Am scris o teză originală. [304637]

Universitatea din Petroșani
Facultatea de Inginerie Mecanică ți Electrică
Specializarea Calculatoare

Lucrare de licență

Sistem de simulare a mișcărilor mâinii drepte

Coordonator: Absolvent: [anonimizat].conf.dr.ing Leba Monica Ridzi Mihai

Petroșani
2019

Declarație privind contribuțiile student: [anonimizat], programare si mecanică am produs un prototip funcțional care mai apoi a fost îmbunătățit.

Am scris o teză originală.

Tabel de figuri

Fig. 1.1.1 Proteza Capua (Curtoazie a [anonimizat]) 2

Fig. 1.1.2 Proteza Bowden (Curtoazie a Jurnalului de proteze si orteze) 2

Fig. 1.1.3 Proteza electrica 3

Fig. 1.1.4 Proteza pneumatică (Curtoazie a JRRD) 3

Fig. 1.1.5 Proteza mioelectrică (Curtoazie a Universității John Hopkins) 4

Fig. 1.1.6 [anonimizat]-se de un robot ghidat prin impulsurile generate de creier 4

Fig. 2.1 Scheletul palmei și al degetelor 6

Fig. 2.2 [anonimizat] 7

Fig. 2.3 Gradele de libertate ale unui deget (Curtoazie a Mahdi Elsayed Hussein) 8

Fig. 2.4 Tipuri de mișcări care nu sunt posibile de redat cu ajutorul mâinilor artificiale 9

Fig. 2.5 Proteza Bebionic 3 10

Fig. 2.6 [anonimizat], Bebionic 3 (Curtoazie a http://bebionic.com) 10

Fig. 2.7 Proteza iLimb 11

Fig. 2.8 Tendon, ligament și fascie (Curtoazie a Sportology) 12

Fig. 2.9 Tendonul, secțiune transversală (Curtoazie a Sportology) 12

Fig. 2.10 Mână anthropomorfă acționată cu ajutorul tendoanelor (Curtoazie a Luke Steele) 13

Fig. 2.11 Sistem cu arcuri integrate (Curtoazie a Universității Vanderbilt) 13

Fig. 2.12 Metoda acționării cu ajutorul tendoanelor răsucite (Curtoazie a Universității Bologna) 14

Fig. 2.13 UB hand IV (Curtoazie a Universității Bologna) 14

Fig. 2.14 [anonimizat] (1), încheietura MCP (2), și încheietura abductoare (3) (Curtozie a Universității John Hopkins) 15

Fig. 2.15 Mâna APL împreună cu sistemul de control 15

Fig. 2.16 Mâna Prehensile (Curtoazie a Fraser Leid) 16

Fig. 2.17 Controlul mâinii se face cu ajutorul firelor de nylon și al arcurilor 16

Fig. 3.1 Strângere nenaturală a pumnului(stânga), și naturală(dreapta) 18

Fig. 3.2 Schiță semi detaliată a mâinii 18

Fig. 3.3 Vedere de ansamblu a mâinii, partea din față 19

Fig. 3.4 Vedere de ansamblu a mâinii, partea din spate 19

Fig. 3.5 Segment de deget printat 3D 20

Fig. 3.6 Imprimanta Ender 3 21

Fig. 3.7 fișierul STL pentru palmă 21

Fig. 3.8 [anonimizat] 0.70mm 22

Fig. 3.9 Conrad Electronics S-3331 23

Fig. 3.10 Arduino Nano 24

Fig. 3.11 [anonimizat] 24

Fig. 3.12 Familia de drivere Pololu: Mini 24, Mini 18, Mini 12 și Micro 6 25

Fig. 3.13 Micro Maestro 25

Fig. 3.14 Dimensiunile pentru Micro Maestro 26

Fig. 3.15 [anonimizat] 27

Fig. 3.16 Elementele pentru alimentare 27

Fig. 3.17 Panoul de control secvențial 28

Fig. 3.18 Sursa de calculator folosită pentru alimentarea servomotoarelor 29

Fig. 3.19 Circuitul electric 30

Fig. 3.20 [anonimizat] 31

Fig. 3.21 [anonimizat] 31

Fig. 3.22 Piesele degetelor și degetul asamblat 32

Fig. 3.23 Palma 33

Introducere

Unele dintre cele mai complicate „aparate” din natură, în momentul de față, sunt organismele vii. Multitudinea de procese, interne si externe, necesare ca un organism viu să funcționeze corect pot să varieze în complexitate, numărul de pași necesari și așa mai departe. Se poate afirma cu ușurință faptul că dintre toate posesiunile pe care un om le poate avea, pe tot parcursul vieții sale, este corpul său.

