Brian Zenowich, Daniel Evestedt ve Winsean Lin teknik yardım kabul etmek istiyorum.

Giriş Tüm sezgisel ve etkili bir etkileşimli ortamlar için insan-makine etkileşimini (HMI) artan bir ihtiyaç vardır. Rehabilitasyon robotik, otomotiv endüstrisinde, metallerin üretim, ambalaj makineleri, ilaç, yiyecek, içecek, ve yardımcı programlar: HMI, gibi çeşitli endüstrilerde daha ağır bağımlı devam ediyor. Bu sektörlerde çalışan teknolojiler şunlardır: ekran terminalleri, kişisel bilgisayarlar ve HMI yazılımı. Bu teknolojiler, sınırsız işlevleri gerçekleştirmek için birlikte kombine edilebilir. Robotlar, bir müzik eğitmeni olarak görev gibi kullanıcılar ile doğrudan etkileşim kolaylaştırmak için kullanılıyor olabilir. Örneğin, Waseda Üniversitesi&#39;nde araştırmacılar, nasıl oynanır insanlara öğretmek ve, öğrenci ve öğretmen 1 arasındaki etkileşimi anlamak için saksafon çalan bir robot yarattılar. Diğer robotik araştırmacılar, yapay zeka, çevre 2 akıllı etkileşimleri dönüşmeye nasıl belirlemek için bir vizyon tabanlı bir uçan robot yaptık. Bu yazının belirli bir konsantrasyon rehabilitasyon robotik içinde bulunur. Araştırma ve sanayi alanı içinde, yeni ürünler ve kullanıcı gereksinimleri için değişimin hızlı hızda büyümeye devam ediyor. Bu talepler, ölçeklenebilirlik büyük zorluklarla empoze. Bu nedenle kod tasarım zamanında bu kişilerin ihtiyaçlarının karşılanması ayrılmaz haline gelmiştir. Bu nedenle, güçlü bir mimari adayın kalitesi sürücü desteği içeren kolayca değiştirilebilir grafik robot sistemleri içerir. H3DAPI mimarisi, bu ihtiyaçları karşılayan ve böylece bir sarmalayıcı sınıf oluşturulmuştur. Ayrıca, H3D rehabilitasyon robotik gerekli olanlar gibi sanal gerçeklik ortamları için tasarlanmıştır. Sinir rehabilitasyon robotik rehabilitasyon profesyonelleri yardım amaçlı robotlar kullanmaya çalışıyor. Bu robotlar verdiğiniz destek bir kuvvet alanı şeklinde geliyor. Dışarıdan uygulanan bir kuvvet alanında Shadmehr ve Musa Ivaldi, kullanılan gücün alanlar motor adaptasyonu teşvik, ve 1 bulduk gibi geçti motor komut araştırmacılar) adaptasyon) hareketleri de dahil olmak üzere farklı sınıflar oluşur ancak ulaşan hareketleri sınırlı değil, ve 2 adaptasyon, dış alan 3 aynı bölgeleri ziyaret farklı hareketleri karşısında genelleştirir . Performans Esaslı Aşamalı Robot Destekli tedavi biyomekanik mühendisleri Araştırma, görev özgü olduğunu tekrarlayan, hedefe yönlendirilmiş, robot destekli tedavi, inme 4 sonrası etkilenen kol motor bozukluk azaltmada etkili olduğunu gösterir, ancak tam olarak tedavi edici etkileri ve parametreler bir araştırma alanı olmaya devam etmektedir. Duyusal geribildirim, öğrenme ve adaptasyon etkiler. Bu nedenle bir sonraki mantıklı soru sormak olsun ya da yapay olarak böyle bir geribildirim büyüklüğü artan hızlı ya da öğrenme / uyarlama daha da teşvik edecektir. Bazı araştırmacılar hataları artırmak için daha fazla duyusal feedback güçleri ya da görsel ipuçlarını uygulayarak, daha yüksek düzeyde uyum / öğrenme 5,6 teşvik etmek için yeterli bir nörolojik bir uyarıcı sağlayabilir olduğunu bulduk. Bu &quot;hata büyütme&quot; olarak bilinir. Bu olgu bir motor kontrol eylem kez sonuçları ideal bir sapma olduğu gerçeğine bağlı olabilir, bizim iç model kendi kendini ayarlar hatanın büyüklüğüne göre. Sonuç olarak, bizim iç modeli olarak dış çevre, bir görev azalır yürütme hata yaklaşır. Birçok güncel sağlık politikaları terapistler zaman geçirebilirsiniz zaman hastaların miktarını