Main myoéléctrique, Exiii HACKberry, Handicap, ProthèseProth_se_de_main_command_e_par_des_capteurs_musculaires_Final.jpgfrnoneCreation0
Introduction
Le projet Bionico consiste en la fabrication d’une prothèse myoéléctrique (commandée par des capteurs musculaires placés sur le bras) de main droite à prix abordable et à réparer soi-même.
Depuis 2013, l’innovation technologique a vu apparaître des projets tel que Open Bionics (Bristol, Angleterre) ou Hackberry (Japon) ayant le même objectif. Ces acteurs de la nouvelle scène de l’impression 3D développent des myo-prothèse. Ces prototypes sont encore limités pour un usage quotidien en comparaison aux modèles sur le marché, mais ils présentent les caractéristique suivantes:
Le coût total de la prothèse est inférieur à 1000 euros (Là ou le marché n’en propose qu’à partir de 40 000 à 70 000€)
Les éléments (doigts, paume, emboîture) sont fabriqués en plastique avec une imprimante 3D
Les plans des pièces, liste du matériel et tutoriels de fabrication sont en ligne afin de pouvoir fabriquer la prothèse et contribuer au développement de celle-ci en partageant ces résultat (open source)
A partir du lien GitHub, nous avons fabriqué la main Exiii au Fab Lab Berlin. Il faut compter environ 700 euros pour l’ensemble de la prothèse, mais le coût peut descendre à 150 euros si vous imprimez les pièces vous même.
Nous résumons dans ce tutoriel comment nous avons fait et espérons que vous pourrez en faire autant. Ce projet est difficile à réaliser, si vous êtes débutant, trouvez des alliés (fablabs, électroniciens, experts impressions 3D….). Faites vous plaisir ! :-)
La liste du matériel est sur le fichier Excel: HACKberry_BOM_v1.xls
Comme il était difficile de trouver les équivalents des composants en Europe, nous avons décidé de les acheter directement auprès de l'équipe de Exiii ce qui nous a permis de gagner du temps.
Pour acheter les composants, envoyer un mail à Genta Kondo : genta.kondo(at)exiii.jp (écrivez lui en Anglais ou en Japonais)
3 types de pack à acheter :
1. PCB pour HACKberry (3 PCBs pour le control de la main, capteur et batterie) : 30 USD
Nous avons commencé par utiliser les logiciels Simplify, Cura ou Maker Bot ainsi que des imprimante 3D de bureau tel que Maker Bot ou I3 Berlin mais la qualité des pièces n'était pas assez bonne. Comme nous en avions la possibilité, nous avons utilisé une imprimante Dimension de Stratasys pour assurer la qualité des composants. Il est quand même possible d'imprimer toutes les pièces avec une imprimante de bureau.
Aller dans le dossier HACKberry Hardware
Ouvrir le fichier HACKberry_BOM_v1_for_print.xlsx
Ce fichier est organisé d'une manière à ce qu'il y ait 7 impressions à réaliser au lieu de le faire pièce par pièce. Chaque colonne (Print1, Print2....) représente 1 impression. Il suffit d'importer chaque pièce correspondant à une colonne.
Importer les fichiers : La 4ème image ci-contre représente toute les pièces du Print2
Configuration de base de l'imprimante :
Material: Type de filament utilisé (ABS, PLA...)
Raft: Utiliser Raft pour améliorer l'adhésion de la pièce sur le plateau d'impression.
Support: Cocher Support lorsque la pièce a un porte-à-faux.
Infill: Taux de remplissage des pièces qui va définir la solidité. Choisir 50% pour les petites pièces comme les doigts, 30% pour le reste comme la paume.
Prèt à assembler
Compter 30 à 50 heures d'impressions au total.
Rendu à cette étape, placer toutes les pièces sur la table.
Se munir d'un mini-tournevis et d'une boisson fraîche :-)
Step 2 - Assemblage du poignet
Premièrement, visser le poignet sur la paume car une fois que les doigts et composants seront mis en place ce ne sera plus possible.
