Design and implementation of robotic devices for physical therapy of distal upper extremity

Abstract

Dünya Sağlık Örgütünün istatistiklerine göre, günlük hayatta karşılaşılan tüm yaralanmaların 1/3'ü el bölgesinde meydana gelmekte olup bu yaralanma vakaları yılda bir milyondan fazla olmaktadır. Fizyoterapi el yaralanmalarının tedavisinde uygulanan en yaygın yöntemdir. Robot destekli rehabilitasyon bu tedavi sürecinin masraflarını azaltmakla birlikte tekrarlı egzersizler ve niceliksel ölçüm imkanı sunmaktadır. Bu çalışmada, el terapisinde kullanılmak üzere iki adet robot tasarımı ve uygulaması sunulmaktadır.İlk robot tendon ameliyatı sonrası, tendon gerilimini belli limitler arasında tutarak ve yaralı bölgede dikişin kopmasını engelleyerek, parmağın fleksiyon/ extansiyon egzersizlerine yardımcı olmak için tasarlanmıştır. Bu robot aynı zamanda hareket genişliği sağlama ve güçlendirme çalışmalarında da kullanılabilecek şekildetasarlanmıştır.İkinci robot nörolojik yaralanmalar sonrası önkol/bilek ve kavrama terapisi için tasarlanmıştır. Gündelik yaşam aktiviteleri genellikle bilek ve elin ortak hareketlerini içermektedir. İkinci robot bu aktiviteleri destekleyecek şekilde bileğin abdüksiyon/addüksiyon, extansiyon/fleksiyon ve önkolun pronasyon/supinasyon hareketleri ile elin kavrama hareketini aynı anda hastaya yükleyebilmektedir. Kolaylıkla değiştirilebilen modüler sonlandırıcıları sayesinde robot farklı gündelik aktiviteleri uygulayabilmektedir. Ayrıca robot bilek ve önkolun izometrik gücünü ve hareket sınırlarını ölçmek içinkullanılabilir.Her iki robot da inşa edilip, performansları deneysel olarak nitelendirilmiştir. Ayrıca, insanlı deneyler ve kullanılabilirlik testleri düzenlenmiş olup, robotların el ve bilek tedavisinde kullanılabilirliği ve yararlılığı gösterilmiştir.

According to statistics of World Health Organization, hand injuries count for 1/3 of all injuries with more than one million emergency cases annually. Physical rehabilitation accounts for most of the recovery experienced by patients suffering from hand injury. Robotic devices decrease the cost of therapy while providing repetitive exercises with quantitative measurements. In this study, we present the design and implementation of two robotic devices for hand therapy. After kinematic type selection ensuring safety, ergonomics and adjustability; both of the devices are optimally dimensioned to achieve best kinematic and dynamic performance.The primary use for the first device is to assist flexion/extension motions of a finger within its full range, in a natural and coordinated manner, while keeping the tendon tension within acceptable limits to avoid rupture of the suture.The second device is designed for forearm/wrist and grasp therapy of a neurologically injured human arm and hand. Emphasizing the importance of coordinated movements of the wrist and the hand while performing activities of daily living (ADL) tasks, the device possesses 3 degrees of freedom and is designed to assist abduction/adduction and palmar/dorsal flexion of the wrist or pronation/supination of the forearm, concurrently with the grasping and releasing movements of the hand. Thanks to its modular, interchangeable end effectors, the device supports ADL exercises.Both devices are built and experimentally characterized. Human subject experiments and usability tests have been conducted for the devices and the efficacy of devices to deliver desired wrist and hand therapies have been demonstrated.