Evolution du MTH Porte Stylo/Crayon vers un MTH polyvalent

Nos appareils sont constamment en évolution chaque fois que l’utilisateur rencontre une difficulté dans son utilisation courante.

Le MTH à rotule (version 2 du MTH d’origine avait déjà apporté de nombreuses améliorations grâce au concept de porte crayon amovible et pivotable sur rotule.

Suite aux retours d’expérience de l’utilisateur, quelques améliorations devaient être apportées au système pour diminuer les gênes constatées et permettre de nouveaux besoins.

Besoins d’améliorations :

• le système manchon sur rotule et vis de serrage sur socket, déplace mécaniquement, le crayon vers l’avant de la main, ce qui perturbe l’écrivain dont la mémoire fonctionnelle associe la place de son stylo à un emplacement plus proche de la paume. Souvenons-nous que Nathalie a subi une amputation des mains, donc elle a mémorisé des informations sensorielles qui restent gravées dans sa mémoire. J’avais assisté à un colloque de chercheurs sur ce sujet dont j’ai retranscrit quelques conclusions dans l’article (sensori-motricité )
• la vis imprimée en PLA reste fragile du fait d’une diminution d’épaisseur des filets, imposée par la nécessité d’avoir des mâchoires flexibles pour serrer la rotule.
• l’emboitement livré était un peu court ce qui nécessiterait quelques mm de plus
• l’écrou en PLA sur une vis en PLA, est difficilement desserrable (phénomène chimique entre les deux parties de même nature)
• (constat) il n’est pas nécessaire d’imprimer tout l’emboitement en filament flexible

Nouveaux besoins à servir:

• de nouveaux manchons pour tenir un pinceau à gouache, un porte plumes multi-couleurs,
• adapter un système pour tenir des cartes de jeu,
• prévoir tout nouveau adaptateur sans avoir à modifier le manchon.

Cahier des charges de l’évolution

• repositionner le système vis-rotule
• substituer une vis en PLA peu flexible par une vis souple qui ne cassera pas
• rendre le manchon plus polyvalent, étendre sa fonction à d’autres utilisation que l’écriture
• pourvoir rallonger l’emboitement sans avoir à ré-imprimer entièrement un socket.

Re-Design

Comme d’habitude notre environnement de développement est l’application en ligne Onshape, et le design est open source et consultable  à l’adresse suivante : https://cad.onshape.com/documents/a8c6f5401b2ae5574858ee9a/w/6cea790b7d6b7ee47dd40706/e/a5bd9eef927bbe5b4625b35c

Si le lien est cassé, le dossier peut être également trouvé avec la fonction Search (loupe) ciblant le domaine Public, avec la chaîne :  » team Gre-Nable.fr : MultiToolHolder V3« .

La branche actuelle du dernier développement est la B1. Le design permet de choisir si la rotule est fixée sur le socket ou si c’est la vis de serrage qui est solidaire du socket.

Comme d’habitude pour modifier le dossier, il faudra au préalable en faire une copie dans votre espace personnel, dossier que vous pourrez ensuite modifier à souhaits, notamment pour adapter le MTH à votre emboitement cible.

Le Socket (emboitement)

Le socket reprend le concept du précédent, mais en changeant la position de la vis. La forme de la paume résiduelle garde un creux qui correspondait à la courbe en l’index et le pouce, donc c’est dans cette courbe que va être placée la nouvelle vis.

Au passage, nous faisons un petit exercice de style en faisant une double implémentation: Ceci a pour but de chercher la configuration optimale en fonction de l’usage final de l’appareil.

• vis se serrage sur le socket, rotule sur le manchon
• vis de serrage sur le manchon, rotule sur le socket.

Finalement, nous conservons pour le concept de la vis de serrage sur le socket, mais cette vis est désormais un élément indépendant imprimé en flexible.

Design avec rotule sur le socket

Rappel de la construction d’un filetage

Il s’agit de réaliser un cylindre, dont la périphérie sera creusée (extrusion avec enlèvement de matière – extrude remove) d’un profil triangulaire correspondant au filet, suivant un chemin hélicoïdal, image de la vis.

Etape #5

Enfin, on assouplit la base de chaque lamelle pour faciliter la flexion et le serrage autour de la bille.

Embase pour fixation sur socket

Une fois la vis réalisée, il faut modifier le socket pour recevoir l’embase de la vis, rajouter un boulon pour bloquer le système de serrage sur le socket

Détail de l’embase côté vis flexible

Impression du socket

L’impression est simplifiée car l’impression du filetage n’est plus d’actualité. Le socket sera donc imprimé verticalement avec la surface de la base de l’emboitement collé sur le miroir. C’est une surface de référence, car l’extension souple en flex s’appuie également sur cette surface. Il ne reste plus que quelques supports à l’intérieur du socket pour supporter la voute supérieure du socket.

Supports à l’intérieur du socket

Impression du manchon

La méthode d’impression ayant été validée lors des designs précédents, nous reprenons les mêmes orientations (la rotule, le raccord et le manchon sont imprimés dans le même plan).

Simplify3D, génère des supports de qualité qui se décollent sans laisser de traces. L’expérience montre qu’une épaisseur de couche de 20/100ème génère une rotule suffisamment précise pour l’utilisation.

