den Patienten, die für mehrere namhafte Gründen erhöht die Umlernen Verfahren (Abb. 1) wahrgenommen vergrößert. </li><li> Eine dreidimensionale Haptik / Grafik-System namens Virtual Reality Robotic und Optical Operationen Machine (VRROOM). Dieses System stellte bisher 6, kombiniert eine projizierte Stereo-, Kopf-verfolgt Rendering auf einem semi-Spiegels Overlay-Anzeige mit einem Roboter-System, das aufgezeichnet Handgelenk Position und erzeugt eine Kraft-Vektor (Abb. 2). </li><li> Ein Kino-Qualität diGITAL Projektor (Christie Mirage 3000 DLP) zeigten die Bilder, die eine fünf Meter breite 1280x1024 Pixel überspannt, was zu einem 110 ° großen Betrachtungswinkel. Infrarot-Strahler synchronisiert getrennte linke und rechte Auge Bilder durch Liquid Crystal Display (LCD) Shutter-Brille (Stereographics, Inc). Ascension Flock of Birds magnetischen Elemente aufgespürt Bewegung des Kopfes, so dass die optische Anzeige mit den entsprechenden Kopf-zentrierten Sicht erbracht wurde. </li><li> Nach der Qualifikation für die Studie wurde jeder Teilnehmer der Funktionsfähigkeit von einem blinden rater bei Start und Ziel jeder Behandlung Paradigma mit einer einwöchigen Follow-up nach jeder und eine insgesamt 45-Tage-Follow-up-Evaluation ausgewertet. Jede Bewertung besteht aus einer Reihe von Bewegung (ROM) Bewertung in der VRROOM sowie klinische Maßnahmen einschließlich durchgeführt: die Box und Blocks Assessment, Wolf Motor Function Test (WMFT), Arm Motor Sektion der Fugl-Meyer (AMFM) und Beurteilung von einfachen funktionellen Reach (ASFR). </li><li> Ein exotendon Handschuh mit Handgelenkschiene wurde verwendet, um in neutrale Handgelenk und Hand Ausrichtung zu unterstützen. Das Zentrum des Roboters Griff war mit dem Unterarm befestigt platziert wurde hinter der Radiokarpalgelenks so, dass seine Kräfte am Handgelenk gehandelt, sondern erlaubt Bewegung an der Hand. </li><li> Der Arm des Patienten Gewicht wurde verringert durch eine Feder-powered Wilmington Robotic Exoskelett (WREX) Schwerkraft-Orthese ausgeglichen. Der Patient ist angewiesen Ziel war es, jagen einen Cursor vor ihnen präsentiert bewegt über ein Tracking-Gerät in der Hand des Therapeuten (Therapeutin Teleoperation). </li><li> Die Patienten der Praxis drei Tage pro Woche für ca. 40-60 Minuten, mit dem Patienten, den Therapeuten, und der Roboter gemeinsam in einem Trio. Betreff und Therapeuten saßen Seite an Seite, und das Thema war, um den Roboter am Handgelenk verbunden. </li><li> Jede Sitzung begann mit fünf Minuten passive Bewegungsübungen (PROM) mit dem Therapeuten, um ca. 10 Minuten für die Situierung der Patient in der Maschine folgen. Das Thema dann abgeschlossen sechs Blöcke von Bewegungstraining fünfminütigen jeweils mit Zwei-Minuten-Pausen zwischen den einzelnen Blöcken. </li><li> Während des Trainings angezeigt Teilnehmer zwei Cursor auf die Stereo-Darstellung. Der behandelnde Therapeut manipuliert einen Cursor, während der Teilnehmer kontrolliert die anderen. Die Patienten wurden angewiesen, den genauen Pfad des Therapeuten Cursor folgen, wie es in der gesamten Arbeitsbereich bewegt. </li><li> Fehler Augmentation bereitgestellt wurde sowohl optisch als auch durch Kräfte, die durch den Roboter generiert. Als Teilnehmer aus Therapeuten Cursor abwich, war ein momentaner Fehler Vektor e als Differenz in der Position zwischen den Therapeuten Cursor und dem Teilnehmer die Hand etabliert. Fehler wurde visuell durch einen Faktor von 1,5 e (m) als Teil des Fehlers Augmentation vergrößert. Darüber hinaus wurde ein Fehler vermehren Kraft von 100 e (N / m) auch angewendet, die war so programmiert, dass bei maximal 4 N aus Sicherheitsgründen zu sättigen. </li><li> Jede andere Behandlung Block bestand aus speziellen, standardisierten Bewegungen, die das gleiche für jede Sitzung wurden. Die anderen Blöcke erlaubt dem Therapeuten, Ausbildung in bestimmten Bereichen der Schwäche Therapeuten Know-how und ihre Beobachtungen anzupassen. Das Behandlungsprotokoll dabei die Praxis der bestimmte Bewegungen für alle Beteiligten, einschließlich Vor-und Seiten zu erreichen, Schulter-Ellenbogen-Kopplung und diagonal quer über den Körper. </li><li> Während praktizieren, war Tag für Tag Median Fehler als ein Ergebnis der Praxis gemessen. Besonderes Augenmerk wurde auf Blöcke von standardisierten Bewegungen, die das gleiche für jede Sitzung gegeben wurden. Diese wurden zu den Vortagen verglichen, um festzustellen, ob eine schrittweise Verbesserung von Tag zu Tag, was für den Patienten, den Therapeuten und dem Pflegepersonal (Abb. 3) gemeldet werden können, beobachtet werden konnte. </li><li> Primäre Maßnahmen des Ergebnisses wurden wöchentlich, 1 Woche nach Ende der Behandlung gemessen, und 45 Tage nach der mit der Vorratsspeicherung von Nutzen zu bestimmen. Wesentliche Ergebnisse waren die Fugl-Meyer motorischen Fähigkeiten der Gäste und unsere maßgeschneiderten Armreichweite Test, gemessen Bewegungsumfang. </li></ol> 6. Repräsentative Ergebnisse: Wenn das Protokoll korrekt ist, dann getan, wenn die &lt;AnyDevice&gt; Knoten in die H3DViewer oder H3DLoad geladen wird, sollte die WAM-Gerät erkannt und eingeleitet werden. Wenn die WAM mit einem anderen Roboter ersetzt, würde der Code selbst nicht geändert werden müssen. <img src="/files/ftp_upload/3007/3007fig1.jpg" alt="Abbildung 1"/> Abbildung 1. Unterrichtsfach in der Haptik / Grafik Apparat sitzen. <img src="/files/ftp_upload/3007/3007fig2.jpg" alt="Abbildung 2"/> Abbildung 2. Unterrichtsfach in der Haptik / Grafik Apparat mit Physiotherapeut sitzen. <img src="/files/ftp_upload/3007/3007fig3.jpg" alt="Abbildung 3"/> Abbildung 3. Konfiguration für Rehabilitation of der Schlaganfall-Patienten. A) unterliegen und Therapeuten zusammenarbeiten, sitzend und mit dem großen Arbeitsbereich haptische / Grafik-Display, um die Bewegung der Praxis. Der Therapeut bietet eine Stichwort für das Thema, und kann individuell ausgestattet, um die Bedürfnisse des Patienten. Der Roboter bietet Kräfte, die das Bein weg vom Ziel schieben und das visuelle Feedback-System verbessert die Fehler des Cursors. B) Typische chronische Schlaganfall-Patienten verbessert sich von Tag zu Tag. Jeder Punkt repräsentiert die mittlere Fehler für eine 2-Minuten-Block von stereotypen funktionelle Bewegung gemessen. Während der Patient zeigt die Fortschritte in der 2-Wochen-Frist und insgesamt profitieren, hat diese Person nicht immer jeden Tag zu verbessern.

