Comment créer un MultiToolHolder (MTH) ?

But :

L’objectif final de ce développement est l’obtention d’une emboîture sur laquelle pourra se fixer et s’orienter un support de couverts (par exemple). Les formes et dimensions de l’emboîture dépendent évidemment de la morphologie de la personne concernée, et la position du support d’outil dépend de l’usage qu’elle souhaite en faire. Le modèle proposé ici sera orientable autour d’un axe, et maintenu par un système magnétique rendant cette orientation aisée. Noter que nous travaillerons dans le logiciel Onshape. Vous avez donc besoin pour suivre ce tuto, si vous n’avez jamais utilisé Onshape, de créer un login sur https://www.onshape.com/ (en haut à droite « CREATE ACCOUNT »). Vous accéderez ensuite aux modèles à l’adresse https://cad.onshape.com/ . Dernier détail, ne soyez pas surpris, la plupart des termes utilisés dans le modèle sont en anglais, ceci dans le but de faire par la suite une version anglaise de ce tuto.

Etape 1 : Création de emboîture à partir du scan 3D :

Nous supposons partir d’un modèle B-rep (format STEP par exemple) de main résiduelle (incluant en général une partie de l’avant-bras…) obtenu à partir d’un scan 3D, par exemple selon la méthode décrite ici : https://www.gre-nable.fr/adapter-une-emboîture-pour-une-prothese/ Dans notre exemple, ce modèle avait l’aspect suivant :

Scan de l’avant bras

En utilisant Onshape, rechercher : e-Nable_MultiToolHolder_socket_template_PM (en faire une copie qui sera éditable par vous)

• Dupliquer le studio « socket_XXX »
• Le renommer « socket_someone ». (vous pourrez évidemment remplacer « someone » par le nom de votre bénéficiaire !!)
• Importer le modèle issu du scan du bénéficiaire.
• Un nouveau studio est créé, nous l’appellerons « Import_hand_someone ».

• Dans socket_someone, faire un clic droit sur la feature « #Insert_here_the_derived_forearm » et « Roll to here« . Notez qu’à chacune des étapes ci-dessous, nous aurons à progresser dans cette liste de features par la même fonction « Roll to here » afin d’affecter chacune des opérations à la nouvelle géométrie.
• Créer une nouvelle pièce dérivée , sélectionner le modèle contenu dans le studio Import_hand_someone. Nous le nommerons ici « new_hand ». Valider .

• Avancer à l’étape suivante par un «Roll to here» sur Forearm_midplane, et éditer ce plan.
• Redéfinir les 3 points du Forearm_midplane en sélectionnant des points de new_hand. Ce plan doit être à peu près orthogonal à l’axe de pivot du poignet.

• Repositionner et orienter la Hand_centerline : le point de droite (ici 80 et 87 de l’origine) définira approximativement le plan de coupe de l’emboîture côté poignet, qui sera orthogonal à la ligne sélectionnée (orange). [la position du plan de coupe final sera probablement un peu plus à gauche (équivalent à 81mm par exemple sur ce cas) nous verrons plus loin la raison de cette découpe supplémentaire]. Ne coupez pas trop court (même si sur cet exemple l’emboîture est particulièrement courte car la paume résiduelle est petite) vous pourrez recouper si besoin lorsque toutes les opérations seront terminées, avant d’imprimer. L’emboîture doit être suffisante pour garantir un bon maintien de l’outil, mais pas trop longue pour ne pas gêner la flexion du poignet.

• Le « hand_plane » contient la « hand_centerline », et est perpendiculaire au « Forearm_midplane ». Il devrait contenir (à peu près) l’axe de flexion du poignet. Vous n’avez pas à le modifier (normalement).

• Le « Wrist_cut_plane » est normal à la « hand_centerline » et passe par l’extrémité de cette ligne côté poignet. Vérifiez si ce plan de coupe correspond à vos attentes, sinon vous pouvez modifier les dimensions dans l’esquisse « hand_centerline ».

• Editer la feature split_hand et sélectionner le bras. Cette opération découpe le modèle au niveau du poignet par le Wrist_cut_plane. On obtient deux Parts portant le même nom.

