Analys av funktionalitet och hållbarhet hos 3D-utskriven robothand för användning som protes.

MAT-VET-F 20018

Examensarbete 15 hp

Juni 2020

Analys av funktionalitet och

hållbarhet hos 3D-utskriven robothand

för användning som protes.

Teknisk- naturvetenskaplig fakultet UTH-enheten Besöksadress: Ångströmlaboratoriet Lägerhyddsvägen 1 Hus 4, Plan 0 Postadress: Box 536 751 21 Uppsala Telefon: 018 – 471 30 03 Telefax: 018 – 471 30 00 Hemsida: http://www.teknat.uu.se/student

Abstract

Analys av funktionalitet och hållbarhet av 3D-utskriven

robothand för användning som protes.

Emil Bennedicks

3D-modellering har aldrig varit lättare än vad den är i dagsläget. Med hjälp av en 3D-skrivare är det möjligt att skapa en robothand, som med hjälp av EMG-sensorer, kan styras och användas som en protes. Detta projekt har analyserat 2 olika robotproteser som går att skriva ut med en 3D-skrivare och som sedan jämförts med en kommersiell protes för att ta reda på om det är lönsamt att använda 3D-utskrivna robotproteser istället för kommersiella.

Resultatet gav att trots den svagare greppstyrkan hos de 3D-utskrivna robotproteserna var den försumbar i jämförelse med hur anpassningsbar och billigt de kan göras. Med en bärkraft på 45 respektive 75 N

bedömdes proteserna funktionsdugliga och mer lönsamma än kommersiella robotproteser.

Inneh˚

all

1 Popul¨arvetenskaplig sammanfattning av projektet 4

2 Introduktion 5 2.1 Metoder . . . 6 3 Teori 7 3.1 Ada Hand . . . 7 3.1.1 Kraftmoment . . . 8 3.1.2 Kontraktionsl¨angd . . . 8 3.2 H¨avst˚angsprotesen . . . 9 3.2.1 Kraftmoment . . . 10 3.2.2 Kontraktionsl¨angd . . . 11 4 Resultat 11 4.1 Ada Hand . . . 11 4.2 H¨avst˚angsprotesen . . . 14 5 Diskussion 15 6 Slutsats 17

1

Popul¨

arvetenskaplig sammanfattning av projektet

Allt ifr˚an skalenliga modeller av skyskrapor till 3D-skrivning av m¨anskliga organ s˚a finns det en stor m¨ojlighet till att skapa med hj¨alp av 3D-skrivningstekniken. Ett s˚adant omr˚ade, som har varit i fokus f¨or analysen i detta projekt, ¨ar bionik. Bionik ¨ar ett omr˚ade inom medicin som fokuserar p˚a att skapa proteser som efterliknar eller till och med f¨orb¨attrar m¨anskliga organ eller kroppsdelar. Projektet inneh¨oll 2 olika robothandproteser som g˚ar att skriva ut med en 3D-skrivare, en egendesignad och en som finns att ladda ner gratis p˚a internet. Dessa 2 j¨amf¨ordes sedan med en kommersiell robotprotes f¨or att avg¨ora funktionaliteten och h˚allbarheten hos de 3D-utskrivna robotproteserna kontra kommersiella.

Beroende p˚a vilket l¨age robotprotesen hade (¨oppen eller st¨angd hand), gav det olika resultat f¨or de 2 proteserna. Men det som lades mest fokus p˚a var l¨aget d˚a handen var st¨angd, ungef¨ar som n¨ar man ska b¨ara n˚agot, d˚a det var den datan som var mest betydelsefull fr˚an den kommersiella protesens specifikationer. Det visade sig att trots att de 2 3D-utskrivna proteserna hade en l¨agre “b¨arkraft” (45 respektive 75 N, motsvarar ungef¨ar 4,5 respektive 7,5 kg) ¨an den kommersiella protesen (150 N, ungef¨ar 15 kg), s˚a var de mer l¨onsamma ur ett h˚allbart och ekonomiskt syns¨att. Funktionsm¨assigt s˚a hade de inte samma kapacitet men borde klara av alldagliga sysslor utan st¨orre problem.

2

Introduktion

Med teknologins fortsatta framsteg inom 3D-modellering och robotik har ett nytt omr˚ade inom rekon-struktion av den m¨anskliga kroppen uppst˚att, bionik (bionics p˚a engelska). Ordet tolkas oftast som en sammans¨attning av orden biologi och elektronik och har under en l˚ang tid varit en fantasi som endast ¨

ar m¨ojlig i science fiktion filmer. Men nu tack vare precisionen och l¨attillg¨angligheten av 3D-skrivare kan ¨aven folk utan tidigare kunskaper skapa produkter hemma f¨or en br˚akdel av kostnaden f¨or samma produkt p˚a marknaden. En av dessa produkter ¨ar robotproteser. Detta projekt har analyserat 3 olika robothandproteser d¨ar 2 av de g˚ar att tillverka hemma med en 3D-skrivare. Syftet var att ta reda p˚a om det ¨ar mer l¨onsamt att tillverka en robotprotes sj¨alv eller om det ¨ar b¨attre att k¨opa en kommersiell robotprotes. Med l¨onsamt menas att 3D-protesen har ungef¨ar samma prestation som den kommersiella protesen men f¨or en mindre kostnad.

