Projet prothèse de main robotisée

Sommaire

1. Introduction

2. Analyse des besoins et analyse fonctionnelle

3. Réalisation

4. Résultats

5. Conclusion

Introduction

Le projet oméga est le dernier projet du CPES. Réalisé en 3e année, celui-ci consiste à reproduire et modifier un dispositif biomédical existant dans le but de mieux répondre à un besoin.

Nous avons choisi de réaliser le projet n°1 : la prothèse de main robotique.

Ce projet consiste à concevoir et construire une prothèse de main fonctionnelle inspirée du modèle InMoov, robot humanoïde entièrement imprimé en 3D. C’est de ce modèle que nous nous sommes inspirées pour proposer une solution low-cost et open-source, permettant aux personnes amputées d’accéder à une prothèse simple, adaptable et fabriquée à moindre coût.

L’objectif était donc de réaliser une prothèse à bas coût qui répond aux commandes de l’utilisateur pour des gestes simples.

Le dispositif médical devait réunir les 4 qualités suivantes :
- low-cost
- simplicité (accessible à tous)
- durabilité (environment friendly)
- qualité

Notre équipe de recherche était constituée de 3 étudiantes : Sawani H. Caldera, Clara Leducq et Sixtine Antonetti.

Le projet s’est déroulé du 21 janvier au 23 juin, et s’est organisé en 4 grandes phases :
- la phase d’avant-projet
- la phase de design et planification
- la phase de réalisation
- la phase de clôture

Afin d’élargir notre projet, nous avons eu l’opportunité de travailler avec 4 étudiants en licence d’informatique à l’Université Paris Cité, qui nous ont fourni un programme Arduino qu’ils avaient réalisé, en échange duquel nous leur avons fourni la main InMoov que nous avons imprimé à l’OpenLab.
Leur projet initial était de réaliser une main robotique capable d’effectuer des mouvements complexes, notamment de pouvoir jouer au jeu « pierre-feuille-ciseau ».
Par la suite, nous avons imprimé une autre main, afin de répondre à l’objectif initial du projet et de chercher une amélioration. Ainsi, nous avons choisi d’imprimer une main ayant spécifiquement uniquement 3 doigts fonctionnels afin de limiter le nombre de moteurs et donc de réduire le coût.

Analyse des besoins et analyse fonctionnelle

L'analyse des besoins consiste à identifier ce que veut l'utilisateur (les besoins) ainsi que les contraintes du contexte. L’analyse fonctionnelle du besoin d’une prothèse de main robotisée low cost vise à identifier précisément les fonctions techniques que devra assurer le produit. Il en existe deux sortes : fonctions de service ce que le produit doit faire et les fonctions contraintes ce que le produit doit respecter.

L'analyse du besoin commence par une étude du marché des différentes prothèses déjà existantes. Il existe une grande diversité de ces prothèses tant d'un point de vue économique que fonctionnelle, allant de plusieurs dizaines de milliers d'euros à quelques centaines avec des fonctionnalités différentes. Par conséquent, l'enjeu de ce projet n'est pas de réaliser une prothèse de main robotisée, produit très présent sur le marché mais d'en réaliser une financièrement accessible, produit rare sur le marché. Donc, les besoins de l’utilisateur sont de retrouver une autonomie gestuelle et à faible coût.

Figure 1 : Bête à corne - analyse du besoin. L’objectif principal de ce projet est de produire une prothèse de main permettant aux personnes amputées de retrouver une autonomie avec un produit à faible coût.

L’analyse fonctionnelle permet de formaliser les fonctions de service et de contrainte du projet. Les fonctions de service de la main robotisée sont “Préhension et réaliser un effort mécanique” et “Réaliser la commande de l’utilisateur”. En effet, l’objectif est de pouvoir effectuer un mouvement qui peut-être caractérisé par un effort mécanique. De plus, il faut que cet effort mécanique réponde au besoin de l’utilisateur, en étant effectué à un instant précis dans un contexte particulier. Donc, il faut que la main soit capable de réaliser un effort mécanique et de le supporter tout en incluant ce mouvement dans une coordination plus globale des mouvements de l’utilisateur.