• Masquer la part représentant l’avant-bras pour conserver visible la part constituant la main sur laquelle nous allons poursuivre le travail.

• Editer « Offset surface1 », Si la liste de sélection n’est pas vide (champ liste sur fond bleu), vider la sélection en cliquant dans cette fenêtre puis en appuyant sur la touche clavier [Espace]).
• Sélectionner toutes les faces de la main : Pour cela Create selection , Protrusion, sélectionner l’objet, cliquer Add selection et fermer la fenêtre Create selection. Dé-sélectionner la face plane de découpe en re-cliquant dessus. Le décalage de 5mm est calculé automatiquement à partir des variables #Hand_gap (3mm par défaut) et #Socket_thickness (2mm par défaut) disponibles en début de la liste de features. #Hand_gap correspond à l’épaisseur pour la mousse de confort et #Socket_thickness à l’épaisseur de matière pour l’emboîture. Adaptez ces valeurs si vous le souhaitez : il suffit de modifier les variables. Vous pourrez aussi les modifier plus tard.

• Remarquez que cet offset (décalage normal aux surfaces) a construit une ligne limite de surface non plane. Editer le « Plane_to_cut_properly » de telle manière qu’il intersecte tout le contour du poignet. C’est ici que nous allons perdre 1 à 2 mm par rapport au plan de coupe défini en début de notre démarche.

• Dans « Split_get_a_planar_contour », sélectionner la surface décalée qui va être découpée par le plan afin d’obtenir un contour limite plan.
• Dans la liste des surfaces, vous pouvez masquer, ou même supprimer la petite couronne devenue inutile.

• Editer « Fill the face & make solid », vider si besoin la liste de sélection (barre d’espace), et sélectionner les éléments du contour un à un. La case « Merge with all » doit être active, afin que la nouvelle face plane soit fusionnée avec les autres surfaces pour constituer un volume fermé.

• Une nouvelle Part apparaît dans la liste. Je la nomme « socket ». Il n’y a plus de surface dans la liste.
• Les opérations suivantes permettent, si nécessaire, d’augmenter un peu le passage pour la main à l’entrée de l’emboîture, au niveau du poignet.

Etapes optionnelles : élargissement du passage de poignet

• L’esquisse « Enlarge wrist_place » est dessinée dans le plan « Plane_section_enlarge_wrist » qui est reculé et incliné en se basant sur « sketch pivot line ». Cette ligne de pivot peut être adaptée à volonté ainsi que l’inclinaison du plan afin que l’esquisse se place pour le mieux et que l’ajout de matière intersecte entièrement la « socket ». La forme de cet ajout de matière peut être adaptée en manipulant les points extrémités, le point intermédiaire, et les tangences de la courbe (points sélectionnés sur la figure ci-dessous).

• L’extrusion « enlarge_wrist_place » se prolonge suffisamment pour pénétrer complètement dans la socket, et en « second end position » commence sur la face plane de la socket.

• Arrondir la jonction grâce au Fillet (se calcule automatiquement, mais il peut être nécessaire de re-sélectionner l’arête).

Fin des étapes optionnelles

• Evider la socket grâce au make_socket_shell, en sélectionnant la face plane à creuser. Je choisis ici une épaisseur de 2mm, à adapter selon vos préférences, et en cohérence avec le décalage de surface (5mm ci-dessus) défini précédemment.

• Vous êtes parvenu jusqu’ici ? Bravo, la création de l’emboîture est terminée !!!

Etape 2 : Jonction du MTH sur emboîture :

• Dupliquer le studio « Base_XXX » et nommer la copie « Base_someone ».
• Dans le studio « Base_someone», faire si besoin un « Roll to end » pour se placer en fin d’arborescence après « #end_of_tool_holder_base ». Seules les pièces du Multi tool holder sont présentes.

• Créer un nouveau Assembly nommé « Assembly_someone »

• Passer dans l’onglet « Assembly_someone », et y insérer la socket précédemment créée. (Eviter de cliquer la souris dans la zone graphique, afin que l’objet se place automatiquement dans sa position d’origine).

• • Faire un clic droit sur la socket et sélectionner « fix » afin de figer la position dans le référentiel de l’assemblage.
  • Insérer tout le contenu du part studio « Base someone ».