Impression de l’écrou

Le filament Iglidur, (fabriqué par Igus) réputé pour ses qualités de frottements réduits, est notre matière de base pour les écrous sur PLA. L’Iglidur (https://www.igus.eu/product/703) est cher mais on peut en demander quelques mètres en échantillon.

Par contre, l’impression n’est pas triviale, une température élevée pour la buse (260 à 265°C) avec un plateau à 70°C, et une vitesse d’impression faible (20 mm/s) comme pour du flexible.

Impression des bouchons

Les stylos, crayons, pinceaux … ayant tous des diamètres différents, il faut donc imprimer un jeu de bouchons de diamètres différents, avec du filament flexible. Nous utilisons deux filaments : ninjaFlex et SmarFlex.

A partir d’un design paramétrable (paramètre  Pen_diameter dans le Part Studio ‘manchon_a_rotule‘), on exporte autant de bouchons que l’on veut pour constituer le jeu. Pour cette nouvelle livraison, les diamètres choisis vont de 3 mm (pour les pinceaux) à 10 mm (stylo bille à 3 couleurs).

Extension du socket par un anneau amovible en flex

Nous avions livré à Nathalie un socket rallongé avec le collage de couches en flexible sur du PLA. Cette opération de collage a été réalisée pendant l’impression en stoppant l’impression, changeant le rouleau de fibre et en relançant l’impression.

Ce collage n’a finalement pas tenu à l’utilisation quotidienne de l’emboitement. Donc nous nous sommes redirigés vers un système à crantage qui permet d’imprimer chaque pièce de façon autonome. Devant le succès de ce principe à l’utilisation, chaque nouvelle emboiture est désormais réalisée avec une extension souple crantée.

Coupe au niveau du cran femelle dans le socket

et pour terminer, une coupe générale du MTH à rotule V3 assemblé :

…. et nouvelle adaptation

Le porte cartes à jouer

Après le manchon pour crayons, le manchon pour couverts, un nouveau besoin pour les soirées en famille : le support pour jouer aux cartes.

Nous avons revu le design du manchon porte crayons en ajoutant une partie orientable (suivant Z) et un principe de maintien par aimant néodyme, ainsi la possibilité de rajouter un nouvel adaptateur sera facilitée via l’aimantation (suffisamment forte).

Le porte cartes à jouer a été acheté chez aliexpress pour 2,89 € (livraison gratuite) !!  https://www.aliexpress.com/item/33034427476.html

Le design du manchon avec tourelle est dans le part_studio / PenHolder_rotule > manchon+stylo+aimant 

L’adaptation a été rapide. Nous avons redesigné le manchon porte stylo avec une tourelle supportant un aimant néodyme rectangulaire. Un autre aimant du même type est collé sur un petit support rectangulaire, lui même collé sur le porte carte, et c’est fini.

Nathalie peut déposer le porte cartes sur une table et retirer son bras, ou le garder aimanté sur son socket avec la possibilité de le tourner pour empêcher son voisin de tricher et voir son jeu !!

A Propos de la Licence

Introduction

Cet article présente un nouveau concept de prothèse assistée électroniquement à faible coût, imprimée en 3D, destinée à des personnes amputées transmetacarpiennes. Le design est le résultat d’une récente collaboration entre des étudiants de l’Université de Bath, en Angleterre (Phil Barden, Thomas Eagland, Jay Pinion, Sevinç Şişman) et un membre de team Gre-Nable, enseignant à l’Institut de Technologie de Grenoble, en France (Philippe Marin).

L’équipe a travaillé à la conception de la prothèse sur une période de cinq mois, la conception finale étant le résultat de tests physiques et d’analyses mécaniques approfondis, de prototypage rapide et de tests d’utilisateur.

Pour une explication plus détaillée de la conception finale et du projet, veuillez vous reporter au rapport complet contenant tous les détails. Voir à la fin de cet article pour encore plus de liens et d’informations, modèle CAO, code Arduino, enregistrements vidéo des tests, etc…

Une grande partie de ce qui est présentée ici est un proof of concept et nous espérons qu’en partageant ces idées avec le reste de la communauté e-Nable, d’autres membres (makers) seront inspirés pour les développer et les améliorer.

Bonne lecture!

La Mission

La plupart des «mains robotiques» conçues pour les amputés sont conçues avec des moteurs d’actionneur intégrés à l’intérieur de la paume, à l’instar de ce prototype publié sur «makea.org»:

« votre mission… », a déclaré Philippe à notre équipe: « s’agit de concevoir une prothèse de main à assistance électrique. Je veux dire avec des moteurs, une batterie, une mécanique … » pour une personne qui a perdu « seulement » ses doigts. Cela signifie qu’il n’y a pas de place dans la paume pour mettre tout les éléments de l’assistance électronique »..

La main résiduelle de Nathalie

Contexte du projet

Le projet s’appuie sur l’expérience de Nathalie, une amputée trans-métacarpienne qui avait contacté team Gre-Nable en 2018, relatant qu’elle n’était pas satisfaite de sa prothèse myoélectrique à «48.000 €» et leur demandait si l’équipe pouvait lui proposer une meilleure alternative. Ses principales reproches étaient que la prothèse était beaucoup trop lourde (environ 1,5 kg, presque trois fois celle d’une main humaine) et également très difficile à contrôler. La prothèse restait par conséquent inutilisée et rangée dans sa boîte.Notre design présenté ci-dessous pèse environ 500 g, ce qui est très proche de celui d’une main humaine. Le coût approximatif de sa réalisation est également proche de 200 euros, soit moins de 0,5% du coût de sa prothèse myoélectrique.

