Design and development of a Soft Body-Actuated 3D printed prosthetic hand

Abstract

O principal objetivo deste trabalho é a produção de uma prótese de uma mão, com baixo custo, através de impressão 3D. Através da utilização de um silicone dúctil nos dedos e na palma da mão, foi criada uma nova versão deste tipo de próteses, que se adapta muito bem às diferentes formas e tamanhos dos objetos, permitindo-nos ter um melhor coeficiente de atrito entre a prótese e os objetos, quando comparada com uma prótese sem este tipo de materiais. Depois da produção da prótese, esta foi testada por um voluntário com um transtorno congenital na mão direita e, como tal, os dedos desta mão estão em falta.Os avanços nos últimos anos em fabricação aditiva levaram à produção de próteses de membros superiores a baixo custo e baixo peso. A e-NABLE é uma organização não lucrativa que tem contribuído em larga escala para esta área nos últimos quatro anos. Esta comunidade desenvolve novos desenhos de próteses da mão e coloca-os no seu website para que qualquer pessoa possa fazer o download sem qualquer custo. As próteses da e-NABLE não possuem nenhum atuador ou sensores, portanto apresentam um baixo peso e custo. O movimento de abrir e fechar a mão é feito através da flexão e extensão do pulso, o que faz com que prótese possua um controlo muito intuitivo. A metodologia desta dissertação passou pelo uso de um programa CAD, para criar um desenho 3-D baseado na mão do voluntário e no conceito de prótese da e-NABLE. Contudo, a funcionalidade da prótese, foi melhorada graças aos materiais usados nos dedos e na palma da prótese. Para cada componente da mesma foi realizada uma análise com o intuito de remover partes desnecessárias e, consequentemente, diminuir o peso da prótese. A prótese final foi então montada e testada pelo voluntário, e através de várias iterações, uma prótese final ótima foi produzida.

The main objective of this work is design and development of a low cost soft 3D-printed body-actuated upper limb prosthesis. By integration of a soft silicone skin into the fingers and palms of the hand, we introduce a novel version of the prosthetic hand that adapts very well to various object shapes and sizes, and allows a better grasp of the objects due to a higher friction coefficient between the object and the elastic skin, when compared to a hand without the soft skin. In addition, the hand was tested by a volunteer with a congenital disorder as so, the fingers of his right hand are missing.Over the last few years, advancements in additive manufacturing and rapid prototyping, led to new designs of upper limb prosthesis at low cost and light weight. The e-NABLE, a non-profit community, has largely contributed into this field over the last four years. This community develops new designs of upper limb prosthesis and places them online for replication as well as contribution on the design. The devices made by e-NABLE community don’t pose any actuator or sensors in the prosthesis, as so, the prosthesis are light weight and low-cost. The closing and opening of the prosthetic hand is based on the movement of flexion and extension of the wrist, which makes the device very intuitive to control.The methodology of this work is to create a 3-D sketch of the prosthesis based on the hand of the person along with the concept of e-NABLE prosthesis. However, by taking advantage of a soft skin, we improve the hands functionality, i.e. the number of grasps it can perform. After each component is printed, an analysis of the component is made to see if there is any material that can be removed to decrease the weight of the prosthesis.For each of the components of the body-actuated hand, we analysed the actual problems and proposed, designed, developed and tested a new solution. Afterwards, the final assembly was tested and validated through several iterations involving the volunteer in the decision making loop.