Figur 1: Open source protesen Ada Hand designad av Open Bionics. (1 )

Den f¨orsta protesen som analyserades var “Ada Hand” som ¨ar desig-nad av Open Bionics. Ada Hand har en simpel design och styrs av 5 individuella linj¨ara st¨alldon (motorer) som ¨ar kopplade till “senor” (fiskelinor) i fingrarna. Motorerna ¨ar kopplade till ett styrkort som ¨

aven har en elektromyographical (EMG)-sensor inkopplad som g¨or att den kan k¨anna av muskelr¨orelser. Dessa muskelr¨orelser styr ro-bothanden s˚a att man kan anv¨anda den som en protes. Open Bionics har lagt ut Ada Hand som ett open source projekt vilket inneb¨ar att vem som helst kan ladda ner och skriva ut handen gratis med en 3D-skrivare. Detta inneb¨ar ocks˚a att det ¨ar m¨ojligt att g¨ora f¨or¨andringar p˚a protesen, s˚a som andra typer av motorer, sensorer och material ¨

overlag.

Figur 2: Den kommersiella protesen BeBionic3 utvecklad av RSL Steeper. (2 )

N¨ar den f¨orsta protesen analyserades uppt¨acktes en annan robotpro-tes, BeBionic3, se figur (2). Denna robotprotes ¨ar en kommersiell ro-bothandprotes som ¨ar skapad av RSL Steeper (¨ags av Ottobock sedan 2017). Protesen BeBionic3 ¨ar en avancerad robotprotes som har fler grepp och en b¨attre h˚ardvara ¨an Ada Hand men ¨ar betydligt dyrare. F¨ordelen med Ada Hand ¨ar att det g˚ar att uppgradera h˚ardvaran men samtidigt f˚a ner kostnaden. S˚a f¨or att analysera BeBionic3 p˚a ett liknande s¨att som med Ada Hand gjordes en egen design inspi-rerad av BeBionic3 som skulle kunna skrivas ut med en 3D-skrivare. Denna design d¨optes till “H¨avst˚angsprotesen” d˚a ist¨allet f¨or “senor” s˚a anv¨ander den sig av h¨avst¨anger f¨or att r¨ora fingrarna.

H¨avst˚angsprotesen blev den andra robotprotesen som g˚ar att skriva ut med en 3D-skrivare. Precis som de andra 2 proteserna fanns det en m¨ojlighet att att anv¨anda 5 motorer, styrkort och EMG-sensorer. Tanken var att faktiskt skriva ut proteserna men p˚a grund av den r˚adande situationen i samh¨allet fanns ingen tid till det utan det blev ist¨allet en teoretisk analys av proteserna. Nedan beskrivs vad som analyserades och vilka metoder som anv¨andes.

2.1 Metoder

En intressant detalj att veta om proteserna var deras greppstyrka. F¨or att f˚a fram den har ett kraft-moment r¨aknats fram fr˚an fingertopparna p˚a proteserna. Kraftmomentet M berodde p˚* a l¨angden p˚a fingrarna

*

R och dess proportioner samt hur stor kraft *

F motorerna kunde ge till fingrarna. Med hj¨alp av formeln f¨or kraftmoment (3 ),

*

M =*R ×*F (2.1)

kunde vi f˚a fram en teoretisk greppstyrka hos proteserna som sedan kunde j¨amf¨oras med den kom-mersiella protesen. Det r¨aknades fram tv˚a olika extremv¨arden p˚a greppstyrkan d˚a kraftmomentet f¨or¨andrades beroende p˚a kraftens generella riktning. Extremv¨ardena var f¨or en ¨oppen hand och f¨or en st¨angd hand vilket gav en generell uppskattning p˚a hur stor greppstyrka proteserna kan producera beroende p˚a fingrarnas position. Med hj¨alp av vektorer kunde positionen p˚a fingrarna tas fram och koordinatsystemets Origo ansattes i foten p˚a fingrarna.

En annan intressant detalj var kontraktionsl¨angden hos “senan” som styr fingrarna. Kontraktionsl¨angden avgjorde vilka typer av motorer som kunde anv¨andas till proteserna. Detta r¨aknades enkelt fram med en subtraktion av l¨angden p˚a “senan” vid de b˚ada extremv¨ardena. I fallet f¨or h¨avst˚angsprotesen s˚a var det l¨angden som h¨avst˚angen beh¨ovde r¨ora sig som r¨aknades fram.

Designen p˚a handen avgjorde hur enkelt reparationer kunde g¨oras och hur effektiv h˚allbarheten hos protesen var. Det som unders¨oktes var sj¨alva drivsystemet, det vill s¨aga det som fick fingrarna att r¨ora sig, senor respektive h¨avst¨anger. F¨ordelar och nackdelar med de tv˚a olika drivsystemen togs fram och presenteras i resultatdelen.

3

Teori

F¨or att f˚a ut kraftmomentet hos proteserna var formeln (2.1) tvungen att anpassas till var och en av de. Detta gjordes genom att st¨alla upp ekvationer f¨or hur fingrarna r¨or sig i ett 2-dimensionellt plan och hur kraften fr˚an motorerna applicerades p˚a fingertopparna. Nedan visas tillv¨agag˚angss¨attet f¨or de 2 3D-skrivna proteserna.

3.1 Ada Hand

Figur 3: “Skelettet” av ett finger fr˚an Ada Hand. De ih˚aliga ringarna visar vridpunkter f¨or “senan”. Figuren visar ¨aven de 2 olika extremv¨ardena (utstr¨ackt och ihopvikt fing-er) som den kunde ta. De stora bokst¨averna indikerar alla noder i fingret och de sm˚a bokst¨averna indikerar m˚atten p˚a de olika de-larna.

