Projets:Bionicohand

Motivations du projet

Une myohand (prothèse myoéléctrique) est destinée aux personnes amputés du membre supérieur afin de retrouver une autonomie au quotidien (vie sociale, professionnelle, transport etc.), bien que très utile, elles sont souvent rejetées par les utilisateurs (poids, contrôle, apparence, maintenance)

En France, certaines prothèses sont remboursées par la sécurité sociale. L’amélioration des technologies a fait apparaître des prothèses permettant plus de possibilités de mouvements (pince latérale, crochet, index etc.) et une meilleure esthétique. Ces prothèses poly-digitales ne sont pas remboursées et coûtent de 30 000 à 70 000 euros.

Le projet a pour but de fédérer des partenaires pour inventer une myohand acceptée par les utilisateurs, abordable en prix avec la possibilité d'assurer la maintenance à l'aide d'une revue technique en cas de panne. Ce projet ne vient pas concurrencer les fabricants de prothèses destinées aux pays à couvertures sociales ou aux personnes à situations financières confortables. Il souhaite apporter une aide aux pays émergents n’ayant pas l’accessibilité à l’appareillage prothétique. Le projet comporte diverses motivations : la passion envers la technologie, le partage des savoirs ; le désir d’aider les autres et un mécontentement du monde dans lequel nous vivons aujourd’hui.

Cahier des charges

Myohand à abduction du pouce motorisé et à réparer soi-même. Cahier des charges

Quelques modèles de prothèses commerciales

• Ottobock a également breveté une version de la prothèse Michelangelo avec un seul moteur

(deux dans le version originale), afin de proposer une version plus fine :
https://patents.google.com/patent/DE102018100173A1/de

• SSSA My Hand :

https://www.youtube.com/watch?v=fH2MVtCMwGg

• Hannes Hand :

https://www.youtube.com/watch?v=CjI8X6F0UZY

Description technique

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cinématique

L'illustration ci-dessous représente l'évolution de la main depuis le Fabrikarium My Human Kit / ArianeGroup en octobre 2021 et qui est consultable ICI.

Cette évolution a été réalisé par le professeur Henri Boutard et les étudiants du BTS CIM (Conception et Industrialisation en Microtechniques) du lycée Saint Aubin La Salle d'Angers de janvier à juin 2022.

Principe de fonctionnement de la prothèse BIONICOHAND V1 2022

Un actionneur (servomoteur) monté sur un berceau entraine en rotation une roue dentée sur laquelle est montée une bielle qui entraine en rotation le majeur. Sous le majeur une tige de poussée appui sur le pouce qui se ferme à la descente du majeur. Le pouce peut prendre 2 positions Abduction ou Adduction grâce à la rotation de son embase dans ces 2 positions. Le changement de position de l’embase est réalisé par un basculeur entraîné par la roue dentée en fonction du sens de rotation. Le basculeur par une fourchette agit sur un ergot de l’embase pouce qui bascule dans la nouvelle position sous l’action d’un ressort qui le pousse en butée. Le sabot cranté situé sous la roue dentée agit comme un bloqueur sous l’action d’un ressort quand le berceau de l’actionneur reprend sa position centrale.

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Alimentation

Objectifs

Inventer un système d'alimentation électrique discret, fiable, abordable et sans danger pour le bon fonctionnement de la prothèse myoélectrique.

• Cahier des charges :

• • 7.4V, 1000mAh min, pic de 2A
  • Recharge par câble usb (Ex : micro-usb, usb-C, apple...)
  • Composants standards (ex: accumulateurs 18650) et de préférence discrets (ex : accumulateurs 14500)
  • Interrupteur pour éteindre et allumer la prothèse instantanément (pas de temporisation à la mise hors/sous tension)
  • Indicateur visuel de décharge
  • Dispositif sécuriser et sécurisant (dissipation thermique des composants, gestion des éléments de la batterie)

• Le système d'alimentation comporte les éléments suivants:

• • Batterie : Alimente la main électrique et les électrodes
  • BMS (Batery Management System) : Gère la charge/décharge de la batterie et protège contre les courts circuits
  • Convertisseur DC/DC : Assure la stabilité du voltage
  • Interrupteur ON/OFF : Coupe l’alimentation de la main permettant de maintenir un objet serré sans contraction
  • USB in : Port de recharge de la batterie (micro USB, USB-C...)

Akkathon Bionicohand (AKKA/My Human Kit juillet 2022)

Suite au Fabrikarium 2021 (voir Alimentation Fabrikarium 2021), des ingénieurs d'Akkodis (une entreprise partenaire du projet) ont conçue une carte d'alimentation sur mesure répondant aux besoins décrits dans le cahier des charges.

Vue d'ensemble carte alim

Cette carte est conçue pour la batterie PA-L2 et seulement pour les batteries Lithium ion ayant une tension finale de 4,2V.

