A gripping assistance device for independence in daily life activities : design, prototyping and validation

The use of the upper limb and of the hand to perform activities of daily life is fundamental, throughout independence. With our hands, indeed, we carry out the essential actions for our survival and daily routine, such as eating, drinking, moving objects, use a laptop. When the movement of the limb is limited due to a neurological disorder or a trauma, the independence of the subject is drastically reduced. In the last decades, the interest in hand rehabilitation using medical robotics increased, and some devices have been developed in order to help the patient to achieve functional recovery or compensation for the loss of motor functions. The purpose of this work was to develop, prototype and validate a device for the hand grip assistance (Modulo di Assistenza alla Presa - MAP). It can be used as an assistive tool or in a rehabilitation scenario. The system is based on the electromagnetic concept according to which, in a wire powered with a current, an electromagnetic field is created. If we wound a ferromagnetic core with the wire, the core is magnetized and it exerts an attractive force on another ferromagnetic element that is positioned on an object, allowing to lift it. The hand grip system provides two different types of grip: the palmar and the dorsal grip. In the first case, grip assistance is accompanying the natural grasping and can be modulated, according to the residual ability of the end-user. The dorsal handle is used for patients with limb paresis and retractions and, therefore, unable to grasp objects autonomously. To validate the MAP system, we performed experimental tests in the laboratory environment and on-field tests with target end-users. During the experimental tests, we evaluated: i) the strength of the gripping system, ii) the maximum temperature reached during the use, and iii) the discharging rate of the battery. The on-field tests were conducted at the Rehabilitation Institute Villa Beretta to test the performance and usability of the device on patients with upper limb impairments. The validation tests performed on the MAP are encouraging both in terms of performance of the system and in terms of its usability.

Per compiere le attività di vita quotidiana, l'uso degli arti superiori è di fondamentale importanza. Infatti, le nostre mani ci permettono di svolgere le azioni essenziali alla nostra sopravvivenza, come mangiare e bere, e le azioni che rientrano nella routine quotidiana di tutti, come spostare oggetti e utilizzare un laptop. Se, a causa di un disturbo neurologico o di un trauma, il movimento dell'arto superiore viene limitato, l'indipendenza del soggetto si riduce drasticamente. L'interesse per la riabilitazione della mano, attraverso l'utilizzo della robotica medica, è cresciuto molto negli ultimi decenni. Diversi dispositivi sono stati sviluppati per aiutare il paziente nel recupero funzionale dell'arto o per compensare la funzione motoria persa. Lo scopo di questo lavoro è stato progettare, sviluppare e validare un dispositivo per l'assistenza alla presa (Modulo di Assistenza alla Presa - MAP). Il sistema può essere utilizzato sia come strumento di assistenza che come strumento riabilitativo. Il concetto base del MAP è descritto dal fenomeno elettromagnetico, secondo il quale, in un filo percorso da corrente, si genera un campo magnetico. Se il filo viene avvolto attorno ad un nucleo ferromagnetico, questo si magnetizza, ed esercita una forza attrattiva su un altro elemento ferromagnetico, permettendo quindi, di sollevare un oggetto ad esso attaccato. Il sistema di assistenza alla presa consente l'utilizzo di due diversi tipi di aggancio: quello palmare e quello dorsale. Nell'aggancio palmare, accompagna l’azione naturale della presa di un oggetto e inoltre, la forza di presa può essere modulata in base all'abilità residua del paziente. L'aggancio dorsale, invece, può essere utilizzato da pazienti che presentano paresi agli arti e retrazioni, e che quindi, non sono in grado di afferrare oggetti indipendentemente. Per validare il MAP, sono stati condotti dei test sperimentali, sia in laboratorio che in clinica, coinvolgendo, nel secondo caso dei pazienti con disabilità agli arti superiori. Durante le prove sperimentali abbiamo valutato: i)la robustezza del sistema di presa, ii)la temperatura massima raggiunta durante l'utilizzo, e iii)la velocità di scarica della batteria. Le prove in clinica sono state effettuate presso l'Istituto di Riabilitazione Villa Beretta. La valutazione finale del MAP, secondo i test di validazione è molto positiva, sia in termini di prestazioni del sistema che in termini di usabilità.