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Fabrikarium 2016

Montage de la main

Plans de la main Bionico, composants et documentation existante

Le projet est présenté et documenté sur http://myhumankit.org et http://bionico.org.

Celui-ci s’appuie sur le projet japonais exiii HACKberry.

Les plans pour la réalisation des pièces par impression 3D sont disponibles au format STL sur la plate-forme GitHub sur le dépôt HACKberry.

Pour le hackathon du Fabrikarium, les pièces imprimées ont été commandées chez Würth Industries, qui les a fabriquées sur une machine Dimension de Stratasys, machine de qualité industrielle.

Au niveau des finitions, le résultat sur ce type de machine est bien plus fin que sur une imprimante de bureau 3D qui pourra présenter des bavures à certains endroits.

Pour ce qui est des pièces et composants du commerce, il a fallu trouver la correspondance européenne par rapport à celles référencées dans le projet au Japon. En conséquence, les caractéristiques ne seront pas entièrement identiques.

Plusieurs manuels d’assemblage sont à disposition:

  • le tutoriel de My Human Kit réalisé par Nicolas Huchet lors d’une résidence à Berlin (en français et en anglais) : http://myhumankit.org/tutoriels/main-hackberry-exiii/
  • la documentation en anglais et japonais d’exiii, l’équipe japonaise qui développe le projet HACKberry original.
    Sur la partie mécanique elle est principalement constituée de vues 3d pour chaque étape du montage, avec des références précises de chaque pièce à utilisée.
    La documentation qui nous intéresse lors du Fabrikarium est séparée en 3 pages :
  • réalisation du circuit et téléversement du code,
  • assemblage des doigts,
  • assemblage de la main.


Sur le dépôt GitHub du projet, on trouveras également :

  • la liste des pièces (BOM = bills of material),
  • les sources du programme arduino,
  • les schémas des circuits imprimés,
  • les fichiers des pièces à imprimer (.stl),
  • les fichiers d’assemblage aux formats “step” et “igs"

Ces derniers fichiers sont particulièrement intéressants pour le montage car ils permettent de visualiser l’assemblage complet de toutes les pièces, qu’il s’agisse de pièces imprimées, de pièces mécaniques conventionnelles (vis, entretoise, …) ou d’électronique. Le format “Step” est un standard ouvert qui peut être lu par le logiciel de CAO libre FreeCAD.

La documentation ici présente fournira un mode d’emploi qui viendra compléter les informations qui pourraient manquer dans ces guides.

Elle s’attardera également sur les différences et difficultés particulières rencontrées lors du montage des deux mains au Fabrikarium. Ces différences ont deux causes principales :

  • elles peuvent être dûes à des composants non disponibles en Europe, et pour lesquels l’adaptation avec des produits disponibles plus localement est un objectif du workshop,
  • elles peuvent être dues à des erreurs de commandes, auquel cas les solutions trouvées lors du workshop seront tout de même détaillées.

Les nouveautés ou nouvelles fonctionnalités mises en place lors du Fabrikarium seront l’objet des chapitres suivants.

Deux mains (rouge et jaune) sont montées en parallèle par chacune des équipes avec quelques différences dans les solutions trouvées.



Assemblage de la main

Identification des pièces

Une première étape pour organiser le travail d’assemblage est d’identifier et rassembler les pièces dont nous aurons besoin pour la réalisation.

Par méthode, les pièces seront regroupées pour chaque doigt :

medias/02_montage_mecanique/01_plan_disposition_pieces/20161019_046.jpg

Attention à séparer le doigt de l’index, qui a une rainure supplémentaire au milieu :

medias/02_montage_mecanique/01_plan_disposition_pieces/20161019_109.jpg

L’ensemble des photos pour l’organisation des pièces est disponible sous medias/02_montage_mecanique/01_plan_disposition_pieces.

Montage des doigts et de la main

Le montage des doigts et de la main est décrit dans le tutoriel My Human Kit:

  • http://myhumankit.org/tutoriels/main-hackberry-exiii/#step-7
  • http://myhumankit.org/tutoriels/main-hackberry-exiii/#step-8
  • http://myhumankit.org/tutoriels/main-hackberry-exiii/#step-9
  • http://myhumankit.org/tutoriels/main-hackberry-exiii/#step-10

Au cours du Fabrikarium, une série de photos sur le montage ont été prises : “file:medias/02_montage_mecanique/02_montage_main”.

