Mano robótica prensil con cuerpo flotante para subactuación
La primera prótesis de mano del laboratorio repartía la fuerza de un motor entre los dedos con poleas en serie, y perdía buena parte de esa fuerza en fricción. Este proyecto rediseñó la mecánica. Un cuerpo flotante en la palma reemplaza las poleas intermedias, el pulgar recibe su propio motor y las dimensiones de la mano quedan parametrizadas para ajustarla a cada usuario. El prototipo sujeta bien objetos cilíndricos y esféricos, y tiene dificultades con la pinza fina.
Contexto
El objetivo de costo era ambicioso: quedar por debajo del precio de una prótesis de gancho, que es la única a la que tienen acceso muchos usuarios, y ofrecer a cambio una mano de cinco dedos con agarre adaptativo.
Diseño
Dimensiones paramétricas. Como no existe un tamaño genérico de mano, las medidas de la palma y de las falanges se definieron como parámetros del modelo, de modo que la prótesis se puede escalar según la edad y la contextura del usuario.
Cuerpo flotante. Una pieza móvil dentro de la palma recibe la tensión del motor en su centro y la entrega a los tendones de los dedos en sus extremos. Como la pieza puede girar y desplazarse, cuando un dedo se detiene contra el objeto los demás siguen cerrándose. La fuerza se reparte con menos cambios de dirección de la cuerda que en un tren de poleas.
Cuerpo flotante en la palma para la subactuación de los dedos
Configuración de las cuerdas que transmiten la fuerza a cada dedo
Dedos. Cada dedo se cierra con un tendón y se abre con elementos elásticos en las articulaciones. La rigidez de cada articulación determina el orden en que se flexionan las falanges, y se eligió para que el cierre envuelva el objeto.
Pulgar. Tiene un motor independiente y puede actuar como apoyo o cerrar contra los demás dedos.
Prensión gruesa cilíndrica y esférica en el modelo
Pruebas
La mano se fabricó por impresión 3D y se montó en un banco con motores de corriente continua.
Mano montada en el banco de pruebas
Prueba de agarre grueso cilíndrico
Pruebas con objetos de forma irregular
El movimiento de las falanges se registró en video para verificar la secuencia de cierre.
Posición angular de la falange proximal del índice durante el cierre
Resultados
- Buen desempeño en prensión gruesa, cilíndrica y esférica, y con objetos irregulares.
- Desempeño deficiente en pinza fina y fuerte. Es posible con cierta habilidad, pero el diseño del pulgar la limita. Aumentar la rigidez de las articulaciones interfalángicas distales la mejora.
- El costo quedó por debajo del de una prótesis de gancho.
- El cuerpo flotante redujo las pérdidas por fricción y distribuyó bien la fuerza del motor.
Lo que falta
La mano se probó en banco, sin usuario, sin sensores y con mando directo de los motores. No hay mediciones de fuerza de agarre. El socket y la fijación al muñón no hacen parte del trabajo.
Relación con Robiolab
Este es el segundo proyecto de la línea de prótesis de mano, y el diseño que heredaron los siguientes: el sensor de fuerza con su controlador y la versión integrada probada con un usuario. El cuerpo flotante es un mecanismo diferencial, una solución que también usa la mano humana a través de sus tendones interconectados, y un buen ejemplo de cómo una idea de la biomecánica simplifica un diseño.