Funkcionalna ortoza za roko s tridimenzionalno natisnjenimi mehkimi pnevmatskimi aktuatorji

diplomsko delo

Mija Rejec (Avtor), Miha Fošnarič (Recenzent), Andrej Lebar (Mentor), Tomaž Lampe (Komentor)

Povzetek

Uvod: Roka je izjemno kompleksen organ, zato ponovna vzpostavitev njene funkcije predstavlja izziv. Obstaja več vrst ortoz, ki jih predpisujemo pri okvarah. Za namen izboljšanja funkcije so to ročne funkcionalne ortoze ali ročni eksoskeleti. Obstaja jih več vrst in temeljijo na različnih principih delovanja. Sestavljeni so iz statične osnove in dinamičnih komponent. Slednje predstavljajo aktuatorji, največkrat elektromotorji. Sistemi, ki jih uporabljajo, so sicer dovolj močni in natančni v nekem omejenem obsegu gibanja, vendar togi in zato težki, okolici neprilagodljivi, pogosto tudi neprenosljivi, energijsko potratni, nevarni pri interakciji s človekom in posledično nepraktični za uporabo. Pomanjkljivosti lahko zaobidemo, če v snovanje ortoz vključimo spoznanja mehke robotike. Ta inspiracijo za oblikovanje sistemov črpa iz narave, za izdelavo pa uporablja mehke, prilagodljive materiale. Mogoče je izdelati mehke aktuatorje, za katere so navadno navdih mišice. Glede na način delovanja jih obstaja več vrst, najbolj raziskani in najpogosteje uporabljeni so pnevmatski. Njihovo delovanje je odvisno od dovedene energije, geometrije dizajna in lastnosti materiala, iz katerega so narejeni. Zaradi svojih lastnosti so primerni za številne aplikacije na različnih področjih, tudi v ortotiki in protetiki. Izdelavo mehkih aktuatorjev in inovativnih statičnih osnov eksoskeletov omogočajo predvsem napredne aditivne tehnologije. Namen: Namen diplomskega dela je izdelati in predstaviti prototip funkcionalne ortoze za roko, za pomoč pri izvedbi ekstenzije prstov, ki jo poganjajo 3D natisnjeni mehki pnevmatski aktuatorji. Metode dela: Za predstavitev teoretičnega okvirja je bil uporabljen pregled literature. Članke, omejene na leto objave med 2013 in 2023, smo iskali v različnih podatkovnih bazah, predvsem v angleškem jeziku. Raziskovalni del obsega opis postopka izdelave funkcionalne ortoze za roko. Pred tem je v strnjeni obliki opisana celotna pot raziskovanja, ki je pripeljala do končne ideje in izvedbe le-te. Izdelali smo prototip ortoze. Sestavljena je iz statične osnove in funkcionalnega dela oziroma dinamičnih komponent. Kot statično osnovo smo iz 3D natisnjenih komponent sestavili eksoskelet. Funkcionalni del predstavljajo vrvični potegi, 3D natisnjeni mehki pnevmatski aktuatorji in kompresor. Rezultati: Najpomembnejše dinamične komponente so aktuatorji. Natisnili smo različne modele aktuatorjev in jih testirali. Dosegajo različne maksimalne sile in skrčke, na njihovo delovanje pa vpliva več dejavnikov. Razprava in zaključek: Nastala funkcionalna ortoza za roko je primerna za uporabo pri več patologijah, do neke mere nastavljiva po velikosti in korekcijsko prilagodljiva. Je mehka, lahka, udobna in zračna. Ne ovira preveč senzorike in propriocepcije, prav tako ne omejuje ohranjenega gibanja roke. Ne ustvarja prevelikih sil ali sunkovitih premikov, ne povzroča škodljivih navorov na sklepe prstov in je zato varna za uporabo. Vseeno je le prototip, ki ima zato še kar nekaj, sicer rešljivih, pomanjkljivosti. Izboljšati bi bilo potrebno tako statično osnovo, kot aktuatorje, ki niso še dovolj močni za praktično uporabo, vendar zadovoljivo prikažejo princip delovanja ortoze. Zdelo se je vredno izpostaviti nekaj idej za nadaljnje raziskovalno delo, saj posamezne komponente obetajo.

