Primera prótesis de mano subactuada del laboratorio
Una mano tiene muchas más articulaciones de las que se pueden motorizar en una prótesis accesible. Este proyecto resolvió el problema con subactuación: un solo actuador tira de una cuerda que, a través de poleas, reparte el movimiento entre las 14 articulaciones de los dedos. El prototipo logró agarres estables y adaptativos de objetos de distintas formas con cuatro dedos, y mostró que el pulgar necesita un tratamiento aparte.
Contexto
Las prótesis mioeléctricas comerciales usan varios motores y cuestan decenas de miles de dólares. Las de gancho son baratas y funcionales, pero ofrecen un solo tipo de agarre. Un mecanismo subactuado busca un punto intermedio: pocos actuadores, y una mecánica que distribuye el movimiento según lo que el objeto permite.
Mecanismo
Cada dedo tiene tres falanges con poleas en las articulaciones y resortes de torsión que lo devuelven a la posición abierta. La cuerda de actuación pasa por las poleas de cada articulación.
Modelo de un dedo con las poleas en cada articulación
En la palma, un sistema de poleas intermedias divide la tensión entre los dedos.
Modelo de la palma con el pulgar y sus poleas internas
Cuando una falange toca el objeto y se detiene, la cuerda sigue corriendo y las demás continúan cerrándose. El resultado es un agarre que se acomoda a la forma del objeto sin sensores ni control en cada dedo.
Agarre esférico en el modelo de la mano
El pulgar tiene un grado de libertad adicional, la articulación carpometacarpiana, que el usuario ubica a mano en una de tres posiciones según el tipo de agarre.
Prototipo
Las piezas se imprimieron en 3D y los tendones se enhebraron por los canales de la palma.
Dedos impresos y ensamblados
Recorrido de los tendones por la palma hacia cada dedo
Control propuesto
El diseño incluye un lazo completo. La señal de electromiografía define la consigna de fuerza, una galga mide la tensión de la cuerda y un motor de vibración informa al usuario cuánta fuerza está ejerciendo. El proyecto se publicó con una licencia de hardware abierto.
Resultados
El prototipo realizó agarres estables de objetos de distintas geometrías, con las falanges adaptándose a cada uno.
La prueba reveló un límite del diseño. Con el recorrido de cuerda previsto para los cinco dedos, la fuerza de entrada necesaria para cerrar por completo el pulgar y los otros cuatro era demasiado alta. Se optó por actuar solo los cuatro dedos desde la polea intermedia de la palma y dejar el pulgar sin actuación, como apoyo pasivo. Aun así el pulgar resultó indispensable: es el que da soporte al objeto y estabilidad al agarre. Su inclusión obligó, además, a inclinar un canal de polea, lo que aumentó los cambios de dirección de la cuerda y la fricción.
Lo que falta
La fricción en poleas y canales consume buena parte de la fuerza del actuador. El pulgar no es activo. El lazo de control mioeléctrico con retroalimentación quedó diseñado, pero su validación con un usuario no hace parte de este trabajo.
Relación con Robiolab
Este es el origen de la línea de prótesis de mano del laboratorio. Los tres proyectos siguientes atacaron, en orden, los límites que este dejó identificados: la mecánica de la mano, con un cuerpo flotante que reduce la fricción y un pulgar actuado; el sensor de fuerza y su controlador; y la integración con control mioeléctrico y prueba con un usuario. La idea central, que la adaptación al objeto la resuelva el mecanismo, es un ejemplo de la inteligencia mecánica que el grupo busca en sus diseños bioinspirados.