Procesele de proiectare si creare, însă, au avansat încet; primele inovații fiind aparate pasive, de exemplu un picior de lemn, care aveau capabilități motrice si de control reduse. Pe parcurs, proiectarea prinde un avans mai considerabil, sub forma primelor proteze, sisteme simple cu scripeți si/sau cu balamale. Acest lucru duce la apariția protezelor acționate mecanic cu ajutorul corpului.

Odată cu trecerea timpului, cunoștințele de reproducere a mâinii si mișcărilor ei avansează, sistemele de control pentru aceasta devenind de mare precizie.

Firul acestei lucrări urmează stadiile de construcție precum și metoda de control ale unei mâini artificiale care sa fie cât mai aproape de echivalentul biologic. Motivul lucrării este studiul îndeaproape al acestei mâini artificiale și studierea structurii interne necesare ca să poată realiza mișcările necesare.

Ca observație, se va nota faptul ca deși lucrarea nu are ca țintă protezele, se vor face mai multe conexiuni cu acestea. Construcția, împreună cu metoda de acționare sunt practic una si aceeași. Un alt argument este faptul ca se urmează o reproducere fidela a mâinii organice, deci și documentația literară va atinge aceleași puncte.

Clasificarea mâinilor artificiale

În continuare se va realiza o scurtă clasificare, precum si istoric al mâinilor artificale. Clasificarea se va face in funcție de modul de control si mobilitatea acestora.

Pasive

Aceste proteze sunt dispozitive simple, având ca scop sa readucă la aspectul original partea amputată, însă au o funcționalitate de bază. Un simplu picior de lemn este un bun exemplu.

Figura de mai sus, deși nu este o mână artificială, prezinta o proteza din bronz, descoperită într-un mormânt roman din Italia, având denumirea de „Piciorul din Capua”. Datat în 300 î.en., este considerat ca fiind cel mai vechi membru artificial din lume.

Mecanice

Mâinile mecanice sunt controlate cu ajutorul corpului. În general simple, se folosesc de dispozitive mecanice, cum ar fi cârligele, acționate cu ajutorul cotului sau umărului.

Electrice

Structura lor este acționată de motoare electrice, amplasate de obicei in încheietura mâinii, în cot sau antebraț. Alimentarea acestora se face cu o baterie reîncărcabilă. Controlul acestora se face prin diferite moduri, cele mai uzuale fiind cu un comutator.

Pneumatice

Acționarea acestor proteze se face cu ajutorul unor sisteme pneumatice, de obicei conducte.

Mioelectrice

Aceste proteze măsoară semnalele EMG (electromiografice), semnale care sunt generate de contracțiile musculare ale persoanei, lângă zona amputată. Sunt citite cu ajutorul electrozilor puși pe suprafața pielii, sau inserați direct in mușchi.

Interfață directă cu creierul

În prezent este cea mai avansată tehnologie din acest domeniu. Controlul se face prin interfațarea directă cu creierul, printr-o procedură chirurgicală. Prin această procedură sunt atașați pe suprafața creierului electrozi.

Deși este încă în stadiul de dezvoltare, tehnologia aceasta prezintă un salt imens in domeniul protezelor.

Probleme

Lucrarea va face parte din categoria mâinilor acționate electric. Pentru a produce un dispozitiv capabil să reproducă fidel și organic mișcările naturale există o serie de probleme care trebuie adresate.

Este de reținut că această lucrare încorporează mai multe domenii de inginerie. Se va urmări legarea acestor domenii într-un singur sistem robust si funcțional.

Ariile majore care se vor adresa pe parcursul lucrării se află mai jos.

Complexitate mecanică : sistemele electrice si mecanice vor fi de o complexitate medie, acest lucru făcând posibilă crearea unui aparat artificial îndeajuns de complex încât să translateze mișcările fără erori prea mari.

Controlul : proiectul va fi inspirat din natura, fiecare deget va fi controlat cu ajutorul unor servomotoare și al unor cabluri sintetice, menite să mimeze sistemul muscular si tendoanele unei mâini obișnuite.

Accesibilitate : se va urmări menținerea unui cost cât mai redus. Unele sisteme artificiale pot ajunge la un cost considerabil. Costurile materiale pentru proiect vor fi menținute sub 200 RON.

