Replacement of a missing hand by an artificial alternative remains one of the biggest challenges in rehabilitation. Although many different terminal devices are available, around 27% of the amputees does not actively use their device and 20% totally refrains from wearing it. There are various reasons for prosthesis abandonment, e.g. wearing discomfort (too heavy, too hot), too little added functionality, difficult or tiring to use, lack of sensory feedback. User studies identified multiple aspects of the prostheses that need improvement, in order to meet the user demands. Mass reduction was identified as the most important design priority. In general the user demands can be summarised by the three C’s: Cosmesis, Comfort, and Control. The prosthesis should be beautiful to look at, comfortable to wear, and easy to operate. The goal of this thesis was to design and test a new lightweight and efficient body-powered hand prosthesis with articulating fingers. A low mass will increase wearing comfort. Mechanical efficiency will decrease the required actuation force, which will lead to an increased control comfort. It will also enable the hand to produce a higher pinch force, which will increase the functionality of the hand. The articulating fingers of the hand will enable both power and pinch grip. This enables the grasping and holding of a broad range of different objects and enhances natural cosmesis. The first step of the study was to determine the state-of-the-art in body-powered prostheses. Chapter 2 describes the testing of voluntary closing devices and Chapter 3 the testing of voluntary opening devices. The mechanical performance of the hooks was better than that of the hands. The hands required a high actuation force and energy (1058-2292 Nmm). They dissipated a large part of the actuation energy and produced only a low pinch force (~15 N). The mass of the hands was high (~423 gram). Comparison with data of a study from 1987 showed no improvement in the mechanical performance of the terminal devices over the last decades. In order to meet the user demands, a new hand design should have a lower mass, require less actuation energy, dissipate less energy and should be able to produce a higher pinch force. Chapter 4 describes the design and testing of two underactuated finger prototypes. One finger had a pulley cable transmission, the other a hydraulic cylinder transmission. The fingers were optimized for application in a finger of a cosmetic glove of a prosthetic hand. The fingers had identical dimensions and they had a very low mass. Quantitative mechanical tests were performed to select the most efficient way of transmission. The pulley finger required 35-74% more energy for various tasks than the hydraulic finger. Based on the results the hydraulic finger was selected as the most suitable for application in a prosthetic hand, as it had a higher energy efficiency than the pulley finger. Furthermore the hydraulic transmission offers an additional improvement of efficiency of 10-40% of the entire system, when hydraulics is used to replace the Bowden-cable in the shoulder harness. Therefore the hydraulic transmission was chosen to be used in the new hand prototype. Chapter 5 describes the mechanical comparison of silicone and PVC cosmetic gloves. Both types of gloves can be used for a prosthesis. The tests were performed to select the most energy efficient cosmetic glove. The tested silicone gloves had a 2.5-4.5 lower stiffness than the PVC glove, required 1.8 to 3.8 times less actuation energy and dissipated 1.7 to 3.4 times less energy. Therefore for the new hand prototype a silicone glove was used. Chapter 6 describes the design and testing of a glove compensation mechanism. This mechanism, which fit inside a finger, had a negative stiffness which compensates the undesired positive stiffness of a cosmetic glove. The negative stiffness of the mechanism reduced the required input torque range by 58% for the PVC glove and by 52% for the silicone glove. A negative stiffness mechanism was applied to the new hand prototype, in order to reduce the actuation effort