sınırlamak rağmen Araştırma, uzun süreli bir uygulama fonksiyonun restorasyonu için işlevsel ilgili faaliyetleri desteklemeye devam etmektedir. Zorlayıcı bir soru, bu yeni teknoloji uygulamaları sadece hizmetlerinin mevcut durumu daha yüksek bir doz vererek daha ileriye gidebiliriz olsun. İnsan-makina etkileşim çalışmaları, motor öğrenme alanlarında yeni potansiyel ortaya koymuştur ve bazı durumlarda tedavi sürecine katma değer sunabilir. İhtisas robotik cihazlar bilgisayar ekranları ile kombine motor tekrar öğreniyorsunuz, hızlandırmak, geliştirmek, ya da tetiklemek için hata geribildirim güçlendirir. Bu yazıda, bu teknolojinin uygulama böyle bir örnek olarak bir klinik müdahale için gelişmiş bir sistem kullanarak bir metodoloji sunacak. 1. Bir robot için Hapı sarmalayıcı sınıf oluşturulması <ol><li> Kendi cpp ve başlık dosyası oluşturarak Hapı haptiklerinden kütüphanesi için bir sarmalayıcı oluşturun. Örneğin adı HAPIWAM.cpp ve HAPIWAM.h kullanabilirsiniz. </li><li> Kaynak dizin içine yerleştirin HAPIWAM.cpp: Hapı / src </li><li> Başlık dosyası dizine koyun HAPIWAM.h: Hapı / include / Hapı </li><li> HAPIWAM.h üst olacağını Barrett, WAM durumunda, robotun ana başlık dosyası (ler): </li></ol> &lt;em&gt; extern &quot;C&quot; { # &lt;include/btwam.h&gt; } # &lt;HAPI/HAPIHapticsDevice.h&gt; Not: extern dahil kütüphane &#39;C&#39; yazıldığı için &quot;C&quot; derleyici bozma çözmek için gerekli ve H3DAPI yazılmıştır C + +. <ol start="5"><li> HAPIWAM.h, sınıf oluşturmak ve aşağıdaki 4 işlevleri şunlardır </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> HAPIhapticsdevice sınıf sınıf kamuya miras emin olun. </li><li> Sınıf için bir başlık koruculuğu oluşturun. </li><li> HAPIWAM sınıf altında, statik DeviceOutput ve statik HapticsDeviceRegistration öznitelikleri oluşturun. </li><li> Geriçağırımları için statik üye işlevleri oluşturun. </li><li> HAPIWAM.cpp yapıcı ve yıkıcı tanımlayın. </li><li> HAPIWAM.cpp cihazınızı kayıt olun. </li><li> HAPIWAM.cpp 4 kalıtsal fonksiyon ve geri tanımlayın. </li></ol> 2. Hapı kütüphane oluşturma <ol><li> Hapı sarmalayıcı sınıf oluşturduk Şimdi, biz sarmalayıcı Hapı kütüphane oluşturmamız gerekir. WAM H3DAPI ham formu bağlı olmadığı bazı kütüphaneler bağlıdır, bu nedenle bu kütüphanelerin Hapı eklenebilir gerekecektir. Hapı / Hapı / build gidin ve CMakeLists.txt düzenlemek. &#39;SET (OptionalLibs)&#39; diyor satırdan sonra bağımlı kitaplıkları ekleyin. </li><li> Bir komut konsolunu açın ve gidin: Hapı / Hapı / oluşturmak ve bu sırada aşağıdaki 3 komutu yazın: </li></ol> cmake. sudo yapmak sudo make install 3. H3D sarmalayıcı sınıfı <ol><li> HAPIWAM ile H3D kitaplığı için sarmalayıcı sınıf oluşturmak için, öncelikle kaynak dizini WAMDevice.cpp oluşturun: H3DAPI/src </li><li> Başlık dosya dizin içine yerleştirin WAMDevice.h: H3DAPI/include/H3D </li><li> WAMDevice.h ne yapmak istiyorsanız onu yerine isim, tüm H3DAPI cihazlar için standart başlık dosyası içermelidir. </li><li> WAMDevice.cpp ne yapmak istiyorsanız onu yerine isim, tüm H3DAPI cihazlar için standart bir kaynak içermelidir. </li><li> Şimdi wrapper sınıfı oluşturulmuştur H3DAPI kütüphanesi yeniden. CMakeLists.txt H3DAPI/build: sadece dizin altında, adım 2.1 &#39;de yapıldı aynı şekilde düzenleyerek bunu yapın. </li><li> Dizin H3DAPI/build altında H3DAPI kütüphane Rebuild </li></ol> cmake. sudo yapmak sudo make install 4. Sonlu durum makinesi <ol><li> Her hedeflenen ulaşan program deneysel protokol veya uygulama