Les caractéristiques finales du prototype …

• Design de la Mécanique
  • Doigt technologie Flexibone
  • Cheminement optimisé des fils nylon
  • Impression 3D en ABS & Ninjaflex
• Activation
  • Deux servomoteurs
  • Poulie avec palonniers intégrés
• Contrôleur électronique
  • Microjoystick 2 axes
  • Carte micro « Arduino »

Revendications

En ce qui concerne la description de la licence, à notre connaissance, les éléments décrits au fil du rapport de stage et de cet article, sont novateurs dans le contexte des prothèses de membre supérieur à faible coût ::

1. Cinématique pour les doigts composée d’une seule pièce imprimée flexible permettant la flexion entre phalanges ainsi que des coussinets de préhension souples sous les doigts.
2. Système de réaction haptique dans le gant composé d’une série de micro-vibreurs.
3. Contrôle des mouvements à l’aide d’un micro-joystick à deux axes prenant en compte le mouvement résiduel possible du membre amputé.
4. Mécanisme de verrouillage rotatif pour la fixation du gantelet sur l’avant-bras.

Caractéristiques détaillées

Doigts en Technologie Flexibone

Description:

Le nouveau modèle de doigt conçu par team Gre-Nable, est basé sur le modèle Kwawu. La nouvelle ossature du doigt utilise un profil semblable à un «os» traversant le centre de chaque doigt ainsi que le pouce, et il est imprimé avec un polymère 3D flexible (appelé NinjaFlex-). Les « os » sont ensuite insérés dans des coquilles en ABS pour constituer chaque phalange, ainsi l’ensemble donne à chaque doigt son apparence naturelle. Cette architecture de doigt est appelée « Flexibone ».

Cette structure permet une fabrication aisée du doigt « Flexibone » car il suffit d’imprimer l’os central en une seule partie souple et les six demi-phalanges rigides (en ABS ou en PLA). La partie flexible remplit alors deux fonctions:

• L’articulation du doigt grâce à trois pivots flexibles (articulations) liés aux phalanges,

• L’intégration de patins (coussinets) pour un contact doux sous chaque phalange, qui peuvent être recouverts de caoutchouc déposé au pinceau, par exemple du Plasti-DIP.

Nous pensons que ce nouveau concept de technologie Flexibone constitue une amélioration majeure pour la création de prothèses, quel que soit le type de main utilisé.

Pour le moment, notre main basée sur le modèle Kwawu bénéficie seule de ce concept. Dans un proche avenir, tout autre type de prothèse de la main pourrait intégrer la technologie Flexibone.

Team Gre-Nable développe actuellement un modèle CAO générique, paramétrable, simple basé sur le concept Flexibone qui permet d’imprimer le doigt à la taille adaptée à la paume de la main.

Cette conception a été validée après avoir réaliser des tests et des comparaisons avec d’autres modèles e-Nable courants (notamment Kwawu et Phoenix).

Deux tests ont été effectués:

• Un test de force, pour déterminer la conception qui nécessite le moins de force possible pour contracter complètement un doigt,
• et un test de préhension, pour déterminer quel modèle pouvait saisir la plus grande gamme possible d’objets, en analysant à la fois la taille et le poids maximum de l’objet.

La main Flexibone est arrivée en deuxième position derrière la main Phoenix lors du test de force, ces deux modèles nécessitant beaucoup moins de force pour contracter complètement un doigt que le modèle d’origine Kwawu.

Cependant, la conception du Flexibone semble bien meilleure que celle des Phoenix et Kwawu, car elle est capable de saisir des objets plus grands ou plus petits ainsi que des objets beaucoup plus lourds.

Quelques pièces imprimées lors de nos essais paramétrés.

Explication:

La conception du Flexibone s’appuie sur trois zones de l’os qui sont plus minces et ne sont pas contraintes par les coques en plastique ABS. Le fil nylon passe au centre du Flexibone et, lorsqu’une tension est appliquée sur le fil nylon, une flexion se produit au niveau des trois points faibles, contractant ainsi le doigt. En raison de la nature élastique du polymère souple, lorsque la tension est libérée sur le fil nylon, les doigts retournent dans leur position de repos naturelle (le Flexibone est imprimé en position de repos du doigt).

Chemin du fil nylon

Description

Les chemins du fil nylon (qui représentent les lignes de tendon) vont de la pointe de chaque doigt au système de traction situé sur le gant. Pour la plupart des mains prothèses actionnées par le poignet, les lignes des tendons passent au dessus du poignet et cette stratégie de routage crée un relation directe entre l’angle de flexion du poignet et la position du bout du doigt. Comme nous ne travaillons pas sur une solution actionnée par le poignet mais par un moteur, nous avons dû séparer le mouvement du poignet du comportement naturel. La solution consiste à faire passer les tendons par l’axe de rotation du poignet. Cela permet à l’utilisateur de plier son poignet librement sans altérer la tension du fil de nylon. Après avoir testé le comportement des doigts, nous savons que l’efficacité de la préhension sera améliorée si la moindre force n’est perdue entre chaque actionneur et son doigt associé. C’est pourquoi nous souhaitons également minimiser les frictions le long des lignes de tendon. Comme indiqué  précédemment dans cet article, , nous avons estimé que la stratégie de routage des fils pourrait avoir un impact sur le frottement des lignes de tendon et nous avons décidé d’évaluer l’importance de cet impact. Cela nous a amené à rendre les trajectoires aussi fluides que possible et à faire passer les câbles dans les tubes en PTFE (téflon).

