Prothèse de main commandée par des capteurs musculaires

Une prothèse myoéléctrique (commandée par des capteurs musculaires placés sur le bras) de main droite à prix abordable et à réparer soi-même.

Difficulté

Difficile ⧼wf-propertyvalue-difficulty-Difficile⧽

Durée

2 jour(s) ⧼wf-propertyvalue-durationtype-jour(s)⧽

Catégories

⧼wf-propertyvalue-area-Science & Biologie⧽, ⧼wf-propertyvalue-area-Robotique⧽, ⧼wf-propertyvalue-area-Bien-être & Santé⧽, ⧼wf-propertyvalue-area-Électronique⧽

Coût

950 EUR (€)

Proth_se_de_main_command_e_par_des_capteurs_musculaires_Final.jpg Création

Introduction

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 ici 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 ! :-)

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Matériaux

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 (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
• 2. PCB + Electronique/Mecanique composants (Tous sauf batterie et parties imprimées) : 135 USD
• 3. PCB + Electronique/Mécanique composants + impression 3D des pièces (tous sauf la batterie) : 720 USD

Outils

Étape 1 - Impression des pièces

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.

Étape 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.

Étape 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.

Il y a également une vidéo du tuto Exiii ICI.

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

Étape 4 - Assemblage majeur (2/2)

Assembler ensuite les composants comme indiqué sur les photos.

Serrer l'ensemble avec les vis.

Étape 5 - Assemblage majeur

Cf. Video

Étape 6 - Assemblage de l'index 1/3

• Ajuster les perçages avec un foret de 1,8mm
• Insérer l'axe avec le ressort

Étape 7 - Assemblage de l'index 2/3

Assembler les éléments au fur et à mesure dans l'ordre des photos ci-contre.

Étape 8 - Assemblage de l'index 3/3

Étape 9 - 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

Étape 10 - 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

Étape 11 - 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)

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• 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

Étape 12 - Protection des moteurs terminée

RÉPÉTER L’OPÉRATION POUR LES 2 AUTRES MOTEURS

Étape 13 - 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

Étape 14 - Assemblage du pouce 2/2

Étape 15 - 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

Étape 16 - Montage du pouce sur la main 2/2

Étape 17 - 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.

1. Percer la poulie : Agrandir 2 trous opposé à 2mm qui permettront de venir visser le pignon
2. Visser la poulie et le pignon ensemble
3. Visser l'ensemble sur le moteur S03N
4. Ajuster le boitier du moteur S03N : Limer ou couper la partie comme indiqué pour permettre l'emplacement du moteur dans la paume
5. 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

Étape 18 - 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

Étape 19 - 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

Étape 20 - 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

Étape 21 - 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

Étape 22 - 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)

Étape 23 - 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
• 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

Étape 24 -

Étape 25 -

Étape 26 -

Étape 27 -

Étape 28 -

Étape 29 -

Étape 30 -

Étape 31 -

Étape 32 -

Étape 33 -