Fingrarna p˚a Ada Hand protesen var uppdelade i 2 sektioner, ist¨allet f¨or 3 som v˚ara riktiga fingrar har. Dessa sektioner approximerades till att vara lika l˚anga d˚a det saknades exakta m˚att. Detta gjordes genom att m¨ata fingrarna i 3D-filen som anv¨ands f¨or att skriva ut handen (finns ett rutn¨at med m˚att i 3D-filen). Det ledde till att fingrarna r¨or sig runt tv˚a leder med lika l˚anga sektioner. R¨orelsen f¨or dessa sektioner beskrevs s˚ah¨ar:

*

r1= r(cos θ + sin θ) (3.1) *

r2 = r(cos ψ + sin ψ), (3.2) d¨ar r1 motsvarar r¨orelsen hos den nedre sektionen och r2 motsvarar den ¨ovre. Som kan ses i ekva-tionerna (3.1) och (3.2) har b˚ada samma variabel r d˚a de 2 enskilda sektionerna hade samma l¨angd. V¨ardet p˚a r varierades beroende p˚a vilket finger som ber¨aknades.

R¨orelsen f¨or hela fingret blev d˚a en sammans¨attning av ekvationerna (3.1) och (3.2), vilket resulterade i ekvation (3.3) nedan

*

R = r(cos θ + cos ψ)x + r(sin θ + sin ψ)b y.b (3.3)

D˚a “senorna” kan antas att alltid vara sp¨anda an-togs att samma kraft fr˚an motorerna p˚averkade fing-ertopparna, det vill s¨aga “senorna” antogs vara en f¨orl¨angning av motorerna. D˚a “senornas” vridpunkt var f¨orskjuten fr˚an den ¨ovre leden (¨aven den undre

men det hade ingen betydelse f¨or riktningen p˚a kraften), ansattes en egen vinkel f¨or kraften som visas i figur (3) . Kraften kan d˚a beskrivas som

*

F = F (sin φx + cos φ_{b b}y), (3.4)

3.1.1 Kraftmoment

F¨or att f˚a kraftmomentet anv¨ande vi ekvationerna (3.3) och (3.4) i formeln (2.1) och st¨allde upp en kryssprodukt vilket ledde till ekvation (3.6) som visas nedan

* M =*R ×*F =        b x _by _bz

r(cos θ + cos ψ) r(sin θ + sin ψ) 0

F sin φ F cos φ 0        ⇒ (3.5)

⇒M = rF (cos φ(cos θ + cos ψ) − sin φ(sin θ + sin ψ))* _bz. (3.6) Ekvation (3.6) motsvarar kraftmomentet f¨or ett finger. Det vill s¨aga f¨or att f˚a kraftmomentet (grepps-tyrkan) f¨or protesen beh¨ovdes kraftmomentet f¨or varje finger adderas ihop. Tummen hade en mer komplex r¨orelse (3-dimensionell) men antogs enbart r¨ora sig i samma plan som fingrarna och kunde d˚a anv¨anda samma formel som fingrarna, men med andra vinklar d˚a den inte hade samma l¨angd p˚a r¨orelsen.

3.1.2 Kontraktionsl¨angd

Kontraktionsl¨angden motsvarar den l¨angden som “senan” f¨orminskas med d˚a fingret g¨or en full r¨orelse. Detta resultat p˚averkade vilka typer av motorer som var kravet f¨or att f˚a en full r¨orelse av protesen. L¨angden p˚a “senan” vid utstr¨ackt finger beskrevs av

Rs1= q

(2r + dy)2+ d2x, (3.7)

d¨ar r ¨ar l¨angden p˚a fingersektionen och dx, dy ¨ar avst˚andet fr˚an sektionens vridpunkt och “senans” vridpunkt ix- ochb by-led.

L¨angden p˚a “senan” vid “knuten” n¨ave beskrevs av Rs2= r − 2dx+

q

(r − dy)2_{+ d}2

x (3.8)

och tillsammans med Rs1 blev differensen:

4Rs= Rs1− Rs2. (3.9)

Differensen 4Rs mellan l¨angderna gav kontraktionsl¨angden f¨or “senorna”. ˚Aterigen var tummen lite annorlunda. I och med att tummen inte r¨orde sig lika l˚angt s˚a hade den ocks˚a en kortare kontrak-tionsl¨angd ¨an de andra fingrarna. Detta gjorde att tummen och de fingrar med kortast kontrak-tionsl¨angd kunde uteslutas n¨ar valet av motorer gjordes.

3.2 H¨avst˚angsprotesen

Figur 4: “Skelettet” av ett finger fr˚an H¨avst˚angsprotesen. Figuren visar ¨aven de 2 olika extremv¨ardena (utstr¨ackt och ihop-vikt finger) som den kunde ta. De stora bokst¨averna indikerar alla noder i fingret och de sm˚a bokst¨averna indikerar m˚atten p˚a de olika delarna.

Precis som namnet indikerar s˚a var fingrarna uppbygg-da av h¨avst¨anger. Dessa h¨avst¨anger ¨ar placerade p˚a ett specifikt s¨att som ger fingret sin r¨orelse n¨ar en mo-tor drar med en kraft F i nod A som visas i figur 4. Fingrarna ¨ar uppbyggda av 2 lika l˚anga sektioner pre-cis som Ada Hand, det vill s¨aga r1 = r2 = r. De 2 oli-ka extremv¨ardena som fingrarna kunde ta visas i figur 4 som L¨age 1 (utstr¨ackt finger) och L¨age 2 (ihopvikt finger). Fingrarnas vridpunkter var i noderna O, B och C och d¨ar nod O och B hade en fast position (repre-senterar knogen). Kraften fr˚an motorn som p˚averkade nod A och positionen p˚a noden beskrevs av

FA= F cos ψ (3.10) * FA= FA(cos (ψ − π 2)x + sin (ψ −b π 2)y)b (3.11) *

OA = s(cos ψx + sin ψ_b y),_b (3.12) d¨ar vinklar och m˚att visas i figur 4.

