| dc.description.abstract | Manglende evne til å bevege hender er en viktig årsak til funksjonshemning tap av uavhengighet i aktiviteter i dagliglivet og nedsatt livskvalitet. Forskjellige typer hjelpemidler er laget for rehabilitering eller kompensasjon for motorisk svekkelse i øvre lemmer. Store og stasjonære enheter for rehabilitering av hånd og arm som fungerer i kliniske omgivelser representerer mest forskning og utvikling som er gjort i dette fagfeltet. hjelpemidler for kompensasjonsformål hjemme har imidlertid blitt mindre utforsket. I tillegg er det ingen kommersielle løsninger som kan hjelpe pasienter med hånd-, håndledds-, albue- og skulderbevegelser i en enkelt løsning hjemme. Den anatomiske kompleksiteten i hender og armer og strenge krav fra brukere og interessenter gjør utvikling av et slikt hjelpemiddel til en spennende og engasjerende teknisk og etreprenøriell utfordring.
Denne masteroppgaven handler om utvikling av et håndeksoskelett som kan integreres i et eksisterende, men ikke kommersialisert armeksoskelett kalt MotOrtose. Denne oppgaven introduserer en smidig produktutviklingsprosess i fire faser for å definere problemet, utvikle løsninger, gjennomføre en klinisk utprøving av utviklede løsninger, og CE-merke og kommersialisere et eksoskelett for en fullstendig lammet arm. Den smidige produktutviklingsmetoden er tilpasset for å ta unike faktorer som godkjenningsprosesser fra myndighetene og kompleksiteten til det fysiske medisinske utstyret i betraktning.
I den første fasen undersøkes brukernes og interessenters krav til et håndeksoskelett integrert i et arm eksoskelett gjennom femten intervjuer. Seksten produktfokuserte kravuttalelser er hentet fra analysen av intervjuene, og deres relative viktighet blir identifisert. Basert på en litteraturstudie av eksisterende løsninger og markedskravene definerer produktutvikleren femten ytelsesmål, og ideell og akseptabel ytelse bestemmes.
I den andre fasen har tre konsepter blitt generert ved å kombinere forskjellige løsninger i hvert delsystem i håndeksoskelettet. Et konsept som etterligner funksjonen av sener er valgt basert på best forutsagte ytelse i forhold til markedskrav og ytelsesmål. Etter flere prototyper og testiterasjoner, et håndeksosskelett er laget og integrert i MotOrtose. Eksoskelettet stabiliserer håndleddet i en nøytral posisjon, stabiliserer tommelen og aktiverer indeksen og langfingeren i bøyning og åpning. Aktuatorsystemet består av en kontinuerlig-rotasjon-servomotor og en skreddersydd spole som trekker senemimiterende overføringskabler for lukking og åpning ved å rotere i forskjellige retninger. I prototypen for hele systemet blir brukerens heniskt registrert med talekommandoer kombinert med en knapp eller en sip-and-puff toakse joystick plassert foran brukerens munn. Følgende blir intensjonen oversatt til hastighetsverdier for motorene som tillater brukeren å kontrollere hjelpemidlet til ønsket posisjon.
En evaluering av prototypen i hele systemet gjøres av fem friske frivillige, inkludert en lege, en sykepleier, en ortopeditekniker og to studenter. Testdeltakerne har vurdert ytelsen til hjelpemidlet i forhold til markedskravene fra intervjuene. Til tross for noen pålitelighetsproblemer, viser testene at konseptet fungerer. Disse evalueringene har også fremhevet de betydelige utfordringene med hensyn til sikkerhet og komfort mens enheten brukes. Til slutt blir fremtidig arbeid som innebærer videre produktutvikling, forberedelser til en klinisk utprøving og CE-merking beskrevet. | |
| dc.description.abstract | Inability in moving hands is a significant reason for loss of independence, disability in doing activities of daily living, and decreased quality of life. Various types of assistive devices are made for rehabilitation or compensation of upper limb motor impairment. Big and stationary devices for rehabilitation of the hand and arm functioning in clinical settings represent most research and development on this topic. However, assistive devices for compensation purposes at home are less explored. In addition, there is no commercial solution that can assist patients with hand, wrist, elbow, and shoulder movements in one single solution at home. The anatomical complexity of hands and arms and strict requirements from users and stakeholders make developing such an assistive device an engaging engineering and entrepreneurial challenge.
This master’s thesis concerns developing a hand exoskeleton that can be integrated with an existing but not commercialized arm exoskeleton called MotOrtose. This thesis introduces an agile product development process in four phases to define the problem, develop solutions, clinically test the solutions, and CE-mark and commercialize an exoskeleton for a fully paralyzed arm. The agile product development method has been customized to take unique factors like regulatory approval processes and the complexity of the physical medical device into consideration.
In the first phase, users’ and stakeholders’ requirements for a hand exoskeleton integrated with an upper limb exoskeleton are investigated through fifteen interviews. Sixteen product-focused requirement statements are extracted from the analysis of the interviews, and their relative importance is identified. Based on a literature study of state-of-the-art devices and the market requirements, the product developer defines fifteen performance measures, and ideal and acceptable performance are determined.
In the second phase, three concepts have been generated by combining different solutions in each subsystem of the hand exoskeleton. A tendon-driven concept is selected based on best-predicted performance relative to the market requirements and performance measures. After several prototypes and test iterations, a hand exoskeleton integrable in MotOrtose has been built. The exoskeleton stabilizes the wrist in a neutral position, stabilizes the thumb, and actuated the index and the long finger in flexion and extension (closing and opening). The actuation system consists of a continuous rotation servo motor and a custom-made spool that pulls tendon-mimicking transmission cords for flexion and extension by rotating in different directions. In the full-system prototype, the user’s intent is captured by speech commands combined with a button or a sip-and-puff two-axis joystick placed in front of the user’s mouth. Followingly, the intent is translated to velocity values for the motors allowing the user to control the aid.
An evaluation of the full-system prototype is done by five healthy volunteers, including a medical doctor, a nurse, an orthopedic technician, and two students. The test participants have rated the performance of the aid relative to market requirements derived from the interviews. Despite some reliability issues, the tests prove that the concept works. These evaluations have also highlighted the significant challenges regarding safety and comfort while wearing the device. Finally, the future work, further steps in product development, preparation for a clinical trial, and CE-marking are explained. | |