A noter que dans le modèle commandé pour l’atelier, les doigts ont été regroupés par couleurs selon les parties de la main. L’esthétique s’en retrouve différente et a pour effet de faciliter le repérage des pièces.

Au travers de ces photos, les particularité suivantes sont mises en évidence :

  • Forer les pièces pour les agrandir : certains trous doivent être agrandis pour être à dimension des axes
  • Assemblage des axes dans les entretoises, visser avec précaution: les pièces sont en plastique, il ne faut pas serrer trop fort pur ne pas déformer les pièces et l’entretoise (le passage des vis et axes), mais suffisamment pour que l’assemblage tienne
  • Montage de l’index
  • Montage des 4 doigts pour la paume
  • Montage du pouce : celui-ci est légèrement différent par rapport au tutoriel, il y a deux pièces circulaires à “sertir” entre elles, là où le tutoriel désignait 2 pièces également, mais conçues autrement (l’une avec un double anneau, l’autre avec un anneau simple)
  • Montage de la main en réservant la place pour l’accueil des moteurs

Adaptations aux pièces européennes

Les vis

Le premier problème rencontré par les deux équipes est la casse d’entretoises en plastiques et de pas de vis. Il s’agit sans doute d’un problème de commande : les vis utilisées ont un diamètre de 2.2mm au lieu de 2mm. De plus, il est précisé dans la documentation en anglais qu’il s’agit de vis autoforeuse (“tapping screw”) ce qui n’était pas le cas des vis utilisées lors de ce montage.


medias/laurent/PA193393.JPG

Compte tenu de la précision de l’impression 3d, il est de toute façon nécessaire d’agrandir les perçages de vis. Cet agrandissement se fera donc avec un forêt de 2,2mm, voire 2,4mm, au lieu du foret de 2mm préconisé dans les tutoriels.

Les entretoises

Les 6 entretoises métalliques (“Metal Collar” dans la BOM) utilisées pour les glissement des axes au niveaux des phalanges et des bielles n’ont pas le même diamètres que celles du projet original.

Cela concerne les pièces :

  • HbFingerMainCouplerLink
  • HbMiddle-RingCouplerLink
  • HbRing-LittleCouplerLink

Il faut donc agrandir les trous qui doivent les recevoir.

  • On commence par percer à 3,8mm à la perceuse à colonne

  • Le trou est ensuite agrandi puis chanfreiné du côté où on introduit l’entretoise

  • L’entretoise est ensuite insérée “à la presse”, avec l’aide de l’étau de la perceuse à colonne.



À terme, il faudrait donc agrandir les trous dans les modèles géométriques pour que les pièces imprimées soient directement adaptées à ces entretoires.

En raison du diamètre des vis (2,2mm au lieu de 2mm), il est également nécessaire d’agrandir, à la perceuse à colonne, le diamètre intérieur des bagues à 2,2mm.

Les axes de rotations des doigts

Les axes qui permettent l’articulation entre la paume et les doigts font 16mm au lieu de 15mm comme précisés dans la BOM. Il s’agit de la référence Shaft “d2L15” dans la BOM et “HbFingerPosture01” dans les fichiers 3d.

Il est donc nécessaire de les limer. À voir si des axes de 15mm sont disponibles dans le commerce, ou si des axes de 14mm qui seraient disponibles pourraient suffire pour les remplacer.

Problème du gros servomoteur (index)

Les dimensions ont l’air correctes mais il y a juste une petite excroissance qu’il suffit de limer

 


Un autre problème est plus critique : les servomoteurs commandés (modèle SM-S4303R) sont continus, et tournent à 360° sans butée mécanique. Il n’est donc pas possible de connaître leur position absolue et ils sont inutilisables pour la main bionique. Ils sont remplacés par un modèle Hitec FS-5106B.

Gros problèmes des petits servomoteurs (pouce et auriculaire)

Les petits servomoteurs disponibles pour le Fabrikarium (modèle TGY-90S) ne sont pas aux bonnes côtes : 3 mm de plus dans l’épaisseur (dans l’axe de l’arbre du servo). Il a donc fallu adapter leur fixation à la paume et leur liaison au niveau de l’arbre de sortie.

Finalement, nous avons pu récupérer un autre servomoteur (modèle SM-S2309S), dont les dimensions sont plus proches de celles attendues et qui s’adapte correctement pour l’auriculaire. Il a donc été utilisé sur une des deux mains.