<ol>
	<li>Solis, J., Takeshi, N., Petersen, K., Takeuchi, M., Takanishi, A. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Development+of+the+anthropomorphic+saxophonist+robot+WAS-1:+Mechanical+design+of+the+simulated+organs+and+implementation+of+air+pressure.">Development of the anthropomorphic saxophonist robot WAS-1: Mechanical design of the simulated organs and implementation of air pressure.</a> Advanced Robotics Journal. 24, 629-650 (2010).</li><li>Zufferey, J. C., Floreano, D. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Evolving+Won-Based+Flying+Robots.">Evolving Won-Based Flying Robots.</a> , 592-600 (2002).</li><li>Conditt, M. A., Gandolfo, F., Mussa-Ivaldi, F. A. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=The+motor+system+does+not+learn+the+dynamics+of+the+arm+by+rote+memorization+of+past+experience.">The motor system does not learn the dynamics of the arm by rote memorization of past experience.</a> Journal of Neurophysiology. 78, 554-554 (1997).</li><li>Krebs, H. I., Palazzolo, J. J., Dipietro, L., Ferraro, M., Krol, J., Rannekleiv, K., Volpe, B. T., Hogan, N. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Rehabilitation+robotics:+Performance-based+progressive+robot-assisted+therapy.">Rehabilitation robotics: Performance-based progressive robot-assisted therapy.</a> Autonomous Robots. 15, 7-20 (2003).</li><li>Wei, K., Kording, K. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Relevance+of+error:+what+drives+motor+adaptation.">Relevance of error: what drives motor adaptation.</a> Journal of neurophysiology. 101, 655-65 (2009).</li><li>Wei, Y., Bajaj, P., Scheidt, R., Patton, J. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Visual+error+augmentation+for+enhancing+motor+learning+and+rehabilitative+relearning.">Visual error augmentation for enhancing motor learning and rehabilitative relearning.</a> IEEE International Conference on Rehabilitation Robotics. , 505-510 (2005).</li></ol>

