Fabriquer une main artificielle

Bien entendu pour construire une main artificielle il faut tout d'abord s'intéresser à la main naturelle, c'est à dire à l'anatomie de notre main et à son fonctionnement.

Nous allons donc expliquer simplement le fonctionnement de la main humaine afin de pouvoir comprendre celui de la prothèse.

La main humaine se compose de vingt-sept os répartis en trois catégories :

_ Les huit du carpe qui forment le poignet, ils sont disposés sur deux rangées : le scaphoïde, le semi-lunaire, le pyramidal et le pisiforme du coté de l'avant bras, et le trapèze, le trapézoïde, le grand os et l'os crochu du coté des doigts. Sur notre prothèse, ces os ne sont pas
représentés.

_ Les cinq du métacarpe, un par doigt, sont les os longs qui forment la structure élargie de la main. Ces os sont représentés sur notre main en deux parties.

_ Les quatorze phalanges se séparent en trois catégories : les proximales ① , prolongées par les médianes ② (le pouce n’en a pas), et les distales qui forment l'extrémité des doigts ③.

http://www.lecorpshumain.fr/corpshumain/1-main.html

 Les tendons:

Les tendons sont des cordons fixés sur les parties du squelette offrant une prise aux muscles. De couleur blanche, et d'aspect plutôt large et épais, ils sont résistants due à leur structure en triple hélice et en faisceaux de fibres de collagène (Le collagène est une famille de protéine, le plus souvent présente sous forme de fibres. Ces protéines permettent  de conférer aux tissus une résistance mécanique à l'étirement). Ils appartiennent aux tissus conjonctifs avec un réseau de fibres beaucoup plus organisé que la plupart des tissus conjonctifs.

Les tendons qui circulent dans la main sont la terminaison de muscles extrinsèques qui sont situés dans l’avant bras, et de muscles intrinsèques situés dans la main elle même. Ils permettent de transmettre un mouvement articulaire du muscle à l’articulation.

Il existe des tendons fléchisseurs et des tendons extenseurs dans les doigts et le poignet. Les tendons fléchisseurs permettent de plier les doigts ou le poignet. Ils glissent dans des  gaines et passent sous des polies au niveau de chaque phalanges. Tous les doigts sauf le pouce possèdent deux tendons fléchisseurs : un tendon fléchisseur profond (qui permet de plier la phalange digitale, celle à l’extrémité du doigt) et un tendon fléchisseur superficiel (qui permet de plier la deuxième phalange du doigt).

Les tendons sont plus résistants que les ligaments mais la répétition d'activités comme l'entraînement chez les sportifs de haut niveau peut entraîner diverses lésions comme des tendinites (inflammations de certains tendons) et une fragilisation du tendon qui peut se déchirer ou se rompre entièrement. Ces lésions du tendon s'appellent des tendinopathies ou tendinoses (lésions sans inflammation).

Dans notre prothèse, les tendons sont représentés par les fils de pêche, les fils qui se situent sur la partie supérieur de la main font office de tendons extenseurs et ceux ce situant du côté de la paume font office de tendons fléchisseurs.

Les muscles :

Les muscles sont liés aux tendons car les tendons sont tendus par les muscles, ce sont les muscles qui "tirent" sur les tendons.

Il y a dans la main les muscles intrinsèques, ceux à l'intérieur de la paume et les extrinsèques, ceux à l'extérieur de la main.

• Muscles intrinsèques

Le groupe latéral des muscles intrinsèques forme l'éminence thénar. Il est constitué de quatre muscles : court abducteur du pouce, opposant du pouce, court fléchisseur du pouce et adducteur du pouce. Les tendons de ces muscles se terminent dans le pouce.

Le groupe central des muscles intrinsèques est situé au niveau du creux de la main. Il est constitué de douze muscles : quatre interosseux dorsaux, quatre interosseux palmaires et quatre lombricaux. Les tendons de ces muscles se terminent dans la partie proximale des doigts.