Test

Comme les prothèses de mains testées présentaient une disparité significative d’efforts pour plier les doigts, ce qui pourrait être dû (entre autres) aux différences entre les stratégies de routage des tendons, nous avons décidé de rechercher un routage qui génère aussi peu de friction possible. Plusieurs tracés de lignes de cisaillement ont été testées pour déterminer l’augmentation de la tension due au frottement, en fonction de l’angle des courbes le long du tracé (voir figure ci-dessous). De plus, les résultats ont été comparés pour voir comment l’utilisation des tubes en PTFE a affecté cette force. L’essai a montré que, si l’itinéraire du fil utilise des tubes en PTFE, la force de friction est réduite de moitié et que plus les courbes sont peu accentuées, plus la force de friction est réduite.

Arche symbolisant la coupe de la paume et poignet, avec les tubes dans l’axe du poignet.

Passage de câble final, optimisé pour une friction minimale avec des tubes PTFE

Explication

Pour que la tension du fil de pêche soit optimale tout en permettant à Nathalie de bouger son poignet, il ne doit y avoir aucune variation dans la tension du fil entrainant une modification de la longueur de son trajet. Pour ce faire, les cinq chemins de la ligne de pêche devaient passer par l’axe de rotation du poignet car la longueur de la trajectoire reste constante en ce point. Les trajectoires lisses et les tubes en PTFE garantissent ensuite que les doigts ont toujours besoin d’une force la plus faible pour contracter les doigts car ils ont un coefficient de friction inférieur à celui de l’ABS imprimé en 3D.

Actionneurs

Description

Deux servomoteurs, entraînant chacun une poulie, tirent les câbles tendons des doigts. Le premier servomoteur entraîne conjointement le pouce et l’index, le second entraîne les trois autres doigts. Un mécanisme de type palonnier (« whippletree ») est intégré à chaque poulie pour permettre une prise en main adaptative. Tous nos designs de mains utilisent des palonniers, lire nos articles du blog qui en font référence.

Vue en coupe du palonnier.

Explication

Les poulies sont constituées de deux parties distinctes, la première étant la poulie elle-même (bleue) et la seconde étant un insert de poulie servant de palonnier (rouge). Le fil nylon qui relie 2 doigts glisse à l’intérieur de la gorge lorsque les doigts appuient sur l’objet saisi de façon dissymétrique. Lorsque l’un des doigts subit une charge plus importante que l’autre, le déséquilibre de force provoque le glissement du fil nylon autour du Whippletree, permettant ainsi à l’autre doigt de continuer à se contracter sans surcharge du moteur. L’insert de poulie peut également être déplacé plus loin dans la poulie via un système de tendeur (réglage de tension). Lorsqu’une vis est tournée, elle rétracte l’insert dans la poulie, augmentant ainsi la tension initiale dans la ligne de tension et accordant la position initiale des doigts.

Controleur

Description

Dans le cas particulier de l’amputation subie par Nathalie, elle contrôle la prothèse avec l’articulation résiduelle du pouce à l’aide d’un micro-joystick inséré à l’intérieur de la paume.

Évaluation des types de capteurs

Après une recherche bibliographique de capteurs utilisés classiquement pour le contrôle de prothèses et leurs performances potentielles, une étude expérimentale de diverses interfaces a été réalisée afin d’évaluer leur capacité d’usage dans le contexte de cette prothèse de main. Les capteurs testés étaient des capteurs myoélectriques, des capteurs de pression (FSR) et des capteurs de flexion à faible coût.

Exemples de tests de capteurs: (a) Deux capteurs flex. (b) Un capteur flex. (c) Un capteur myoélectrique. (d) Un capteur flex et un capteur myoélectrique. 

Finalement tous les capteurs présentaient un élément d’imprécision, le capteur myoélectrique étant particulièrement peu fiable. Cela était principalement dû à la difficulté de trouver le placement optimal des électrodes sur la main de Nathalie.

Une série de petites manettes de jeu (micro joystick) ont été testées, essayant de trouver celle qui soit assez facile à manipuler avec une faible amplitude de mouvement, et aussi compacte que possible pour s’intégrer dans l’épaisseur de la paume.

Explication

Les prothèses à assistance électronique utilisent généralement des capteurs myoélectriques comme moyen de contrôle. Il s’agit d’une méthode éprouvée qui a connu beaucoup de succès dans les prothèses modernes. Malgré cela, les utilisateurs de ces prothèses signalent souvent qu’elles sont difficiles à contrôler et imprévisibles. Les capteurs myoélectriques émettent souvent des signaux bruyants qui peuvent s’aggraver si la sueur pénètre entre le capteur et la peau de l’utilisateur. Un prothésiste est également généralement requis pour déterminer l’emplacement optimal des capteurs, ce qui peut être coûteux et prendre beaucoup de temps. Pour un contrôleur, la prévisibilité et la fiabilité sont essentielles.