Die Wrapper-Klassen in diesem Tutorial sind urheberrechtlich geschützt von Ian Sharp.

Diese Methode der Wrapper-Klasse Implementierung ermöglicht für verschiedene Roboter eingesetzt werden, ohne den Quellcode ändern, wenn Sie die H3DAPI. Insbesondere hätten die Forscher, die ihre haptische / Grafik-Umgebung geschrieben haben in H3D und getestet ihr Experiment mit einer Phantom-Roboter in der Lage sein für die Durchführung der gleichen oder ähnlichen Experiment mit dem Barrett WAM, und umgekehrt. Diese Art von Gerät unabhängige Cross-Kommunikation führt Folgen für die internationale Rehabilitierung Robotik-Forschung. Solche Auswirkungen ermöglichen eine schnelle haptische / Grafik Entwicklung der internationalen Forschungszusammenarbeit und inter-Forschungslabor Kommunikation. Rehabilitation Robotik ist noch die zahlreichen Parameter in motorischen Lernens beteiligt aufzudecken. Einer der zeitaufwendige Schritte bei der Haptik / Grafik Entwicklung beinhaltet Kompilierung. Mit zahlreichen Reha-Parameter, mit der Kompilierung für jedes Programm verschärft, steigt die Entwicklungs-Lebenszyklus, um alle möglichen Permutationen Gruppe Test schnell. H3D mit seiner Abwesenheit Zusammenstellung Anforderungen, ermöglicht die schnelle Entwicklung von zahlreichen Virtual-Reality-Szenen. Dies ist insofern ein Vorteil für jene Forscher Anwärter auf die Auswirkungen der verschiedenen Übungsszenarien Sonde. Einschränkungen dieses &quot;hart codiert&quot; Wrapper-Klasse Integrationsansatz zählt die Tatsache, dass dieses Verfahren jedes Mal gibt es eine neue Verteilung der H3DAPI muss wiederholt werden. Mögliche Änderungen an der Integration der Wrapper-Klasse in Ihre aktuelle Verteilung der H3DAPI wäre, die Wrapper-Klasse separat erstellen aus dem H3DAPI. Sie würden dann Ihre Wrapper-Klasse in eine *. so Bibliothek-Datei. Dies würde die Klasse aus dem ursprünglichen H3DAPI Verteilung zu isolieren.

<ol><li> Die Anzeige genannt paris (Personal Augmented-Reality-Immersion-System), finden Sie unter <a href="http://www.evl.uic.edu">www.evl.uic.edu</a> </li><li> Die großen grauen Roboter ist das Barrett WAM: <a href="http://www.barrett.com">www.barrett.com</a> </li><li> Je kleiner, dünner schwarzer Roboter ist das Phantom: <a href="http://www.sensable.com">www.sensable.com</a> </li><li> Der Arm montiert ist die T-WREX, an der RIC entwickelt: <a href="http://www.ric.org/research/centers/mars2/Projects/development/d3.aspx">http://www.ric.org/research/centers/mars2/Projects/development/d3.aspx</a> </li><li> Die Shutter-Brillen für 3D-Vision: <a href="http://www.vrlogic.com">www.vrlogic.com</a> </li><li> Head-Tracking-Software. <a href="http://www.mechdyne.com">www.mechdyne.com</a> </li><li> Die H3DAPI selbst: <a href="http://www.h3dapi.org">www.h3dapi.org</a> </li></ol>

haptic/graphic rehabilitation: integrating a robot into a virtual environment library and applying it to stroke therapy