for the user. The final step of the study was the design, and testing of a new hand prototype, described in Chapter 7. The new hand prototype, the Delft Cylinder Hand, has underactuated articulating fingers which adapt to the grasped object. It has voluntary closing body-powered control and it has a hydraulic cylinder transmission. The hand was subjected to various mechanical and functional tests. Chapter 8 describes the comparison of the performance of the hand to current available hands. Through the application of a hydraulic transmission, the hand requires 49-162% less energy from the user when compared to commercially available body-powered hands and it has a higher maximum pinch force (30-60 N). In functional tests the hand scored similar to current myoelectric hands. Yet its mass (152 gram without glove; 217 gram with glove) is 68% lower than the lightest available articulating myoelectric hand and 55% less than the lightest body-powered hand of similar size. Functional tests showed that The ‘Delft Cylinder hand’ provides the amputee with a level of function that is at least comparably to contemporary hands, at a cost (mass and actuation effort) which is much lower than that of all currently available hands. The Delft Cylinder Hand has articulating fingers and is anthropomorphic, slender, fast, efficient and silent. The hand mass is much lower than the lightest commercially available hand. The hand therefore meets one of the most important user demands in upper limb prosthetics, which is a low hand mass. The hand can pinch harder (>30 N) at a lower user effort. Samenvatting Natuurlijk Grijpen: Ontwerp en evaluatie van een actief sluitende adaptieve hand prothese Het vervangen van een ontbrekende menselijke hand, door een kunsthand is een van de grootste uitdagingen op het gebied van de revalidatie. Hoewel er veel verschillende handprothesen beschikbaar zijn, gebruikt 27% van de handprothesedragers de prothese niet actief en draagt 20% helemaal geen prothese. Er zijn verschillende redenen waarom mensen stoppen met het dragen van de prothese, bijv. draagcomfort (te zwaar, te warm), te weinig functioneel voordeel, moeilijk of vermoeiend in het gebruik, gebrek aan sensorische feedback. Gebruikersstudies laten zien dat verschillende aspecten van de prothesen verbeterd dienen te worden, om te voldoen aan de eisen van de gebruiker. Vermindering van de massa van de prothese heeft hierbij de hoogste prioriteit. De gebruikerseisen kunnen kortweg samengevat worden door de drie C’s: Cosmetiek, Comfort en Controle. De prothese moet mooi zijn om te zien, comfortabel om te dragen en moet makkelijk te bedienen zijn. Het doel van deze studie was het ontwerpen en het testen van een lichtgewicht en mechanisch efficiënte lichaamsbekrachtigde handprothese met articulerende ofwel scharnierende vingers. Een lage prothesemassa zal het draagcomfort verbeteren. Mechanische efficiëntie zal de bedieningskracht verlagen en daarmee het bedieningscomfort verhogen. Ook zal de hand hierdoor harder kunnen knijpen, wat zal resulteren in een verbeterde functionaliteit van de hand. De articulerende vingers maken het mogelijk om zowel de pincetgreep als de cilindergreep te vormen. Hierdoor kan een breed scala aan verschillende objecten worden vastgehouden. Bovendien verbetert dit de natuurlijke cosmetiek. De eerste stap in de studie was om de state-of-the-art van de huidige lichaamsbekrachtigde prothesen te bepalen. Hoofdstuk 2 beschrijft het testen van actief sluitende prothesen en hoofdstuk 3 beschrijft het testen van actief openende prothesen. De mechanische efficiëntie van de geteste haken was beter dan die van de handen. Voor het bedienen van de handen was een hoge bedieningsinspanning en bedieningsenergie (1058-2292 Nmm) nodig. Ook dissipeerden de handen een groot gedeelte van de bedieningsenergie en leverden ze slechts een lage knijpkracht (~15 N). De massa van de handen was hoog (~423 gram). Een vergelijking met de resultaten van een studie uit 1987 liet zien dat de prothesen de afgelopen decennia niet verbeterd waren. Om te voldoen aan de gebruikerseisen moet een nieuw handontwerp een