Carte d'alimentation

Fabrication de la carte

Défi à relever durant les 3 jours du Akkathon. Tous les composants ont été commandé et le PCB fabriqué en amont pour l’événement.

Le PCB (Printed Circuit Board)

PCB

Le PCB est une carte en époxy (FR4 dans notre cas) sur laquelle est imprimée le circuit électronique et les trous de perçages permettant d'y souder les composants.

Les fichiers GERBER et DRLL sont téléchargeable ICIpour faire fabriquer le PCB en ligne.

Composants

Cliquez ici pour consulter la liste des composants.

Généralement les composants sont soudés sur le PCB en passant par un four. Dans notre cas, nous avons utilisé un poste de soudure. Les composants U1, U2, U3, U4, U5, Q1, Q2 étant petits (pas fin, 0,5 mm) sont monté en premiers par refusion (brasage). Les autres composants sont soudés à la main ou monté directement sur le PCB.

Schéma de la carte

Schéma carte alim

Legende de la liste des composants:

C = Condensateur ; D = Diode ; J = Connecteur ; L = Inductance ; R = Résistance ; Q = Transistor ; U = Circuit intégré ; SW = Switch Button ; X = Divers

Matériel

• Microscope à écran LCD (TOMLOV)
• Station de soudage à panne fine (yihua 8786D)
• Crème de brasage
• Nettoyant de flux
• Pinces brucelle
• Oscilloscope
• Alimentation stabilisé
• Multimètre
• Fil électrique....

La réalisation des soudures est une tâche qui demande beaucoup de dextérité, patience et de l'expérience. Il est recommandé de se rapprocher d'experts dans le domaine (entreprises industrielles, fablabs, lycées techniques...).

Le bilan des recherches ayant conduit à la création de cette carte est consultable ICI

Archive

Cinématique

Objectifs

Créer un mécanisme d’abduction du pouce (mouvement permettant de le positionner en position latérale ou opposée) motorisé (sans intervention manuelle avec la main opposée).

Modification du mécanisme développé par MHK et Orthopus

Visualisation du système mécanique bielle rotule originale et fichier.STEP original myhohand

Ce modèle permet le déplacement du pouce à l'aide de l'autre main et non de manière automatique

Création d'une cinématique

Modélisation

Afin d'imaginer les solutions techniques possibles, un système a bielle à été créer pour que les liaisons nécessaires aux différents mouvements soient possibles.

Cette cinématique est un outils de préparation à l'intégration des nouvelles pièces, elle permet d'ajuster la taille et l'emplacement des pièces pour installer le nouveau système.

L'animation ci-dessous montre les différents mouvements du pouce selon le sens de rotation du moteur:

Modification du support supérieur du pivot pouce

Le support à été modifier pour autorisé les différents mouvement de pivot du pouce.

Ajout d'une poulie pour simuler la motorisation

Pour ce prototype le mouvement sera générer manuellement et non pas par un moteur.

Créations de pièces mécaniques

Pivot Pouce

La pièce en jaune forme fera pivoter le pouce via une liaison avec le disque couplé au moteur.

Motorisation du majeure par bielle

L'entraînement du majeure sera effectué par une bielle accouplé au disque couplé au moteur.

Mise en œuvre

Impression 3D

Petit aperçus de l'évolution des pièces du prototype imprimés en 3D

Références/ Sources

Il est possible de télécharger les fichiers de conception dans un logiciel de CAO afin de poursuivre les améliorations Voici les fichiers du proto développé pendant le Farbikarium et retouchés un peu après. Il y a :

• le fichier natif Fusion .f3d se trouve DOWNLOAD .f3D files HERE

• le fichier .setp comptabile avec d'autres logiciels de CAO Kinematic_Myohand_fabrikarium.step.zip DOWNLOAD .step files HERE

• Un zip avec tous les fichier STL pour de l'impression et de la visualisation DOWNLOAD .stl Files HERE

les fichiers natifs Solidworks avant la modification sont ICI

Alimentation

Alimentation : Fabrikarium (My Human Kit/ArianeGroup octobre 2021)

Choix du moteur DC

Ce modèle à été sélectionné pour sa compacité et ses performances. D'après la documentation technique du micromoteur à courant continu sa tension nominale est de 6V mais sera utilisé à 7,4V, il est donné pour 1,6A.

Choix des batteries

• Lithium Ion 18650
  • + moins fragile/sensible que lipo
  • - taille importante

• Lithium Polymère
  • -danger si batterie percée
  • + gain de place

Choix du convertisseur DC/DC

Objectifs :

Déterminer le matériel capable de maintenir une tension stable en sortie en fonction du taux de charge de la batterie. La charge du moteur sera simulée par une résistance de 250W de valeur : - 5 Ohm pour le fonctionnement en charge du moteur - 10 Ohm pour le fonctionnement nominale du moteur

Ce circuit permet de déterminer les caractéristiques "réel" du convertisseur pour déterminer sa fiabilité dans des conditions extrêmes : batterie faible, charge moteur élevée et charge nominale.