rejimi kontrol etmek için bir sonlu durum makinesi yaratılmasını gerektirir. Tipik durum makineleri şunlardır: deneme, Başlat, Hedef İletişim ve Deneme sonu başlayın. Her devlet ve devletler arasında transfer kriterler fonksiyonu bir örnek aşağıda listelenmiştir. </li><li> Deneme Başlat bir hedef tahsisi gerektirir. Hedefler yerlerde her deneme için rastgele ayarlanmış olabilir veya bir dosya olabilir. Duruşma başladıktan sonra kullanıcı hız eşiği, genellikle saniyede 0.06 metre yukarıdaki hedefe doğru başlattı sona erer. </li><li> Launch devletin dava başladıktan sonra oluşur. Bu durum da kullanıcı hedef dokunur ya da belli bir süre için hedefin içinde kalır sonra sona erer. Hedef dokundu sonra, bu Hedef İletişim devlet sağlar. </li><li> Hedef İletişim Başlat devlet sırasında oluşur. Hedef dokundu ya da bu konuda bir zaman belirli bir dönem için hedef içinde bulunduğu sonra en kısa sürede sona erebilir. Bu süre geçtikten sonra, Deneme devletin sonu etkindir. </li><li> Deneme devletin sonu veri dosyası işaretlemek için veri toplama yazılımı sinyal, yazılım geliştiricisi, her deneme sonunda sınırlandırmak için kullanılan ayrıştırma ne olursa olsun. Son deneme tamamlanmıştır sürece Sonu Deneme devletin sonuna Deneme devlet Başlat sağlar. </li></ol> 5. Uygulama: inme hastanın rehabilitasyonu <ol><li> Aksi yapılamaz bir şey etkinleştirmek için robot kullanarak terapist uzmanlık gerektiren robot arayüzü tasarlanmıştır. Çok iyi bilinen nedenlerden dolayı (Şekil 1) tekrar öğreniyorsunuz sürecini geliştirir hasta tarafından algılanan hataları büyütülmüş hata büyütme teknolojisi etkin uygulama (aşağıda ayrıntılı olarak açıklanmıştır). </li><li> , Üç boyutlu haptiklerinden / grafik sistemi Sanal Gerçeklik Robotik ve Optik Operasyon Makinesi (VRROOM) denir. Bu sistem, kombine, bir robot sistem olduğu kaydedildi bileğinizin pozisyonu ile yarı-gümüş ayna kaplaması ekranda baş-paletli render öngörülen stereo, daha önce 6 sundu ve bir kuvvet vektörü oluşturulur (Şekil 2). </li><li> Bir sinema kalitesinde digital projektör (Christie Mirage 3000 DLP), 110 ° geniş görüş açısı ile sonuçlanan yayılmış beş ayak genişliğinde bir 1280x1024 piksel ekran görüntüleri görüntülenir. Kızılötesi yayılmalar Sıvı Kristal Ekran (LCD), obtüratör gözlükler (Stereographics, Inc.) Üzerinden, ayrı sol ve sağ göz görüntü senkronize. Yükseliş görsel ekran uygun baş-merkezli bir bakış açısı ile kılınmış, böylece manyetik elemanlar paletli başın hareket Kuşların Flock. </li><li> Çalışma için ön eleme üzerine, her bir katılımcının fonksiyonel kabiliyetini her kullanımdan sonra bir haftalık takip ve genel bir 45 günlük takip değerlendirme ile, her tedavi paradigma başlangıç ​​ve bitiş kör bir değerlendirici tarafından değerlendirildi. Her değerlendirme dahil olmak üzere VRROOM klinik önlemlerin yanı sıra yapılan hareket açıklığı (EHA) değerlendirme bir dizi oluşuyordu: Kutu ve Bloklar Değerlendirme, Wolf Motor Fonksiyon Testi (WMFT), Fugl-Meyer (AMFM) Kol Motor Bölümü, ve Basit Fonksiyonel Reach Değerlendirmesi (ASFR). </li><li> Bilek ateli ile bir exotendon eldiven nötr bilek ve el hizalama yardımcı olmak için kullanılmıştır. Robot kolunun merkezi güçlerin bilek hareket ama elden hareket izin böylece radyokarpal eklem posterior yerleştirildi önkol bağlanmıştır. </li><li> Hastanın kol ağırlığı çalışan bir bahar Wilmington Robotik Dış iskelet (WREX) yerçekimi dengeli ortez kullanılarak azaltılabilir. Hastanın talimat amacı, önlerinde