lagere massa hebben, minder bedieningsenergie vragen, minder bedieningsenergie dissiperen en de hand dient een hogere knijpkracht te leveren. Hoofdstuk 4 beschrijft het ontwerp en het testen van twee ondergeactueerde vingerprototypen. Het ene vingerprototype was voorzien van een kabel-katrol transmissie, het andere van een hydraulisch transmissie. Beide vingers waren geoptimaliseerd voor toepassing in een cosmetische handschoen van een handprothese. De vingers hadden identieke afmetingen en hadden een erg lage massa. Er zijn kwantitatieve testen uitgevoerd om te bepalen welke transmissie het efficiëntst was. De vinger met de kabel-katrol transmissie had 35-74% meer energie nodig voor verschillende taken dan de hydraulische vinger. Vanwege de hogere mechanische efficiëntie van de hydraulische vinger, is deze vinger geselecteerd als meest geschikte vinger voor toepassing in een handprothese. Bovendien biedt een hydraulische transmissie een extra efficiëntieverbetering van 10-40%, wanneer de hydraulische transmissie gebruikt wordt om de Bowdenkabel te vervangen. Daarom is besloten om in het nieuwe handprototype de hydraulische transmissie toe te passen. Hoofdstuk 5 beschrijft vergelijking van mechanische eigenschappen van cosmetische handschoenen van siliconen en PVC. Beiden typen handschoen kunnen gebruikt worden op een handprothese. De testen zijn uitgevoerd om de handschoen te selecteren met de hoogste energie-efficiëntie. De stijfheid van de gemeten siliconen handschoenen was 2.5-4.5 keer lager dan die van de PVC handschoenen. De siliconen handschoen hadden een 1.8 tot 3.8 keer lagere actuatie-energie nodig en dissipeerden 1.7 tot 3.4 keer minder energie. Er is daarom gekozen om voor het nieuwe hand prototype een siliconen handschoen te gebruiken. Hoofdstuk 6 beschrijft het ontwerp en het testen van een handschoencompensatiemechanisme. Dit mechanisme, dat binnenin een vinger past, heeft een negatieve stijfheid die de ongewenste positieve stijfheid van de handschoen compenseert. De negatieve stijfheid van het mechanisme verminderde het benodigde actuatiemoment met 58% voor de PVC handschoen en met 52% voor de siliconen handschoen. In het nieuwe handprototype is ook een mechanisme met een negatieve stijfheid toegepast, om de vereiste bedieningsinspanning van de gebruiker te verlagen. De laatste stap van de studie was het ontwerpen en het testen van een nieuwe handprototype, beschreven in hoofdstuk 7. Het nieuwe handprototype, de Delft Cylinder Hand, heeft ondergeactueerde articulerende vingers die zich aanpassen aan de vorm van het object. De hand wordt bediend met een lichaamsbekrachtigde actief-sluitende bediening. De transmissie van de hand is hydraulisch. De hand is onderworpen aan verschillende mechanische en functionele testen. Hoofdstuk 8 beschrijft de vergelijking van de prestaties van de hand met die van de huidige prothesehanden. Door de toepassing van een hydraulische transmissie hoeft de gebruiker 49-162% minder energie te leveren om de hand te bedienen dan voor de huidige lichaamsbekrachtigde handen nodig is. De hand kan een hogere knijpkracht leveren (30-60 N). In de functionele testen behaalde de hand vergelijkbare scores als die van myo-elektrische handen. De massa van de hand (152 gram zonder handschoen; 217 gram met handschoen) is 68% lager dan die van de lichtste articulerende myo-elektrische hand en 55% lager dan die van de lichtste lichaamsbekrachtigde hand van vergelijkbaar formaat. De functionele testen lieten zien dat de ‘Delft Cylinder Hand’ de prothesegebruiker een functionaliteit biedt die tenminste vergelijkbaar is met die van de huidige prothesehanden, tegen een belasting (handmassa en bedieningsinspanning) die veel kleiner is dan die van alle huidig beschikbare handen. De Delft Cylinder Hand heeft articulerende vingers en is antropomorfisch, rank, snel, efficiënt en stil. De handmassa is veel lager dan die van de lichtste commercieel verkrijgbare hand. De hand beantwoord daarmee aan een van de belangrijkste gebruikerseisen, namelijk die van een lage handmassa. De hand kan harder knijpen (>30 N) met een lagere bedieningsinspanning.