Simple demonstrator of the artificial hand movement system

• Autorzy: Drozdowicz Mikołaj , Watral Zbigniew , Michalski Andrzej

Identyfikatory

DOI

10.15199/48.2025.02.56

Warianty tytułu

PL

Prosty demonstrator systemu ruchu sztucznej ręki

• Języki publikacji: EN

Abstrakty

EN

The designed and manufactured demonstrator shows the technical possibilities of reproducing the biomechanics of the hand using not very complicated technical tools and with low financial outlays. In the first stage of the project, an anatomical analysis of the human hand without injuries or genetic changes was performed to appropriately select conventional substitutes for the anatomical structures present in it. The data obtained in this way served as the basis for the development and construction of the demonstrator actuator system. It includes a real model of the artificial hand with an electronic system that allows wireless Bluetooth communication and control of servomechanisms. Then, a high-level control system was designed to allow control over the artificial hand. This system was designed to be intuitive to use and at the same time allow for all possible combinations of finger movements. The production technique in 3D-FDM printing technology (Fused Deposition Modelling) was selected to make the demonstrator's construction, using PLA (polylactic acid) material. Such a choice is a compromise between costs, production time and precision, and advancement of the artificial hand demonstrator. The constructed demonstrator was tested using a comparative method. Representative functional positions of the human hand were forced in the artificial hand demonstrator, and the quality of the obtained reproduction was assessed by the organoleptic method.

PL

Zaprojektowany i wykonany demonstrator pokazuje techniczne możliwości odtworzenia biomechaniki ręki przy użyciu niezbyt skomplikowanych narzędzi technicznych i przy niewielkich nakładach finansowych. W pierwszym etapie projektu przeprowadzono analizę anatomiczną dłoni ludzkiej bez uszkodzeń i zmian genetycznych w celu odpowiedniego doboru konwencjonalnych zamienników występujących w niej struktur anatomicznych. Uzyskane w ten sposób dane posłużyły jako podstawa do opracowania i budowy układu wykonawczego demonstratora, który zawiera prawdziwy model sztucznej dłoni wraz z układem elektronicznym umożliwiającym bezprzewodową komunikację Bluetooth oraz sterowanie serwomechanizmami. Następnie zaprojektowano układ sterowania umożliwiający kontrolę nad sztuczną ręką. System ten został zaprojektowany tak, aby był intuicyjny w obsłudze a jednocześnie pozwalał na wszelkie możliwe kombinacje ruchów palców. Do wykonania konstrukcji demonstratora wybrano technikę produkcji w technologii druku 3D-FDM (Fused Deposition Modeling) z wykorzystaniem materiału PLA (Polylactic Acid). Taki wybór to kompromis pomiędzy kosztami, czasem produkcji oraz precyzją i zaawansowaniem demonstratora sztucznej dłoni. Zbudowany demonstrator został przetestowany metodą porównawczą. W demonstratorze sztucznej dłoni wymuszono reprezentatywne pozycje funkcjonalne dłoni ludzkiej a jakość uzyskanego odwzorowania oceniano metodą organoleptyczną.

Słowa kluczowe

EN

demonstrator; artificial hand; 3d printing; executive system; control system

PL

demonstrator; sztuczna ręka; druk 3D; układ wykonawczy; układ sterowania

• Wydawca: Wydawnictwo SIGMA-NOT
• Czasopismo: Przegląd Elektrotechniczny
• Rocznik: 2025
• Tom: R. 101, nr 2
• Strony: 254--264
• Opis fizyczny: Bibliogr. 22 poz., rys.

Twórcy

autor

Drozdowicz Mikołaj

• Wojskowa Akademia Techniczna, Wydział Inżynierii Mechanicznej, 00-908 Warszawa 46 ul. Gen. S. Kaliskiego 2

autor

Watral Zbigniew

• Wojskowa Akademia Techniczna, Instytut Systemów Elektronicznych, Wydział Elektroniki, 00-908 Warszawa 46 ul. Gen. S. Kaliskiego 2

• https://orcid.org/0000-0001-6185-5414

autor

Michalski Andrzej

• Wojskowa Akademia Techniczna, Instytut Systemów Elektronicznych, Wydział Elektroniki, 00-908 Warszawa 46 ul. Gen. S. Kaliskiego 2

