Projets:Exofinger : Thumb

Description du projet

Aide à la pince de la main gauche en rapprochant le pouce du reste des doigts chez une personne qui peut mobiliser son pouce. Orthèse de pouce motorisée permettant la préhension d'un objet.

Cahier des charges

L'ExoFinger doit être facile à mettre, facile à enlever, ne pas gêner la mise en place du gant de propulsion de fauteuil de Bastien, être confortable et permettre de réaliser les tâches suivantes :

• saisir une bouteille de 70cl placée sur une table pour la porter à la bouche
• saisir un stylo placé sur une table, attraper et signer un document placé à côté
• saisir un verre à pied placé sur une table et le porter à la bouche

Analyse de l'existant

https://www.youtube.com/watch?v=5GH4wtG1M2c&feature=emb_rel_end

https://www.youtube.com/watch?v=ecN4rNSgjPc

https://www.tendoforpeople.se/tendo

https://www.healtheuropa.eu/tendo-ab-this-is-the-first-exoskeleton-that-makes-sense/100961/

https://www.youtube.com/watch?v=AkdQW0MN_mw

https://drexel.edu/functional-fabrics/research/projects/exo-skin-soft-haptic-exoskeletal-interface/

https://www.frontiersin.org/articles/10.3389/fnins.2017.00597/full

https://hackaday.io/project/7174-neucuff-a-soft-orthotic-exoskeleton

https://www.thingiverse.com/thing:3910988

https://youtu.be/4vWE3Bn5seU?t=34

https://www.youtube.com/watch?v=TFTNlO2Ov7U

https://link.springer.com/article/10.1186/s12984-019-0633-6

https://youtu.be/BgNpE0LJN5g

https://www.thingiverse.com/thing:2799080

https://journals.plos.org/plosone/article?id=10.1371/journal.pone.0193106#pone.0193106.s001

Equipe

Equipe Fabrikarium MHK/ArianeGroup octobre 2020

• Porteur du projet :

- Bastien Bignier, tétraplégie complète C6, ingénieur méthode ArianeGroup,

• Concepteurs/contributeurs :

- Roger Pissard, ingénieur de recherche, INRIA

- Christophe Braillon, ingénieur de recherche, INRIA

- Benoît Sijobert, fabmanager, Humanlab Saint Pierre

- Elvire Pastor, ergothérapeute, Humanlab Saint Pierre

- Jérome Choinard, ingénieur méthode, ArianeGroup

- Maïté Vigier, Technicienne HSE, ArianeGroup

• Animateur (coordinateur du projet)

- Clément Trotobas, doctorant équipe CAMIN, INRIA, étudiant ENS Rennes

- Nicolas Huchet, My Human Kit

• Fabmanager référent

- Nicolas Huchet, my Human Kit

• Responsable de documentation

- Elisa de Castro Guerra, Floss Manuals

• Contributeurs à distance :

- Christine Azevedo, directrice de recherche INRIA équipe CAMIN

- Laurence Boissieux, ingénieur de recherche, INRIA

Projets de prototypes

• Prototype 1 : Exoginfer Gant v1

Placer un fil de nylon afin de rapprocher le pouce de la main en positionnant le fil le long du pouce puis en le faisant courir jusqu'au poignet.

• Prototype 2 : Exofinger Poing américain v1

Faire courir le fil de nylon sur le dos de la main afin de dégager le poignet. Car Bastien utilise des gants de protection pour se déplacer en fauteuil.

Commençons par analyser le prototype 1 qui est le préféré de Bastien en fin de Fabrikarium.

Outils nécessaires

Pour le prototype 1 Exofinger gant v1 :

• une machine à coudre
• nécessaire de couture (fil, ciseaux, aiguille...)
• Imprimante 3D

Pour le prototype 2 Exofinger poing américain v1 :

• Imprimante 3D

Prototype 1 : Exofinger Gant v1

Principe : Rapprocher le pouce des doigts et aider à tenir la pince grâce à un serrage réalisé par la traction d'un fil de nylon caché dans le gant. Un ServoMoteur vient tirer le fil. Le ServoMoteur est actionné par un bouton déporté actionné par Bastien.