Les fonctions contraintes sont “Résister à l’environnement” et “Plaire à l'œil”. En effet, la main doit pouvoir résister à l’environnement de l’utilisateur comme par exemple la transpiration, ce qui exclut une solution technique de concevoir la prothèse en papier. De plus, elle doit être capable de résister à un spectre de température entre 0°C et 30°C. La seconde fonction contrainte est l’aspect esthétique. En effet, celle-ci ne doit pas favoriser les discriminations envers les personnes amputées.

Ces fonctions sont résumées sous forme schématique dans la figure 2 et sous forme de tableau dans la figure 3.

Figure 2 : Diagramme de l’environnement, les fonctions principales et les fonctions de contrainte de la prothèse de main robotisée low cost.

Figure 3 : Tableau de caractérisations des fonctions.

Réalisation

Imprimante 3D

Pour concevoir les différentes pièces, nous nous sommes appuyées sur le modèle open source InMoov, dont les fichiers sont librement disponibles au format .stl sur le site officiel du projet. Ces fichiers ont été transférés sur une carte SD afin d’être lus directement par l’imprimante 3D. Parmi les fichiers utilisés, on compte les composants des doigts, du poignet, ainsi que des pièces structurelles de la main. 

Le matériau qui a été choisi pour l’impression est l’acide polylactique (PLA), pour plusieurs raisons. D’abord il est peu coûteux, ce qui correspond à l’objectif low-cost de notre projet. Ensuite, il est facile à imprimer, avec une bonne adhérence au plateau et une compatibilité élevée avec la majorité des imprimantes 3D standards. Enfin, sa rigidité est suffisante pour supporter les efforts mécaniques modérés exerces sur la prothèse tout en restant léger. Le PLA présente aussi la qualité d’être biodégradable, ce qui constitue un avantage sur le plan écologique.

L’impression des pièces a été répartie sur plusieurs sessions, chaque pièce demandant entre 5 minutes et 1h30.
En moyenne, la fabrication complète de la main a nécessité entre 20 et 30 heures d’impression en prenant en compte les divers problèmes techniques.

Une amélioration possible aurait été d’utiliser du TPU (polyuréthane thermoplastique) au niveau des articulations des doigts, afin de reproduire davantage la souplesse d’un vrai doigt lors de la flexion. Le TPU est un matériau souple, abordable et compatible avec l’impression 3D. Son élasticité aurait permis d’obtenir une courbure plus naturelle et réaliste, tout en conservant une solution low-cost.

Assemblage

Une fois l'impression 3D terminée, l’étape suivante a été l’assemblage des différentes pièces de la main. Chaque doigt a été imprimé en trois parties distinctes afin d'intégrer deux articulations qui sont nécessaires pour reproduire un mouvement naturel. Ces phalanges ont ensuite été assemblées manuellement. La paume, imprimée séparément, comportait une zone spécifique pour le pouce qui nécessite une flexion plus importante que les autres doigts. Ces différences ont été prises en compte lors de l’assemblage général. Nous avons ensuite pris la décision de n'assembler que 3 doigts, pour réduire le coût de la prothèse.
Toutes les pièces ont été fixé à l'aide de colle forte. Cela nous a permis d'assurer une bonne tenue tout en respectant les jeux mécaniques nécessaires au fonctionnement des articulations.

Néanmoins, nous avons dû faire face à une difficulté importante lors de l’assemblage des jointures des doigts. En effet, les axes prévus dans le modèle InMoov ne correspondaient pas parfaitement aux tiges métalliques disponibles à l'OpenLab. Ce décalage a posé un problème concret. Pour y remédier, plusieurs pistes ont été envisagées. La première solution consistait à élargir les trous des articulations, en les reperçant précisément. Ainsi, les tiges pouvaient s’y insérer sans forcer, tout en assurant un maintien solide. Et c'est cette méthode que nous avons décidé de garder car elle préservait la mobilité des articulations, ce qui était essentiel. Une autre option avait été envisagée. Celle-ci reposait sur l’usage de tiges plus fines, compensées par de la colle forte. Cependant, cette méthode a été écartée car elle risquait d’affaiblir l’ensemble de la structure, en rendant les articulations moins résistantes à l’usure.