On mesure alors les tensions et courants d'entrée Vin / Iin et de sortie Vout / Iout

La températures des composants est déterminé grâce à une caméra thermique.

Test des convertisseurs DC/DC

MT3608 et XL4005E1

MT3608 : tension d'entrée 2-24V, tension de sortie 5-28V, max 2A

carte XL4005E1 : tension d'entrée 5-32V, tension de sortie 0.8V-30V, 5A nominal, max 8A.

Tableau de mesures

Conclusion :

La carte MT3608 ne tient plus ses spécifications lorsque l'on dépasse 1A.
Elle n'a donc pas les caractéristiques nécessaires pour alimenter le moteur dans les conditions envisagées.

La carte XL4005E1 est surdimensionnée (5A) mais elle génère une tension de sortie plus stable et propre. Par contre elle ne fonctionne qu'en abaisseur de tension à partir de 5V donc nécessite 2 batteries de 3,7V. soit 8,4V ce qui ne gène en rien l'usage que l'on souhaite en faire.

Choix du chargeur de batterie

Objectifs :

Le chargeur ou BMS doit pouvoir gérer la charge et la décharge des batteries tout en assurant la protection (décharge profonde, échauffement) de celle-ci.
L'acronyme BMS signifie Battery Management System.

Test de chargeurs de batterie

Modèle HX-2S-JH20 10A

- Demande une tension d'entrée élevée (8,4-9V) ce qui nécessite un convertisseur afin d'élevé la tension de deux batteries (3,7x2=7,4V)

- Gestion complexe des entrées/sorties en fonction de la charge ou décharge de la batterie : ce sont physiquement les mêmes broche du circuit

infos sur la carte

schématique de la carte

Modèle à base de TP4056

Ce modèle permet de chargé une seule batterie

infos sur le chargeur de batterie TP4056

Mise en parallèle des deux modules TP4056

Pour charger deux batteries il est nécessaire d'utiliser deux modules

Problème

La mise en parallèle de deux circuits de chargeTP4056 pose un problème d'isolation électrique entre les deux circuits.

En effet le fait de disposer d'une seule alimentation 5V commune pour les deux modules créer un court circuit au niveau du second circuit. Le OUT+2 est connecté au OUT-1 qui est lui même relié au -5V. De ce fait la borne OUT-2 se retrouve au même potentiel que la borne OUT+2 et créer un court-circuit franc.

Solutions 1

La solution la plus simple à mettre en place consiste à intégrer un double interrupteur N0/NC qui permet de mettre en parallèle le 5V pendant la charge et isoler les deux batteries. Pendant l'utilisation l'inter 1 sera ouvert et l'inter 2 sera fermé, ce qui nous permet de mettre en série les deux batteries et isoler les deux entrées 5V.

Solution 2

La seconde solution consiste à utiliser deux convertisseur DC/DC 5V vers 5V pour isoler galvaniquement l'entrée des deux circuits.

Test indicateur de charge à led

Modèle HW-798A

Il comporte 4 leds

De base, il est calibré pour indiquer le niveau de batterie de 1 cellule (entre 3 et 4 V environ). Il faut souder le jumper J1 pour passer à un niveau de batterie de 2 cellules (première led à 6.6V et dernière led à 7.9V)

Lien pour se procurer la carte HW-798A-4 sur alibaba

Connexion des différents éléments

Il s'agit de connecter les différents modules : batterie, carte de charge/protection, convertisseur DC/DC, indicateur de charge, interrupteur.
Cet assemblage comprend deux convertisseurs MT3608 (ne pouvant gérer qu'un ampère) montés en parallèle afin de gérer les 1,6A nécessaire au fonctionnement du moteur.
Pour le test nous avons connecter une pince munie de moteur.

schéma au format pdf

Étude d'intégration du matériel dans l’emboîture

Objectifs

Intégrer le matériel nécessaire à l'alimentation du moteur en fonction des composants choisis et des contraintes d'usage

Cet exemple comprends les modules sélectionnés plus haut, ces cartes sont disponibles dans le commerce et ne sont pas forcément adaptés en dimensions. Tout comme les connections entre les modules ne sont pas tout à fait en accord avec le cahier des charges. Il sera sans doute préférable de développer un circuit permettant de prendre en compte les contraintes d'espace et la dissipation thermique nécessaire aux différents composants.
Les fichiers originaux se trouvent ici, ils ont été créer avec le logiciel catia mais contient aussi le fichier au format .stp.

Sources/Référencess

• Moteur à tester pour le système de batterie : (tension nominale 6V) :

https://www.faulhaber.com/fileadmin/Import/Media/FR_2224_SR_DFF.pdf

• Logiciel open source pour visualiser / modifier les fichiers STEP

https://www.freecadweb.org/downloads.php

• Logiciel open source pour créer des schémas électroniques et des pcb

https://www.kicad.org/download/