D˚a nod A och C har en fast position mellan varandra (sitter p˚a samma fingersektion), roterar de runt sam-ma nod O, vilket resulterade i att

* MOA =

* MOC. Kraften och positionen hos nod C beskrevs som

* FC = FC(cos (ρ + ψ − π 2)bx + sin (ρ + ψ − π 2)by) (3.13) *

OC = r1(cos (ρ + ψ)x + sin (ρ + ψ)b y),b (3.14) d¨ar ρ var en konstant vinkel mellanOA och* OC. Den-* na kraft i nod C fick d˚a nod D att b¨orja rotera kring nod C p˚a grund av ytterligare kraft fr˚an nod B. Denna kraft var kraften fr˚an f¨astpunkten B skapad av rota-tionen i nod C enligt Newtons tredje lag (4 ), f¨orenklat tolkat som “varje kraft har en lika stor motsatt kraft”. Denna kraft beskrevs av

*

Kraften i nod D beskrevs d˚a av absolutbeloppet av summan fr˚an F*B och *

FC. Detta visas i ekvation (3.16) nedan tillsammans med dess vektor och vektorn f¨or den drivande h¨avst˚angen runt nod C i (3.17) respektive (3.18). FD = FC r ((cos (ρ + ψ −π 2) − cos θ) 2_{+ (sin (ρ + ψ −}π 2) − sin θ) 2_{) (3.16)} * FD = FD(cos (φ − π 2)x + sin (φ −b π 2)y) ⇒b (3.17) * CD = d2(cos φbx + sin φby) (3.18) 3.2.1 Kraftmoment

Genom att anv¨anda kraften och positionen f¨or nod A blev kraftmomentet runt O

* MOA= * OA ×F*A=        b x y_b z_b s cos ψ s sin ψ 0 FAcos (ψ −π₂) FAsin (ψ −π₂) 0        ⇒ (3.19)

⇒MOA* = −sF cos ψ sinπ

2bz = −sF cos ψbz. (3.20)

Kraftmomentet som detta gav f¨or fingrets undre sektion kunde ocks˚a skrivas i termer fr˚an nod C som visas i ekvation (3.22) nedan.

* MOC = * OC × * FC =        b x y_{b b}z r1cos (ρ + ψ) r1sin (ρ + ψ) 0 FCcos (ρ + ψ −π₂) FCsin (ρ + ψ − π₂) 0        ⇒ (3.21) ⇒MOC* = −r1FCsin (π 2)bz = −rFCbz. (3.22)

Som tidigare n¨amnts var kraftmomenten * MOA=

*

MOC. Vi kunde d˚a f˚a ut vad FC var genom att st¨alla upp ekvationen:

−sF cos ψ = −rF_C ⇒ F_C = sF cos ψ

r . (3.23)

Kraftmomentet runt nod C med avseende p˚a nod D r¨aknades fram till:

* MCD = * CD × * FD =      b x y_b z_b d2cos φ d2sin φ 0     ⇒ (3.24)

I och med att nod D hade en konstant position fr˚an nod E (satt p˚a samma fingersektion) ledde det ¨

aven till attM*CD = *

MCE. Det totala kraftmomentet *

MOE f¨or hela fingret blev d˚a summan av * MOC och

*

MCE, vilket visas nedan i ekvation (3.27) * MOE = * MOC + * MCE = −rFC − d2FDbz ⇒ (3.26) ⇒ −sF cos ψ  1 +d2 r r ((cos (ρ + ψ −π 2) − cos θ) 2_{+ (sin (ρ + ψ −} π 2) − sin θ) 2₎  b z. (3.27) 3.2.2 Kontraktionsl¨angd

Beroende p˚a vilket OA som valdes n¨* ar protesen designades kunde kontraktionsl¨angden ¨andras till ett ¨onskat maximum. Detta p˚averkade ¨aven vilket kraftmoment som skapades vilket kan ses i ek-vation (3.27) i form av s, ρ och ψ. Det som beh¨ovdes f¨or att r¨akna fram kontraktonsl¨angden f¨or H¨avst˚angsprotesen var vektorskillnaden i y-led mellan nod A:s positioner vid de 2 extreml¨_b agena. L¨angden ber¨aknades d˚a till

RA= s(sin ψ − sin (−ρ)) = s(sin ψ + sin ρ), (3.28) d¨ar s · sin ψ ¨ar avst˚andet iby-led fr˚an x-axeln i l¨b age 1 och s · sin (−ρ) ¨ar avst˚andet iy-led fr˚b anx-axelnb i l¨age 2.