Dans le cas de ce projet, comme dit précédemment, l’utilisateur est une personne amputée trans-métacarpienne à qui, pour la main droite, manque tous ses doigts mais a pu conserver une partie de son articulation du pouce. Cette articulation a une gamme de mouvements relativement précis, la rendant idéale pour devenir un moyen de contrôle. Pour établir une interface aussi étroite que possible avec le système nerveux central de l’utilisateur et mettre en place un contrôleur précis, l’équipe a donc décidé que l’utilisation mécanique de cette articulation serait préférable aux moyens myoélectriques ou à d’autres types de capteurs.

Le contrôleur de manette de jeu a été utilisé avec succès tout au long des tests. Nathalie utilisait une configuration de base ouverte-fermée ou « bang-bang ». En déplaçant le joystick vers la paume (abduction), vous fermez les doigts et vous éloignez de la paume (adduction). Il a été proposé que la vitesse variable puisse également être mise en œuvre, tout en étant capable d’activer et de désactiver le système et de basculer entre les schémas de préhension (malheureusement, le temps manquait pour que cette configuration soit mise en œuvre ou testée correctement). Un joystick est un outil très polyvalent pouvant être utilisé comme contrôleur complexe et utilisé depuis des décennies dans des appareils tels que les contrôleurs de jeux vidéo. Il est donc très probable qu’avec la formation, un utilisateur puisse apprendre à donner des commandes plus complexes à la prothèse.

Retour de force

Description

Un capteur de pression inséré dans la dernière phalange de l’index indique à l’utilisateur que la force de préhension est appliquée à un objet en créant une vibration d’un des quatre moteurs haptiques du gant. Le capteur de pression est entièrement dissimulé à l’intérieur du coussinet en NinjaFlex. Les moteurs haptiques vibrent à la surface de l’avant-bras de l’utilisateur, un moteur différent vibrant en fonction de la force exercée à l’extrémité du doigt. Le moteur le plus proche de la main vibre au contact d’un objet, et la vibration monte plus haut dans l’avant-bras lorsque la force augmente.

Explication

Des chercheurs ont découvert que la mise en œuvre du retour de force était très utile pour un individu en termes d’amélioration de la réalisation d’une prothèse et de la performance lors de la saisie, en particulier pour des objets délicats. La mise en œuvre du retour d’effort a donc été explorée dans ce projet en utilisant des matériaux peu coûteux. Un tissu conducteur a été utilisé à la place d’un fil électrique pour éviter la fatigue du fil qui se produirait inévitablement lors de flexions répétées. Bien que cela n’ait pas été fait ici, le ou les capteurs de pression pourraient également s’interfacer avec les actionneurs en utilisant l’Arduino comme moyen de rétroaction en boucle fermée (c’est-à-dire en limitant la force maximale pouvant être appliquée à un objet).

Serrage du gantelet sur l’avant-bras

Description

À la place des bandes Velcro habituelles ou similaires, une option plus confortable a été étudiée avec l’utilisation d’un tissu doux resserré par un fil métallique et d’un mécanisme de verrouillage inspiré du système BOA Fit (souvent utilisé pour les chaussures de surf des neiges). Ce système a été largement inspiré du travail de Younes Zitouni dans la communauté e-nable.fr (depuis, Younes a rejoint  team Gre-Nable – ndt).

Mécanisme comfortable de maintien du gantelet sur l’avant-bras

Test

Afin d’évaluer le potentiel de maintien de la solution, la résistance du fil a été testée jusqu’à la force de rupture. Différents chemins de câbles ont également été essayés et il a été constaté qu’un bobinage en double hélice inversée, était une meilleure option pour obtenir un serrage et une répartition uniformes de la charge, ainsi que pour le processus de libération le plus simple.

Plusieurs types de tissus ont été comparés pour converger vers un tissu appelé « Tissu 3D » ce qui procure une sensation de confort à l’utilisateur et est en outre souvent utilisé par les prothésistes pour l’interface de la peau.

Explication

Basé sur le principe de la fixation d’une chaussure de surf, le gantelet est maintenu sur l’avant bras de l’utilisateur de la même manière qu’un lacet. Cette méthode a été étudiée car Nathalie n’était pas satisfaite des sangles velcro de sa prothèse existante (bien qu’elles soient en cuir de chevreau souple !).

Optimisation de la configuration des doigts

Description

Lors des tests avec Nathalie, il est apparu qu’elle était souvent incapable de saisir une bouteille avec notre prototype précédent. Cela était dû à la mauvaise synchronisation de la contraction des doigts. En effet la rotation complète de l’articulation distale apparaissait avant que les articulations intermédiaires et proximales ne commencent à se plier.

Ceci a conduit à la mise en contact perpendiculaire de l’os distal, comme illustré ci-dessous, suivie de l’éloignement de l’objet de la paume. Pour permettre à la prothèse de saisir les objets, il fallait obtenir un ordre de contraction plus naturel.

Test

Ci-dessous est comparé sur la première ligne des images le processus de pliage du Flexibone original et sur la seconde ligne le processus de pliage après amélioration des jointures du Flexibone.

