Diseño y desarrollo de un dedo pulgar y su accionamiento mecánico para una mano biónica, mediante tecnologías de impresión 3D

Abstract

Este Trabajo Fin de Máster (de ahora en adelante TFM) es una primera aproximación hacia un producto protésico ante amputaciones del brazo que busca ser completamente funcional y de un precio asequible. Como muchos proyectos innovadores se trata de un trabajo iterativo, en el que cada nueva iteración arroja un nuevo producto viable susceptible de ser útil, pero que aún no ha alcanzado su máximo grado de desarrollo. En un primer lugar se ha realizado un estudio profundo de los diferentes productos que actualmente se asemejan en mayor o menor medida a nuestro objetivo final. A través del Estado del arte nos acercamos a diferentes proyectos innovadores desarrollados desde varias entidades investigadoras. El primer proyecto en el que nos centramos fue: Manus Hand, una mano que busca alcanzar el máximo número de modos de prensión con un número mínimo de actuadores. Luego se han estudiado proyectos con objetivos similares, como Smarthand, o DARPA Hand que además busca añadir los movimientos de abducción y adducción a cada dedo de la mano. No obstante, para este trabajo hemos seguido en mayor o menor medida, por tratarse del proyecto más afín a nuestros objetivos, es decir máxima funcionalidad a mínimo coste, con el trabajo 6 DOF Open Source Hand que cómo indica su propio nombre, se trata de un proyecto de código abierto, que además se basa en la sencillez y las altas capacidades del producto. Después de analizar el Estado del arte, parece indispensable, de acuerdo con lo estudiado en los diferentes proyectos anteriores, que se debe tener un conocimiento profundo, en mayor o menor medida, sobre la antropometría del propio dedo pulgar, para así conseguir un producto que se asimile lo máximo posible a las características humanas del mismo. Para ello en el Capítulo 2. Antropometría del dedo pulgar, el foco se pone sobre este aspecto y se estudian dos parámetros vitales para el diseño de un dedo. Por un lado, los ángulos máximos de los movimientos del dedo y por otro los tamaños del mismo. Ambos parámetros van a permitir adaptar el diseño a las formas antropométricas teniendo en cuentas las características mecánicas del propio dedo y su interacción con el resto de la mano. En el siguiente capítulo se trabaja la idea conceptual del dedo. Se habla de aspectos como el tipo de diseño, su estructura, su forma a grandes rasgos y también otros parámetros como los grados de libertad, la velocidad de movimiento y las fuerzas que deberá soportar. Una vez establecido este diseño conceptual y teniendo claros aspectos como la estructura, es vital hacer un estudio de mercado de diferentes productos que no se fabricarán pero que, si condicionarán por sus tamaños o formas el diseño del dedo. Estos productos que se adquieren a través de fabricantes específicos, serán los motores y las reductoras. Unido a este aspecto va el Capítulo 5. Diseño mecánico del dedo pulgar, que se alza sin duda como uno de los puntos vitales de este trabajo. A través de este capítulo se analizan las características tanto cinemáticas como dinámicas que nos permiten alcanzar cada uno de los modelos propuestos previamente. Este estudio exhaustivo arrojará un tipo de motor y reductora óptimo para cada uno de los movimientos que deseamos realizar. III Una vez solventados los aspectos mecánicos del diseño, el foco se sitúa sobre la fabricación de las piezas. Como indica el título de este TFM la fabricación aditiva, comúnmente llamada impresión 3D, será el vehículo perfecto para diseñar nuestros productos. Por ello a través del Capítulo 6. Tecnologías de impresión 3D y su aplicación en la biomedicina,se tratan los aspectos más íntimamente relacionados con las propias tecnologías que se usarán para desarrollar las diferentes piezas. Por un lado hablaremos de tecnología FDM y por otro, de SLA, ofreciendo comparativas, parámetros de impresión y el papel que desempeñan en la fabricación de los diferentes elementos que componen el dedo. Ya una vez en el Capítulo 7. Diseño y fabricación de los componentes, se encara la recta final del TFM con el diseño de los propios elementos y su impresión. Un diseño realizado a través de modelos CAD e impresos con las diferentes tecnologías de fabricación aditiva. Finalmente, en el Capítulo 8. Diseño final, se cierra por completo el diseño del primer dedo pulgar de este proyecto ofreciendo la versión final que se ha alcanzado. Los dos últimos capítulos irán destinados a ofrecer una visión de futuro sobre el desarrollo de este proyecto, dando a conocer aquellos aspectos que hoy por hoy deberían mejorarse y otras características que deberían implementarse con el tiempo