(aparté lexicale : on appelle “bras” ou “croix” la petite bielle fixée directement sur la sortie du servomoteur)

Du côté du pouce

Il y a de la place pour décaler la fixation de la sortie du servo du côté du pouce. Pour éviter de changer l’axe de rotation du pouce, nous avons un petit peu usiné à la Dremel la partie de la paume à laquelle est fixée de bras du servomoteur.


medias/laurent/PA193418.JPG

Il a également fallu arrondir certains angles des languettes de fixation du servomoteur


medias/laurent/PA193420.JPG

Une cale formée par deux petits morceaux d’une croix en plastique de servo superposée à été intercalée. D’abord maintenu en place à l’adhésif double face, elle est finalement fixée avec de la colle cyanoacrylate (super glue).


medias/laurent/PA193421.JPG


medias/laurent/PA193422.JPG

De part sa position, le servo du pouce bloque d’accès au port usb de l’arduino et gêne légèrement celui du jack.

Du côté de l’auriculaire

Il parait compliqué de reculer le servo pour conserver l’axe de la grande bielle. Nous avons donc choisi de l’avancer, pour faire passer la bielle de l’autre côté de la croix du servo moteur. Les deux surfaces sur lesquelles est fixée le servo ont donc été déplacées de 6mm et le fond de 3mm (sauf que la différence a été oubliée lors de la modification de la pièce, il a donc fallu réusiner le fond de 3mm).

La pièce HBMotorHolder01 a donc été modifiée avec Blender et réimprimée en blanc.







L’illustration suivante permet de bien voir la différence pour la fixation de la bielle de l’auriculaire : à gauche le montage d’origine avec le bras à l’intérieur, du côté du servo ; à droite le montage avec le servo plus large, le bras est fixé à l’extérieur.



La nouvelle pièce ne s’insère pas entièrement dans l’ouverture de la carte électronique, ce qui n’empêche heureusement pas de fermer le capot supérieur de la main.

3.4 Montage des servomoteurs

3.4.1 Protection des servomoteurs

C’est l’opération décrite à l’étape 8 du tutoriel : http://myhumankit.org/tutoriels/main-hackberry-exiii/#step-11.

Au préalable, enlever le cache du servomoteur.

L’opération consiste à couper le fil du moteur (rouge), pour insérer un fusible réarmable. Son principe de fonctionnement est qu’il coupe brusquement lorsqu’il atteint une une certaine température, qui correspond à un courant donné.

La connexion est réalisée par brasage (voir ”Brasure et soudure”), puis elle sera protégée en utilisant un isolant rétractable, qui a la particularité de se resserrer en chauffant.

Il y a 2 petits moteurs ainsi, un pour le pouce, et un pour les trois doigts. Ensuite, il y a un plus gros moteur pour l’index.

Les prises de vue réalisées au cours du Fabrikarium sont sous “file:medias/03_montage_moteurs/01_protection_moteurs”.

3.4.2 Test des servomoteurs

Après modification, chacun des servomoteurs sera testé après branchement du microcontrôleur Arduino pour s’assurer qu’il répond aux commandes.

Ces essais sont réalisés au moyen de l’environnement de développement (IDE) Arduino. Dans l’application, il y a un menu spécifique pour tester un servomoteur: le processeur commande le moteur qui y est branché, il mène le moteur tout le long de sa course dans un sens, puis dans l’autre.

L’idéal serait d’utiliser un outil de test de modélisme, qui serait plus fin, mais l’IDE Arduino permet de faire ça, très simplement.

3.4.3 Installation des servomoteurs

Les servomoteurs sont logés dans leur emplacement dans la main.

Ce sont les opérations décrites aux étapes:

    http://myhumankit.org/tutoriels/main-hackberry-exiii/#step-13
    http://myhumankit.org/tutoriels/main-hackberry-exiii/#step-14
    http://myhumankit.org/tutoriels/main-hackberry-exiii/#step-15

Avant de les installer, il faut qu’ils soient configurés en butée. Pour cela, tourner le moteur sens antihoraire jusqu’à la butée et mettre le moteur dans son emplacement. Attention, il y a risque de casse si la butée ne correspond pas à la fin de course.

Les clichés pris au cours du Fabrikarium sont sous “file:medias/03_montage_moteurs/02_installation_moteurs”.

Il y a une erreur de communication avec le serveur Booktype. Nous ne savons pas actuellement où est le problème.

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