4

Resultat

Mycket av resultaten p˚averkades av vilka typer av motorer som valdes, vilken typ av 3D-filament som anv¨andes och vilka m˚att som valdes till den egendesignade protesen. Open Bionics har ut¨over olika open source proteser ¨aven produkter p˚a deras hemsida som de rekommenderar att inf¨orskaffa f¨or att f˚a en komplett robotprotes. De flesta av produkterna g˚ar att ers¨atta, men motorerna (i detta fall linj¨ara st¨alldon) blev sv˚art att ers¨atta d˚a designen p˚a Ada Hand var specifikt designad efter de st¨alldonen. Teoretiskt gick det att inf¨orskaffa andra typer av motorer men d˚a beh¨ovdes protesen designas om f¨or att g¨ora plats ˚at motorerna och se till att de inte flyttades runt i handen. Av den anledningen anv¨andes motorer av Actuonix (5 ) i analysen, b˚ade f¨or Ada Hand och H¨avst˚angsprotesen. Dessa motorer hade 3 olika kraftl¨agen beroende p˚a vilket kugghjulsf¨orh˚allande man valde, ju l¨agre kraft desto snabbare kunde de r¨ora sig (motorerna kommer f¨orkonstruerade med ett av kugghjulsl¨agena). De 3 olika krafterna fr˚an motorerna togs med i ber¨akningarna som kan ses i tabellerna nedan.

4.1 Ada Hand

Resultatet f¨or Ada Hand-protesen delades upp i 2 olika tabeller, tabell 1 visar resultat f¨or l¨age 1 och tabell 2 visar resultat f¨or l¨age 2. V¨ardena p˚a vinklarna och avst˚anden f¨or de 2 olika fallen visas i respektive tabell. En annan sak som ocks˚a visas i tabellen ¨ar kraften i fingertopparna vid de 2 olika l¨agena. Denna kraft r¨aknades fram genom

|FT| = |M |*

|*R|

(4.1)

f¨or Ada Hand, d¨ar formeln f¨or kraftmomentet (2.1) har anpassats f¨or att f˚a ut en kraft ist¨allet f¨or kraftmoment.

Formeln f¨or H¨avst˚angsprotesen ¨ar likadan fast med v¨ardena fr˚an den protesen ist¨allet och FT blev d˚a |FT| = |MOE* | |OE|* . (4.2)

Tabell 1: V¨ardena p˚a m˚atten f¨or fingrarna samt vinklarna f¨or l¨age 1 visas i denna tabell. Kraftmomentet och fingertoppskraften f¨or varje finger visas ¨aven h¨ar med tre olika kraftv¨arden som kunde v¨aljas fr˚an motorerna beroende p˚a vilken kugghjulsv¨axel som valdes.

L¨age 1 Tummen Pekfinger L˚angfinger Ringfinger Lillfinger Totalt L¨angd p˚a sektion r = 5cm r = 4 cm r = 4,5cm r = 4cm r = 3cm θ = ψ = 90◦ φ = 51◦ φ = 52◦ φ = 52◦ φ = 52◦ φ = 54◦ FT d˚a F = 18 N ≈ 14,0 N ≈ 14,2 N ≈ 14,2 N ≈ 14,2 N ≈ 14,6 N FT ot = 71,2 N |M | d˚* a F = 18 N ≈ 139,5 Ncm ≈ 113,8 Ncm ≈ 128,0 Ncm ≈ 113,8 Ncm ≈ 87,5 Ncm MT ot = 582,6 Ncm FT d˚a F = 45 N ≈ 34,9 N ≈ 35,6 N ≈ 35,6 N ≈ 35,6 N ≈ 36,5 N FT ot = 178,2 N |M | d˚* a F = 45 N ≈ 348,8 Ncm ≈ 284,4 Ncm ≈ 320,0 Ncm ≈ 284,4 Ncm ≈ 218,7 Ncm MT ot = 1456,3 Ncm FT d˚a F = 50 N ≈ 38,8 N ≈ 39,5 N ≈ 39,5 N ≈ 39,5 N ≈ 40,5 N FT ot = 197,8 N |M | d˚* a F = 50 N ≈ 387,5 Ncm ≈ 316 Ncm ≈ 355,5 Ncm ≈ 316 Ncm ≈ 243 Ncm MT ot = 1618 Ncm Skillnaden mellan l¨age 1 och 2 var att tummen inte hade n˚agon data vid l¨age 2 d˚a vinklarna f¨or tummens sektioner inte var samma som f¨or fingrarna och det fanns inte tid till att r¨akna fram de.

Tabell 2: V¨ardena p˚a m˚atten f¨or fingrarna samt vinklarna f¨or l¨age 2 visas i denna tabell. Kraftmomentet och fingertoppskraften f¨or varje finger visas ¨aven h¨ar med tre olika kraftv¨arden som kunde v¨aljas fr˚an motorerna beroende p˚a vilken kugghjulsv¨axel som valdes med undantaget f¨or tummen.

L¨age 2 Tummen Pekfinger L˚angfinger Ringfinger Lillfinger Totalt

M˚att r = 5cm r = 4 cm r = 4,5cm r = 4cm r = 3cm θ = 0◦, ψ = -90◦ φ = - φ = 10◦ φ = 7,8◦ φ = 10◦ φ = 14◦ FT d˚a F = 18 N ≈ 14,7 N ≈ 14,3 N ≈ 14,7 N ≈ 15,6 N FT ot = 59,3 N |M | d˚* a F = 18 N ≈ 83,5 Ncm ≈ 91,5 Ncm ≈ 83,5 Ncm ≈ 65,3 Ncm MT ot = 323,8 Ncm FT d˚a F = 45 N ≈ 36,6 N ≈ 35,8 N ≈ 36,6 N ≈ 39,0 N FT ot = 148 N |M | d˚* a F = 45 N ≈ 208,8 Ncm ≈ 228,8 Ncm ≈ 208,8 Ncm ≈ 163,4 Ncm MT ot = 809,8 Ncm FT d˚a F = 50 N ≈ 40,7 N ≈ 39,7 N ≈ 40,7 N ≈ 40,3 N FT ot = 161,4 N |M | d˚* a F = 50 N ≈ 232 Ncm ≈ 254,3 Ncm ≈ 232 Ncm ≈ 181,5 Ncm MT ot = 899,8 Ncm