Practicabilitate : dispozitivul trebuie să fie ușor utilizabil și să i se poate extinde plaja de aplicabilitate.

Soluții plauzibile

Mâna se va construi pe secțiuni. Fiecare secțiune va fi fabricată cu ajutorul unor imprimante 3D.

Acționarea degetelor se va realiza cu ajutorul unor servomotoare. Pe lângă acestea se va folosi o rețea de tendoane artificiale.

Controlul servomotoarelor se realiza cu ajutorul unui microprocesor.

Metoda realizării

Producerea unui sistem complet dar si eficient de la început este dificil. Se va urmări crearea unui prototip care mai apoi sa fie analizat și îmbunătățit.

Revizie literară

Mâini artificiale și mâini protetice moderne

Ideea menționată mai sus (), nu există mari diferențe intre o mână artificială si o proteză, mai ales daca vorbim de cele moderne. Există mai multe prototipuri dezvoltate, sau in curs de dezvoltare pentru a se încerca idei noi. Mâinile artificiale de studiu sunt de obicei mult mai complexe din punct de vedere mecanic si de control. Însă, acestea sunt de multe ori mai puțin fiabile ca și cele puse la dispoziția publicului, vorbind în special de practicalitate și cost,

Mâna umană

Mâna umană cuprinde cel puțin 27 de oase, număr care variază de la individ la individ . Structura ei cuprinde mai mult de 30 de mușchi individuali,, și peste 100 de ligamente, nervi și vase de sânge, .

Membrele artificiale urmăresc sa redea, sau să se apropie de funcționalitatea „ originalului ”, dar până în punctul din prezent nu s-a reușit cu succes redarea fidelă a dexterității, flexibilității si fluidității mâinii umane.

Grade de libertate(GDL)

O noțiune importantă pentru subiectul nostru îl reprezintă gradele de libertate, sau Degrees of Freedom. Acestea reprezintă tipurile de mișcări pe care un corp le poate realiza într-un spațiu 3D, și anume, :

Mișcări de tranziție :

Pe axa X, și anume în spate și în spate

Pe axa Y, și anume stânga si dreapta

Pe axa Z, și anume în sus și în jos

Mișcări de rotație :

Pe axa X, și anume înclinările de pe o parte pe alta

Pe axa Y, și anume înclinările în față și în spate

Pe axa Z, și anume înclinările de la stânga la dreapta

Mai jos se află o figură care descrie aceste tipuri de mișcări, mișcări care se aplică și la corpurile aflate într-o stare de plutire, .

Luând in calcul informația mai sus expusă rezultă că un punct are șase puncte, sau grade, de libertate. De reținut este faptul ca nu tot timpul un corp va avea aceleași GDL pe tot cuprinsul său. Un exemplu ar fi corpul uman : gâtul uman are trei mișcări de rotație, ne putem uita sus/jos, stânga/dreapta și ne putem înclina capul dintr-o parte în alta.

Revenind la tema noastră, degetul uman are patru grade de libertate, . Trei dintre acestea sunt mișcările de rotație pentru fiecare încheietură, împreuna permițând degetului să facă flexia și extensia. La acestea se mai adaugă mișcările făcute de încheietura dintre deget și palmă, care permite mișcarea de la stânga la dreapta.

Excepție de la această regulă o reprezintă degetul mare, acesta având 5 grade de libertate .

De notat este faptul că mișcările acestea sunt posibile datorită contracțiilor musculare și ale tendoanelor.

Abilitățile mâinilor artificiale

Marea majoritate a mâinilor artificiale folosesc un sistem de articulații bazate pe motoare electrice, . O problemă însă o reprezintă faptul că nu există control individual pe articulațiile degetelor, adică toate acestea sunt controlate de un singur motor. Această piedică aduce la rândul ei problema gradelor de libertate : degetul controlat într-un astfel de mod are un singur grad de libertate, închizându-se si deschizându-se într-un singur sens.

O bază importantă pentru orice tip de mișcare îl reprezintă dexteritatea, sau gradul de dexteritate existent. Mâinile comerciale moderne sunt fabricate cu sarcini puține și cu un grad mic de complexitate, lucru care se resimte in controlul, sau lipsa lui, degetelor.

Structura actuală ale degetelor artificiale nu se apropie de GDL ale unui deget uman, dar nu sunt prea mult în urma, de obicei având una sau două față de patru.