This Master's thesis (from now on TFM) is a first approach towards a prosthetic product for arm amputations that aims to be fully functional and affordable. Like many innovative projects it is an iterative work, where each new iteration yields a new viable product that can be useful, but has not yet reached its maximum level of development. First of all, an in-depth study has been carried out of the different products that currently resemble our final objective to a greater or lesser extent. Through the State of the Art we approach different innovative projects developed by several research entities. The first project we focused on was: Manus Hand, a hand that seeks to achieve the maximum number of grip modes with a minimum number of actuators. Then we studied projects with similar objectives, such as Smarthand, or DARPA Hand that also seeks to add the abduction and adduction movements to each finger. However, for this work we have followed, as it is the project most in line with our objectives, i.e. maximum functionality at minimum cost, the work 6 DOF Open Source Hand that as its name indicates, is an open source project, which is also based on the simplicity and high capabilities of the product. After analysing the state of the art, it seems indispensable, in accordance with what has been studied in the different previous projects, to have a deep knowledge, to a greater or lesser extent, of the anthropometry of one's thumb, in order to achieve a product that is as assimilated as possible to its human characteristics. To this end, in Chapter 2. Anthropometry of the thumb, the focus is placed on this aspect and two vital parameters for the design of a finger are studied. On the one hand, the maximum angles of the movements of the finger and on the other hand the sizes of the finger. Both parameters will allow to adapt the design to the anthropometric forms taking into IV account the mechanical characteristics of the finger itself and its interaction with the rest of the hand. In the following chapter the conceptual idea of the finger is worked on. We talk about aspects such as the type of design, its structure, its shape in general and also other parameters such as the degrees of freedom, the speed of movement and the forces that it must support. Once this conceptual design has been established and having clear aspects such as the structure, it is vital to carry out a market study of different products that will not be manufactured but that will condition the design of the finger due to their size or shape. These products, which are acquired through specific manufacturers, will be the motors and gearboxes. Linked to this aspect is Chapter 5. Mechanical design of the thumb, which undoubtedly stands as one of the vital points of this work. This chapter analyzes the kinematic and dynamic characteristics that allow us to achieve each of the models previously proposed. This exhaustive study will yield an optimal type of motor and gearbox for each of the movements we wish to perform. Once the mechanical aspects of the design have been solved, the focus is on the manufacture of the parts. As the title of this TFM indicates, additive manufacturing, commonly called 3D printing, will be the perfect vehicle for designing our products. Therefore, Chapter 6, 3D printing technologies and their application in biomedicine, deals with the aspects most closely related to the technologies that will be used to develop the different parts. On the one hand, we will talk about FDM technology and on the other hand, about SLA, offering comparisons, printing parameters and the role they play in the manufacture of the different elements that make up the finger. Once in Chapter 7. Design and manufacture of the components, the final stage of the TFM is faced with the design of the elements themselves and their printing. A design made through CAD models and printed with the different additive manufacturing technologies. Finally, in Chapter 8. Final design, the design of the first thumb of this project is completely closed offering the final version that has been reached. The last two chapters will offer a vision of the future development of this project, presenting those aspects that today should be improved and other characteristics that should be implemented over time.