Photo du prototype à l'issue du Fabrikarium.

Matériel nécessaire

• une machine à coudre
• nécessaire de couture (fil, ciseaux, aiguille...)
• Imprimante 3D
• tissu 1m
• velcros
• un anneau de porte clef
• gaine de teflon
• ruban en satin ou morceau de tissu pour tenir les gaines
• fil de nylon (exemple fil de pêche) de 0,6 mm
• stop-gaine en impression 3D
• Moteur linéaire Actuonix l12-30-100-6-r
  • servo-moteur
  • course : 30 mm
  • Force max : 42 N
  • Vitesse max : 13 mm/s
  • Alimentation : 6v/460mA
  • Un micro-controleur seeduino Nano
• Batterie 450m Ah/7.4V, 2 cell / 25C/ LiPo
• Bouton poussoir

Principe de fonctionnement de la carte Arduino Nano

Le controleur du moteur est constitué d'un micro-controleur seeduino Nano, un clone de Arduino Nano, qui commande le moteur linéaire, en lisant l'état d'un interrupteur.

Fichiers sources

• Fichier de référence pour le patron File:FingerlessGlovePattern.pdf
• Le patron pour Bastien File:PatternGantBastien.pdf
• Le patron modifié par l'équipe pour le besoin de l'appareillage Fichier:Patron gant Bastien.pdf
• Evolution du patron modifié, version finale : Fichier:Patron gant v2.pdf
• Le code de la carte nano arduino : File:Version gant.ino

L'élaboration de ce prototype a nécessité :

• la création du gant en tissu
• le programme et le montage électronique pour contrôler le moteur.

Réalisation du gant

Bastien utilise des gants de traction pour déplacer son fauteuil roulant. Il les apprécies car c'est léger, peu encombrant et discret. C'est ainsi que nous avons eu l'idée de cacher le système de guides en nylon dans un gant. Les guides rapprochent ainsi le pouce de la main grâce à un moteur. Ce surgant ne doit pas gêner le port des gants de propulsions. Nous l'avons réalisé sur mesure.

Découpe des morceaux patronés dans le tissu sélectionné. Il y a le gant, la partie du pouce et de la sangle pour tenir une boucle qui permettra d'insérer et de serrer le gant. Il y aura également des velcros et du ruban en satin afin de fixer les gaines au gant. Les velcros servent à fermer le gant sur la main de Bastien. Bastien parvient à s'aider de l'anneau pour enfiler le gant et fermer les velcros. Le patron : Découpé dans le tissu :

Pour la durabilité du gant, n'oubliez pas de surfiler le tissu. Ensuite la sangle a été cousue afin de placer l'anneau. Autour du pouce vous voyez en jaune les marges de couture pour positionner et coudre le pouce. Les velcros ont été cousus dans un second temps. La ligne jaune tracée sur la paume marque le placement de la gaine dans laquelle sera insérée le fil de nylon.

Aparté sur la gaine de teflon

Nous n'avions pas de gaine suffisament petite pour accueillir les fils de nylon sous la main, mais nous avions des derailleurs de vélo. En effet il faut savoir que les derailleurs de vélo contiennent une gaine en teflon, très resistante et de taille idéale pour notre projet. Ce n'est pas une mince affaire pour les extraire. Il faut couper le plastique autour et tirer avec force pour séparer la gaine du derailleur de son plastique. Une partie de la gaine de teflon est abimée durant l'opération. Prélevez un morceau sain pour l'insérer dans le gant !

Journal de bord : Réalisation du gant

Bastien utilise des gants pour l'aider à propulser son fauteuil. L'idée est ainsi venue de concevoir un gant personnalisé équipé des gaines cousues afin de diriger les fils de nylon.

Un premier prototype de gant basé sur le modèle des gants de propulsion a été réalisé en amont et a ensuite servi de base de découpe pour notre gant support de gaines.

Et avec le tracé des gaines qui a été le plus efficace et le gant modifié :

Des tests ont été réalisés sur Bastien avec mise en place du gant et insertion des fils de nylon dans les gaines, et voici donc le schéma mis-à-jour avec le chemin des fils.

