Development of a wearable exoskeletal device based on multi-sensor data fusion and soft robotics for neural rehabilitation of the human hand
Creators: name: Φίσκα, Βασιλική Ανδρέα
Publisher: name: Aristotle University of Thessaloniki
Year: 2022
Subjects: subject: Soft Robotics
subject: Βιοϊατρική Μηχανική
subject: Νευρική Αποκατάσταση
subject: Φορητή Συσκευή
subject: Εξωσκελετική Συσκευή
subject: Σύνθεση δεδομένων πολλαπλών αισθητήρων
subject: Μικροελεγκτές
subject: Biomedical Engineering
subject: FOS: Medical engineering
subject: Neural Rehabilitation
subject: Wearable Computing
subject: Exoskeletal Device
subject: Multi-Sensor Data Fusion
subject: Microcontrollers

description: Loss of hand motor function can be the consequence of a variety of conditions, including carpal tunnel syndrome, arthritis or peripheral neuropathy issues caused by a stroke or spinal cord injury. An impaired hand may cause difficulties performing grip-related activities of daily living. One of the most difficult areas in rehabilitation is the recovery of motor function in the human hand and upper extremities. While robot-assisted therapy has yielded promising results in recent decades, the development of soft robotic hand rehabilitation devices remains work in progress. The purpose of the present thesis is the design and construction of a wearable prototype in the shape of a glove that is capable of both multi-sensor data fusion and soft robotics actuation in order to aid in the neural rehabilitation process of the human hand. The technologies involved focus on in portability, wearability and power autonomy, while the sensors of the proposed system measure pressure, elasticity, acceleration and the electrical currents generated in muscles during contraction representing neuromuscular activities. The actuation system is implemented by a pneumatic, flexible soft-shell exoskeletal device capable of assisting the movement of the fingers. It is automatically activated based on the multi-sensor data via communication software. Several validation experiments were designed and conducted, including two sessions of motor activities that were performed as rehabilitation exercises by two healthy subjects. The outcomes of this process demonstrate technical characteristics and capabilities of the device, as dictated by the thesis statement and the project objectives. Future development of the soft robotic glove prototype presented in this thesis could be advanced to support the upper limb, eventually leading to a full soft robotic wearable suit to enhance human mobility during the rehabilitation process. Overall, the development of soft robotic wearable devices to aid in the process of human body rehabilitation is a promising direction for research and development in Biomedical Engineering for the foreseeable future.
description: Η απώλεια της κινητικής λειτουργίας του χεριού μπορεί να προκύψει ως συνέπεια ποικίλων καταστάσεων, όπως το σύνδρομο καρπιαίου σωλήνα, η αρθρίτιδα ή προβλήματα περιφερικής νευροπάθειας που προκαλούνται από εγκεφαλικό επεισόδιο ή τραυματισμό του νωτιαίου μυελού. ́Ενα εξασθενημένο χέρι μπορεί να προκαλέσει δυσκολίες στην εκτέλεση καθημερινών δραστηριοτήτων που σχετίζονται με τη λειτουργία και το κράτημα του χεριού. Η αποκατάσταση της κινητικής λειτουργίας του ανθρώπινου χεριού και του άνω άκρου είναι ένα από τα πιο απαιτητικά ζητήματα σε ότι αφορά την αποκατάσταση. Αν και οι θεραπείες με τη βοήθεια ρομποτικών συσκευών έχουν πετύχει ενθαρρυντικά αποτελέσματα τις τελευταίες δεκαετίες, η ανάπτυξη εύκαμπτων ρομποτικών συσκευών αποκατάστασης χεριών παραμένει ένα έργο σε εξέλιξη. Σκοπός της παρούσας διπλωματικής εργασίας είναι ο σχεδιασμός και η κατασκευή ενός φορητού προτύπου σε σχήμα γαντιού, ικανού τόσο για σύντηξη δεδομένων πολλαπλών αισθητήρων όσο και για ενεργοποίηση μαλακής ρομποτικής προκειμένου να βοηθήσει στη διαδικασία νευρικής αποκατάστασης του ανθρώπινου χεριού. Οι τεχνολογίες που εμπλέκονται δίνουν έμφαση στη φορητότητα, την φορεσιμότητα και την αυτονομία ισχύος, ενώ οι αισθητήρες του προτεινόμενου συστήματος μετρούν την πίεση, κάμψη, επιταχυνσιομετρία και ηλεκτρομυογραφία. Το σύστημα ενεργοποίησης υλοποιείται από μια πνευματική εξωσκελετική συσκευή με μαλακό και εύκαμπτο κέλυφος ικανή να υποβοηθήσει την κίνηση των δακτύλων. Η συσκευή ενεργοποιείται αυτόματα με βάση τα δεδομένα πολλαπλών αισθητήρων μέσω λογισμικού ρομποτικού ελέγχου. Διεξήχθη σειρά πειραμάτων επικύρωσης των σχεδιαστικών προδιαγραφών του εγχειρήματος, τα οποία περιελάμβαναν δύο συνεδρίες κινητικών δραστηριοτήτων που πραγματοποιήθηκαν ως ασκήσεις αποκατάστασης από δύο υγιή άτομα. Τα αποτελέσματα αυτής της διαδικασίας καταδεικνύουν τα τεχνικά χαρακτηριστικά και τις δυνατότητες της συσκευής, όσον αφορά τις σχεδιαστικές προδιαγραφές και τους στόχους το όλου εγχειρήματος. Η μελλοντική ανάπτυξη του εύκαμπτου ρομποτικού γαντιού που παρουσιάζεται στην παρούσα διπλωματική εργασία θα μπορούσε να εξελιχθεί για να υποστηρίξει ολόκληρο το άνω άκρο, οδηγώντας τελικά σε ένα πλήρες φορέσιμο σύστημα εύκαμπτης ρομποτικής για την υποστήριξη και βελτίωση της κινητικότητας της ανθρώπινης λειτουργίας κατά τη διάρκεια φυσικής αποκατάστασης.