Alt punct sensibil îl reprezintă durabilitatea. În funcție de scopul necesar, mâinile artificiale diferă de la o variantă la alta, dar de obicei se menține ideea unui sistem robust, cu o greutate cât mai mică. Complexitatea mecanică este o altă variabilă care trebuie ținută minte, cu cât un astfel de dispozitiv este mai complex, cu atâta necesită mai multe piese, deci va exista un raport de proporționalitate între complexitate si robustețe, .

În continuare se va face analiza a câtorva proteze comerciale. Accentul se va pune pe construcția lor, GDL precum și tipuri de prize.

Sisteme acționate mecanic

Ideea acestor sisteme este simplă, segmentele degetelor sunt acționate direct cu ajutorul servomotoarelor.

Bebionic 3

Bebionic 3 este o proteză mioelectrică, fiind liderul comercial pe piață.

Fig. 2. Proteza Bebionic 3

Un lucru important îl reprezintă faptul că aceasta proteză are încorporat un sistem predefinit de prize. Utilizatorul poate selecta dintre paisprezece tipuri diferite de prize,, dar nu are control direct asupra degetelor în sine. Mai jos se află câteva dintre tipurile de prize menționate.

Fig. 2. Prize de tip Hook, Mouse și Precision, Bebionic 3
(Curtoazie a http://bebionic.com)

Problema pentru sistemele cu prize predefinite o reprezintă faptul că acestea nu citesc intrările provenite pentru a reproduce cu exactitate ceea ce utilizatorul dorește, deoarece are deja prestabilite mișcările. Acest lucru înseamnă ca nu se pot controla degetele pentru a face mișcări fine, fiind de preferat să se aleagă dinainte o priză cât mai preferabilă situației.

iLimb

Exemplul anterior se folosea de motoare plasate in palmă pentru a mișca degetele, dar acest lucru este nefavorabil în cazul in care pacientul are amputații la nivelul degetelor, nu întregii palme.

iLimb încorporează motoarele direct în degete,, lucru care permite atașarea protezei direct de palmă.

Fig. 2. Proteza iLimb

Dezavantajul aici îl reprezintă mărimea mică a motoarelor, spațiul de lucru fiind limitat. Acest înseamnă că degetele se vor mișca mai încet și vor fi mai slabe față de restul competiției.

Sistemele prezentate până acum aveau încheieturile acționate direct de servomotoare. Acest lucru, însă, le face sa fie rigide si inflexibile atunci când se închid. O metoda mult mai buna ar fi folosirea unui sistem care încorporează tendoane. Pentru a putea înțelege mai bine beneficiile folosirii unui sistem de tendoane, trebuie mai întâi văzut ce, și ce scop are un tendon.

Sisteme acționate cu ajutorul tendoanelor

Un prim lucru care ar trebui făcut este clarificarea diferenței dintre tendoane, ligamente si fascia musculară. Ligamentele unesc oasele între ele, fasciile unesc un mușchi de altul și în final tendoanele unesc un mușchi de un os, .

Fig. 2. Tendon, ligament și fascie
(Curtoazie a Sportology)

Câteva elemente importante din construcția tendonului :

Un tendon nu este un singur element, ci este format din mai multe mănunchiuri de fibre, la fel ca un mușchi.

Este flexibil, având capabilitatea de a se întinde sau retrage în funcție de acțiunea necesară sau forța la care este supus.

Făcând o comparație cu natura, în cazul de față servomotoarele reprezintă mușchiul, acestea fiind motivul pentru care este posibilă mișcarea, de aceea aceste sisteme folosesc tendoane, și nu ligamente și/sau fascii.

Un prim avantaj față de sistemele acționate mecanic îl reprezintă modul în care segmentele mâinii se „mulează” după obiectul apucat. În primul caz degetele sunt rigide când se închid. Cele cu tendoane fiind mai flexibile, permit degetelor să se conformeze în funcție de obiect.

Figura 2.10 reprezintă modul de acționare cu ajutorul sistemului de tendoane artificiale. Motoarele acționează ca o pârghie, tensionând tendoanele, lucru care duce la închiderea simultană a încheieturilor, sau flexia mâinii, .

Extensia mâinii se poate realiza pe mai multe căi. O primă idee este folosirea aceluiasi sistem pentru a readuce în poziția inițială degetele, , aceasta fiind calea activă. Cealaltă soluție, sau calea pasivă, o reprezintă folosirea arcurilor.

În ordine pentru a deschide degetele, sunt plasate arcuri în fiecare încheietură. Întreruperea tensiunii in tendoane duce la revenirea la forma inițială a arcului, fapt care duce la îndreptarea segmentului de deget. Încorporând arcuri, energia stocată în momentul închideri este folosită pentru momentul deschideri palmei.