• • Sélectionner et grouper les 8 objets issus de la dernière insertion. Ils se déplaceront ainsi ensemble.
  • Sélectionnez un de ces objets pour faire apparaître les manipulateurs, et déplacez (translations et rotations) le Multi tool holder (groupé) dans la position souhaitée par rapport à la socket.

Dans notre cas, il s’agit de positionner un couvert (fourchette ou cuiller principalement). Une entrevue préalable avec la bénéficiaire lui a permis de définir sa position espérée pour l’outil. C’est cette position que nous essayons de reproduire ici.

• • Le cône du « magnet_container » devrait entièrement intersecter la surface extérieure de la « socket ». Dans le cas contraire, vous devrez peut-être prolonger un peu ce cône vers le bas avant d’effectuer la découpe (opération booléenne) suivante. Dans ce cas, effectuez l’opération optionnelle ci-dessous…

• • Opération optionnelle: Passez dans le studio « Base_someone », et tirez de quelques mm les faces inférieures de « steel_plate_tool » et de « magnet_container », à l’aide de la fonction « move_face »

• • Vous pouvez éventuellement masquer tous les objets sauf le « magnet_container » et la « socket ».
  • Si nécessaire pivotez l’ensemble pour que le côté avec les dents « rognées » du magnet container soit proche de la base de la socket. (en fait l’objectif est ici que cette partie soit vers le bas lors de l’impression pour faciliter la construction sans support)

• • Par un clic droit sur le magnet_container, sélectionner « Edit in context ». On bascule alors dans le studio « Base_someone » en présence « fantôme » des autres pièces de l’assemblage que l’on va pouvoir utiliser (cette manip fait partie de la « magie » de Onshape 🙂 elle rend bien des services lors du travail sur des assemblages, il est possible de définir plusieurs contextes d’usage pour une même pièce, et je vous conseille d’approfondir le mode Edit In Context si vous souhaitez faire des modélisations complexes avec ce logiciel).

• Par une opération booléenne (substract) découper le magnet_container par la socket. Sélectionner « keep tools ». Je nomme cette opération «cut_container_by_socket». Noter que lors de la sélection la socket est vue comme «Part of context 1».

• Nous avons maintenant, dans la liste de Parts, deux « magnet_container ». Il est bon de détruire (delete) celui qui est situé à l’intérieur de la socket et ne nous sera pas utile, afin d’être certain de conserver le bon morceau dans notre assemblage.
• Noter aussi qu’est apparue, au-dessus de la fenêtre Features, une liste de contextes. On pourra donc revenir dans le contexte où ces opérations ont été faites si besoin. Un contexte peut aussi être mis à jour (menu déroulant) afin de recalculer les opérations associées après un changement de position des objets dans l’assemblage par exemple.
• Par une 2^e opération booléenne, découper le « magnet_container » par le « steel_plate_tool » (avec « Keep tool » car le « steel_plate_tool » nous resservira juste ci-dessous).

• • Revenir dans l’assemblage :
  • Clic droit sur la socket, « Edit in context » nous amène dans « socket_someone » en présence fantôme du multiTool holder.
  • Découper (Boolean, Substract) la « socket » par le « steel_plate_tool ». (Si un morceau de socket résiduel apparaît, le détruire).

• • Revenir à l’assemblage (barre jaune, Go to assembly)
  • Clic droit sur le « magnet_container », « Edit in context » (un « Context 2 » est créé)
  • Créer une dernière opération booléenne pour fusionner (Boolean, Union), le « magnet_container » et la socket.

• • Il est bon de mettre un congé (fillet ) confortable autour du support d’outil…

• Nous obtenons enfin l’emboîture sur laquelle pourra se fixer le Multi tool holder  !

Dernières étapes : impression puis assemblage avec les aimants, plaques acier, etc.

La liste des pièces nécessaires à cet assemblage (voir figure) :

Impression :

Les pièces (1) et (3) doivent être imprimées en matériau flexible TPE (dureté Shore 85A environ). La pièce (2) peut être imprimée en PLA ou ABS ou tout autre matière rigide. Les pièces (4) peuvent être imprimées en matière semi-rigide (TPU shore 95A par exemple) ou rigide (ABS, PLA, Nylon, PETG…).