Kontraktionsl¨angden f¨or Ada Hand-protesen kunde r¨aknas fram genom ekvation (3.9). V¨ardena p˚a dx och dy uppm¨attes till 0,6 cm via 3D-filen, precis som v¨ardena p˚a r m¨attes. Det visade sig att alla fingrars “senor” drogs ihop ungef¨ar lika mycket men med den st¨orsta l¨angden p˚a Rs ≈ 2,37 cm f¨or l˚angfingret. Kontraktionsl¨angden f¨or de andra fingrarna l˚ag ocks˚a runt 2,37 cm bortsett fr˚an tummen d˚a den bara kunde g¨ora ungef¨ar halva r¨orelsen j¨amf¨ort med fingrarna.

4.2 H¨avst˚angsprotesen

Som kan ses i tabell (3) och 4 ¨ar kraftmomentet och d¨arefter den resulterande fingertoppskraften f¨or H¨avst˚angsprotesen betydligt mindre ¨an f¨or Ada Hand-protesen. Potentiella anledningar tas upp nedan i diskussionsdelen. N˚agot som de 2 proteserna har gemensamt d¨aremot ¨ar att deras kraftmoment p˚averkas av 3 olika vinklar och att fingersektionerna ungef¨ar ¨ar lika stora.

Tabell 3: V¨ardena och m˚atten f¨or fingrarna vid l¨age 1 visas i denna tabell. Fingertoppskraften och kraftmomentet f¨or de 3 olika varianterna p˚a motorerna visas ¨aven.

L¨age 1 Pekfinger L˚angfinger Ringfinger Lillfinger Totalt

M˚att r = 4 cm r = 4,5cm r = 4cm r = 3,5cm ψ = 68◦ ρ = 22◦ θ = 72,5◦ s = 1,62cm d2 = 1cm FT d˚a F = 18 N ≈ 1,75 N ≈ 1,6 N ≈ 1,75 N ≈ 2,1 N FT ot = 7,2 N |M*OE| d˚a F = 18 N ≈ 14 Ncm ≈ 14 Ncm ≈ 14 Ncm ≈ 14,6 Ncm MT ot = 56,6 Ncm FT d˚a F = 45 N ≈ 4,425 N ≈ 3,83 N ≈ 4,425 N ≈ 5,22 N FT ot = 17,9 N |M*OE| d˚a F = 45 N ≈ 35,4 Ncm ≈ 34,5 Ncm ≈ 35,4 Ncm ≈ 36,5 Ncm MT ot = 141,8 Ncm FT d˚a F = 50 N ≈ 4,9 N ≈ 4,3 N ≈ 4,9 N ≈ 5,8 N FT ot = 19,9 N |M*OE| d˚a F = 50 N ≈ 39,3 Ncm ≈ 38,3 Ncm ≈ 39,3 Ncm ≈ 40,6 Ncm MT ot = 157,5 Ncm

Tabell 4: V¨ardena och m˚atten f¨or fingrarna vid l¨age 2 visas i denna tabell. Fingertoppskraften och kraftmomentet f¨or de 3 olika varianterna p˚a motorerna visas ¨aven.

L¨age 2 Pekfinger L˚angfinger Ringfinger Lillfinger Totalt

M˚att r = 4 cm r = 4,5cm r = 4cm r = 3,5cm ψ = -22◦ ρ = 22◦ θ = 17,5◦ s = 1,62cm d2 = 1cm FT d˚a F = 18 N ≈ 5 N ≈ 4,1 N ≈ 5 N ≈ 5,7 N FT ot = 19,8 N |M*OE| d˚a F = 18 N ≈ 40,0 Ncm ≈ 36,8 Ncm ≈ 40,0 Ncm ≈ 39,6 Ncm MT ot = 156,4 Ncm FT d˚a F = 45 N ≈ 11,9 N ≈ 10,2 N ≈ 11,9 N ≈ 14,1 N FT ot = 48,1 N |MOE* | d˚a F = 45 N ≈ 95,0 Ncm ≈ 92,0 Ncm ≈ 95,0 Ncm ≈ 98,9 Ncm MT ot = 380,9 Ncm FT d˚a F = 50 N ≈ 13,2 N ≈ 11,3 N ≈ 13,2 N ≈ 15,7 N FT ot = 53,4 N *

5

Diskussion

Resultatet f¨or Ada Hand-protesen s˚ag ganska lovande ut. Med en fingerstyrka p˚a upp emot 40 N b˚ade vid ¨oppen och st¨angd hand, l˚ag den p˚a samma niv˚a som BeBionic3 (≈ 32-44 N (6 )). Detta motsvarar att statiskt h˚alla ≈ 4 kg i ett finger. V¨art att notera dock ¨ar att resultatet f¨or l¨age 2 inte st¨ammer. Anv¨ands v¨ardena som visas i tabell (2) med ekvation (3.6) f˚as ett kraftmoment i positiv b

z-riktning. Detta skulle inneb¨ara att handen skulle ¨oppna sig, inte st¨angas. Detta uppt¨acktes v¨aldigt sent i projektet och teoridelen hade redan skrivits, vilket ¨ar d¨arf¨or det inte n¨amns. L¨osningen f¨or problemet i l¨age 2 ¨ar precis det som gjordes f¨or H¨avst˚angsprotesen, en addition av kraftmomenten runt varje sektion. Detta ledde till att ekvationen f¨or kraftmomentet, specifikt i l¨age 2, blev

