Hand model with dependency constrained joints for applications in rehabilitation robotics

Cilj: U radu se prezentira metoda za razvoj pojednostavljenog ali učinkovitog kinematičkog modela ljudske ruke koji će se implementirati u rehabilitacijskoj robotici. Materijali i metode: Pristup se temelji na pojednostavljenju postojećeg modela koji ima 24 stupnja slobode gibanja (DOF) na 9 DOF-a, uz uvođenje dodatnih konstrukcijskih parametara, specifičnih za različite vrste hvata. Nakon što je istražen utjecaj ovisnih zglobova na raspon pokreta (ROM) modela, te je isti uspoređen s anatomskim modelom, dobivena su rješenja problema inverzne i direktne kinematike kažiprsta, srednjeg prsta, prstenjaka i malog prsta. Implementacija modela, temeljena na dimenzijama muških kostiju koje odgovaraju medijanu muške populacije, ostvarena je pomoću programskog okruženja otvorenog koda Robot Operating System (ROS). Rezultati: Uzimanjem u obzir četiriju dodatnih kutova nagiba po prstu, razvijeni model ruke obuhvaća i zakrivljenost prstiju, što omogućuje povećanje točnosti pozicioniranja u usporedbi s konvencionalnim modelom. Kao mjerila za utvrđivanje povećanja točnosti prostornog pozicioniranja, korištene su srednja apsolutna greška (MAE) i srednja relativna greška (MRE). MAE se, ovisno o položaju zgloba, kreće od 0,22 do 0,34 cm, dok se MRE kreće od 2,8 do 3,5 %. Najveće apsolutne i relativne greške tijekom pozicioniranja vrha prsta mogu, pak, doseći 0,5 cm, odnosno 10,5 %. Zaključak: Zaključuje se da modeliranje zakrivljenosti prsta i osiguranje prilagodljivosti modela različitim pacijentima i rehabilitacijskim modalitetima kroz međuovisnost zglobova, predstavlja najbolji pristup dobivanju relativno jednostavnog, primjenjivog i funkcionalnog modela šake.
Aim: This work presents a method for developing a simplified but efficient model of the complex human hand kinematics with the aim of its implementation in rehabilitation robotics. Material and methods: The approach incorporates modularity by simplifying the available model comprising 24 degrees of freedom (DOFs) to 9 DOFs, with the introduction of additional joint coupling parameters specific to different grasp types. The effect of dependent joints to the ranges-of-motion (ROMs) of the model is investigated and compared to the anatomical one. The index, middle, ring and little finger solutions to forward and inverse kinematics problems are then acquired. The implementation of the model, based on the median male bones dimensions, is made available in the open-source Robot Operating System (ROS) framework. Results: By including additional four inclination angles per finger, the devised kinematic hand model encompasses also finger curvatures, resulting in significant positioning accuracy improvements compared to the conventional model. The used 3D spatial position improvement metrics are the mean absolute (MAE) and mean relative errors (MRE). The dependent joint position MAEs range from 0.22 to 0.34 cm, while MREs range from 2.8 and 3.5 %, whereas the highest absolute and relative errors during fingertip positioning can reach 0.5 cm and 10.5 %, respectively. Conclusion: The performed investigation allowed establishing that by modelling finger curvature and assuring the adaptability of the model to a variety of human hands and rehabilitation modalities through joint dependency, represents the best approach towards a relatively simple and applicable rehabilitation model with functional human-like hand movements.