Main myoéléctrique Exiii HACKberry

 
Tutoriel
Fabrication d'une main droite Exiii HACKberry
  • Difficulté : Difficile
  • Durée réalisation : 2-3 semaines
  • Budget : 700 €
 

Avant-propos

Le projet Bionico consiste en la fabrication d’une prothèse myoéléctrique à faire soi-même. (Prothèse commandée par des capteurs musculaires placés sur le bras pour la commander)

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 (10 000 à 70 000€ sur le marché)
  • 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.

ICI une présentation de l’équipe

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….)

Et faites vous plaisir!:-)

 

 

Bionico au Fab Lab Berlin

Cette vidéo présente :
- La résidence de 3 mois de Nicolas Huchet au Fab Lab Berlin
- La décision de fabriquer la main Exiii
- L'aide de l'équipe de Makea Industries et la consultation d'Ottobock
- Les 2 versions du projet : Fablab et hybride

 

Sommaire

 

1-GitHub, c'est quoi?

Nous sommes en 2016, Github est un réseau social qui change totalement la façon de travailler en réseau. Suivre les étapes, télécharger les fichiers pour avoir la sensation d'être un geek!

 

2-Les composants

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-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.

 

4-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.

 

5a-Assemblage majeur

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 les perçages qui vont recevoir les axes à l'aide d'un foret de 1,8mm (max 1,9mm)
- Insérer les axes
- Assembler les composants comme indiqué de gauche à droite, à lire de haut en bas
- Serrer l'ensemble avec les vis

 
 

5b-Assemblage majeur (vidéo)

 

6-Assemblage de l'index

- Ajuster les perçages avec un foret de 1,8mm
- Insérer l'axe avec le ressort
- Assembler les éléments au fur et à mesure dans l'ordre donné de gauche à droite, de haut en bas
Vidéo Exiii ICI

 
 

7-Montage des 4 doigts sur la paume

1
- 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

2
- Placer le majeur avec ses 2 axes
- Placer l'index avec ses 2 axes
- Insérer et visser HbShaftStopperA04

 
 

8-Protection des servomoteurs

Avant d'être assemblés dans la main et le pouce, les servomoteurs 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

RÉPÉTER L’OPÉRATION POUR LES 2 AUTRES MOTEURS

 
 

9-Assemblage du pouce

- 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 servomoteur sur le pouce

La vidéo du pouce faite par Exiii est ICI

 
 

10-Montage du pouce sur la main

- Insérer le mini roulement dans son emplacement comme indiqué sur la photo
- Placer et visser l'un des 2 servomoteurs 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 servomoteur comme indiqué pour préparer la mise en place du moteur de l'index

 
 

11-Montage du servomoteur d'index dans la paume

Cette étape concerne l'emplacement du servomoteur S03N dans la paume de la main en positionnant sa poulie dans le bon angle .

 

12-Coupler les 3 doigts et le servomoteur

Étape à suivre pour solidariser les 3 doigts, la mise en place du dernier servomoteur et la fixation de la transmission des doigts sur le moteur.

 

13-Soudure des composants

Explications des différentes étapes pour souder les composants sur le PCB

 

14-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

 

15-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.

 

16-Intégrer l'électronique dans la main

Branchement des servomoteurs, mise en place de l’électronique

 

17-3D 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.

 

18-Modélisation de l'emboîture

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

 

19-Impression de l'emboîture

L'emboiture a été imprimée avec une Dimension Stratasys Elite au Fab Lab Berlin

 

20-Montage du poignet + assemblage sur l'emboîture

Rassembler les composants et suivre les étapes de montage (photos de gauche à droite, de haut en bas)

 
 

21-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

 
 

22-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
  • Téléverser le code

Voici un tutoriel pour apprendre à utiliser arduino

 

23-Montage final + Test

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

 
 

24-Version fablab ou hybrid?

Il s'agit de la même main (composants, design....), c'est l’interface homme-machine qui change (emboîture, poignet d’accrochage, électrodes)

- 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.

Il a été possible de fabriquer cette version hybride grâce à l'implication d'un orthoprothésiste qui a pu nous fournir le poignet démontable. Ce poignet démontable n'est pas disponible dans le commerce.