* M =  * r1×F1*  +  * r2×F2*  ⇒ (5.1) ⇒        b x yb zb (r − dx) cos (−φ) (r − dx) sin (−φ) 0 −F cos 0 −F sin 0 0        +        b x yb zb r cos (−π₂) r sin (−π₂) 0 −F sin φ −F cos φ 0        ⇒ (5.2)

⇒ −F (r − dx) sin φ − rF sin φ z = −F (2r − dx) sin φb z.b (5.3) Som kan ses i ekvation (5.3) f¨orblirz-riktningen negativ i l¨_b age 2 men betydligt l¨agre ¨an vad som hade r¨aknats fram tidigare. Om vi stoppar in v¨ardena f¨or pekfingret (r = 4 cm och φ = 10◦ F = 50 N), blir kraftmomentet

*

M ≈ 64 Ncm, med en fingertoppskraft FT p˚a ≈ 11,2 N. Detta ¨ar lite mer en fj¨ardedel av vad som tidigare ber¨aknats men st¨ammer mer ¨overens med resultatet f¨or H¨avst˚angsprotesen. S˚a ist¨allet f¨or 4 kg per finger blir det n¨armare 1,1 kg per finger i statisk kraft vid ihopvikt hand.

Ett annat problem som l˚ag hos Ada Hand-protesen var kontraktionsl¨angden f¨or “senorna”. Tillskill-nad fr˚an H¨avst˚angsprotesen s˚a kunde man inte ¨andra p˚a n˚agot i handen f¨or att minska kontrak-tionsl¨angden. Vilket ledde till att motorerna som anv¨ands inte kunde ge fingrarna en fullst¨andig r¨orelse d˚a motorernas slagl¨angd var p˚a 2cm. Detta g¨aller ¨aven f¨or H¨avst˚angsprotesen, men genom att ¨

andra v¨ardena p˚a s, ψ och ρ gick det att minska kontraktionsl¨angden s˚a att fingrarna kunde g¨ora en full r¨orelse.

Detta skulle dock g¨ora s˚a att kraftmomentet minskas ¨annu mer f¨or H¨avst˚angsprotesen som redan med de v¨ardena som ansatts gav ett v¨aldigt d˚aligt resultat. Varf¨or blev det s˚a l˚aga resultat f¨or H¨avst˚angsprotesen? Det blir ganska sj¨alvklart om man tittar p˚a h¨avst˚angsprincipen (7 ). D˚a den drivande axeln (i det h¨ar fallet OA) var 1,63 cm f¨* or alla fingrar, vilket var ungef¨ar 40% (1,62₄ ≈ 0,4) av l¨angden p˚a den p˚averkade axeln (

*

OC), skapade det en f¨orminskning av drivkraften. Vad BeBionic3 gjorde f¨or att ¨oka kraften var att anv¨anda magneter p˚a ett specifikt s¨att som p˚averkar drivkraften. D˚a den tekniken ¨ar patenterad g˚ar det inte att ta reda p˚a hur det funkar. S˚a att anv¨anda en “h¨avst˚angsprincip” f¨or r¨orelsen hos fingrarna utan att tappa kraft g˚ar att g¨ora men det blir nog mer avancerat ¨an vad de flesta kan g¨ora med hj¨alp av en 3D-skrivare.

Det som inte n¨amnts ¨ar hur robotproteserna ¨oppnar handen. Ada Hand l¨oser det tack vare sin design och elasticiteten hos 3D-filamentet som m˚aste anv¨andas. H¨avst˚angsprotesen och BeBionic3 l¨oser det med en vridfj¨ader i den ¨ovre leden i fingret. Detta kan bli ett problem om motorerna inte orkar att st¨anga handen p˚a grund av att vridfj¨adern ¨ar f¨or styv eller elasticiteten f¨or l˚ag.

Det st¨orsta problemet med robothandproteser ¨ar att hitta motorer som ¨ar tillr¨ackligt sm˚a men sam-tidigt kraftfulla. Motorerna som har anv¨ants i analysen ¨ar de kraftfullaste jag lyckades hitta men de ¨

ar ocks˚a mycket dyrare ¨an andra i den storleken.

Kostnaden f¨or produktionen f¨or b˚ada 3D-proteserna l˚ag runt 5 200 kr, men om en 3D-skrivare beh¨ovs inf¨orskaffas g˚ar det p˚a runt 7 800 kr. Open Bionics s¨aljer f¨ardigmonterade robotproteser f¨or runt 14 000 kr (£1 199) (8 ), vilket n¨astan ¨ar dubbla priset f¨or om man skulle g¨ora det sj¨alv och ¨aven k¨opa en 3D-skrivare. BeBionic3, som ¨ar en av marknadens mest avancerade robotprotes, g˚ar p˚a ungef¨ar 250 000 - 350 000kr ($25 000 - $35 000) som senast k¨anda pris (9 ).

N˚agot som inte har tagits med i analysen ¨ar hur EMG-sensorerna funkar och hur anv¨andbara de ¨

ar. F¨or att roboth¨anderna ska fungera som proteser m˚aste EMG-sensorer anv¨andas, annars g˚ar det inte att styra proteserna. Sensorerna placeras p˚a muskler p˚a underarmen (eller ¨overarmen om man saknar underarm) och l¨aser sedan av sm˚a elektriska impulser som f¨ardas genom musklerna n¨ar de aktiveras. Det vill s¨aga n¨ar man sp¨anner muskeln, uppt¨acker sensorerna den svaga elektriska impulsen och ¨overs¨atter den till en signal som styrkortet kan f¨orst˚a. Styrkortet skickar sedan instruktioner till motorerna som d˚a st¨anger handen i den r¨orelse styrkortet vill. Mer analyser och tester p˚a EMG-sensorer kr¨avs och ¨ar en detalj som g¨or att man kan bygga ut detta projekt lite till.