Neuere Forschungen, die interaktive Geräte für längere Therapie Praxis-Tests hat neue Perspektiven für die Robotik mit grafischen und anderen Formen von Biofeedback kombiniert ergeben. Vorherige Mensch-Roboter-interaktive Systeme haben verschiedene Software-Befehle benötigt, um für jeden Roboter führt zu unnötigen Entwicklungsstörungen Overhead-Zeit jedes Mal ein neues System zur Verfügung stehen umgesetzt werden. Zum Beispiel, wenn eine haptische / Grafik Virtual-Reality-Umgebung für einen bestimmten Roboter haptische Feedback wurde kodiert, wäre, dass bestimmte Roboter nicht in der Lage sein, für einen anderen Roboter ohne Neucodierung des Programms gehandelt werden. Allerdings haben die jüngsten Anstrengungen in der Open Source Community eine Wrapper-Klasse Ansatz, der nahezu identischen Reaktionen auslösen können, unabhängig von der Roboter verwendet vorgeschlagen. Das Ergebnis können die Forscher auf der ganzen Welt, um ähnliche Experimente mit gemeinsam genutztem Code auszuführen führen. Deshalb modular &quot;Schalten out&quot; eines Roboters für eine andere nicht beeinträchtigen würde Entwicklungszeit. In diesem Papier stellen wir die erfolgreiche Entwicklung und Implementierung einer Wrapper-Klasse für einen Roboter in die Open-Source-H3DAPI, die die Software-Befehle am häufigsten von allen eingesetzten Roboter integriert.

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Haptic/Graphic Rehabilitation: Integrating a Robot into a Virtual Environment Library and Applying it to Stroke Therapy

In jüngster Zeit haben eine große Menge an Interessenten kommen für Mensch-Roboter-interaktive Systeme. In diesem Papier beschreiben wir die Integration eines neuen Roboter-Gerät mit Open-Source-Software, die schnell machen kann möglich eine Bibliothek von interaktiven Funktionen. Wir haben dann Umrisse einer klinischen Anwendung für eine Neurorehabilitation Anwendung.

Haptische / Graphic Rehabilitation: Integration eines Roboters in einer virtuellen Umgebung Bibliothek und ihre Anwendung auf die Therapie von Schlaganfällen

Recent research that tests interactive devices for prolonged therapy practice has revealed new prospects for robotics combined with graphical and other ...

hapticgraphic-rehabilitation-integrating-robot-into-virtual

Research

JoVE Journal

Bioengineering

13.7K Aufrufe.  University of Illinois at Chicago and Rehabilitation Institute of Chicago. In jüngster Zeit haben eine große Menge an Interessenten kommen für Mensch-Roboter-interaktive Systeme. In diesem Papier beschreiben wir die Integration eines neuen Roboter-Gerät mit Open-Source-Software, die schnell machen kann möglich eine Bibliothek von interaktiven Funktionen. Wir haben dann Umrisse einer klinischen Anwendung für eine Neurorehabilitation Anwendung.

Serie: Haptic/Graphic Rehabilitation: Integrating a Robot into a Virtual Environment Library and Applying it to Stroke Therapy

Adaptation of a Haptic Robot in a 3T fMRI

Functional magnetic resonance imaging (fMRI) provides excellent functional brain imaging via the BOLD signal 1 with advantages including non-ionizing radiation, millimeter spatial accuracy of anatomical and functional data 2, and nearly real-time analyses 3. Haptic robots provide precise measurement and control of position and force of a cursor in a reasonably confined space. Here we combine these two technologies to allow precision experiments involving motor control with haptic/tactile environment interaction such as reaching or grasping. The basic idea is to attach an 8 foot end effecter supported in the center to the robot 4 allowing the subject to use the robot, but shielding it and keeping it out of the most extreme part of the magnetic field from the fMRI machine (Figure 1).
The Phantom Premium 3.0, 6DoF, high-force robot (SensAble Technologies, Inc.) is an excellent choice for providing force-feedback in virtual reality experiments 5, 6, but it is inherently non-MR safe, introduces significant noise to the sensitive fMRI equipment, and its electric motors may be affected by the fMRI's strongly varying magnetic field. We have constructed a table and shielding system that allows the robot to be safely introduced into the fMRI environment and limits both the degradation of the fMRI signal by the electrically noisy motors and the degradation of the electric motor performance by the strongly varying magnetic field of the fMRI. With the shield, the signal to noise ratio (SNR: mean signal/noise standard deviation) of the fMRI goes from a baseline of &tilde;380 to &tilde;330, and &tilde;250 without the shielding. The remaining noise appears to be uncorrelated and does not add artifacts to the fMRI of a test sphere (Figure 2). The long, stiff handle allows placement of the robot out of range of the most strongly varying parts of the magnetic field so there is no significant effect of the fMRI on the robot. The effect of the handle on the robot's kinematics is minimal since it is lightweight (&tilde;2.6 lbs) but extremely stiff 3/4" graphite and well balanced on the 3DoF joint in the middle. The end result is an fMRI compatible, haptic system with about 1 cubic foot of working space, and, when combined with virtual reality, it allows for a new set of experiments to be performed in the fMRI environment including naturalistic reaching, passive displacement of the limb and haptic perception, adaptation learning in varying force fields, or texture identification 5, 6.