Aimants et plaques acier :

Les aimants (6) sont des aimants néodyme de dimension 5x10x20mm. J’ai utilisé ceux-ci . Si vous souhaitez utiliser des aimants légèrement différents vous pouvez modifier les dimensions dans le modèle Onshape, dans l’onglet « base_someone » à partir de l’esquisse « Magnet_places ». Notez que des modifications plus importantes (remplacer par un aimant disque par exemple) sont possibles mais nécessiteront peut-être des modifications plus profondes car certaines entités construites s’appuient sur les bords des logements d’aimants rectangulaires). La steel_sheet et la steel_plate sont des plaques d’acier magnétique (pas inox par exemple) qui peuvent être découpées avec une cisaille manuelle. La force de maintien magnétique des aimants étant directement liée à l’épaisseur de la plaque utilisée, il est conseillé que la steel_sheet (qui constitue la liaison devant être séparable aisément) soit plus fine que la steel_plate (qui maintient les aimants en place dans l’emboîture). J’ai utilisé une plaque de 0.8mm d’épaisseur pour la steel_plate (un morceau de plaque de cuisson de four, trouvé dans une décheterie), et environ 0.35mm pour la steel_sheet (découpé dans une boîte de Ricoré (!)). Afin d’assurer un maintien efficace des aimants dans leurs logements, on peut compléter l’action magnétique de la steel_plate par du ruban adhésif double faces mince placé autour de chaque aimant, au contact du magnet_container (une colle restant souple doit aussi pouvoir être utilisée).

Tissu de confort :

Afin d’assurer un maintien ferme mais confortable de l’emboîture sur la main, j’utilise un tissu ou une mousse, de 3mm d’épaisseur environ. L’utilisation d’une épaisseur différente peut nécessiter de modifier la variable #Hand_gap dans le studio « socket_someone ». Certains makers utilisent une feuille de mousse EVA, facile à trouver en magasin d’art créatifs, d’autres utilisent du néoprène (trouvé en magasins de sport au rayon plongée je crois), personnellement j’utilise du « tissu 3D » dont un ami orthopédiste m’a fourni quelques chutes. Ce tissu dispose d’une couche en éponge agréable au toucher et qui absorbe bien la transpiration. Je n’ai malheureusement pas encore trouvé de fournisseur qui en vendrait en faible quantité à un particulier L. Afin de préparer un « gant » en tissus qui fera l‘interface entre la main et emboîture, j’imprime un modèle de la main en PLA, puis j’enroule et je découpe puis couds le tissu sur ce modèle. On obtient ainsi un gant parfaitement adapté, qui couvrira bien la main sans faire de pli.

Utilisation du modèle de main imprimée pour la préparation du gant en tissu 3D.

Résultat en mode porte-fourchette

La fourchette positionnée « au dessus » de la main nous avait inquiété un peu, même si cette configuration avait été demandée par la bénéficiaire lors d’une réunion préalable. Mais finalement, elle adopte l’outil dès les premières secondes. Le geste lui semble naturel.

Perspectives complémentaires…

Une construction similaire, sur la même base de socket fusionné avec un autre objet, devrait permettre d’adapter divers outils spécifiques dédiés à certaines activités. Jetons quelques idées (liste à étendre selon les besoins !) :

• Un support de stylo (voir ci-dessous),
• Un clip semi-rigide prévu pour se clipser sur un guidon de vélo afin d’avoir un bon maintien tout en assurant une extraction facile en cas de chute (voir ci-dessous),
• Un clip similaire mais avec une autre orientation pour tenir un bâton de marche,
• Un support de roulette à pizza (merci Thierry pour la suggestion),
• Une fourche-pince sans articulation mais légèrement flexible permettant de tenir un jeu de cartes,
• … ?

Il s’agit donc de modéliser divers outils, puis de les fusionner avec une « socket » adaptée pour la personne concernée. Les modèles ci-dessous sont entièrement imprimés en TPE (Ninjaflex en l’occurrence) et sont dimensionnés pour laisser la place à 3mm de tissus3D entre la main et l’emboîture, ceci pour un confort maximum.