Explication

Après une série de tests, le problème a été résolu en augmentant l’épaisseur des articulations flexibles intermédiaires et distales de l’os, respectivement de 25% et 50% (voir la figure ci-dessous). Un inconvénient collatéral est que cela augmente la force nécessaire pour plier complètement le doigt (voir courbe ci-dessous). En raison de contraintes de temps, une diminution globale finale de l’épaisseur des trois articulations n’a pas été étudiée.

Différents types de prise

Description

Grâce au code Arduino et au joystic à deux axes, plusieurs fonctionnalités ont été implémentées. Et d’autres pourraient être développés si nécessaire. Les principaux modèles d’adhérence sont décrits sur les figures suivantes:

Pointe du doigt, prise de force, pincée en deux points, prise latérale.

Gantelet final

En images, voici un résumé de la structure et du boîtier du gantelet final.

Améliorations potentielles

Parmi de nombreuses idées pour améliorer les aspects techniques ou fonctionnels de la main assistée Flexibone, voici les principales priorités:

• Plan de rotation du pouce: Héritage de la main Kwawu, l’orientation du pouce n’est pas optimale et ne permet pas vraiment une opposition avec l’avant-doigt (voir l’image de la prise de bouteille), ce qui rend difficile de saisir certains objets. Ce plan pourrait être légèrement modifié, et l’amplitude des mouvements du pouce aussi pourrait être augmentée.
• Retour haptique: La position du capteur de pression dans l’extrémité antérieure n’agit pas toujours de la même manière en fonction de la configuration du contact avec l’objet. A l’avenir nous chercherons une meilleure configuration, ou un capteur différent, afin que la force de contact soit correctement détectée dans la plupart des situations. Il est également difficile de déterminer quel moteur haptique est activé (1 parmi 4). Nathalie ressent des vibrations dans le gantelet mais elle ne sait pas dire à quel endroit elle ressent la vibration.
• Réduire la force de flexion des doigts. Pour améliorer la stratégie de contraction du Flexibone, nous avons augmenté certaines épaisseurs au niveau des articulations, ce qui a finalement augmenté la tension de flexion que l’actionneur doit fournir pour tirer le fil nylon. L’inconvénient est que plus le frottement et la tension de flexion des doigts augmentent, moins il reste de force pour saisir les objets. Nous devons maintenant étudier la possibilité de diminuer la résistance due à la flexion en diminuant l’épaisseur de toutes les articulations, en conservant l’ordre relatif de flexion des phalanges et en conservant bien entendu une résistance mécanique raisonnable des doigts.

Un projet vraiment open source 

Non seulement cet article, mais toutes les données générées et diffusées au cours de ce projet sont publiées en open source sous l’intitulé “Flexibone Assisted Hand” selon les termes de licence Creative Commons Attribution (CC By).

Nous sommes heureux de fournir les documents ci-dessous à la communauté mondiale des makers (e-Nable et autres) :

• Le rapport complet ()() qui décrit en détail l’avancement du projet, ainsi que toutes les explications relatives aux expériences et aux résultats des tests, ainsi que toutes les justifications des choix techniques,
• Le modèle CAO est disponible dans un espace de travail public sur le site Onshape.com. Vous avez juste besoin d’un compte gratuit Onshape pour y accéder. N’hésitez pas à le consulter et si vous le souhaitez, copiez son espace de travail afin de l’éditer, le modifier, l’améliorer … et si vous le faites, merci de fournir vos améliorations à la communauté! Nous serons plus qu’heureux si vous nous donnez des commentaires,
• Liste de tous les documents que vous pouvez télécharger (de « A to Z »):
  • A – notre Log Books
  • B – Electronic Development Arduino code
  • C1 – vidéo Designer Testing
  • C2 – vidéo Electronic Testing
  • C3 – vidéo Second Interview
  • C4 – vidéo Final Interview, prise d’objet avec 2 doigts seulement
  • D – Force Sensor Calibration
  • E – Test Rig Assembly Guide
  • F – Force Test Code
  • G1 – Force Test Results
  • G2 – Force Test Video Results – Flexi V1
  • G3 – Force Test Video Results – Flexi V2
  • G4 – Force Test Video Results – Kwawu
  • G5 – Force Test Video Results – Phoenix
  • H – Grip Test Code
  • I.0 – Grip Test Results.xlsx
  • I.1 – Pictures Grip Test Results
  • I.2 – Videos1 Grip Test Results
  • I.3 – Videos2 Grip Test Results
  • J – Friction Test Procedure
  • K – Friction Test Results
  • L – Mechanical Feedback Development
  • M – Motor Comparison Table
  • O – Core 6V 400 Motor Data Sheet
  • P – Motor Driver Comparison
  • Q – Attachment Method Force Test
  • R – Attachment Method FEA Analysis
  • S.1 – Finger Joint Force Test Results
  • S.2 – Finger Joint Force Test Results Videos
  • T – Gauntlet and Casing Dimensions Drawings
  • U – Final Arduino Code
  • V – Motorised Attachment Method Improvment Code
  • W – Total Costing Breakdown
  • X – Onshape CAD Link
  • Y – Locking mechanism solidworks
  • Z – Assisted_Flexibone_hand_2019_Project_Report

• Et si vous voulez seulement télécharger les fichiers STL, les fichiers sont disponibles sur Thingiverse. Laissez nous vos commentaires.