The adaptation and use of a haptic robot in a 3T fMRI is described.

Anpassung eines Haptic Robot in einem 3T fMRT

Functional magnetic resonance imaging (fMRI) provides excellent functional brain imaging via the BOLD signal 1 with advantages including non-ionizing ...

Forschung

Biotechnik

Designing a Bio-responsive Robot from DNA Origami

Nucleic acids are astonishingly versatile. In addition to their natural role as storage medium for biological information1, they can be utilized in parallel computing2,3 , recognize and bind molecular or cellular targets4,5 , catalyze chemical reactions6,7 , and generate calculated responses in a biological system8,9. Importantly, nucleic acids can be programmed to self-assemble into 2D and 3D structures10-12, enabling the integration of all these remarkable features in a single robot linking the sensing of biological cues to a preset response in order to exert a desired effect.
Creating shapes from nucleic acids was first proposed by Seeman13, and several variations on this theme have since been realized using various techniques11,12,14,15 . However, the most significant is perhaps the one proposed by Rothemund, termed scaffolded DNA origami16. In this technique, the folding of a long (&gt;7,000 bases) single-stranded DNA 'scaffold' is directed to a desired shape by hundreds of short complementary strands termed 'staples'. Folding is carried out by temperature annealing ramp. This technique was successfully demonstrated in the creation of a diverse array of 2D shapes with remarkable precision and robustness. DNA origami was later extended to 3D as well17,18 .
 
The current paper will focus on the caDNAno 2.0 software19 developed by Douglas and colleagues. caDNAno is a robust, user-friendly CAD tool enabling the design of 2D and 3D DNA origami shapes with versatile features. The design process relies on a systematic and accurate abstraction scheme for DNA structures, making it relatively straightforward and efficient.
In this paper we demonstrate the design of a DNA origami nanorobot that has been recently described20. This robot is 'robotic' in the sense that it links sensing to actuation, in order to perform a task. We explain how various sensing schemes can be integrated into the structure, and how this can be relayed to a desired effect. Finally we use Cando21 to simulate the mechanical properties of the designed shape. The concept we discuss can be adapted to multiple tasks and settings.

DNA origami is a powerful method for fabricating precise nanoscale objects by programming the self-assembly of DNA molecules. Here, we describe how DNA origami can be utilized to design a robotic robot capable of sensing biological cues and responding by shape shifting, subsequently relayed to a desired effect.

Entwerfen einer Bio-responsive Robot von DNA Origami

Nucleic acids are astonishingly versatile. In addition to their natural role as storage medium for biological information1, they can be utilized in ...

A Method for Evaluating Timeliness and Accuracy of Volitional Motor Responses to Vibrotactile Stimuli

Artificial sensory feedback (ASF) systems can be used to compensate for lost proprioception in individuals with lower-limb impairments. Effective design of these ASF systems requires an in-depth understanding of how the parameters of specific feedback mechanism affect user perception and reaction to stimuli. This article presents a method for applying vibrotactile stimuli to human participants and measuring their response. Rotating mass vibratory motors are placed at pre-defined locations on the participant's thigh, and controlled through custom hardware and software. The speed and accuracy of participants' volitional responses to vibrotactile stimuli are measured for researcher-specified combinations of motor placement and vibration frequency. While the protocol described here uses push-buttons to collect a simple binary response to the vibrotactile stimuli, the technique can be extended to other response mechanisms using inertial measurement units or pressure sensors to measure joint angle and weight bearing ratios, respectively. Similarly, the application of vibrotactile stimuli can be explored for body segments other than the thigh.

This article describes a technique for applying vibrotactile stimuli to the thigh of a human participant, and measuring the accuracy and reaction time of the participant&#39;s volitional response for various combinations of stimulation location and frequency.