Support de stylo

Clip de guidon

Support de stylos avec son ensemble de manchons

Clip pour tenir un guidon de vélo.

Résultat en mode porte-stylo

Le premier essai avec un stylo a laissé la bénéficiaire hésitante et mal-habile pendant 30 secondes, l’écriture était difficile. Puis nous avons changé de stylo, pour un modèle muni d’une pointe glissant mieux sur le papier… et le système fut adopté à une vitesse impressionnante, amenant une dextérité que nous n’avions pas espérée (voir la vidéo ci-dessous). Depuis, cette personne a retrouvé un emploi, dans lequel elle a besoin de prendre des notes à la main, ce qui est finalement plus simple pour elle que d’utiliser un clavier !

Porte-stylo en action (voir vidéo ci-dessous)

Expression du besoin:

Par essence, la tenue d’un objet dans une main e-nable (Raptor ou Phoenix) est assurée par la position abaissée du carpe du porteur de prothèse. Nous avions identifié que cette pression vers le bas, nécessaire pour maintenir la main en tension pouvait être fatigante au bout d’un certain temps.

Lors du retour d’expérience après la livraison de notre main pour Nathalie (voir le post), il était évident qu’il fallait trouver une solution pour soulager les muscles de la main appareillée.
Nathalie est une adulte ayant subi une amputation de sa main droite (au-dessus de son poignet) suite à la contraction d’une maladie nosocomiale. Après avoir contacté E-nable, elle a été équipée par une première prothèse à sa mesure. Cependant, l’utilisation récurrente et prolongée de sa prothèse – pour tenir des couverts, son sac à main, ou faire du vélo – génère une fatigue musculaire importante.

Le besoin / la démarche :

Il est donc nécessaire que la prothèse puisse garder la main verrouillée sans que cela n’entraine la contraction prolongée du poignet. En outre, cela ne doit pas l’encombrer davantage ou ajouter du poids et rester facile d’utilisation.

Différentes solutions furent envisagées pour maintenir les câbles de tension des doigts bloqués en traction sans réellement être convaincantes. La problématique fut inversée en cherchant comment la main pouvait être en position abaissée (et stable) sans besoin de maintenir l’effort de flexion du poignet. C’est ainsi qu’un schéma de principe a été validé, suivi d’un « proof of concept » (POC) réalisé hors du contexte paume-gauntlet.

Idée de base pour le maintien d’un main en tension, avec une roue dentée et un cliquet.

Pour valider l’idée, un proof of concept a été rapidement conçu en CAO et imprimée dans le week-end. La paume et le gauntlet sont simulés par les sous ensembles imprimés en bleu.

Proof of concept, tout en impression avec du PLA

Toute la CAO est réalisée avec l’application en ligne « OnShape » pour les nombreux avantages énumérés ici.

Design : Première version

Le POC ayant démontré la validé du concept, par itérations successives, nous nous sommes donc inspirés du système de roue à rochets pour arriver à cette première version :

Première version du « Wrist lock». A gauche en position ouverte. A droite en position fermée

Design

Côté cinématique : la came du levier, comme dans la version finale, permet de relever le cliquet vers la position ouverte quand le levier est basculé à droite. La came se positionne alors dans un indent dessiné sur le cliquet. Le ressort flex, imprimé en filament Ninjaflex, est comprimé, pour verrouiller la position ouverte. Quand le levier est basculé à gauche, le ressort se détend et abaisse le cliquet. Il maintient également le contact entre le cliquet et la roue dentée lors de la rotation du poignet, en se comprimant et se relâchant alternativement.

Côté matériau, nous avons commencé par des tentatives d’impression des roues dentées et cliquets en PLA et iGlidur (IGUS), puis finalement les risques d’usure nous ont amené à considérer d’utiliser des pièces en métal (Alu/Acier) pour supporter les efforts générés par un adulte (typiquement, les vis auto-perforantes utilisées pour fixer la roue dentée dans la paume ont rapidement pris du jeu et ont été remplacées par deux vis-écrous). Elles se déforment trop quand elles sont imprimées avec du filament classique (PLA, ABS, PETG). De plus, les dents de la roue dentée et la pointe du cliquet présentent une usure rapide sous l’action des efforts à chaque passage de dent. La roue dentée a été achetée chez un spécialiste et le cliquet a été usiné en interne avec une CNC DIY d’un camarade de notre hackerspace. Néanmoins, les efforts étant sensiblement réduits par les modifications présentées plus loin, un « wrist lock system » complètement imprimé en 3D serait peut-être envisageable pour un enfant.