Remerciements

Merci à team Gre-Nable : Philippe, Patrick, Fabien et Marie-Laure de nous avoir permis de travailler sur ce projet incroyable.

Merci à Frédéric pour son encadrement en gestion de projet.

Merci à toute l’équipe de GINOVA, le Fablab de l’Université de l’Institut de Technologie de Grenoble (INPG) pour son assistance technique au cours de ce projet.

Merci également à Patrick pour son aide dans la publication de cet article sur le blog de team Gre-Nable.

Et bien sûr, un grand merci à Nathalie (et à sa famille) pour sa confiance en notre travail et pour sa disponibilité pour plusieurs tests tout au long du projet.

Au cours de la réunion finale, de gauche à droite: Tom, Phil, Nathalie, Sevinç, Jay.

Marcher avec un Bâton de Marche

Pour tout le monde c’est une action triviale de tenir un bâton de marche, sauf qu’avec une main sans doigt, il est impossible de le tenir.

Plusieurs makers d’e-nable France ont été confrontés à cette difficulté. Divers prototypes utilisant des évolutions de la main Phoenix ont vu le jour, sans apporter de réelle satisfaction.

Si on calque les spécifications fonctionnelles sur notre expérience de marcheur, la liste des besoins peut se limiter à celle -ci :

• le bâton doit être dans l’axe de la main car le marcheur s’appuie dessus,
• lorsqu’on marche le bâton a des mouvements vers l’avant et l’arrière qui sont maîtrisés par le poignet
• le bâton peut se coincer dans un rocher alors que le marcheur est en mouvement
• si le marcheur tombe, il ne doit pas être « prisonnier » de la position du bâton.

Fort de cette liste (non exhaustive) de contraintes techniques à respecter, nous sommes partis sur la conception d’un dispositif adapté, à partir d’un élément que nous maitrisons parfaitement : l’emboitement personnalisé (dans notre cas, celui de Nathalie).

Design

Comme toujours, notre environnement de développement reste le même (l’application en ligne Onshape) et notre design est open source, consultable via à l’adresse suivante : https://cad.onshape.com/documents/ae42f7c567ec69c5307e55e7/w/f60edfe3cb581788114d01c6/e/bf3b89a0ff2e084d2d824de3.

Le dossier peut être également trouvé avec la fonction Search (loupe) ciblant le domaine Public, avec la chaîne : « team Gre-Nable : Walking stick socket » choisir ensuite la branche B1. .

On découvre l’ensemble monté (assembly) tel que nous l’avons simulé, pour placer correctement les différents éléments. Les designs des pièces constituant le Walking Stick Socket sont à consulter dans le Part studio « socket baton de marche ».

 En option, deux autres versions de socket ont été conçues mais pas imprimées puisque le modèle présenté a été adopté par Nathalie. Ils pourraient être intéressants si notre concept de méga-rotule ne convenait finalement pas à l’usage.

Comme d’habitude pour modifier le dossier, il faudra au préalable en faire une copie dans votre espace personnel, dossier que vous pourrez ensuite modifier à souhaits, notamment pour adapter le Walking Stick Socket à votre emboîtement cible.

Principe du Walking Stick Socket

Pour les mécaniciens, le principe ressemblerait à une mega rotule L’hotellier !! (voir google search). Nous positionnons l’emboîtement contenant la main au centre d’une sphère (théorique) dont le centre de gravité surplombera l’axe du bâton. Le premier besoin fonctionnel est résolu, le marcheur va pouvoir s’appuyer sur le bâton sans créer de porte à faux.

Une fois de plus l’emboîtement est l’héritage d’un autre projet que nous avions décrit dans notre article : https://www.gre-nable.fr/creation-dun-multi-tool-holder/

Dans le cas présent, l’emboîtement est noyé dans une sphère, qu’on découpe latéralement avec des boolean remove car il n’est pas nécessaire d’avoir une sphère complète.

Si l’emboîtement est une sphère, alors le système de maintien du bâton aura une cavité sphérique qui englobera la sphère de l’emboîtement. L’intérieur de la sphère est réalisé par un offset de la surface de quelques dixièmes de mm, puis avec un ‘thickness’ (épaississage) de 5mm, la coque est créée.

La coque est coupée horizontalement en deux coquilles, puis articulée à l’arrière par des charnières dans lesquelles passera la vis servant de maintien et d’axe de rotation (M4x55).

La coquille du bas va recevoir le bâton de marche, les guides du sytème de serrage des deux coques et le verrou de serrage.

Compte tenu des forces en présence, transmises par la main sur le bâton, les coques seront imprimées sur le côté, pour que le trajet du PLA soit le plus résistant aux prsssions exercées. Il faut donc éviter de l’imprimer avec les cercles du support de bâton en position horizontale.

L’emboîtement sphérique est inséré entre les deux coques. L’emboîtement est libre en rotation selon x et y, sans contraintes. La rotation selon l’axe horizontal autorisera les mouvements du bras pendant la marche. 

Fermeture des coques

Pour le premier prototype, nous avons expérimenté un ressort type pince à linge ! Fonctionnellement c’était adapté au besoin de fermeture des coques, mais la force appliquée sur la coque supérieure n’était pas suffisante pour bien maitriser le mouvement du bâton.