Le groupe médial des muscles intrinsèques forme l'éminence hypothénar. Il est constitué de quatre muscles : court palmaire (ou palmaire cutané), abducteur du petit doigt, court fléchisseur du petit doigt et opposant du petit doigt. À l'exception du premier cité, les tendons de ces muscles se terminent dans le petit doigt.

• Muscles extrinsèques

Le groupe palmaire des muscles extrinsèques de la main comporte les tendons de six muscles. Les tendons des muscles fléchisseur radial du carpe (ou grand palmaire), long palmaire (ou petit palmaire) et fléchisseur ulnaire du carpe (ou cubital antérieur) s'insèrent au niveau de la partie proximale de la main. Les tendons des muscles fléchisseur superficiel des doigts, fléchisseur profond des doigts et long fléchisseur du pouce s'insèrent au niveau des doigts.

Le groupe dorsal des muscles extrinsèques comporte les tendons de neuf muscles. Les tendons des muscles long extenseur radial du carpe (ou premier radial), court extenseur radial du carpe (ou deuxième radial), extenseur ulnaire du carpe (ou cubital postérieur) et long abducteur du pouce s'insèrent au niveau de la partie proximale de la main. Les tendons des muscles extenseur des doigts, extenseur du petit doigt, long extenseur du pouce, court extenseur du pouce et extenseur de l'index s'insèrent au niveau des doigts.

Dans notre prothèse, les muscles sont représentés par les moteurs. Cependant seul les mouvements des muscles extenseurs et fléchisseurs sont reproduits par les servomoteurs.

Irrigation

Chaque doigt est vascularisé par une artère et une veine collatérale interne et externe participant à l'irrigation de la main. Chaque artère est accompagnée d'une veine du même nom. Le sang est transporté par l’intermédiaire des artères radiale et cubitale. Ces deux artères sont reliées entres elles et constituent une arcade au sein de la paume de la main (arcade veineuse et artérielle palmaire superficielle). L’artère radiale est l’endroit où le pouls est pris dans le poignet.

Sur la face dorsale des doigts, les veines superficielles ① , forment un réseau allant de l'ongle à la phalange proximale, elles sont très nombreuses et infiniment variables d’un individu à l’autre, mais également d’une main à l’autre. Celles-ci sont issues d'une arcade digitale ② pour chaque doigt. Les différentes arcades digitales se réunissent par paires et forment des veines métacarpienne ③, qui, en se regroupant,  donnent naissance à l'arcade veineuse dorsale ④. Dans cette dernière se jettent deux veines: la céphalique du pouce ⑤ venant de la face externe de ce doigt et la salvatelle du petit doigt ⑥ venant du bord interne de l'auriculaire. Elles se jettent aux extrémités radiale et ulnaire de l'arcade dorsale et donnent l'apparition au niveau de la partie interne de l'avant-bras à la veine cubitale superficielle ⑧; et la partie externe forme la veine radiale superficielle ⑦.

Pour faire une prothèse facilement et à un prix raisonnable, l'impression 3D est un bon procédé. Mais pour cela il faut avoir une imprimante. Si vous n'en possédez pas une, il faudra débourser au minimum 1200 euros pour s'en procurer une fiable. Trop cher ? Pas de panique, il existe des ateliers comme les Fab Lab ("Fabrication Laboratory") ou une association comme l'ELECTROLAB à Nanterre (http://www.electrolab.fr) qui mettent en service des machines de toutes sortes comme des imprimantes 3D.

Nous avons choisi cette dernière qui propose de mettre dans les mains de tous des machines normalement réservées à des professionnels. Des passionnés vous donnent des conseils pour la prise en main des machines puis c'est à votre tour d'imprimer... Rien de très compliqué, il suffit de quelques logiciels et des plans de votre main que vous pouvez faire vous-même (une opération plutôt fastidieuse) ou simplement télécharger des fichiers en open-source sur http://www.thingiverse.com ou sur http://www.inmoov.fr. Si vous ne voulez pas vous occuper de l'impression pour des problèmes de temps (et oui 20 heures d'impression ça demande beaucoup de temps libre) ou pour toute autre raison, vous pouvez confier vos plans aux professionnels des Fab Lab qui l'imprimeront pour vous... mais bien sur les coûts seront plus élevés.

