Ítem
Acceso Abierto
Evaluación de funcionalidad de un exoesqueleto de mano en usuarios sanos
Título de la revista
Autores
Arias Muñoz, Valeria Del Pilar
Archivos
Fecha
2021-05-27
Directores
Múnera Ramirez, Marcela Cristina
Cifuentes García, Carlos Andrés
ISSN de la revista
Título del volumen
Editor
Universidad del Rosario
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Resumen
Los accidentes cerebrovasculares son uno de los mayores causantes de discapacidad en el mundo. Quienes sufren de esta condición, adquieren una discapacidad que incluye hemiparesia, pérdida de movimiento muscular y perdida de sensibilidad. Para el tratamiento de estas limitaciones, especialmente en el área de la mano, se han implementado equipos robóticos como los exoesqueletos de asistencia enfocados en la recuperación progresiva de la función motora. Numerosos estudios describen el desarrollo de exoesqueletos de mano diseñados en Soft-Robotics para terapias de rehabilitación de pacientes post-ACV y asistencia en actividades de la vida diaria. Su diseño en materiales blandos cuenta con una alta compatibilidad con el cuerpo humano, permitiendo que el sistema de actuación sea cómodo y con un bajo riesgo de tensiones dolorosas y cizalladuras. El proyecto PrExHand (Affordable and Modular Prosthetics and Exoskeletons for Hand Rehabilitation and Assistance, IAPP18-19/264), desarrollado por el centro de investigación en biomecatrónica (CB) de la Escuela Colombiana de Ingeniería Julio Garavito en colaboración con University College London y financiado por la Royal Academy of Engineering (RAE), busca la creación de un exoesqueleto de mano de bajo costo, modular, en pro de la rehabilitación y asistencia de la mano en personas post-ACV. El presente proyecto se centró en la evaluación del exoesqueleto de acción neumática, fabricado con estructuras textiles para la rehabilitación de mano. En el presente proyecto se busca evaluar el uso clínico del Exoesqueleto PrExHand en usuarios no patológicos para determinar la funcionalidad y usabilidad de este, y de esa manera, establecer los requerimientos de mejora que serán implementados en una próxima versión del dispositivo. Para cumplir dicho objetivo, inicialmente se evaluó el tiempo de actuación del exoesqueleto y el ángulo máximo de flexión alcanzado por este con el fin de analizar el grado de interferencia de los usuarios en la actuación del dispositivo. Posteriormente, se diseñó y ejecutó un protocolo de evaluación de funcionalidad en interacción con usuarios sanos conformado por tres pruebas de funcionalidad y un cuestionario de interacción dividido en dos preguntas generales, donde se analizó la capacidad del dispositivo de realizar las tareas asignadas en cada prueba y la satisfacción de los usuarios con éste. Adicionalmente, se evaluó la presencia y reiteración de movimientos compensatorios generados por el usuario durante el uso del exoesqueleto. A continuación, se diseñó un protocolo de evaluación del exoesqueleto en interacción con pacientes post-ACV, para su futura implementación, una vez realizadas las mejoras establecidas al dispositivo dentro del presente proyecto. Dichas mejoras fueron determinadas a partir de la ejecución del análisis de la funcionalidad y usabilidad de este. Los resultados obtenidos indicaron un tiempo de 11 segundos de actuación para alcanzar la máxima flexión del dispositivo en interacción con un usuario. Este fue un valor considerablemente elevado en comparación con los requerimientos de diseño teóricos, debido a la velocidad de actuación de la bomba de aire, cuya capacidad no es suficiente para realizar una flexión de los dedos en un tiempo de 2 segundos. Además, el exoesqueleto disminuyó un 51.5 % la capacidad de flexión de los dedos en interacción con usuarios al permitir únicamente 30.9° de inclinación. A pesar de esto, a partir del análisis funcional se corroboró la capacidad del dispositivo de ejecutar diversas tareas que requieren de agarres de fuerza y precisión, logrando levantar tanto objetos grandes de un peso de 450 gr como objetos pequeños como clips y monedas. La evaluación de usabilidad determinó que los usuarios estuvieron satisfechos con el tamaño, peso y facilidad de colocación del exoesqueleto, sin embargo, la disminución del nivel de satisfacción en cuanto a la funcionalidad y facilidad de utilización de este estableció un punto de mejora para ambos criterios. Adicionalmente, la presencia de movimientos compensatorios durante la ejecución del 88.8 % de las tareas y la evidencia de lesiones leves en el área localizada de la muñeca, indicó otra necesidad de mejora en el diseño del dispositivo en el ajuste de esta área. Finalmente, con el diseño del protocolo de evaluación de funcionalidad con pacientes post-ACV se expuso la necesidad del diseño de un protocolo de selección preliminar de pacientes para asegurar que la población objetivo pueda realizar las tareas asignadas y se disminuya el riesgo de eventos adversos. A partir del desarrollo de esta tesis se concluyó que la versión actual del exoesqueleto, si bien, cuenta con funcionalidad en aspectos como la capacidad de agarrar objetos de diferentes tamaños y una fuerza suficiente para levantar objetos cotidianos, es necesaria la implementación de mejoras de diseño como la disminución del tiempo de actuación, el uso de sensores para el análisis del rango de movimiento alcanzado por los actuadores y la implementación de un sistema de control para aumentar la eficiencia del dispositivo.
