Soft Wearable Lymphedema Massaging Device using Origami-Z-folded Soft Shear Actuators

Abstract

소프트 웨어러블 로봇은 평상시에 착용하는 옷과 유사한 디자인과 편의성을 가지고 있지만, 그 외에도 더 많은 기능을 갖춘 모든 웨어러블을 지칭하고 있다. 미적으로 평범한 의류와 유사하다는 점에서 사용자의 수용률이 높아지고, 소프트한 재질로 만들어졌기 때문에 편안하고, 그러하여 장시간 사용이 가능하다. 장시간 착용이 가능하다는 것은 특정 사용자 집단에게 중요한 요소가 된다. 아직까지 완전한 치료법이 개발되지 않은 만성 림프부종 환자들은 일상적인 생활에서 지속적으로 부종 관리를 받아야 한다. 전문 재활치료사에게 림프 배수 (MLD)를 받아야 하는데, 림프 부종 마사지 전문가의 수가 환자 수에 비해 현저히 낮기 때문에 제때 관리를 받기가 어렵다. MLD는 일반적으로 피부를 부드럽게 밀어주며 마사지해주는 방법으로 구성되어 있다. 최상의 효과를 위해서는 부종의 붓기 증상이 나타나기 시작할 때 바로 마사지를 해주어야 한다. 더욱이, 각각의 환자 상태가 많이 차이 나기 때문에, 힘과 stroking 양의 범위가 크다. 따라서 본 연구에서는 얇고 가벼우며 편안한 웨어러블을 만들고 넓은 범위의 힘 생성 및 stroking 변위를 만들어 내여 편의성과 기능성 측면을 모두 만족시키는 소프트 림프 부종 마사지 웨어러블 디바이스를 만드는 연구를 하였다. 기초 연구로 고 효능 MLD를 모방하기 위해 전단력과stroking 변위을 생성해내는Origami-Z-folded Soft Shear Actuator (Z-folded)를 개발하였다. 액츄에이터가 팽창하면서 오리가미 접힘선이 펼쳐지고, 피부와의 상호 작용으로 전단력이 생성된다. 하나의 Z-folded 액추에이터 모듈의 크기는 50 x 60 mm이며 단일 접힘 높이는 15 mm이다. 약 4 N의 압축 의류 장력이 가해지는 상태에서 약 13 N의 최대 전단력과 약 20 mm의 stroking 변위를 생성할 수 있다. 두 개의 액츄에이터 설계 파라미터와 하나의 제어 파라미터가 도입되어 전단력과 stroking 변위의 범위를 다르게 설정하는 것이 가능하다. 엑츄에이터의 마찰 계수를 변경하거나 액츄에이터를 덮고 있는 압축 의류의 장력을 제어함으로써 전단력을 조절할 수 있다. 또한, 접힘 높이와 fold의 수를 다르게 디자인하여 액츄에이터의 stroking 변위를 다르게 설정할 수 있다. 논문의 마지막 부분으로 가슴 위쪽 부위를 마사지할 수 있는 웨어러블 림프 부종 마사지 장치를 개발하였다. 모든 림프부종 마사지는 몸통 (truncal body)에서 시작을 해야 한다. 웨어러블 Truncal Lymphedema 마사지 디바이스에는 5 개의 Z-folded 액츄에이터 (단일 Z-fold)와 하나의 폴드가 없는 액츄에이터로 구성되어 있다. Lymph node를 먼저 비우고, 붓기가 있는 지역에서 림프를 다른 곳으로 옮겨줄 수 있는 마사지를 할 수 있도록 프로그램 되어 있다.

Soft Wearable Robot refers to all wearable devices that are akin to average clothing in appearance and usability but has more functionality over simply adorning ourselves. Being aesthetically pleasing corresponds directly to higher user acceptance, and the comfort of soft wearable robots allows for an extended period of usage. This prolonged usage period is vital for patients suffering from a non-curative chronic condition known as lymphedema, who have to receive swelling management constantly in their daily lives, in the form of a special massaging technique known as the Manual Lymphatic Drainage (MLD) delivered by professional specialists. However, the imitations of MLD include insufficient treatment at the required moment because of the low availability of qualified specialists. MLD generally consists of gentle stretching of the skin to stimulate the superficial lymphatic system. For the best performance of the MLD, it has to be performed when the swelling symptoms start to appear anytime and anywhere in the day. Moreover, to satisfy the huge variability between each patient, the amount of forces and stroking involved in this therapy also differs notably. Therefore, in this research, soft robotic technology was adopted to create a soft wearable massaging device for lymphedema management that satisfies both the usability aspects of being thin, light and comfortable, and the functionality aspect of creating a wide range of forces and stroking displacement. In the first part of this research, an Origami-Z-folded Soft Shear Actuator (Z-folded) is developed that creates a combination of shear and normal forces over a pre-determined stroking displacement to imitate the motion required in high performance of MLD. The shear force is created by the interaction between the fold-line of the Z-folded actuator and the skin during the unfolding of the actuator upon inflation. One Z-folded actuator module explored in-depth in this dissertation is 50 x 60 mm in dimension with a single fold of 15 mm fold height. This Z-folded actuator creates a maximum shear force of about 13 N and a stroking displacement of about 20 mm under compressive clothing tension of approximately 4 N. Two actuator design parameters, and one control parameter is introduced, enabling the range of the two actuator outputs: shear force and stroking displacement, to be varied. The range of shear force created by the actuator can be tuned by changing the frictional coefficient of the distal actuator chamber or by controlling the tension of the compressive clothing covering the actuator. The stroke displacement of the actuator can be varied by designing the fold height appropriately. Finally, the first wearable lymphedema massaging device is designed and developed for the upper chest area, because that is where all lymphedema massage must be initiated. The wearable truncal lymphedema massaging device consists of five Z-folded actuators (single Z-fold) and one Flat Normal actuator (no fold), programmed to conduct lymphedema massaging of the upper chest by emptying the axillary nodes and directing accumulated lymph away from the swollen region.