Ein Verfahren zur Bewertung der Rechtzeitigkeit und Genauigkeit der Volitionale Motor Responses to vibrotaktilen Stimuli

Artificial sensory feedback (ASF) systems can be used to compensate for lost proprioception in individuals with lower-limb impairments.  Effective design ...

Using Extraordinary Optical Transmission to Quantify Cardiac Biomarkers in Human Serum

For a biosensing platform to have clinical relevance in point-of-care (POC) settings, assay sensitivity, reproducibility, and ability to reliably monitor analytes against the background of human serum are crucial.
Nanoimprinting lithography (NIL) was used to fabricate, at a low cost, sensing areas as large as 1.5 mm x 1.5 mm. The sensing surface was made of high-fidelity arrays of nanoholes, each with an area of about 140 nm2. The great reproducibility of NIL made it possible to employ a one-chip, one-measurement strategy on 12 individually manufactured surfaces, with minimal chip-to-chip variation. These nanoimprinted localized surface plasmon resonance (LSPR) chips were extensively tested on their ability to reliably measure a bioanalyte at concentrations varying from 2.5 to 75 ng/mL amidst the background of a complex biofluid-in this case, human serum. The high fidelity of NIL enables the generation of large sensing areas, which in turn eliminates the need for a microscope, as this biosensor can be easily interfaced with a commonly available laboratory light source. These biosensors can detect cardiac troponin in serum with a high sensitivity, at a limit of detection (LOD) of 0.55 ng/mL, which is clinically relevant. They also show low chip-to-chip variance (due to the high quality of the fabrication process). The results are commensurable with widely used enzyme-linked immunosorbent assay (ELISA)-based assays, but the technique retains the advantages of an LSPR-based sensing platform (i.e., amenability to miniaturization and multiplexing, making it more feasible for POC applications).

This work describes a nanoimprinting lithography method to fabricate high-quality sensing arrays that work on the principle of extraordinary optical transmission. The biosensor is low-cost, robust, easy to use, and can detect cardiac troponin I in serum at clinically relevant concentrations (99th percentile cutoff &#8764;10-400 pg/mL, depending on the assay).

Verwendung von außergewöhnlichen optischen Übertragung kardiale Biomarker in humanem Serum quantifizieren

For a biosensing platform to have clinical relevance in point-of-care (POC) settings, assay sensitivity, reproducibility, and ability to reliably monitor ...

DNA Nanotubes as a Versatile Tool to Study Semiflexible Polymers

Mechanical properties of complex, polymer-based soft matter, such as cells or biopolymer networks, can be understood in neither the classical frame of flexible polymers nor of rigid rods. Underlying filaments remain outstretched due to their non-vanishing backbone stiffness, which is quantified via the persistence length (lp), but they are also subject to strong thermal fluctuations. Their finite bending stiffness leads to unique, non-trivial collective mechanics of bulk networks, enabling the formation of stable scaffolds at low volume fractions while providing large mesh sizes. This underlying principle is prevalent in nature (e.g., in cells or tissues), minimizing the high molecular content and thereby facilitating diffusive or active transport. Due to their biological implications and potential technological applications in biocompatible hydrogels, semiflexible polymers have been subject to considerable study. However, comprehensible investigations remained challenging since they relied on natural polymers, such as actin filaments, which are not freely tunable. Despite these limitations and due to the lack of synthetic, mechanically tunable, and semiflexible polymers, actin filaments were established as the common model system. A major limitation is that the central quantity lp cannot be freely tuned to study its impact on macroscopic bulk structures. This limitation was resolved by employing structurally programmable DNA nanotubes, enabling controlled alteration of the filament stiffness. They are formed through tile-based designs, where a discrete set of partially complementary strands hybridize in a ring structure with a discrete circumference. These rings feature sticky ends, enabling the effective polymerization into filaments several microns in length, and display similar polymerization kinetics as natural biopolymers. Due to their programmable mechanics, these tubes are versatile, novel tools to study the impact of lp on the single-molecule as well as the bulk scale. In contrast to actin filaments, they remain stable over weeks, without notable degeneration, and their handling is comparably straightforward.

Semiflexible polymers display unique mechanical properties that are extensively applied by living systems. However, systematic studies on biopolymers are limited since properties such as polymer rigidity are inaccessible. This manuscript describes how this limitation is circumvented by programmable DNA nanotubes, enabling experimental studies on the impact of filament rigidity.

DNA-Nanoröhren als ein vielseitiges Werkzeug, semiflexiblen Polymere zu studieren

Mechanical properties of complex, polymer-based soft matter, such as cells or biopolymer networks, can be understood in neither the classical frame of ...