Step 3 - Assemblage majeur (1/2)
Cette étape concerne l'assemblage du majeur, de l'annulaire et du petit doigt car ils ont la même conception mécanique. Il suffit de répéter la même opération 3 fois, un très bon exercice d'échauffement.
Ajuster d'abord les perçages qui vont recevoir les axes à l'aide d'un foret de 1,8mm (max 1,9mm) puis insérer les axes.
Step 4 - Assemblage majeur (2/2)
Assembler ensuite les composants comme indiqué sur les photos.
Serrer l'ensemble avec les vis.
Step 5 - Assemblage de l'index 1/3
Ajuster les perçages avec un foret de 1,8mm
Insérer l'axe avec le ressort
Step 6 - Assemblage de l'index 2/3
Assembler les éléments au fur et à mesure dans l'ordre des photos ci-contre.
Step 7 - Assemblage de l'index 3/3
Step 8 - Montage des 4 doigts sur la paume (1/2)
Ajuster les axes de la paume de main avec le foret de 1,8mm
Placer le petit doigt et l'annulaire avec les 2 axes par doigts
Ajuster HbShaftStopperB04 si nécessaire, comme indiqué, insérer et visser pour solidariser les 2 doigts
Step 9 - Montage des 4 doigts sur la paume (2/2)
Placer le majeur avec ses 2 axes
Placer l'index avec ses 2 axes
Insérer et visser HbShaftStopperA04
Step 10 - Protection des moteurs
Avant d'être assemblés dans la main et le pouce, les moteurs doivent être protégés.
Cette étape explique comment souder le fusible réarmable (PTC) qui protégera le moteur des suralimentations quand celui-ci sera trop chaud:
2 RXEF050 fusible pour les servos ES08MD (majeur et pouce)
1 RXEF040 fuse for servo S03N (Index)
IMPORTANT: LES 2 PTC RXEF050 DOIVENT ETRE SOUDES SUR LES SERVOS ES08MD
Préparer le matériel de soudure (fer à souder, étain, gaine thermorétractable)
A l'aide d'un mini tournevis, ouvrir le moteur
Couper le fil rouge comme indiqué à l'aide d'une pince coupante
Dénuder chaque extrémité, glisser la gaine (0.5mm de longueur), étamer à l'aide du fer et de l'étain
Réduire la longueur de pattes du PTC, étamer les extrémités du PTC
Souder les 2 parties entre elles (le sens n'a pas d'importance)
Protéger la soudure en glissant la gaine
Refermer le moteur
Step 11 - Protection des moteurs terminée
RÉPÉTER L’OPÉRATION POUR LES 2 AUTRES MOTEURS
Step 12 - Assemblage du pouce 1/2
Rassembler les composants qui constituent le pouce (éléments pouce)
Suivre les étapes comme indiqué de gauche à droite, et de haut en bas
Assembler les pièces et serrer avec les vis
Visser le moteur sur le pouce
Step 13 - Assemblage du pouce 2/2
Step 14 - Montage du pouce sur la main 1/2
Insérer le mini roulement dans son emplacement comme indiqué sur la photo
Placer et visser l'un des 2 mini moteurs ES08MAII dans le pouce (après avoir souder le PTC)
Insérer l'axe dans le mini-roulement
Suivre le reste de la procédure comme indiqué
Plier et placer le câble du moteur comme indiqué pour préparer la mise en place du moteur de l'index
Step 15 - Montage du pouce sur la main 2/2
Step 16 - Montage du moteur d'index dans la paume
Cette étape concerne l'emplacement du moteur S03N dans la paume de la main en positionnant sa poulie dans le bon angle.