Abstract
Stroke is one of the major causes of disability in the world. Those who suffer from this condition acquire a disability that includes hemiparesis, loss of muscle movement and loss of sensation. For the treatment of these limitations, especially in the hand area, robotic equipment such as assistive exoskeletons have been implemented for the progressive recovery of motor function. Numerous studies describe the development of hand exoskeletons designed in Soft-Robotics for rehabilitation therapies of post-CVA patients and assistance in activities of daily living. Their design in soft materials features high compatibility with the human body, allowing the actuation system to be comfortable and with a low risk of painful strains and shearing. The PrExHand project (Affordable and Modular Prosthetics and Exoskeletons for Hand Rehabilitation and Assistance, IAPP18-19/264), developed by the Biomechatronics Research Center (CB) of the Escuela Colombiana de Ingeniería Julio Garavito in collaboration with University College London and financied by the Royal Academy of Engineering (RAE), seeks the creation of a low-cost, modular hand exoskeleton for hand rehabilitation and assistance in post-CVA individuals. The present project focused on the evaluation of the pneumatic action exoskeleton, manufactured with textile structures for hand rehabilitation. This project aims to evaluate the PrExHand exoskeleton in non-pathological users to determine its functionality and usability, and thus, to establish the improvement requirements to be implemented in a next version of the device. To meet this objective, the exoskeleton's actuation time and the maximum flexion angle reached by the exoskeleton were initially evaluated in order to analyze the user interference in the device's actuation. Subsequently, an evaluation protocol of functionality in interaction with healthy users was designed and executed, consisting of three functionality tests and an interaction questionnaire divided into two general questions, where the capacity of the device to perform the tasks assigned in each test and the users' satisfaction with it were analyzed. Additionally, the presence and repetition of compensatory movements generated by the user during the use of the exoskeleton was evaluated. Next, an evaluation protocol of the exoskeleton in interaction with post-CVA patients was designed for its future implementation, once the improvements established for the device within the present project had been made. These improvements were determined from the analysis of the device's functionality and usability. The results obtained indicated a time of 11 seconds of action to reach the maximum flexion of the device in interaction with a user. This was a considerably high value compared to the theoretical design requirements, due to the actuation speed of the air pump, which capacity is not sufficient to perform finger flexion in a time of 2 seconds. In addition, the exoskeleton decreased by 51.5 % the finger flexion capacity in interaction with users by allowing only 30.9° of inclination. Despite this, the functional analysis corroborated the device's ability to perform various tasks requiring strong and precise grips, lifting both large objects weighing 450 g and small objects such as paper clips and coins. The usability evaluation determined that users were satisfied with the size, weight and ease of placement of the exoskeleton, however, the decreased level of satisfaction with the functionality and ease of use of the exoskeleton established a point of improvement for both criteria. Additionally, the presence of compensatory movements during the execution of 88.8 % of the tasks and the evidence of mild injuries in the localized wrist area indicated another need for improvement in the design of the device in the adjustment of this area. Finally, with the design of the functionality evaluation protocol with post-CVA patients, the need for the design of a preliminary patient selection protocol was exposed to ensure that the target population can perform the assigned tasks and the risk of adverse events is decreased. From the development of this thesis it was concluded that the current version of the exoskeleton, although it has functionality in aspects such as the ability to grasp objects of different sizes and sufficient strength to lift daily life objects, it is necessary to implement design improvements such as reducing the actuation time, the use of sensors for the analysis of the range of motion achieved by the actuators and the implementation of a control system to increase the efficiency of the device.
Palabras clave
Evaluación funcional de exoesqueleto terapéutico de mano , Diagnostico de usabilidad del Exoesqueleto PrExHand , Tecnología medica , Diseño del protocolo de evaluación de funcionalidad y usabilidad de Exoesqueleto de mano en pacientes post accidentes cerebrovasculares (ACV) , Uso de guante con Exoesqueleto robotizado para la rehabilitación de pacientes con accidentes cerebrovasculares (ACV)
Keywords
Exoskeleton, Functionality, Rehabilitation, Soft Robotics, Usability , Functional evaluation of a therapeutic hand exoskeleton , Usability diagnosis of the PrExHand Exoskeleton , Medical technology , Design of the protocol for the evaluation of functionality and usability of the hand exoskeleton in patients after cerebrovascular accidents (CVA) , Use of glove with robotic exoskeleton for the rehabilitation of patients with cerebrovascular accidents (CVA)