Parallèlement à l'assemblage des pièces, nous avons également procédé à l’installation des fils qui permettent le mouvement des doigts. Ces fils relient directement les extrémités des doigts à des moteurs situés dans l'avant-bras. Pour faciliter leur mise en place et éviter des manipulations complexes, les fils ont été insérés avant l’assemblage définitif des phalanges et de la paume.

Les passages pour les fils avaient été prévus dès l’impression des pièces. En effet, des trous spécifiques dans chaque phalange, ainsi que dans la paume et le poignet, permettent de guider les fils de manière droite et parallèle, évitant ainsi qu'ils ne s’entrecroisent. Ce guidage précis est indispensable pour garantir le bon fonctionnement des doigts. À l’extrémité du passage, les fils rejoignent des moteurs équipés d’un système à roue. Ce système permet d'ajuster la tension du fil. Effectivement, lorsqu’un moteur tourne dans un sens, il tend le fil et ferme le doigt. A l'inverse, en tournant dans l’autre sens, il relâche le fil et le doigt s’ouvre. Ce principe simple mais efficace reproduit l’action des tendons dans une main humaine.

En complément de cette mécanique, nous avons ajouté des capteurs au bout de deux doigts (le pouce et l'index) afin de détecter le contact avec des objets et de les attraper. Ces capteurs ont été fixés à l’aide de scotch, une solution simple qui permet de maintenir le capteur en place sans perturber son fonctionnement. En principe le scotch n’est pas censé impacter le comportement ou la précision des capteurs.

Enfin, l’ensemble des moteurs est piloté par une carte Arduino, qui assure le contrôle des mouvements de la main via un programme spécifique. Ce point sera détaillé dans la section suivante du rapport.

Arduino

Suite à notre partenariat avec le groupe informatique de la Licence 2 mathématiques/informatique de l'Université Paris Cité, nous avons pu récupérer leur code notamment le programme Arduino. Néanmoins, celui-ci n'était pas nécessairement adapté à notre projet. Par conséquent, nous avons préféré produire notre propre code. Le but de celui-ci est de permettre un mouvement de rotation des doigts. La partie arduino se résume en deux aspects distincts : la partie électronique et la partie informatique. En effet, nous avons dû utiliser des composants électroniques, ceux-ci nécessitent la rédaction d'un code informatique.

Le montage arduino est composé de trois servomoteurs arduino, une carte Arduino Uno et des câbles de connexion.
Les articulations des doigts sont mises en mouvement grâce à cinq servomoteurs Feelech FB5116M, un pour chaque doigt. Dans le modèle InMoov originel, un autre servomoteur est utilisé, le modèle HK15928B. Malheureusement, ce servomoteur est en rupture de stock, donc, nous avons opté pour un autre modèle similaire. En effet, nous avons pu trouver un modèle avec des dimensions très similaires 40 x 20 x 39 mm pour FB5116M contre 40 x 20 x 42 mm. Le FB5116M a une course supérieure, 280° contre 180°. La vitesse de rotation est très légèrement inférieure, 0.2 secondes pour 60° contre 0.18 Ces servomoteurs ont une course de 280°, mesurent 40 x 20 x 39 mm et avec une vitesse de rotation de 0,2 secondes pour 60°. La seule différence notable est le couple plus faible de FB5116M, 15,5 kg.cm contre 18 kg.cm

Ces servomoteurs sont connectés directement à la carte Arduino via des câbles de connexion standard, assurant à la fois l’alimentation électrique et la transmission des signaux de commande. La carte Arduino Uno permet de contrôler plusieurs servomoteurs simultanément avec plus de trois headers femelles présents sur la carte.
Les câbles de connexion sont des femelles-femelles capables de transporter de l’énergie et les commandes pour les servomoteurs.

