As the aging of the society progresses and medical treatment improves, the population of post-stroke survivors and spinal cord injury patients increases. In order to enhance the life quality of these patients, rehabilitation of their impaired limbs is essential. Especially the rehabilitation of the distal hand is important, as the recovery of the distal hand is known to be the most slow and limited. Recently, many compact wearable hand robotic devices have been developed for rehabilitation and assistance of the hand. Developing a compact sensing system that could correctly measure the hand configuration is important in these devices to control the joint coordinates with natural grasp trajectories, and evaluate the functionality of the hand quantitatively without losing the reachability and range of motion of the hand. Bending sensors enable compact design of glove-type hand robotic device, but the measurement of the thumb configuration is challenging due to the multi-degree of freedom movement, especially for the carpometacarpal(CMC) joint of the thumb. Also there are no internationally accepted single definition of the CMC joint coordinate system in hand rehabilitation and biomechanics. A bending sensor attached on any hand location tends to be deformed by movement of thumb in all DOFs which means that it always involves coupling effect. Considering that most locations at hand involve coupling effect, it is important to find sensor locations that have minimal coupling effect to make the thumb joint angle measurement more accurate. Utilizing the appropriate definition for thumb joint angle estimation is also im-portant to correctly reconstruct the thumb joint motion. In this dissertation, the thumb joint kinematics are investigated and the definition that could correctly estimate the thumb joint motion is suggested. Also a methodology to find optimal positions of the thumb CMC joint abduction sensor and flexion sensor is introduced, based on analysis of the deformation of the hand with 3D scanned images of the hand surface. The optimal positions of the sensors, derived by the suggested methodology, are evaluated by experimenting the bending sensors on those positions and comparing the estimated joint angles with respect to the reference CMC joint angles measured by 3D motion capture system. Brief calibration of the sensor signal into joint angle was done with the evaluation data, and the results were compared with the actual CMC joint angle. For 6 tested subjects the root-mean-square error of the calibrated sensors were 2.7 deg for the abduction sensor and 2.4 deg for the flexion sensor.
본 손 자세 측정 장치는 손 재활 혹은 보조기의 제어와 손의 작업성의 신뢰도 높은 평가를 위한 정량적 측정에 중요한 역할을 한다. 본 측정장치는 부피가 작은 굽힘 센서를 이용하여 간결하게 제작하여 손의 움직임에 대한 자유도 제한과 작업시의 피로도를 줄이고 도달할 수 있는 공간적 제한을 감소하였다. 특히 본 연구에서는 각도를 측정하기 어려운 엄지 Carpometa-calpal(CMC) 관절의 외전과 내전, 굽힘과 펴짐을 측정할 수 있는 굽힘 센서의 최적 위치에 대해 알아보았다. 본 논문에서는 목표 관절 움직임에 대해서는 뚜렷한 신호 변화를 보이면서, 다른 움직임과의 상호관계는 최소인 최적의 굽힘 센서 위치를 찾는 방법론을 제시하였다. 본 방법론은 엄지의 CMC 관절이 여러 가지 자세를 이룰 때 손 등쪽에 나타나는 표면의 변형을 3D 스캐너를 이용하여 얻어낸 3차원 표면을 이용하여 분석하고, 이를 통해 굽힘 센서가 특정 위치와 방향으로 손 등쪽에 부착되었을 때 신호의 변화를 추정하여 가장 최적의 반응을 보이는 위치와 방향을 찾는 방법이다. 10명의 피험자에 대해 본 방법을 이용하여 최적의 CMC 관절 굽힘 측정 센서와 CMC관절 외전 측정 센서 위치와 방향을 구하였으며 최적 위치상에서 다른 움직임과의 상관관계를 정량화하여 분석하였다. 추정된 최적 센서 위치에서 CMC 관절의 굽힘과 외전에 따라 센서 신호의 실제 변화를 알아보고 그 위치의 적합성을 평가하기 위해서 Vicon system을 이용하여 CMC 관절 각도를 구하는 동시에 평균적인 최적 위치에 센서를 배치하여 센서 값과 CMC 관절각도를 비교하는 실험을 6명의 피험자에 대해 수행하였다. 최적 위치 상의 센서는 간단한 캘리브레이션 후 실제 CMC 관절 각도와 비교하였고 root-mean-square error가 굽힘 측정센서는 2.4도 외적 측정센서는 2.7도로 줄일 수 있었다.