Fig. 2. Sistem cu arcuri integrate
(Curtoazie a Universității Vanderbilt)

UB hand IV

Universitatea Bologna (UB) folosește tehnologii similare cu cele bazate pe arcuri și/sau tendoane pentru mișcarea degetelor, .

Fiecare deget este constituit din 3 segmente, controlat cu ajutorul tendoanelor. Tendoanele la rândul lor sunt fire lungi, 20 de cm, din polimeri. De remarcat aici este faptul că tendoanele nu sunt acționate pe baza efectului de pârghie, ci sunt răsucite. Această idee este inovativă deoarece degetele pot fi mișcate cu o precizie relativ mai mare. Ideea tendonului răsucit este simplă : un motor electric răsucește o pereche de tendoane împreună, rezultând scurtarea acestora. De aici apare tensiunea necesară închiderii palmei și a degetelor.

Avantajul superior față de acționarea pe baza sistemului de pârghie este faptul ca există o corelație directă intre mișcarea de rotație a motorului și mișcările liniare ale tendoanelor. Un efect secundar îl reprezintă forța mare care se poate exercita asupra degetelor, de oarece, în esență, tendoanele se pot răsucii până în momentul în care apare o defecțiune, .

Există, totuși, câteva dezavantaje. Primul ar fi timpul de efectuare a închideri si deschideri degetelor, acesta fiind încet. Motivul este faptul că este nevoie de multe rotații ale motorului pentru a se realiza închiderea. Celălalt dezavantaj îl reprezintă spațiul crescut care este necesar pentru sistemul de acționare.

Alte sisteme

Intrinsic Hand

Dezvoltată după inițiativa DARPA(Defense Advanced Research Projects Agency), urmărește proiectarea unei proteze care să ofere capabilitatea soldaților cu diferite grade de amputare să revină pe front. Proiectul condus de Universitatea John Hopkins, are ca obiectiv crearea unei proteze care „ să copieze mișcările mâinii, și să reziste la rigorile vieții de zi cu zi”, .

Caracteristica cea mai importantă a acestei proteze este faptul că are 22 de GDL. Acest lucru se datorează faptului că sunt încorporate direct un total de 15 motoare în palmă, deget și încheietură.

La baza proiectării degetului se află ideea plasarea motorului în falangele proximale și cuplarea falangelor distale si mediane printr-un sistem de legătură cu șurub cu bilă.

Controlul motoarelor s-a împărțit in două :

O parte care acoperea se ocupa cu algoritmul de control și monitoriza consumul de energie.

O parte care asigura controlul local al motoarelor asociate și a senzorilor.

De reținut este faptul că sistemul de control se află în vesta pe care o poartă persoana respectivă, figura 2.15.

Fig. 2. Mâna APL împreună cu sistemul de control

Mâini printate 3D

Dezvoltarea tehnologiei 3D în ultima perioadă facilitează într-o mare măsură dezvoltarea si fabricarea de părți ale corpului, în special membre. Piața pentru proteze a prins un mare avânt datorită acestei tehnologii.

„Prehensile” este un proiect dezvoltat de student la design industrial în Regatul Unit, Fraser Leid. Ideea din spatele acestuia este faptul că vine sub formă de kit, sau set, care va trebui să fie asamblat, . „Lucrul acesta duce la scăderea prețului și permite utilizatorului opțiunea de a o personaliza”, spune Fraser Leid.

Fig. 2. Mâna Prehensile
(Curtoazie a Fraser Leid)

Mâna este împărțită în două :

Grupul falangelor : conține toate segmentele de la vârful degetului până la încheietura metacarpiană.

Grupul metacarpian : centrul de operații pentru mână, conține unitățile de flexie si extensie.

Fig. 2. Controlul mâinii se face cu ajutorul firelor de nylon și al arcurilor

Design și fabricație

Acest capitol va cuprinde toți pașii urmați în crearea acestui dispozitiv, de la primele schițe, la asamblarea finală.

Idei principale

Prima mare problemă a fost sistemul de acționare a mâinii, sau mai pe scurt „ Cum o sa funcționeze încheieturile?”. Din ideile expuse in capitolul 2, s-a ajuns la faptul că un sistem bazat pe tendoane artificiale va fi eficient.

Prima idee care să susțină acest verdict a fost faptul că pentru a acționa încheieturile cu un servomotor pentru fiecare în parte va fi foarte scump, pe lângă dificil.