bir imleç el terapistin (terapist teleoperation) bir izleme cihazı ile hareket kovalamaca oldu. </li><li> Hastalar, hasta, terapist, ve bir üçlü ile birlikte çalışan robot, yaklaşık 40-60 dakika, haftada üç gün pratik. Konu ve terapist yan yana oturdu, ve konunun bilek robot bağlanmıştır. </li><li> Her seans, makine hasta situating için yaklaşık on dakika takip terapist ile pasif hareket egzersizleri (EMR), beş dakika ile başladı. Bu konu daha sonra her iki dakikalık dinlenme süreleri ile her blok arasında beş dakika süren antrenman hareketleri altı blok tamamlandı. </li><li> Eğitim süresince, katılımcılar stereo ekranda iki imleçler izlendi. Katılımcı diğer kontrollü tedavi terapisti bir imleç manipüle. Hastalar, çalışma alanı boyunca taşındı terapistin imleci tam yolunu takip talimatı verildi. </li><li> Hata büyütme hem görsel hem de robot tarafından üretilen güçler tarafından sağlanmıştır. Katılımcılar terapistin imleci sapmış, bir anlık hata vektör e terapistin imleç ve katılımcı elini arasında pozisyonda fark olarak kurulmuştur. Hata görsel hata büyütme parçası olarak 1.5 e (m) bir faktör tarafından büyütülmüş oldu. Ayrıca, 100 e (N / m) bir hata artırmada gücü de güvenlik nedenleri için en fazla 4 N doyurmak için programlanmış olduğu uygulandı . </li><li> Her diğer tedavi blok, her oturum için aynı özel, standart hareketleri oluşuyordu. Diğer blokların terapist terapist uzmanlık ve kendi gözlemlerine dayalı zayıflığı belirli alanlarda eğitim özelleştirmek için izin verdi. Tedavi protokolü, tüm katılımcılar için belirli hareketlerin uygulama; ileri ve yan, omuz-dirsek kaplin ulaşan ve çapraz vücut boyunca ulaşan. </li><li> Pratik olsa da, gün-gün ortanca hata uygulamanın bir sonucu olarak ölçüldü. Özel ilgi her oturum için aynı standart hareketleri blokları verildi. Bunlar, hasta, terapist ve bakıcılar (Şekil 3) rapor edilebilir bir gün-gün bazında, herhangi bir artımlı iyileşme görülebiliyor olmadığını belirlemek için önceki gün karşılaştırıldı. </li><li> Sonucu Birincil önlemler, haftalık tedavi sonunda 1 hafta sonra ölçüldü ve yazılan 45 gün faydaları tutma belirlemek için. Anahtar sonuçlarını Fugl-Meyer motor yetenek puanı ve eklem hareket açıklığı ölçülen özelleştirilmiş kolunuza ulaşması test edildi. </li></ol> 6. Temsilcisi Sonuçlar: &lt;AnyDevice&gt; Düğüm H3DViewer veya H3DLoad yüklendikten sonra protokol sonra doğru bir şekilde yapılırsa olduğunda, WAM cihaz tanınan ve başlatılan olmalıdır. WAM yerine başka bir robot olsaydı, kodun kendisinde değiştirilmesi gerekir. <img src="/files/ftp_upload/3007/3007fig1.jpg" alt="Şekil 1"/> Şekil 1 haptik / grafik aparat oturmuş Konu. <img src="/files/ftp_upload/3007/3007fig2.jpg" alt="Şekil 2"/> Şekil 2 fizyoterapist ile haptik / grafik aparat oturmuş Konu. <img src="/files/ftp_upload/3007/3007fig3.jpg" alt="Şekil 3"/> Şekil 3 rehabilitasyon için o Yapılandırmaf inme hasta. A) konu ve terapist birlikte çalışan oturan ve büyük çalışma alanı haptik / uygulama hareketin grafik ekranı kullanarak. Terapist bu konuda bir ipucu sağlar ve hastanın ihtiyaçlarına göre özel klima. Robot, hedef uzak, bacak itme ve görsel geribildirim sistemi, imlecin hata geliştirir güçleri sağlar. B) günden güne tipik kronik inmeli hasta iyileştirme. Her nokta, basmakalıp fonksiyonel hareketin 2 dakikalık bir blok için ölçülen medyan hata temsil eder. Hasta 2 haftalık süre ve genel yarar boyunca ilerleme gösterirken, bu kişi her zaman her geçen gün artırmak vermedi.