De plus, nous avions pensé à utiliser des capteurs sur la partie extrême du doigt pour pouvoir saisir un objet plus facilement. La première étape était de réfléchir au type de capteur utilisé, deux choix principaux s'offrent à nous : capteur de force et les capteurs à effet Hall. Ce dernier permet de détecter des champs magnétiques et il est donc utilisable pour attraper un objet métallique. En revanche, le capteur de force permet, théoriquement, de saisir n'importe quel objet. Donc, nous avons opté pour le capteur de force. Ensuite, nous avons regardé les différentes options possibles pour les modèles de capteur de force. En effet, ces capteurs de force doivent être disposés sur le bout du doigt. Par conséquent, il faut une taille adaptée au doigt visé : le pouce est nettement plus large que l'index ou le majeur. La zone de contact du capteur doit être circulaire. Deux modèles semblent convenir à ce projet : FRS02 et FSR01. Les deux modèles sont très similaires, la différence majeure est la taille. En effet, FSR02 a un diamètre de 19 mm et FSR01 de 7 mm. FSR02 peut donc convenir au pouce qui est plus large que les autres doigts et FSR01 convient aux autres doigts. Néanmoins, suite à un problème lors de la commande, nous n'avions pas pu recevoir ces capteurs. Nous avions donc demandé à un chercheur de l'Université Paris Cité pour qu'il nous prête un ou plusieurs capteurs, ce qu'il a fait. Néanmoins, ceux-ci ne fonctionnaient pas, car en appliquant une pression sur ceux-ci le capteur ne changeait pas de valeur. Donc, nous n'avons pas pu utiliser de capteurs dans notre projet.

La partie informatique se résume par la rédaction d’un programme informatique pour commander les composants Arduino. Pour celui-ci, nous avons utilisé l’interface de programmation Arduino IDE. Celle-ci permet de compiler et téléverser le code. Le code Arduino est écrit dans une version simplifiée de C++, avec des éléments du langage C.
Pour utiliser les servomoteurs, il faut se servir d’une librairie spécifique, la première étape fut de comprendre laquelle utiliser. Il a donc fallu inclure dans le code la librairie <Servo.h>. La commande de plier la main doit être localisée dans la boucle setup plutôt que dans la loop car nous voulons effectuer qu’un seul mouvement des doigts.

Résultats

L’impression des différentes pièces de la main s’est globalement bien déroulée. Nous nous étions organisés suffisamment tôt pour lancer toutes les impressions nécessaires avant l’étape d’assemblage. Cela nous a permis de terminer l’ensemble des pièces dès le mois d’avril. Ainsi, aucune difficulté majeure n’a été rencontrée lors de cette phase initiale. Néanmoins, en fin de projet, nous avons rencontré des difficultés pour l’impression d’une dernière pièce située au niveau du bras, destinée à recouvrir les moteurs. Ces difficultés étaient principalement liées à la météo et à la sensibilité du matériau utilisé, qui montrait des limites face à une impression prolongée.

Nous avons également rencontré un autre point critique au niveau des fils utilisés pour actionner les doigts (ouvrir et fermer). En effet, nous avons opté pour des fils de diamètre inférieur à ceux recommandés par le projet InMoov, pensant que cela ne poserait pas de problème. Mais cette différence de diamètre a réduit la capacité des fils à transmettre une force qui est suffisante pour fléchir efficacement les doigts. Cette observation nous permet donc de conclure qu’il est indispensable de respecter les spécifications initiales d’InMoov concernant l'épaisseur des fils, notamment pour garantir des mouvements fiables et efficaces des doigts.

Au niveau des capteurs placés sur le bout des doigts, nous avons rencontré un dysfonctionnement. En effet, aucun des capteurs n’a fonctionné correctement lors des tests. La cause de ce problème n’a pas pu être identifiée précisément par manque de temps. Plusieurs hypothèses restent possibles : un problème de branchement, une erreur dans le code Arduino ou encore une altération due au scotch utilisé pour fixer les capteurs, même si ce dernier n’était normalement pas censé nuire à leur fonctionnement, comme confirmé par certaines sources.