 

25-Montage du poignet démontable (version hybride)

La résidence au sein du Fab Lab Berlin et la consultation d'Ottobock ont rendu possible la réalisation du modèle hybride. Cette étape explique comment adapter un poignet démontable sur la main Exiii. Ce poignet est normalement utilisé pour des prothèses standards, il n'est pas à vendre dans le commerce et est exclusivement réservé à des prothésistes professionnels qui peuvent s'en procurer

 

26-Câblage électrique du poignet (version hybride)

Cette étape explique comment câbler le connecteur du poignet démontable. Ce poignet n'est pas disponible dans le commerce, ni dans un catalogue. Il est possible de trouver un équivalent en se rapprochant d'un prothésiste professionnel

 

27-Version Fablab Vs Version Hybride

Le plan initial était de fabriquer une main disponible pour tous les pays, c'est à dire, possible à fabriquer dans un fablab en utilisant des composants standard (impression 3D, bouton pression pour les contacts musculaires, électronique peu chère). La complexité de ce projet rend difficile d'utiliser de composants standards et peu chers qui soient aussi de qualité.

Le challenge de cette résidence était de trouver un compromis entre un projet open source basé sur une communauté et une entreprise axée sur des bénéfices.

Durant la fabrication de la version fablab de la main, nous avons eu de nouvelles idées et avons décidé de changer légèrement le plan initial.
Comme je suis porteur d'une prothèse myoéléctrique avec un poignet démontable, il nous a paru logique d’essayer d'adapter la main Exiii sur mon emboîture.
La version hybride n'avait pas lieu d'être dans un sens puisque les composants sont assez onéreux et non standards (électrodes, poignet, emboîture), mais il nous paraissait logique d’essayer. C'est une première entre la partie innovation ouverte d'une entreprise comme Ottobock et un projet open source.
C'est également un symbole qui montre qu'il est possible de fusionner malgré les difficultés de différence de mentalités, le monde de l'open source à celui d'une entreprise, qu'il est possible et important de mélanger des compétences.

7 jours pour l'impression des pièces
1 jour pour l'assemblage
1 jour pour souder les composants
2 jours pour le scan, modélisation et impression de l'emboiture
1 jour pour finaliser (intégration des composants, téléviser le code, test..)

Feedback:

Negatif: En tant qu'utilisateur de prothèse myoéléctrique depuis 2002, j'ai pu tester la vitesse, force, control et utilisation de la main Exiii. De mon point de vue, cette main n'est pas utilisable quotidiennement étant donné son manque de force et de robustesse. Il est difficile de mettre de s'habiller ou de manger avec. Les servos moteurs chauffent rapidement et s'arrêtent de fonctionner après 15 min d'utilisation environ, il faut alors stopper la main avec l'interrupteur. La fermeture de la main n'est pas contrôlable, seulement l'ouverture. Le mode d'entrainement, à chaque mise en route prends du temps (5s). Les changements de mode de position sont parfois difficile à changer.

Positif: Pour la première fois depuis l'apparition des prothèses de mains bioniques low-cost à imprimer soi-même, il est possible de faire ses lacets, tenir une tasse, un smartphone ou de petits objets tel qu'un stylo, une feuille de papier, un cookie et même une cigarette pour les fumeurs. Les différents mode positions permettent la rotation du pouce, la pince précision ou une ouverture plus grande du pouce qui permet de saisir une bouteille d'eau d'1,5L offre la possibilité de faire plus de choses. Pour la 1ère fois je préfère utiliser la main Exiii au lieu de ma Varie speed + Ottobock quand il s'agit d'utiliser mon ordinateur grâce à la fonction index

 

Conclusion

Il était ambitieux et difficile en tant qu’amputé et non technicien de réaliser ce projet étant donné la petitesse des pièces et les compétences à avoir.

Grâce au travail d’équipe et au programme de résidence, j’ai commencé à avoir confiance en moi. Doucement mais sûrement, j’ai appris à utiliser les machines, logiciels et appris à souder. Comme nous avons fabriqué 2 mains, la deuxième a été plus facile à fabriquer.

J’ai beaucoup appris durant ce programme de résidence qui impliquait l’association My Human kit à développer le projet Bionicohand et fabriquer la main Exiii au Fab Lab Berlin avec l’aide de Makeas Industrie et la consultation d’Ottobock. Merci à tous, en particulier, Ahmad, Laszlo, Jair, Uli & Park qui sont présenté ICI

C’est grâce à tout cela que le projet a été rendu possible, il a prouvé à quel point l’innovation ouverte est à la fois créative, positive et productive.

Je tiens à remercier toutes les personnes qui se sont impliqués sur ce projet qui s’est déroulé de avril à juillet 2016 au Fab Lab Berlin, en particulier, Laszlo, Ahmad, Jair, Uli et Park.