Optimizing the Use of a Liquid Handling Robot to Conduct a High Throughput Forward Chemical Genetics Screen of Arabidopsis thaliana

Chemical genetics is increasingly being employed to decode traits in plants that may be recalcitrant to traditional genetics due to gene redundancy or lethality. However, the probability of a synthetic small molecule being bioactive is low; therefore, thousands of molecules must be tested in order to find those of interest. Liquid handling robotics systems are designed to handle large numbers of samples, increasing the speed with which a chemical library can be screened in addition to minimizing/standardizing error. To achieve a high-throughput forward chemical genetics screen of a library of 50,000 small molecules on Arabidopsis thaliana (Arabidopsis), protocols using a bench-top multichannel liquid handling robot were developed that require minimal technician involvement. With these protocols, 3,271 small molecules were discovered that caused visible phenotypic alterations. 1,563 compounds induced short roots, 1,148 compounds altered coloration, 383 compounds caused root hair and other, non-categorized, alterations, and 177 compounds inhibited germination.

Optimizing the Use of a Liquid Handling Robot to Conduct a High Throughput Forward Chemical Genetics Screen of Arabidopsis thaliana

A high throughput screen of synthetic small molecules was conducted on the model plant species, Arabidopsis thaliana. This protocol, developed for a liquid handling robot, increases the speed of forward chemical genetics screens, accelerating the discovery of novel small molecules affecting plant physiology.

Optimierung der Nutzung eines Liquid Handling Roboters, einen hohen Durchsatz nach vorn Chemische Genetik Bildschirm von Arabidopsis Thaliana durchzuführen

Chemical genetics is increasingly being employed to decode traits in plants that may be recalcitrant to traditional genetics due to gene redundancy or ...

A Converging Strategy for the Generation of a Virtually Sequenced cDNA Library from Unreferenced Pacific Oysters

The access to biological material of reference species, which were used previously in key experiments such as in the development of novel cell lines or genome sequencing projects, are often difficult to provide for further studies or third parties due to the consumptive nature of the samples. Although now widely distributed over the Pacific coasts of Asia, Australia and North America, individual Pacific oyster specimens are genetically quite diverse and are therefore not directly suitable as the starting material for gene libraries. In this article, we demonstrate the use of unreferenced Pacific oyster specimens obtained from regional seafood markets to generate cDNA libraries. These libraries were then compared to the publicly available oyster genome, and the closest related library was selected using the mitochondrial reference genes Cytochrome C Oxidase subunit I (COX1) and NADH Dehydrogenase (ND). The suitability of the generated cDNA library is also demonstrated by cloning and expression of two genes encoding the enzymes UDP-glucuronic acid dehydrogenase (UGD) and UDP-xylose synthase (UXS), which are responsible for the biosynthesis of UDP-xylose from UDP-glucose.

We describe a strategy for how to use RNA samples from unreferenced Pacific oyster specimens, and evaluate the genetic material by comparison with publicly available genome data to generate a virtually sequenced cDNA library.

Eine konvergierende Strategie für die Generierung einer virtually Sequenced cDNA Library aus unreferenzierten pazifischen Austern

The access to biological material of reference species, which were used previously in key experiments such as in the development of novel cell lines or ...

Three-dimensional Patterning of Engineered Biofilms with a Do-it-yourself Bioprinter

Biofilms are aggregates of bacteria embedded in a self-produced spatially-patterned extracellular matrix. Bacteria within a biofilm develop enhanced antibiotic resistance, which poses potential health dangers, but can also be beneficial for environmental applications such as purification of drinking water. The further development of anti-bacterial therapeutics and biofilm-inspired applications will require the development of reproducible, engineerable methods for biofilm creation. Recently, a novel method of biofilm preparation using a modified three-dimensional (3D) printer with a bacterial ink has been developed. This article describes the steps necessary to build this efficient, low-cost 3D bioprinter that offers multiple applications in bacterially-induced materials processing. The protocol begins with an adapted commercial 3D printer in which the extruder has been replaced with a bio-ink dispenser connected to a syringe pump system enabling a controllable, continuous flow of bio-ink. To develop a bio-ink suitable for biofilm printing, engineered Escherichia coli bacteria were suspended in a solution of alginate, so that they solidify in contact with a surface containing calcium. The inclusion of an inducer chemical within the printing substrate drives expression of biofilm proteins within the printed bio-ink. This method enables 3D printing of various spatial patterns composed of discrete layers of printed biofilms. Such spatially-controlled biofilms can serve as model systems and can find applications in multiple fields that have a wide-ranging impact on society, including antibiotic resistance prevention or drinking water purification, among others.