Tout de même, la main répond à plusieurs objectifs fixés initialement, tel que proposer une solution low-cost. Nous avons limité le nombre de moteurs à trois pour piloter trois doigts. C’est un choix qui permet de garantir une prise fonctionnelle suffisante pour attraper et tenir des objets courants, sans multiplier inutilement les composants coûteux ou complexes. Ce compromis technique démontre qu’il est possible d’obtenir une main fonctionnelle avec un nombre réduit de moteurs, ce qui va dans le sens d'une prothèse accessible et économique.
En outre, en retirant deux doigts, nous avons pu économiser de l'argent en utilisant que trois moteurs à 14,65€ sur GoTronic, ce qui fait un total de 43,95€, contre 73,25€ si nous avions utilisé les 5 moteurs. Ce qui fait une économie de 29,30€ simplement pour les servomoteurs.
Pour les capteurs, nous ne voulions utiliser que deux moteurs en plaçant un sur le pouce et un sur l'index en considérant que la position du majeur et de l’index sont similaires. Ce qui aurait fait une économie d’un moteur pour une main à trois doigts. Si nous avions fait une main à cinq doigts nous aurions pu faire la même économie avec l’annulaire et l'auriculaire, ce qui fait deux capteurs d'économie. Le capteur sur le pouce est le FSR02 avec un prix unitaire de 10,50€ sur GoTronic. Pour les autres doigts nous voulions utiliser le FSR01, d’un prix unitaire de 7,90€. Donc, pour notre main à trois doigts, les capteurs nous auraient coûté 18,40€. Si nous avions utilisé la main à cinq doigts cela aurait coûté 26,30€, ce qui fait une économie d’un capteur de 7,90€. En mettant cinq capteurs, cela aurait couté 42,10€ soit 23,70€ de différence.

Au total, nos optimisations arduino permettent d’économiser 53,00€ sur les moteurs et les capteurs par rapport à la main InMoov originelle.

Le projet reste également accessible à tous car nous n'avons apporté aucune modification aux fichiers InMoov d'origine, qui sont disponibles en open-source. Toute personne disposant d'une imprimante 3D peut ainsi reproduire cette main en suivant une démarche similaire, avec des moyens simples et peu onéreux.
Concernant l’assemblage, nous avons utilisé des techniques rudimentaires mais efficaces, telles que le perçage manuel pour ajuster les diamètres des axes des articulations. Aucune méthode complexe ou nécessitant des outils spécifiques n’a été requise. Cela nous permet de confirmer l’aspect réalisable et adaptable du projet pour un public non expert.

Sur le plan esthétique, la main offre également de la flexibilité. Effectivement, la couleur des pièces dépend uniquement du filament utilisé à l’impression 3D, ce qui permet de personnaliser l’apparence selon les préférences. De plus, il reste possible d’ajouter un gant ou d'autres éléments esthétiques pour améliorer le rendu final si souhaité.

Enfin, au niveau de la qualité, le projet montre certaines limites liées au matériau utilisé. En effet, le PLA utilisé pour l’impression est sensible à la chaleur car à des températures supérieures à 50°C, les pièces peuvent devenir légèrement plus souples, ce qui pourrait altérer la précision des mouvements ou la stabilité des assemblages. Cette contrainte limite l’usage de la prothèse à des environnements tempérés et contrôlés. De plus, l’absence de recouvrement en TPU (matériau souple) sur les doigts (initialement envisagé pour améliorer l’adhérence et le confort) renforce le caractère rigide de la main, ce qui peut réduire son efficacité pour certaines manipulations fines.

Au final, malgré ces limites techniques et matérielles, notre main imprimée répond aux critères principaux du projet : coût réduit, accessibilité, simplicité de mise en œuvre et une certaine possibilité de personnalisation esthétique. Ces résultats constituent une base solide pour de futures améliorations.

Conclusion

Ce projet nous a permis de concevoir une prothèse de main robotisée low-cost, inspirée du modèle InMoov, en l’adaptant pour répondre à un besoin concret : proposer une solution accessible, simple et économique pour des personnes amputées, notamment dans des contextes à faibles ressources.

En six mois, nous avons combiné modélisation 3D, impression 3D, électronique et programmation, tout en travaillant avec des ressources limitées.
Nous avons fait le choix d’imprimer une main à trois doigts pour limiter les coûts, tout en conservant la fonctionnalité de préhension, objectif principal du projet.

Ce travail nous a permis d’acquérir une démarche complète de projet biomédical, de l’analyse du besoin à la fabrication d’un prototype. Il ouvre également des pistes d’amélioration, comme l’ajout de capteurs ou l’optimisation des matériaux.
Cette expérience nous a montré qu’il est possible de produire des solutions techniques efficaces, simples et à fort impact social.