Percer la poulie : Agrandir 2 trous opposé à 2mm qui permettront de venir visser le pignon
Visser la poulie et le pignon ensemble
Visser l'ensemble sur le moteur S03N
Ajuster le boitier du moteur S03N : Limer ou couper la partie comme indiqué pour permettre l'emplacement du moteur dans la paume
Mise en place du moteur :
Pignon vers le haut à l'horizontale, tourner le moteur à la main dans le sens anti-horaire jusqu'à la butée
Tourner le moteur très légèrement en sens horaire pour qu'il ne soit plus en butée
Maintenir l'index ouvert, placer le moteur et les engrenages ensemble
Le câble du moteur doit être dirigé vers le petit doigt en passant sous le moteur
Ranger le câble pour qu'environ 5cm dépasse
Step 17 - Coupler les 3 doigts et le servomoteur (1/2)
Étape à suivre pour solidariser les 3 doigts, la mise en place du dernier moteur et la fixation de la transmission des doigts sur le moteur.
Transmissions : Insérer les petites entretoises comme indiqué
Petit doigt + annulaire : A l'aide de 2 petites vis et rondelles, solidariser les 2 derniers doigts comme indiqué sur la photo. Ne pas serrer trop fort les vis
Majeur + annulaire : Répéter l'opération entre annulaire et majeur
Transmission moteur-doigts : Visser la barre de transmission. Ne pas serrer trop fort
Step 18 - Coupler les 3 doigts et le servomoteur (2/2)
Agrandissement : Modifier le diamètre de perçage du bras de levier avec un foret de 1.6mm
Modification vis : Pour la jonction entre le bras de levier et la transmission, la vis étant trop longue, il faut soit s'en procurer une courte, soit là raccourcir
Réglage position moteur
Placer le bras de levier sur le moteur sans le visser.
Tourner le moteur sens anti-horaire jusqu'à la butée et mettre le moteur dans son emplacement
Visser le moteur sur son emplacement
Mise en place moteur
Placer les doigts en position ouvert
Changer l'emplacement du bras de levier pour qu'il corresponde avec l'axe de la transmission
Visser l'ensemble
Step 19 - Soudure des composants (1/2)
Vérifier les composants
Couper, dénuder 4 fils électrique aux longueurs indiquées
Préparer le connecteur mini-jack femelle : Couper les 2 plots plastiques à l'aide d'un cutter pour que le connecteur soit bien à plat sur le PCB
Souder le connecteur mini-jack : Pour recevoir le mini jack du capteur musculaire (voir étape suivante)
Souder le connecteur switch : Pour la mise en marche de la main
Souder tête de broche mâle (male pin header) : Pour le branchement des 3 moteurs
Souder tête de broche femelle (female pin header) :
Pour brancher la carte arduino :
Couper 2 barrettes de 9 et 10 pins
Placer les barrettes, retourner le PCB, vérifier la verticalité des barrettes
Utiliser le régulateur de tension comme support pour que le PCB reste à l'horizontal
Souder tous les pins (têtes de broches)
Souder tact switch
Pour permettre les changements de mode de fonctionnement de la main
Vérifier que les tacts switch soit bien à plat sur le PCB
Une fois soudé, couper la longueur de patte qui dépasse
Step 20 - Soudure des composants (2/2)
Souder connecteur d'alimentation : Pour le connecteur raccorder à la batterie 7.2V
Connection PCB/régulateur de tension
Pour que l'alimentation de 7.2V soit convertie en 5V (Étamer les 4 fils avec de l'étain)
Souder régulateur de tension : Pour que le courant électrique délivré au régulateur soit transmis au PCB
Souder les fils électriques sur le régulateur de tension comme indiqué sur la photo
Souder régulateur sur PCB : - Souder IN+ avec IN+, OUT+ avec OUT+, OUT- avec OUT-, IN- avec IN-
BRAVO vous avez réussi ! Passer à l'étape suivante
Insérer carte Arduino : Le code sera téléversé sur cette carte via le connecteur micro usb.
Placer la carte comme indiqué sur la photo
Step 21 - Réglage du régulateur de tension
Le réglage du régulateur convertie la tension de 7,2V délivrée par la batterie en 5V pour alimenter le PCB et l'arduino
Composants
Régulateur de tension
Multimètre
Tournevis plat
Générateur de tension
Repérer + et - du câble d'alimentation
Génerateur de tension : Régler le générateur de tension sur 7.2V, sinon, connecter la batterie sur le câble d'alimentation. Rouge sur le +, noir sur le -
Connecter générateur + PCB : Raccorder les connecteurs du générateur de tension au câble d'alimentation + avec +, - avec -
Lecture de la tension de sortie :
Mesurer la tension de sortie du régulateur avec le multimètre en le plaçant sur OUT-, OUT+.