Observations après impression et assemblage

Après assemblage, le système tel qu’imaginé fonctionne sans encombre. Cependant, nous avons pu observer que le ressort flex commençait à se plastifier (rester déformé après avoir été comprimé), surtout à cause de la position ouverte, qui le comprime de façon prolongée. De même, la came, en plastique, s’use rapidement au passage de l’indent, en métal.

Il faut alors repenser ces deux éléments pour fabriquer un système pérenne. L’objectif est d’éviter l’usure de la came et la perte d’élasticité du ressort.

Seconde version

Pour la seconde version, l’introduction d’un ressort de torsion permet de résoudre les deux inconvénients observés dans la première version :

Seconde version du « Wrist lock system ». A gauche, la came et le ressort flex sont remplacées par un ressort de torsion. Ce ressort relie le levier au cliquet. Il abaisse le cliquet et le maintient en contact avec la roue dentée quand le levier est basculé en position fermée. Il relève également le cliquet quand le levier est basculé en position ouverte. A droite, ce ressort a été dessiné sous Onshape avec la fonction Helix.

Design

Nous nous sommes d’abord attaqués au problème d’usure de la came. Cette usure provient du frottement entre la came du levier et l’indent du cliquet, nécessaire pour passer le levier de la position fermée à ouverte. Ces deux éléments ont donc été supprimés au profit d’un ressort de torsion. Celui-ci est imprimé avec le levier et s’emboite dans le cliquet. Ainsi, les deux pièces sont reliées et le cliquet peut passer de la position fermée à ouvert quand le levier est basculé à droite, sous l’action de ce ressort.

Ensuite, quand le levier est basculé à gauche vers la position fermée, le ressort entraine aussi le cliquet. De même, il maintien le cliquet en contact avec la roue dentée pendant la rotation du poignet. La partie basse du cliquet de la version #1 n’est plus utile et est donc supprimé.

Le gros atout de ce ressort de torsion en comparaison du ressort de compression précédent est que, grâce au mouvement de son point d’accroche sous le levier, il génère des efforts très faibles, vers le haut pour maintenir le cliquet hors de la roue en position ouverte, et vers le bas pour ramener le cliquet en appui sur la roue en position fermée. Ces efforts faibles limitent les risques de rupture et d’usure dans toutes les situations.

Observations après impression et assemblage

Après assemblage, le système tel qu’imaginé fonctionne à nouveau sans encombre. Cependant, nous nous sommes rendu compte que le ressort ne génère pas assez d’effort pour relever le cliquet quand celui-ci est en appui « sous une dent » de la roue dentée. De même, en position fermée, lors de la rotation du poignet, la roue dentée touche le ressort et l’abîme.
Il faut alors apporter quelques ajustements finaux.

Version finale et finitions

Dans sa version finale, les positions des cliquet et levier sont éloignées de la roue dentée de quelques millimètres pour éviter le contact en le ressort et la roue dentée. La came de la version #1 est également réintroduite pour aider à relever le cliquet (l’extraire des dents de la roue) quand le levier passe en position ouverte. Le ressort de torsion prend alors le relais pour conserver cette position :

Version finale du « Wrist lock system ». La came est réintroduite mais cette fois uniquement pour relever le cliquet de la position fermée à ouverte. Le ressort de torsion verrouille ensuite la position ouverte pour ne pas user prématurément la came.

Après assemblage, cette version est adoptée.

Finitions

Une fois le design fonctionnel validé, deux finitions sont apportées :

• Une rondelle sur la roue dentée pour protéger Nathalie de tout contact avec les dents
• Un capot amovible pour ne laisser que le levier d’apparent.

Finitions apportées à la version finale du « wrist lock system ». A gauche : une protection pour éviter tout contact avec la roue dentée. A droite : un capot amovible pour ne laisser que le levier d’apparent.