This article describes a method of transforming a low-cost commercial 3D printer into a bacterial 3D printer that can facilitate printing of patterned biofilms. All necessary aspects of preparing the bioprinter and bio-ink are described, as well as verification methods to assess the formation of biofilms.

Dreidimensionales Pattern von Ingenieurbiofilmen mit einem Do-it-yourself-Bioprinter

Biofilms are aggregates of bacteria embedded in a self-produced spatially-patterned extracellular matrix. Bacteria within a biofilm develop enhanced ...

Isokinetic Robotic Device to Improve Test-Retest and Inter-Rater Reliability for Stretch Reflex Measurements in Stroke Patients with Spasticity

Measuring spasticity is important in treatment planning and determining efficacy after treatment. However, the current tool used in clinical settings has been shown to be limited in inter-rater reliability. One factor in this poor inter-rater reliability is the variability of passive motion while measuring the angle of catch (AoC) measurements. Therefore, an isokinetic device has been proposed to standardize the manual joint motion; however, the benefits of isokinetic motion for AoC measurements has not been tested in a standardized manner. This protocol investigates whether isokinetic motion itself can improve inter-rater reliability for AoC measurements. For this purpose, a robotic isokinetic device was developed that is combined with surface electromyography (EMG). Two conditions, manual and isokinetic motions, are compared with the standardized method to measure the angle and subjective feeling of catch. It is shown that in 17 stroke patients with mild elbow flexor spasticity, isokinetic motion improved the intraclass correlation coefficient (ICC) for inter-rater reliability of AoC measurements to 0.890 [95% confidence interval (CI): 0.685&#8211;0.961] by the EMG criteria, and 0.931 (95% CI: 0.791&#8211;0.978) by the torque criteria, from 0.788 (95% CI: 0.493&#8211;0.920) by manual motion. In conclusion, isokinetic motion itself can improve inter-rater reliability of AoC measurements in stroke patients with mild spasticity. Given that this system may provide greater standardized angle measurements and catch of feeling, it may be a good option for the evaluation of spasticity in a clinical setting.

Using a robotic isokinetic device with electromyography (EMG) measurements, this protocol illustrates that isokinetic motion itself can improve inter-rater reliability for the angle of catch measurements in stroke patients with mild elbow flexor spasticity.

Isokinetic Robotic Device zur Verbesserung der Test-Retest und Inter-Rater Zuverlässigkeit für Stretch Reflex Messungen bei Schlaganfall-Patienten mit Spastik

Measuring spasticity is important in treatment planning and determining efficacy after treatment. However, the current tool used in clinical settings has ...

Aufbau einer mikrofluidischen Vorrichtung zur kombinatorischen Steckerherstellung

Bilayer Microfluidic Device for Combinatorial Plug Production

Droplet microfluidics is a versatile tool that allows the execution of a large number of reactions in chemically distinct nanoliter compartments. Such systems have been used to encapsulate a variety of biochemical reactions - from incubation of single cells to implementation of PCR reactions, from genomics to chemical synthesis. Coupling the microfluidic channels with regulatory valves allows control over their opening and closing, thereby enabling the rapid production of large-scale combinatorial libraries consisting of a population of droplets with unique compositions. In this paper, protocols for the fabrication and operation of a pressure-driven, PDMS-based bilayer microfluidic device that can be utilized to generate combinatorial libraries of water-in-oil emulsions called plugs are presented. By incorporating software programs and microfluidic hardware, the flow of desired fluids in the device can be controlled and manipulated to generate combinatorial plug libraries and to control the composition and quantity of constituent plug populations. These protocols will expedite the process of generating combinatorial screens, particularly to study drug response in cells from cancer patient biopsies.

Autor im Rampenlicht: Integration von computergestützten und experimentellen Ansätzen in der Präzisionsonkologie

The fabrication of a polydimethylsiloxane (PDMS)-based bilayer device for the production of combinatorial libraries in water-in-oil emulsions (plugs) is presented here. The necessary hardware and software required to automate plug production are detailed in the protocol, and the production of a quantitative library of fluorescent plugs is also demonstrated.

Zweischichtiges mikrofluidisches Gerät für die kombinatorische Steckerproduktion

Droplet microfluidics is a versatile tool that allows the execution of a large number of reactions in chemically distinct nanoliter compartments. Such ...