În altă ordine de idei, o rețea de arcuri care să readucă degetele în poziția inițială ar fi fost optim, dar am dorit păstrarea întregului proiect cât mai simplu posibil. Dacă va fi nevoie de îmbunătățiri, acestea se vor face pe parcurs.

În concluzie s-a ales sistemul cu tendoane. Acestea pot fi orice fir care rezistă la aplicarea unei tensiuni, și vor fi conectate la motoare pentru a rămâne in tensiune. Acționarea motoarelor va duce închiderea sau deschiderea palmei si degetelor.

Altă idee de abordat a fost modul de fabricație al elementelor componente. S-a ajuns la concluzia că printarea 3D ar fi cel mai bun compromis între performantă, cost și timp.

Problema acționării degetelor este un alt factor major, precum și readucerea lor la poziția inițială după terminarea mișcării. Ținând cont de faptul că mâna trebuie să realizeze doar mișcări elementare, soluția a fost folosirea unor servomotoare de putere mică sau medie.

Controlul servomotoarelor se fa face cu ajutorul unui microprocesor ajutat de un driver.

În continuare vom prezenta ideile menționate mai sus pe rând.

Să vorbim puțin despre elementele majore ale mâinii : palma si segmentele degetelor.

În primul rând, cablurile de acționare a degetelor, tendoanele, se vor trage in interiorul palmei. Este de preferat să se respecte biologia palmei, astfel încât sa decis că tendoanele să se strângă într-un punct comun aflat la baza palmei. Acest lucru se va aplica și pentru segmentele degetelor.

În al doilea rând, dacă palma este făcută dintr-un singur bloc, mișcarea degetelor nu va mai fi naturală. Strângerea mâinii într-un pumn determină degetele să se apropie cât mai mult de centrul palmei, figura 3.1 dreapta, și nu să rămână la același nivel, figura 3.1 stânga.

Fig. 3. Strângere nenaturală a pumnului(stânga), și naturală(dreapta)

În al treilea rând sistemul de îmbinare a degetelor trebuie sa fie robust si rigid, dar și să oprească degetul să se strângă in sens invers în momentul acționării motorului.

Mai jos se poate vedea una din schițele inițiale.

Fig. 3. Schiță semi detaliată a mâinii

Modelul finalul încorporează unele dintre aceste idei, dar multe dintre ele nu au fost păstrate.

Schița grafică

3DSmax este un software pentru modelare 3D. Acest program a fost folosit pentru a face schemele pentru componentele mai sus menționate. Deși destul de vechi, a fost utilizat datorita familiarității cu el.

Fig. 3. Vedere de ansamblu a mâinii, partea din față

Fig. 3. Vedere de ansamblu a mâinii, partea din spate

Imprimarea 3D

Toate elementele mecanice au fost făcute cu ajutorul unei imprimante 3D. Această imprimantă lucrează cu material de suport, însemnând că un element nu se printează direct, ci înainte se face o suprafață de lucru de pe care se va continua printarea. De notat este faptul că trebuie lucrat cu grijă atunci când se îndepărtează piesa de pe suprafața de lucru, altfel se poate deteriora.

Fig. 3. Segment de deget printat 3D

S-a folosit ca metodă de fabricație a pieselor imprimarea 3D deoarece a fost cea mai viabilă soluție, atât din punct de vedere financiar, dar și datorită timpului relativ redus de construcție și asamblare a pieselor rezultate.

Imprimanta folosită a fost Creality Ender 3. Opțiune solidă datorită performanței sale, poate concura în această categorie și cu imprimantele de nivel înalt de pe piață, .

Unele dintre specificațiile cele mai interesante sunt :

Volumul de printare este 220 x 220 x 250 mm

Placa de suport este încălzită

Duza pentru filament fiind îngustă, facilitează folosirea materialelor flexibile

Se pot folosi o gamă largă de filamente, de la PLA și ABS la cele flexibile și exotice

Fig. 3. Imprimanta Ender 3

Deși este de o performanță ridicată, există totuși câteva dezavantaje care ar putea crea probleme mai mari dacă nu sunt adresate :

Calibrarea manuală

Placa de suport poate crea probleme datorită suprafeței sale

Poate necesita lipirea proiectului pentru a se evita mișcarea nedorită a acestuia

Imprimanta permite reglarea anumitor opțiuni cum ar fi viteza, temperatura de extruziune, precum și mai multe. Inițial a fost selectată opțiunea fill=15%, lucru care s-a dovedit eronat deoarece piesa rezultată era foarte fragilă. După anumite teste s-a dovedit că o valoare de 30% era o soluție bună.