Donc le deuxième prototype a été conçu avec une fermeture par sandow de diamètre 5 mm. La tension du sandow est ajustable pour permettre la tenue de l’emboîtement, sa rotation lors de la marche, et un échappement en cas de chute.

Blocage des sandows.

Restait à trouver le système de blocage des sandows et le blocage « hacké » d’une veste de sport a parfaitement tenu son rôle.

Si on ne veut pas enlever l’élément d’un vêtement, le système est disponible chez aliexpress (fr.aliexpress.com/item/32709198166.html) pour la modique somme de 64 centimes les 10 unités !!

Le Contexte

Lina est une petite fille de 5 ans lorsque nous l’avons rencontrée pour la première fois. Elle est née avec une main droite mal formée, équipée de deux doigts. L’un d’entre eux est faible. Elle ne peut pas plier ses deux doigts, mais seulement les déplacer latéralement comme une sorte de pince à bec effilé. Et elle est très à l’aise pour la plupart des activités de la vie quotidienne … à l’exception de certaines actions qu’elle ne peut pas accomplir. Et un exemple est la tenue d’un couteau. Ses parents ont l’habitude de l’aider à couper, et elle est habituée à pousser du riz vers sa fourchette (qui est manipulée de la main gauche) avec ses deux doigts.

Mais maintenant, qu’elle doit déjeuner à l’école, ou parfois au restaurant, elle ne se sent probablement pas très à l’aise devant les autres enfants. C’est ainsi qu’Eric, son père, demande à la communauté e-Nable si quelqu’un peut l’aider à développer une solution porte-couteau pour Lina.

Modélisation de l’emboitement adapté

Après une première rencontre avec Lina et Eric, nous estimons qu’une main e-Nable standard ne peut pas répondre aux besoins spécifiques de Lina et nous décidons de développer un porte-couteau entièrement dédié à ce besoin. Il s’agira d’un emboitement adapté (socket) dans lequel Lina pourra insérer sa main droite et sur sa partie inférieure, des supports spécifiques permettant de fixer différents types de couteaux.

Moulage de la main

La première opération de notre intervention consiste à obtenir un modèle de la main de Lina. Ceci est fait en moulant sa main dans de l’Alginate rose pour obtenir ensuite une copie positive en plâtre.

Modification du profil de la main moulée

Malencontreusement, pendant la coulée de l’alginate, elle a plié son poignet. Après le processus de numérisation 3D et de rétro-ingénierie qui aboutit à un modèle numérique propre, l’opération suivante a été d’obtenir un modèle approprié utilisable pour créer un emboitement confortable. Ce travail a consisté à déplier le modèle CAO pour redresser les doigts. Ceci est effectué grâce à une fonction spécifique de « flexion » disponible dans SolidWorks. Cela permet d’aligner la main sur l’avant-bras et de rapprocher les deux doigts.

Design de l’emboitement

L’étape suivante consiste à concevoir l’emboitement (socket) en utilisant notre logiciel de CAO collaboratif, Onshape, pour dessiner quelques sections et construire un « loft » qui correspond approximativement à la main de Lina. Ensuite, deux opérations de surfaces décalées conduisent aux formes intérieure et extérieure de l’emboitement, avec un espacement de 3 mm dédié à un tissu 3D confortable, capable d’absorber l’humidité et pouvant être facilement enlevé pour le lavage.

Conception du porte couteau

Pour être pleinement compatibles avec les couteaux utilisés par Lina, nous avons demandé à Eric, le père de lina, de fournir les deux modèles de couteaux utilisés à la maison : le « couteau à pousser » et le « couteau à couper ». Le père ayant des compétences en CAO, il s’est chargé de concevoir les modèles numériques des deux couteaux.

Nous avons ensuite imaginé de tenir le manche du couteau dans une pièce souple et interchangeable qui convient aux deux types de couteaux et d’ajouter une simple fente pour centrer et maintenir la lame. Dans le premier prototype, la lame était attachée avec une sangle adaptative en velcro (ID-Scratch).

Après validation de l’orientation et de la position du couteau par Lina, le bracelet a été remplacé pour la deuxième version par un simple aimant en néodyme. Vous trouverez ci-dessous une photo de la première version testée (couteau poussant) et plusieurs vues CAO de la dernière version.

Et ensuite …

Lina est heureuse, elle peut manger sans demander de l’aide à ses camarades de classe;

Eric est heureux, Lina mange maintenant sans pousser les nouilles avec les doigts.

Eric nous a demandé conseil et support car (et c’est aussi une bonne nouvelle!) il est en train d’apprendre à concevoir avec Onshape. Il a déjà réalisé un nouvel insert (la partie bleue sur les captures d’écran ci-dessus) qui conviendra à un autre manche de couteau.
Et il a acheté une imprimante 3D et nous espérons qu’il deviendra un nouveau maker dans la communauté e-Nable France 🙂

Les modèles CAO sont disponibles pour inspiration, l’adaptation à d’autres cas et, espérons-le, pour des améliorations sous cad.onshape.com. Si vous avez un compte (gratuit pour les activités à but non lucratif), il vous suffit de rechercher « Team Gre- Nable: knife_holder « parmi les modèles publics.

Nous sommes toujours intéressés de savoir si vous concevez une adaptation de notre design. faites le nous savoir via le formulaire de contact!