Recently, many soft wearable robotic devices have been developed to help rehabilitation of the motor function of the hand for patients post-stroke. However, current soft robotic devices are mostly limited to simple opening and closing of the fingers and thumb, while the versatility of the hand, grasping and manipulating objects with various postures, is essential for accomplishing daily activities for living and has become more important recently by the increased use of electronic devices in daily life (i.e. smartphones). Also, it is difficult to adjust to between-subject variation of joint impedance of patients with a simplified actuation design, which could lead to biomechanically unnatural joint kinematics with hyperextension. In this dissertation, we propose a dexterous soft hand rehabilitation device that could provide versatile tasks and biomechanically comfortable kinematics by implementing a novel agonist-antagonist actuation mechanism, bio-inspired from the structure and orientation of the extrinsic and intrinsic muscle-tendon units of the human hand. The interconnected structure between muscle-tendon units distributes the tendon force to multiple points of the finger and thumb, preventing unnatural extension, and the combined actuation of extrinsic and intrinsic tendons enabled adjustments to varied joint impedance and provide various postures with physiological kinematics. The proposed device could achieve various grasping tasks by the enlarged workspace of the thumb by assisting 2-DOF motion (opposition/reposition and flexion/extension). The actuation was conducted with a cable-actuated agonist (active actuation) and elastomer antagonist (passive actuation) to increase the assisted degrees of freedom while maintaining the compactness of the device. The kinematic and kinetic performance of the proposed device design was experimentally evaluated with chronic stroke survivors. The proposed device was able to restore normal kinematics and kinetics for patients with various joint impedance conditions, and various grasping tasks were achievable with the assistance, which are important for effective functional rehabilitation of the hand.
최근 뇌졸중 후 환자의 운동 기능 재활을 돕기 위하여 많은 착용형 소프트 로봇 장치가 개발되었다. 그러나, 다양한 자세로 물체를 잡고 조작하는 손의 다재다능성이 일상생활 동작을 수행하는데 필수적이며 스마트폰과 같은 전자기기의 사용이 증가함에 따라 그 중요도가 높아지고 있는 반면, 현재의 소프트 로봇 장치는 손가락과 엄지를 단순히 열고 닫는 움직임을 보조하는데 제한되어 있다. 또한, 이런 단순한 구동부 설계를 가진 장치는 환자에 따라 다양하게 나타나는 관절 강성에 적응하기 어려워 과신전과 같은 생체역학적으로 부자연스러운 관절 운동을 유발한다. 이 논문에서는 손의 내재근과 외재근의 근육-힘줄 구조와 위치를 모사한 작용근-길항근형 구동부 설계로 다재다능한 작업이 가능하고 생체역학적으로 편안한 움직임을 제공하는 다자유도의 소프트 손재활장치를 제안한다. 힘줄 사이의 상호 연결된 구조를 모사함으로써 손가락과 엄지의 여러 지점에 힘이 분배되어 과신전을 방지하며, 외재근과 내재근의 힘줄을 함께 사용하여 사용자의 관절 강성에 적응하여 다양하고 자연스러운 움직임을 제공한다. 제안하는 손재활장치는 2 자유도의 움직임(대립/복원과 굽힘/신전)을 보조하여 엄지의 작업 공간이 확대되어 다양한 파지가 가능하다. 보조 자유도를 증가시키는 반면 장치를 컴팩트하게 유지하기 위하여 작용근은 케이블 구동방식(능동구동)으로, 길항근은 탄성체(수동구동)로 움직임을 보조한다. 제안하는 손재활장치는 만성 뇌졸중 환자를 통해 운동학적/역학적 성능을 평가하였다. 본 장치는 다양한 관절 강성 조건을 가진 뇌졸중 환자에 대해 정상적인 운동과 역학을 복원할 수 있었으며, 장치의 보조를 통해 다양한 파지 동작이 수행 가능함을 확인하였다. 다자유도의 소프트 손재활장치를 활용함으로써 반복적으로 다양한 파지동작을 생체역학적으로 편안한 움직임으로 수행하도록 도움으로써 손 기능 회복의 효과를 향상시킬 것으로 기대된다.