Ključne besede

diplomska dela;ortotika in protetika;roka;eksoskelet;mehka robotika;mehki aktuatorji;pnevmatika;3D tisk;

Podatki

Jezik:	Slovenski jezik
Leto izida:	2024
Tipologija:	2.11 - Diplomsko delo
Organizacija:	UL ZF - Zdravstvena fakulteta
Založnik:	[M. Rejec]
UDK:	617.3
COBISS:	197044483
Št. ogledov:	115
Št. prenosov:	20
Ocena:	0 (0 glasov)
Metapodatki:

Ostali podatki

Sekundarni jezik:	Angleški jezik
Sekundarni naslov:	Soft hand exoskeleton with threedimensional printed soft pneumatic actuators
Sekundarni povzetek:	Introduction: The hand is an extremely complex organ, so restoring its function presents a challenge. There are various types of orthoses prescribed for impairments. For the purpose of improving function, these are hand exoskeletons. There are several types based on different operating principles. They consist of a static base and dynamic components. The latter include actuators, most often electric motors. While the systems they employ are powerful and precise within a limited range of motion, they are rigid and consequently heavy, inflexible to the environment, often non-transferable, energy-intensive, hazardous in interaction with humans, and thus impractical for use. These shortcomings can be circumvented by incorporating insights from soft robotics into orthosis design. Soft robotics draws inspiration from nature for system design, utilizing soft, adaptable materials for construction. Soft actuators can be manufactured, typically inspired by muscles. Their operation depends on supplied energy, design geometry, and material properties. Due to their characteristics, they are suitable for numerous applications across different fields, including orthotics and prosthetics. The development of soft actuators and innovative static bases for exoskeletons is primarily facilitated by advanced additive manufacturing technologies. Purpose: The purpose of this thesis is to design and present a prototype hand exoskeleton to assist in finger extension, powered by 3D-printed soft pneumatic actuators. Methods: A literature review was conducted to establish the theoretical framework. Articles published between 2013 and 2023 were searched in various databases, primarily in English. The research component involves describing the process of manufacturing a hand exoskeleton. Before that, the entire research path leading to the final idea and its implementation is summarized. We developed a prototype orthosis consisting of a static base and a functional part, incorporating dynamic components. The static base was assembled from 3D-printed components. The functional part includes cable pulls, 3D-printed soft pneumatic actuators, and a compressor. Results: The most important dynamic components are the actuators. We printed various models and tested them. They achieve different maximum forces and contractions, with their operation influenced by several factors. Discussion and Conclusion: The resulting hand exoskeleton is suitable for use in various pathologies, adjustable to some extent in size, and adaptable in correction. It is soft, lightweight, comfortable, and breathable. It does not overly impede sensory perception and proprioception, nor does it restrict retained hand movement. It does not generate excessive forces or abrupt movements, nor does it cause harmful torques on finger joints, making it safe for use. Nevertheless, it is only a prototype and thus has several, albeit solvable, shortcomings. Both the static base and actuators need improvement, as the latter are not yet powerful enough for practical use but adequately demonstrate the orthosis's operating principle. It seemed worthwhile to highlight some ideas for further research, as individual components hold promise.
Sekundarne ključne besede:	diploma theses;orthotics and prosthetics;hand;exoskeleton;soft robotics;soft actuators;pneumatics;3D printing;
Vrsta dela (COBISS):	Diplomsko delo/naloga
Študijski program:	0
Komentar na gradivo:	Univ. v Ljubljani, Zdravstvena fak., Oddelek za protetiko
Strani:	64 str.
ID:	24230275