D˚a Ada Hand-protesen anv¨ander sig av en tunn fiskelina eller st˚altr˚ad som “senor” kan det uppst˚a slitage p˚a fingrarna vid ¨overanv¨andning d˚a dessa “senor” ligger och skaver p˚a lederna hos fingrarna. L¨osningen p˚a det problemet blir att skriva ut en ny hand och montera om allt i den ist¨allet. Detta l˚ater som en d˚alig aspekt om handen men s˚a ¨ar inte fallet. 3D-filamentet som anv¨ands f¨or att skriva ut handen kostar mellan 300-500 kr/rulle och en rullen som k¨optes f¨or att skapa handen har tillr¨ackligt med material f¨or att skapa reserver. Samma g¨aller f¨or H¨avst˚angsprotesen, g˚ar n˚agot s¨onder ¨ar det l¨att och billigt att skriva ut en reservdel att ers¨atta med. Designen f¨or H¨avst˚angsprotesen har som f¨ordel att den inte l¨agger lika mycket press p˚a 3D-filamentet som Ada Hand-protesen. H¨avst˚angsprotesen kan dessutom anv¨anda ett 3D-filament som ¨ar mer stabilt och t˚aligt, vilket g¨or att den kan h˚alla ¨annu l¨angre. Har man k¨opt en protes, BeBionic3 till exempel, och den g˚ar s¨onder, kan det bli sv˚art att laga den sj¨alv. Troligtvis f˚ar man skicka tillbaka den till Ottobock och l˚ata de laga den mot m¨ojligtvis en liten summa om skadan ¨ar f¨or stor.

6

Slutsats

¨

Ar det d˚a l¨onsamt att 3D-skriva en robotprotes ist¨allet f¨or att k¨opa en? Absolut! B˚ade Ada Hand och H¨avst˚angsprotesen bevisar med sin b¨arstyrka p˚a ≈ 5 kg och sin l˚aga konstruktionskostnad, som ¨

ar en br˚akdel av avancerade kommersiella robotproteser, att en 3D-utskriven robothandprotes ¨ar mer l¨onsam ¨an liknande produkter som finns p˚a marknaden. Funktionsm¨assigt ¨ar de inte lika bra som de mer avancerade proteserna men tillr¨ackligt bra f¨or att kunna anv¨anda de som hj¨alpmedel vid alldagliga sysslor. Estetiskt ¨ar de inte annorlunda ¨an andra proteserna och de har ungef¨ar samma r¨orelser som en vanlig hand, det vill s¨aga de ser ut som och r¨or sig som en hand. Jag skulle n¨astan s¨aga att de ¨

ar mer h˚allbara ¨an en kommersiell protes d˚a de ¨ar l¨atta att laga om n˚agot g˚ar s¨onder. Dock g˚ar de kanske s¨onder l¨attare ¨an kommersiella proteser vilket inte ¨ar s˚a h˚allbart ur en naturv¨anlig synpunkt, d˚a man anv¨ander mer material f¨or att underh˚alla handen. Men tar man med allt i ber¨akningarna s˚a pekar det mot att en 3D-utskriven robotprotes ¨ar mer l¨onsam ¨an en kommersiell protes.

Referenser

(1 ) Open Bionics. Ada Hand Prosthesis. url: https://openbionicslabs.com/obtutorials/ada-v10-printing-instructions. (H¨amtad: 2020-06-02).

(2 ) Ottobock. BeBionic3 Prosthesis. url: https://www.ottobock.com.au/prosthetics/upper-limb/solution-overview/. (H¨amtad: 2020-06-02).

(3 ) Nordling Carl ¨Osterman Jonny. Physics Handbook for Science and Engineering. 8:7. Lund: Stu-dentlitteratur AB, 2006, s. 157. isbn: 978-91-44-04453-8.

(4 ) Jimi Brander. Newtons tredje lag. 2017. url: https : / / www . naturvetenskap . org / fysik / gymnasiefysik/kraft/newtons-3e-lag/. (H¨amtad: 2020-06-03).

(5 ) Actuonix motion devices. PQ12-P Linear actuator with feedback. url: https://www.actuonix. com/Actuonix-PQ-12-P-Linear-Actuator-p/pq12-p.htm. (H¨amtad: 2020-06-03).

(6 ) Ottobock. bebionic hand The versatile prosthetic hand. Tekn. rapport, s. 19. url: https : / / media.ottobock.com/_web- site/prosthetics/upper- limb/bebionic- hand/files- 2019/ bebionic_prothesenhand_information_f%C3%BCr_anwender_en.pdf. (H¨amtad: 2020-06-03). (7 ) Teknikf¨orskolan Halmstad. Enkla maskiner, KomTek Halmstad. 2017. url: https://skolbanken.

unikum.net/skolbanken/planering/3166167428. (H¨amtad: 2020-06-03).

(8 ) Open Bionics. 2018. url: https://openbionicslabs.com/shop. (H¨amtad: 2020-06-03). (9 ) Mat Smith. New beBionic hand almost doubles its grip-strength, steered by user’s electrical ’skin

signals’. (2012-09-07). url: https://www.engadget.com/2012-09-07-bebionic-3-bionic-hand.html. (H¨amtad: 2020-06-03).