<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>

Bu öğretici sarıcı sınıflar Ian Sharp tarafından telif hakkı altındadır.

Bu yöntem sarmalayıcı sınıf uygulamasının H3DAPI kullanırken, kaynak kodu değiştirmeden, farklı robotlar için kullanılacak sağlar. Özellikle, H3D haptik / grafik ortamında yazılı ve hayali bir robot ile deney test araştırmacılar, aynı veya benzer WAM Barrett kullanarak deney ve tersi yürütmek mümkün olacaktır. Bu tür bir cihazdan bağımsız olarak çapraz-iletişim, uluslararası rehabilitasyon robotik araştırma etkileri taşır. Bu tür etkileri haptik / grafik hızlı gelişimi, uluslararası araştırma işbirliği, ve inter-araştırma laboratuvarı iletişimi kolaylaştırır. Rehabilitasyon robotik motor öğrenme katılan çok sayıda parametreleri ortaya çıkarmak için henüz. Haptik / grafik geliştirme sırasında zaman alıcı adımları Bir derleme zamanı içerir. Birçok rehabilitasyon parametreleri, her program için derleme zamanı ile bileşik ile, olası tüm grup permütasyon test geliştirme yaşam döngüsü hızla yükselir. H3D, derleme gereksinimleri yokluğu ile çok sayıda sanal gerçeklik sahneleri hızlı gelişimi sağlar. Bu, çeşitli eğitim senaryoları etkileri prob isteyen bu araştırmacılar için bir avantaj olarak geliyor. Sınırlamalar bu &#39;sabit kodlanmış&#39; sarmalayıcı sınıf entegrasyon yaklaşımı bu yordamı H3DAPI yeni bir dağıtım vardır her zaman tekrar edilmesi gerektiğini gerçeği içerir. Sarmalayıcı sınıf H3DAPI son dağıtım içine entegre Olası değişiklikler H3DAPI ayrı wrapper sınıf oluşturmak için olacaktır. Daha sonra bir *. böylece kitaplık dosyası içine sarmalayıcı sınıf koymak istiyorsunuz. Bu orijinal H3DAPI dağıtım sınıf izole edebilir.

<ol><li> Paris denilen Ekran (kişisel artırılmış gerçeklik daldırma sistemi) adresinde bulunabilir <a href="http://www.evl.uic.edu">www.evl.uic.edu</a> </li><li> Büyük gri robot Barrett WAM <a href="http://www.barrett.com">www.barrett.com</a> </li><li> Küçük, skinnier siyah robot Phantom: <a href="http://www.sensable.com">www.sensable.com</a> </li><li> Kol montaj RIC geliştirilen T-WREX: <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> 3d vizyon için obtüratör gözlük: <a href="http://www.vrlogic.com">www.vrlogic.com</a> </li><li> Baş izleme yazılımı. <a href="http://www.mechdyne.com">www.mechdyne.com</a> </li><li> H3DAPI kendisi: <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