Durant le premier test, Bastien a inséré le gant seul, et les fils de nylon ont été actionnés manuellement. Le pouce a bien été rapproché de la main, Bastien avait bien une pince. Cependant, la gaine de téflon est également attirée par la pression exercée. Il a donc été proposé comme solution de bloquer la sortie de la gaine en réalisant un stop-gaine à coudre sur le gant en bordure. Création d'une pièce pour stopper la gaine et laisser passer le nylon.

Ensuite il faut coudre le stop-gaine sur le gant.

Etape suivante : le circuit électronique

Le fil sortant du gant permet d'actionner manuellement la pince de la main. Il s'agit maintenant de réaliser cette action grâce à un moteur déclenché via un circuit électronique.

Nous avions sous la main une main bionique dans laquelle nous avons prélevé ses moteurs linéaires : Mais aussi d'autres moteurs par exemple l'actuonix L12-30-100-6-R. Ensuite le moteur est actionné par la carte arduino Photo du montage :

Les montages réunissant batterie, moteur et carte testées sont ci-dessous. La version miniaturisée sera pour une version plus légère dans le cadre de premier essai réussi.

Schéma electronique de la carte avec moteur et batterie.

Code électronique de la carte controlant le servo moteur.

• Le code de la carte nano arduino : File:Version gant.ino

Le dernier jours de notre Fabrikarium, des batteries de Drone, toutes petites nous ont été prêtés : de 450mAh pour 7.4V contenant 2 cell / 25c / LiPo.

Sur les photos du prototype final, vous verrez l'utilisation de ces batteries plutôt que les piles.

Il apparaît que la force nécessaire doit être beaucoup plus forte que prévue car tout s'étire : le moteur posé sur la peau a tendance à ramener la peau, le fil s'étend, les noeuds s'étirent, bref il y a une perte énorme de poussée.

Conclusion : il faut poser le moteur qui tire les fils, non pas sur la peau ou un dispositif accroché à la peau mais sur un support plus rigide et peut être associé au gant afin de prévenir cet étirement naturel.

Prototype 2 : Exofinger poing américain v1

Principe : Le prototype exofinger gant v1 est encombrant. L'idée est de tester avec un moteur plus petit. Qui dit plus petit dit moins de force pour tirer sur le cable de nylon. Dans ce cas il faut réduire la distance entre le moteur et le fil de nylon pour gagner en force. C'est pourquoi il a été décidé de placer le moteur sur les doigts en le posant sur des bagues, tel un poing américain.

Matériel nécessaire

• Imprimante 3D
• moteur linéaire Actuonix PQ-12-30-12-P
  • moteur courant continu
  • course : 20 mm
  • Force max : 18 N
  • vitesse max : 28 mm/s
  • Alimentation : 12v/210mA
  • seeduino Nano Polulu DRV88-38
• Batterie 450m Ah/7.4V, 2 cell / 25C/ LiPo
• Bouton poussoir

Principe de fonctionnement

Le micro-controleur seeduino Nano commande le moteur linéaire, en lisant l'état d'un interrupteur poussoir, pour tirer ou pousser le cable connecté au pouce. Comme dans ce cas, le moteur est à courant continu, nous utilisons une carte d'interface de puissance Polulu DRV88-38 et le contrôle de position est assuré par le logiciel du micro-controleur.

Fichiers sources

Pour comprendre le système, voici une image légendée.

• Fichier STL pour impression de la partie bague sur les doigts de la main, solution "poing américain" : Fichier:ExoFinger partie main.stl
• Fichier STL pour impression de l'orthèse de pouce, solution "poing américain" : File:ExoFinger doigtier.stl

Pour la carte nano arduino :

• Programme pour la carte Nano arduino File:version_poing_armoricain.ino

Schéma du montage :

Vidéo de démonstration

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

Prototype 3 non testé

Recherche autour d'une solution qui propose non pas de tirer, mais de pousser le pouce grâce à l'aide d'un fil rigide. Devant le succès des prototypes précédents et de leur amélioration, cette piste n'a pas été étudiée. Peut-être avez-vous envie d'en explorer les possibilités de votre côté ?