Utiliser les bornes COM et V du multimètre, le régler sur tension continue.
Réglage de la tension de sortie :
Lire la tension affichée sur le multimètre,
Régler la tension sur 5V en tournant la petite vis situé sur le régulateur de tension à l'aide d'un tournevis. (Il se peut que la tension affichée ne change pas instantanément en tournant la vis)
Step 22 - Préparation du capteur musculaire
La version originale d'Exiii utilise un capteur de pression:
- Un bracelet est serré autour du bras avec le capteur. Le diamètre du bras s'agrandit en contractant celui-ci, ce qui va appliquer une pression sur le capteur qui va changer d'état. C'est cette information qui va enclencher le fonctionnement de la main.
Cette version utilise un capteur musculaire de type Myoware.
- Le capteur est collé sur un muscle résiduel de l'avant-bras grâce à des électrodes autocollantes jetables avec gel. Quand l'utilisateur contracte le muscle, le capteur convertie cette énergie en électricité qui va déclencher le mouvement de la main
Nous n'avons pas comparer les 2 types de capteurs et ne savons lequel des 2 est le plus fiable et facile à utiliser.
Cette étape explique comment souder un mini-jack sur le capteur musculaire.
Matériel
1 capteur Myoware
1 mini jack mâle
fils électriques
1 fer à souder
Gaines thermorétractables
Câble
Préparer 3 câbles de 30cm environ
Glisser la gaine thermorétractable, dénuder, étamer chaque fil
Souder le jack : Souder les 3 câbles comme indiqué, protéger avec la gaine
Visser l'embouchure sur le jack
Step 23 - Test
Repérage:
Brancher le jack dans son connecteur sur le PCB
A l'aide du multimètre, mesurer la conductivité entre chaque câble et le connecteur de manière à repérer le +, signal et masse
Souder le capteur : Une fois les fils repérés, les souder sur les parties correspondantes du capteurs musculaires
Step 24 - Intégrer l'électronique dans la main
Brancher les 3 moteurs:
Thumb pour le pouce
Middle finger pour les 3 doigts
Index pour le gros moteur
Memo pour ne pas brancher à l'envers:
V+ = Alimentation du moteur = Moteur
PWM = Signal de positionnement = Rouge
GND = Masse = Marron
Camoufler les câbles au maximum dans la paume pour ne pas qu'ils ne dépassent.
Couper les 6 pins de l'arduino pour un gain de place
Mettre le régulateur de tension dans son emplacement
Mettre le PCB + arduino dans son emplacement (Penser à bien ranger les câbles servomoteurs)
Les câbles des moteurs ne doivent pas dépasser
Step 25 - 3D scan de l'avant-bras
L’emboîture d’une prothèse est faite sur mesure en mesurant l’empreinte du bras résiduel. Cette empreinte est traditionnellement réalisée à partir d’un moulage effectué avec des bandes de plâtres. L’emboîture est ensuite fabriquée avec des machines qu’un orthoprothésiste certifié sait utiliser.
Chaque personne, suivant la forme du moignon a un système d’accrochage différent afin d’assurer un bon maintient de la prothèse sur l’avant-bras. Il existe plusieurs systèmes d’accrochages: vide d’aire, gaine de succion, manchon siliconé, scratch, accrochage au niveau du coude…
J’utilise un système de manchon siliconé avec 2 ergots faits sur lesquels vient s’accrocher l’emboîture et permettre de porter des charges.
La résidence a permis de réaliser l’empreinte en utilisant un scanner 3D et de fabriquer l’emboîture avec une imprimante 3D (cliquer sur la photo pour agrandir).
Le scan a été réalisé avec le manchon silicone sur le moignon afin d’imprimer une emboîture accroché sur le manchon.