Fig. 3. fișierul STL pentru palmă

Tendoanele

Pentru tendon am folosit un fir de pescuit cu o grosime de 0.70mm, . Inițial s-a folosit un fir de nylon subțire, 0.16mm, dar acest lucru nu s-a dovedit ca fiind fiabil.

In primul rând firul de nylon sub o anumită tensiune începe să se întindă, făcând flexia și extensia degetelor mai greu de realizat după un anumit timp de utilizare.

In al doilea rând folosirea unui fir mai gros înlocuiește nevoia folosiri unor servomotoare de putere mare cu cele de nivel mediu.

In altă ordine de idei apar, însă, unele probleme dacă diametrul canalelor din degete și palmă nu corespund cu cele ale firului, sau dacă pe parcursul canalelor acestea sunt unele iregularități.

Fig. 3. Firul folosit pe post de tendon artificial, diametrul este de 0.70mm

Servomotoarele

În număr de cinci, servomotoarele alese au fost cele S-3331 de la Conrad Electronics.

Fig. 3. Conrad Electronics S-3331

Acestea sunt servomotoare standard, mișcarea lor fiind de la 0 la 180 de grade. Deoarece mișcarea tendoanelor artificiale va fi minimă, puterea si precizia motoarelor folosite va afecta într-o oarecare măsură precizia degetelor.

Folosirea unor servomotoare mai performante ar duce la îmbunătățirea atributelor palmei dar ar crește costul.

O specificație tehnică utilă este că o rotație de 60 de grade se efectuează în 0.19 secunde, .

Controlul mișcărilor

Toate mișcările făcute de servomotoare sunt „supervizate” de către un microprocesor și un driver pentru servomotoare.

Arduino Nano

Arduino Nano este un microprocesor din familia Arduino, , fiind de o scala mai mică ca restul procesoarelor.

Fig. 3. Arduino Nano

Specificații :

Se alimentează de la USB Mini-B, cu o tensiune de 5V.

Memoria este de 32KB.

14 pini digitali, și pot primi un curent maxim de 40 mA .

Pinii RX și TX (0 și 1) sunt folosiți pentru comunicarea serială.

Comunicarea se face prin portul USB.

Programarea acestui microprocesor se face cu ajutorul driver-ului și software-ului atașat.

Proiectul de față nu necesită folosirea acestui microprocesor, înșă este o excelentă platformă de dezvoltare a acestuia. Spre exemplu se poate adăuga un sistem de control dedicat.

Fig. . Schema pinilor, Arduino Nano

Driverul Pololu

Prima întrebare care ar trebui răspunsă este „De ce avem nevoie de un driver pentru servomotoare?”. Good fakin question. Răspunsul este simplu : simplifică extrem de mult folosirea servomotoarelor.

Firma Pololu oferă mai multe modele de controllere, de la unități cu 6 canale la cele cu 24, .

Fig. . Familia de drivere Pololu: Mini 24, Mini 18, Mini 12 și Micro 6

Acestea oferă control asupra servomotoarelor de o mare performanță, facilitând mișcările de precizie, cu stabilitate ridicată și fără bruiaje. Caracteristici unice acestei familii sunt faptul că se poate controla separat viteza pentru fiecare motor, și abilitatea de le opri individual .

În paginile ce urmează vom prezenta în amănunt Micro Maestro 6-Channel, acesta fiind controlleru ales pentru proiectul nostru.

Fig. . Micro Maestro

Micro Maestro

Micro Maestro oferă o versatilitate crescută, fiind un o placă I/O generală care acționează și ca controller pentru servomotoare. De notat sunt dimensiunile sale reduse, figura 3.14.

Fig. . Dimensiunile pentru Micro Maestro

Comunicarea cu acest driver se face pe trei căi :

Directă prin USB – comunicarea cu calculatorul

Semnalul TTL serial (5V) – pentru sistemele integrate

Script intern – pentru programele exclusive driverului

Cele mai importante atribute tehnice sunt :

Codul soft de control poate fi realizat atât intern cu ajutorul kitului intern, dar și de alte limbaje, cum ar fi Arduino, , datorită librăriilor încorporate.

Poate fi folosit ca adaptor între USB și TTL.

Se pot crea secvențe pentru mișcările motoarelor, eliminând astfel de intervenții externe cum ar fi de exemplu microprocesoarele.

