Accessible orthosis for rehabilitation or functionalization of the hand and fingers

Dissertação de mestrado integrado em Engenharia Biomédica, Biomateriais, Reabilitação e BiomecânicaCom a crescente população e respetiva longevidade, surge uma maior necessidade de reabilitação derivada de fatores inerentes à idade e à maior taxa de sobrevivência a doenças e traumas. Isto também se demonstra verdade na reabilitação da mão e dos dedos. Os AVCs, a rutura dos tendões flexores e as lesões da medula espinhal, são algumas situações onde é necessária a reabilitação para recuperar a funcionalidade da mão. No entanto, a exigência de recursos humanos, monetários, espaciais e temporais, dificulta a reabilitação ótima. A utilização de dispositivos complementares ao terapeuta possibilita uma reabilitação independente e frequente, poupando, às unidades de saúde, os recursos supramencionados. O interesse nesta área demonstra-se pelo aumento do número de trabalhos científicos incidentes. Por outro lado, estes dispositivos não têm grande expressão no mercado atual, o que se deve, principalmente, à deficiente acessibilidade aos utilizadores. Este projeto tem como objetivo o desenvolvimento de uma ortótese para reabilitação ou funcionalização da mão e dedos que seja acessível à população necessitada. O dispositivo desenvolvido tem quatro motores e um mecanismo de transmissão redundante (onde os constrangimentos são definidos aquando da colocação nos dedos) que permite flexão e extensão independentes de cada dedo, exceto o polegar. A cinemática foi analisada com estudos de movimento e as cargas foram avaliadas com estudos estáticos e análise estrutural com as cargas aferidas no estudo de movimento. Nas simulações, tanto a flexão como a extensão foram alcançadas em quatro segundos. Foi construído um protótipo do sistema de transmissão, cuja cinemática correspondeu às da simulação e respeitou a biomecânica dos dedos. Na flexão máxima, o exoesqueleto seria capaz de segurar objetos que exercessem uma força normal de até 20 N. O dispositivo manteve a sua integridade estrutural nas simulações e o peso e o custo de produção previstos eram consistentes com os requisitos. Os critérios anteriores e a adaptabilidade do dispositivo mostram o potencial de competitividade no mercado e de utilização tanto nas unidades de saúde como a título individual.As the population and its longevity grows, the need for rehabilitation increases as a result of age-related factors and higher survival rates from disease and trauma. This is also true for rehabilitation of the hand and fingers. Strokes, ruptures of flexor tendons, and spinal cord injuries are examples of situations in which rehabilitation is necessary to restore normal hand function. However, the human, financial, space, and time resource requirements associated with rehabilitation often mean that populations in need do not have access to optimal rehabilitative care, making it more difficult for patients to recover. Therefore, the use of devices that complement the therapist is an interesting alternative, as it makes rehabilitation more independent and frequent, saving healthcare institutions the resources mentioned above. The interest in this research area is evidenced by the increasing number of scientific articles. On the other hand, these devices are not yet very widespread in the current market, mainly due to poor accessibility for users. This project aims to develop an orthosis for rehabilitation or functionalization of the hand and fingers, accessible to the needed population. The newly developed device has four motors and a redundant transmission system that allows independent flexion and extension of each finger, except the thumb. Kinematics were analyzed with motion studies and loads were evaluated with static studies and structural analysis using motion loads. In the simulations, both flexion and extension were achieved in four seconds. A prototype transmission system was built whose kinematics matched that of the simulation and corresponded to the biomechanics of the fingers. At maximum flexion, the exoskeleton would be able to hold small objects and exert a normal force of up to 20 N with structural integrity. The device maintained its structural integrity in the simulations and the predicted weight and production cost were consistent with the requirements. The previous criteria and the adaptability of the device show the potential for market competitiveness and for use in both healthcare facilities and individual households