Uzun süreli tedavi uygulamaları için interaktif cihazların test Son zamanlarda yapılan araştırmalar, biofeedback, grafik ve diğer formları ile birlikte robotlar için yeni umutları ortaya çıkarmıştır. Önceki insan-robot interaktif sistemler gereksiz gelişim havai zaman yol açan yeni bir sistem kullanılabilir hale gelir her zaman her robot için uygulanmak üzere, farklı yazılım komutları gerekli var. Örneğin, bir haptik / grafik sanal gerçeklik ortamında dokunsal geribildirim sağlamak için belirli bir robot için kodlanmış edildiğinde, bu özel robot programı Recoding olmadan başka bir robot için işlem mümkün olmaz. Ancak, açık kaynak topluluğu son çabalar kullanılan robot ne olursa olsun hemen hemen aynı tepkiler sarmalayıcı sınıf bir yaklaşım önerdi. Sonuç paylaşılan kod kullanarak benzer deneyler gerçekleştirmek için dünya genelinde araştırmacılar yol açabilir. Bu nedenle başka bir robot modüler bir &quot;geçiş&quot; geliştirme süresini etkilemez. Bu çalışmada, biz, yazılım, tüm robotlar tarafından en sık kullanılan komutları entegre açık-kaynak H3DAPI içine bir robot için bir sarmalayıcı sınıf başarılı bir şekilde oluşturulması ve uygulanması anahat.

Watch this Scientific Journal Video about Haptic/Graphic Rehabilitation: Integrating a Robot into a Virtual Environment Library and Applying it to Stroke Therapy at JoVE.com

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

Son zamanlarda, umutları büyük bir miktarı, insan-robot interaktif sistemleri için gelmiş. Bu yazıda, açık kaynak kodlu yazılım ile hızla etkileşimli işlevselliği olası bir kütüphane yapabilirsiniz yeni bir robotik cihaz entegrasyonu anahat. Daha sonra bir nörorehabilitasyon uygulama için bir klinik uygulama anahat.

Haptik / Grafik Rehabilitasyon: Sanal Ortam Kitaplığı Robot entegre ve İnme Tedavisi için uygulanması

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 Görüntüleme.  University of Illinois at Chicago and Rehabilitation Institute of Chicago. Son zamanlarda, umutları büyük bir miktarı, insan-robot interaktif sistemleri için gelmiş. Bu yazıda, açık kaynak kodlu yazılım ile hızla etkileşimli işlevselliği olası bir kütüphane yapabilirsiniz yeni bir robotik cihaz entegrasyonu anahat. Daha sonra bir nörorehabilitasyon uygulama için bir klinik uygulama anahat.

Video: 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.

3T fMRI Haptik Robot Adaptasyon

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

Biyomühendislik

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.

DNA Origami bir Bio-duyarlı Robot Tasarımı

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.

Vibrotactile Uyaranların için İstemli motor Yanıtları güncelliği ve doğruluğundan değerlendirilmesi için bir yöntem

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).

İnsan Serumda kardiyak biyolojik ölçmek için olağanüstü optik iletim kullanma

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 nanotüpler Semiflexible polimerler eğitim için çok yönlü bir araç olarak

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.

Sıvı işleme bir yüksek üretilen iş ileri kimyasal genetik ekran Arabidopsis thaliana yapmak için Robot kullanımı en iyi duruma getirme

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.

Referansta bulunmadığı Pasifik Istiridyeleri neredeyse sıralı cDNA Kütüphanesi üretimi için bir converging stratejisi

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.

Bir do-it-yourself Bioprinter ile tasarlanan Biyosilmların üç boyutlu deseni

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.

Spasticity ile Inme hastalarda streç refleks ölçümleri için test-retest ve Inter-Rater güvenilirlik geliştirmek için isokinetic robotik cihaz

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

Kombinatoryal Plug Üretimi için Mikroakışkan Bir Cihazın Kurulumu

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.

Yazar Spotlight: Hesaplamalı ve Deneysel Yaklaşımları Hassas Onkolojiye Entegre Etme

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.

Kombinatoryal Fiş Üretimi için İki Katmanlı Mikroakışkan Cihaz

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