Se pot seta individual pentru fiecare canal vitezele și accelerația.

Procesorul împreuna cu servomotoarele pot să fie legate la aceeași sursă de putere sau să fie alimentate individual.

În continuare se va prezenta aranjarea pinilor precum si structura driverului.

Fig. . Aranjarea pinilor într-un Micro Maestro

Înainte să continuăm trebuie indicat faptul că alimentarea precum și celelalte elemente au fost reglate pentru cazul de față.

Alimentarea pentru procesorul plăcii vine direct de la USB, acesta fiind conectat cu calculatorul. De reținut faptul că dacă tensiunea de lucru scade sub 5V, nu este garantată operarea optimă.

Alimentarea pentru servomotoare se face cu ajutorul pinilor poziționați în partea dreapta a plăci. Nu există elemente de reglare a curentului sau tensiuni, deci singura restricție este utilizarea unei surse de putere care sa corespundă servomotoarelor.

Fig. . Elementele pentru alimentare

Corespondența cu microprocesorul se face cu pinii RX și TX. RX este folosit pentru primirea semnalelor TTL și este legat de pinul TX al microprocesorului. TX este folosit pentru transmiterea semnalelor, fiind legat de pinul RX la Arduino. Acești pini sunt necesari dacă se dorește controlarea servomotoarelor printr-un mediu extern, cum ar fi de exemplu senzorii de flexie. Dacă se dorește controlarea acestora pe cale internă, atunci se va folosi programul atașat driverului pentru a se crea o secvență.

Fig. . Panoul de control secvențial

Controlul secvențial pentru servomotoare va fi prezentat în paginile ce urmează.

Sursa de curent

Alimentarea, așa cum a fost menționat și mai sus, se face separat pentru servomotoare, driver și placa Arduino.

Procesorul driverului împreună cu microprocesorul trebuie sa fie alimentate de la un USB.

Servomotoarele vor fi alimentate de la o sursă de calculator.

Fig. . Sursa de calculator folosită pentru alimentarea servomotoarelor

De la această sursă vom folosi ieșirea de 5V la 15A, suficient pentru nevoile noastre.

Exista și alimenta și de la aceeași sursă, însă aceasta presupunea unele probleme.

Circuitul electric

Mai jos se află schema circuitului electric.

Fig. . Circuitul electric

De notat este faptul că deși în figura de mai sus a fost reprezentat un singur servomotor, acest lucru se aplică la toate celelalte patru.

Circuitul a fost realizat pe o placa de prototipare simplă, însă mărimea a fost ținută relativ mică.

Prima placă, deși dacă la prima privire părea să fie bună, existau unele probleme.

Fig. . Placa originală, față și verso

Microprocesorul Arduino ar fi venit prins de placă cu ajutorul baretelor negre, iar pinii servomotoarelor lipiți direct. După cum se observă, pe verso în figura 3.20, neajunsul acesteia este aranjarea precum și lipiturile în sine. Odată placa defectată ar fi fost aproape imposibil de reparat.

După ce s-au adus anumite îmbunătățiri, și s-a schimbat modul de aranjare a pieselor pe placa, aceasta a devenit mai ușor de întreținut în cazul unei defecțiuni. Cea mai mare îmbunătățire a fost introducerea driverului, înlocuind astfel nevoia de a lipi servomotoarele de aceeași placă.

Fig. . Placa îmbunătățită, față și verso

Asamblarea palmei și a degetelor

Degetele

Primul pas a fost curățarea punctelor de acces pentru tendoane și în locurile unde era împiedicată mișcarea de îndoire a încheieturilor.

Al doilea pas a fost trecerea tendoanelor prin canalele desemnate.

Al treilea pas a fost realizarea încheieturilor. Din paginile anterioare s-a ajuns la concluzia ca pinii de plastic nu sunt o soluție optimă. Pe de altă parte folosirea unor șuruburi ar fi însemnat o soluție mult mai permanentă decât cea dorită. Soluția a fost realizarea unor pini din lemn, care sa fie rezistenți.

Fig. . Piesele degetelor și degetul asamblat

Toate degetele au urmat aceeași pași pentru construirea lor.

Palma

La fel ca la degete, primul pas a fost curățarea punctelor de acces, însă acest lucru nu sa dovedit ca fiind ușor. Unele canale, în special cel pentru degetul arătător au pus probleme adiționale, existând mai multe blocaje pe parcursul acestuia.

Tijele pentru degetul mic, inelar și mare au fost realizate de asemenea din lemn.

Fig. . Palma