Chaque personne ayant une emboîture différente, le système d’accrochage sera différent, l’implication de la personne porteuse de prothèse est donc importante afin de comprendre son besoin.
Pour le scan, nous avons utilisé:
1 Ipad
1 scan 3D Structure Sensor adapté sur l’Ipad
L’Ipad est connecté en wifi à l’ordinateur et transfert les données au logiciel Scannect.
Le fichier est exporté en .OBJ
Le fichier .OBJ est ensuite importé dans le logiciel Mudbox afin de convertir les mesh de triangles en mesh de carrés.
Le fichier est ensuite exporté en .OBJ ou .STL
Importé et retravaillé dans Fusion 360 afin de modéliser l’emboîture à partir du scan de l’avant-bras.
Ceci n'est pas un tutoriel de Fusion 360, mais un court résumé de la modélisation.
Pour ralentir la vitesse de la vidéo, cliquer sur le petit engrenage, en bas à droite de l'écran.
Pour la conception de cette emboîture, Laszlo, le dessinateur a:
Bénéficié de l’expérience d'un orthoprothésiste concernant le volume à l'intérieur
Importer le scan de l'avant-bras dans Fusion 360
Intégrer les éléments existants comme l'extrémité du poignet et le support batterie
Intégrer 2 ouvertures sur chaque extrémité afin d'assurer le système d'accrochage avec le manchon en silicone
Step 27 - Impression de l'emboîture
L'emboiture a été imprimée avec une Dimension Stratasys Elite au Fab Lab Berlin
Conception de l'emboîture
Préparation pour l'impression
Imprimante Dimension Stratasys Elite
Impression
Nettoyage
12345
Step 28 - Montage du poignet
Rassembler les composants et suivre les étapes de montage
Step 29 - Assemblage sur l'emboîture 1/2
Rassembler les composants et suivre les étapes de montage
Step 30 - Assemblage sur l'emboîture 2/2
Step 31 - Montage du support batterie
Placer et souder les éléments comme indiqué, attention, penser à bien vérifier le + et le -
Visser le support sur l'emboîture
Mettre en place la batterie
Step 32 - Téléverser le code Arduino dans la main
Installer Arduino sur l’ordinateur,
Dans Outils, sélectionner Type de carte, puis Micro arduino
Dans le dossier HACKbery software, ouvrir le fichier HACKBerry_v1.ino
Connecter la Micro Arduino se situant dans la main, à l’ordinateur à l’aide d’un câble USB-microUSB
Montage final
Rendu à cette étape, le code doit être téléversé dans la main et le fonctionnement validé
Ranger les câbles dans la paume
Mettre les 3 boutons sur les tact switch
Finir le montage de la main en vissant la partie supérieur de la paume.
Test
Coller l’électrode sur une partie du bras proche du coude comme indiqué sur la photo
Le bouton du milieu est pour la mise en marche
Presser le bouton le plus près de l'index pour le calibrage, l'index se ferme, contracter le muscle 3 fois à intervalle régulier qui ouvrira le doigt
Au bout de quelques secondes la main se ferme, en contractant le muscle, la main s'ouvre. Si le muscle est relâché, la main se ferme
Lorsque la main est en position ouvert (muscle contracté), appuyez sur le bouton 3 (le dernier dans l'alignement des 3, opposé au bouton de calibrage) pour la rotation du pouce
Le bouton du milieu est un Reset
Lorsque la main est en position ouverte, presser le dernier bouton coté petit doigt, il désactive/active les 3 derniers doigts
La version Fablab est fidèle au projet Exiii (sauf pour le capteur) en utilisant le design mécanique du poignet, une emboîture imprimée et un capteur musculaire peu cher. L'emboîture est imprimée.
La version hybride est prévue pour s'adapter sur une emboîture de prothèse myoéléctrique munie d'un poignet démontable. Ce poignet ne s'achète pas dans le commerce et est réservé à des professionnels. Cette version, non open-source permet néanmoins d'adapter la main Exiii sur une emboîture professionnel munie de capteurs musculaires de très bonne qualité et donc d'avoir un réel retour utilisateur concernant la possibilité de saisir des objets.