Desenvolvimento de uma prótese biônica de mão de baixo custo utilizando manufatura aditiva e laminação em fibra de carbono

Abstract

Resumo: Nos últimos anos, tem ocorrido um grande avanço nas pesquisas voltadas à tecnologia assistiva e ao desenvolvimento de produtos para a reabilitação humana via manufatura aditiva. As próteses biônicas são exemplos dessa evolução. Elas abrangem desde conceitos e protótipos de plataformas open source com operações simples e mecânicas, até produtos com componentes eletrônicos cada vez mais sofisticados e comercializados por valores extremamente elevados. No entanto, a falta de interação entre o usuário e o projetista, somado a elevados custos de aquisição, faz com que essas próteses de mão sejam inacessíveis para a maioria dos usuários que necessitam destes dispositivos. Fatores como a falta de antropomorfismo, aliados às próprias limitações mecânicas e robóticas, como preensão, cinemática e o alto custo são fontes de desmotivação para o usuário, resultando em uma estimativa de que 70% dos usuários deixem de utilizar as próteses de alta tecnologia. O estudo aqui apresentado teve como objetivo desenvolver uma prótese de mão de baixo custo, definido neste como sendo limitado ao valor de até mil dólares. Para tanto, foi proposta uma metodologia capaz de aliar o antropomorfismo às funcionalidades mecânica e robótica, bem como à ergonomia, sendo estes os principais fatores de avaliação e desenvolvimento do produto. A fabricação dos modelos faz uso da manufatura aditiva, empregando o polímero acrilonitrila butadieno estireno, e a laminação em fibra de carbono, elemento este que contempla algumas das próteses mais onerosas do mercado mundial. O acionamento da mão biônica é realizado via captação de sinal mioelétrico. Após receber o sinal mioelétrico, o microcontrolador envia um comando para o conjunto de motorredutores, sendo todo esse processo baseado na elaboração de um código computacional. O projeto foi desenvolvido por etapas, iniciando pelo desenvolvimento mecânico do dedo protético com semelhanças antropomórficas e funcionais, quando comparado ao dedo humano, e culminando com o modelo completo da prótese de mão. Este modelo apresentou resultados preliminares promissores, inclusive quando submetido a testes com outras próteses. Nesse protótipo, foram inseridos componentes eletrônicos para controle, dentre os quais se destacam o potenciômetro, o microcontrolador e o servomotor. O acionamento foi realizado por meio de um sensor mioelétrico. Após a manufatura da palma da mão, foram inseridos os dedos com micro rolamentos, molas de torção e motorredutores para o acionamento das funções de preensão da mão. Ao final, o trabalho apresenta uma metodologia que possibilita projetar uma prótese biônica (mioelétrica) de mão, fabricada por meio de impressão 3D e fibra de carbono, com 14 graus de liberdade e seis movimentos programados de acionamento dos dedos, propiciando maiores acurácia e precisão na usabilidade ao usuário, quando comparado com os modelos analisados por meio de plataformas open source.

Abstract: In recent years, great advances have been made in research focused on assistive technology and the development of products for human rehabilitation via additive manufacturing. Bionic prostheses are examples of said evolution. They range from concepts and prototypes of open-source platforms with simple and mechanical operations, to products with increasingly sophisticated electronic components sold for extremely high values. However, the lack of interaction between user and designer, added to high acquisition costs, causes these hand prostheses to be inaccessible to the majority of users who need of these devices. Factors such as the lack of anthropomorphism, allied to the mechanical and robotic limitations, such as gripping and kinematics, are sources of demotivation for the user, resulting in an estimate 70% of users stopping using high-tech prostheses. The study presented here aimed to develop a prosthetic hand of low cost, defined herein as being limited to a value of up to one thousand dollars. Therefore, a methodology was proposed capable of allying anthropomorphism to the mechanical and robotic functionalities, as well as ergonomics, these being the key factors in product evaluation and development. The manufacture of models makes use of additive manufacturing, making use of the polymer acrylonitrile styrene butadiene, and carbon fiber lamination, an element that includes some of the most onerous prostheses in the world market. The Bionic hand activation is performed via myoelectric signal capture. After receiving the myoelectric signal, the microcontroller sends a command to the set of geared motors, this whole process being based on the elaboration of a computer code. The project was developed in stages, starting by the mechanical development of the prosthetic finger with anthropomorphic and functional similarities, when compared with the human finger, and culminating with the complete model of the hand prosthesis. This model presented promising preliminary results, including when subjected to tests with other prostheses. In this prototype, electronic components were inserted for control, among which the potentiometer, the microcontroller and the servo-motor may be highlighted. The activation was performed by a myoelectric sensor. After the manufacture of the palm of the hand, fingers with micro bearings, torsion springs and gearmotors were inserted for activating the functions hand grip. At the end, the paper presents a methodology that makes it possible to design a bionic (myoelectric) hand prosthesis, manufactured by means of 3D printing and carbon fiber, with 16 degrees of freedom and six programmed movements of finger activation, providing greater accuracy and precision in usability to the user, when compared with the models analyzed through open source platforms.