• https://orcid.org/0000-0001-5634-9584

Bibliografia

• [1] Duanmu, D.; Wang, X.; Li, X.; Wang, Z.; Hu, Y. Design of Guided Bending Bellows Actuators for Soft Hand Function Rehabilitation Gloves. Actuators 2022, 11, 346
• [2] Hays, E.; Slayton, J.; Tejeda-Godinez, G.; Carney, E.; Cruz, K.; Exley, T.; Jafari, A. A Review of Rehabilitative and Assistive Technologies for Upper-Body Exoskeletal Devices. Actuators 2023, 12, 178.
• [3] Maskeli ¯unas, R.; Damaševiˇcius, R.; Raudonis, V.; Adomaviˇcien ˙e, A.; Raistenskis, J.; Griškeviˇcius, J. BiomacEMG: A Pareto-Optimized System for Assessing and Recognizing Hand Movement to Track Rehabilitation Progress. Appl. Sci. 2023, 13, 5744.
• [4] Guo, K.; Orban, M.; Lu, J.; Al-Quraishi, M.S.; Yang, H.; Elsamanty, M. Empowering Hand Rehabilitation with AIPowered Gesture Recognition: A Study of an sEMG-Based System. Bioengineering 2023, 10, 557
• [5] Meng, Q.; Liu, G.; Meng, Q.; Xu, X.; Qin, L.; Yu, H. Bionic Design of a Novel Portable Hand-Elbow Coordinate Exoskeleton for Activities of Daily Living. Electronics 2023, 12, 3326.
• [6] Cisnal, A.; Alonso-Linaje, G.; Fraile, J.C.; Pérez-Turiel, J.; Álvarez, P.; Martinez, S. Tackling Post-COVID-19 Rehabilitation Challenges: A Pilot Clinical Trial Investigating the Role of Robotic- Assisted Hand Rehabilitation. J. Clin. Med. 2024, 13, 1543.
• [7] Stumpfe, M.C.; Beneke, K.; Horch, R.E.; Arkudas, A.; Müller- Seubert, W.; Cai, A. Introducing a Simple Tool of Patient Self-Assessment of Wrist Range of Motion. Life 2024, 14, 997.
• [8] Ceccarelli, M.; Sanz, S.; Díaz, V.; Russo, M. Design and Construction of a Prototype of an Assisting Device for Arm Exercise. Machines 2024, 12, 145.
• [9] Okita, S.; Yakunin, R.; Korrapati, J.; Ibrahim, M.; Schwerz de Lucena, D.; Chan, V.; Reinkensmeyer, D.J. Counting Finger and Wrist Movements Using Only a Wrist-Worn, Inertial Measurement Unit: Toward Practical Wearable Sensing for Hand-Related Healthcare Applications. Sensors 2023, 23, 5690.
• [10] Li, H.; Zhou, Y. An Intelligent Hand-Assisted Diagnosis System Based on Information Fusion. Sensors 2024, 24, 4745.
• [11] Trongmun Jiralerspong, Emi Nakanishi, Chao Liu and Jun Ishikawa Experimental Study of Real-Time Classification of 17 Voluntary Movements for Multi-Degree Myoelectric Prosthetic Hand Appl. Sci. 2017, 7, 1163; doi:10.3390/app7111163\
• [12] Kladovasilakis, N.; Kostavelis, I.; Sideridis, P.; Koltzi, E.; Piliounis, K.; Tzetzis, D.; Tzovaras, D. A Novel Soft Robotic Exoskeleton System for Hand Rehabilitation and Assistance Purposes. Appl. Sci. 2023, 13, 553.
• [13] Rahman, M.M.; Shahria, M.T.; Sunny, M.S.H.; Khan, M.M.R.; Islam, E.; Swapnil, A.A.Z.; Bedolla-Martínez, D.; Rahman, M.H. Development of a Three-Finger Adaptive Robotic Gripper to Assist Activities of Daily Living. Designs 2024, 8, 35.
• [14] Atasoy, Ahmet, et al. "Biomechanical design of an anthropomorphic prosthetic hand." 7th IEEE International Conference on Biomedical Robotics and Biomechatronics (Biorob). IEEE, 2018.
• [15] Soska, Anna. Surface electrode array-based electrical stimulation and iterative learning control for hand rehabilitation. PhD thesis, University of Southampton, 2015.
• [16] Xu, Zhe, Emanuel Todorov. "Design of a highly biomimetic anthropomorphic robotic hand towards artificial limb regeneration." IEEE, 2016.
• [17] Buryanov, A., V. Kotiuk. "Proportions of hand segments." International Journal of Morphology, 2010, s. 755-758.
• [18] Suder, E., S. Brużewicz. Anatomia człowieka - podręcznik i atlas dla studentów licencjatów medycznych. Górnicki Wydawnictwo Medyczne. ISBN: 978-83-61257-99-8,
• [19] Ngeo, J. G., T. Tamei, T. Shibata. "Continuous and simultaneous estimation of finger kinematics using inputs from an EMG-to-muscle activation model." Journal of Neuroengineering and Rehabilitation, grudzień 2014.
• [20] Bundhoo, Vishalini, Edward J. Park. "Design of an artificial muscle actuated finger towards biomimetic prosthetic hands." ICAR'05. Proceedings, 12th International Conference on Advanced Robotics, 2005.
• [21] Kapandji, A. I: “Fisiología articular: tomo 1. Hombro, codo, pronosupinación, muñeca y mano”, Madrid, España: médica panamericana, 2006.
• [22] https://icub.iit.it