Quel logiciel choisir pour commander l'impression?

Nous vous conseillons d'utiliser REPETIER-HOST ( http://www.repetier.com/download-software ), un logiciel 2 en 1 qui permet de trancher votre objet (il va calculer le trajet de l'extrudeur) tout en contrôlant les différents réglages de l'imprimante et il est facile a prendre en main.

Time lapse d'une impression de 30 minutes.

https://youtu.be/3C9hP-GhIKo

Une fois votre imprimante trouvée et vos plans de main téléchargés il ne vous reste plus qu'à imprimer ces derniers. Mais alors, dans quel ordre s'y prendre ?

Nous vous conseillons de commencer par l'impression des doigts, c'est ce que vous monterez en premier. Ensuite les pièces de la paume seront utiles et enfin les grosses pièces de l'avant bras et les petites pièces ( engrenages, vis, etc... ).

Bien entendu cet ordre n'est pas obligatoire, il vous permet d'économiser votre temps, de pouvoir monter la main en même temps que d'autres pièces s'impriment.

Après avoir imprimé vos doigts, il faut les monter! En effet, vous vous retrouverez avec trente petites pièces (les phalanges de chaque doigt) qu'il faudra assembler et pour ne pas vous y perdre nous vous conseillons d'aller lire notre astuce numéro 2! 

Au niveau de chaque doigt vous trouverez six pièces. Pour commencer, il faut séparer les pièces de chaque doigt puis vous devrez, après avoir retiré, s'il y en a une, la jupe*, limer minutieusement les pièces (utilisez de préférence de petites limes comme sur la photo en vert afin d'être le plus précis possible). Cette étape est cruciale et permet le bon fonctionnement des mouvements des doigts. En outre vous devrez limer l’intérieur des doigts pour permettre au fil de pêche de passer et coulisser convenablement mais surtout au niveau des phalanges (sur la photo en rouge), là où les pièces vont pivoter au moment des extensions et des flexions des doigts. Assurez-vous qu'il y ait le moins de frottement possible à cet endroit afin d'assurer un mouvement fluide. N'hésitez pas à limer les deux côtés des deux pièces.

Ensuite vous devrez coller les parties plates des pièces dos à dos (les rectangles jaunes). Faites attention à coller les pièces dans le bon sens, les parties droites sont à l'extérieur de la main et les parties courbées vers l'intérieur (elles permettront aux doigts de se plier).

*quelques couches plus larges en dessous de la pièce pour qu'elle ne tombe pas pendant l'impression.

Avant de coller les bouts des doigts, faites passer deux fils de pêche dans chaque doigts (au moins 75 cm chaque fils, il faut donc prendre une bobine de 10 mètres de fil de pêche de 15kg par cm), un au dessus et un en-dessous du doigt et faites un gros nœud au bout de chaque doigts pour coincer le fil.

Pour assembler les phalanges, nous vous conseillons d'utiliser des clous qu'il faudra couper puis y ajouter de l'étain fondu au bout pour bloquer les phalanges.

Pour ne pas mélanger les différentes pièces des doigts, nous vous proposons deux astuces qui vont ensemble. La première consiste à ranger dans de petits sachets plastiques les pièces de chaque doigt et la deuxième consiste à marquer au "blanco" le dessous de chaque pièce (non visible à la fin du montage) avec un code particulier pour chaque doigt comme : un point pour le pouce, deux points pour l'index, et ainsi de suite. Puis rapporter ce code sur la pochette plastique du doigt. Ainsi vous ne mélangerez pas les pièces, saurez avec précision laquelle est cassée ou manquante en cas de complication.

La main est traversée par dix fils. Une fois sortis du poignet, ils se mélangent tous! Pour vous y retrouver et les relier aux bons moteurs nous vous conseillons d'attribuer des couleurs aux fils de chaque doigt. Soit vous achetez des fils colorés ou bien vous colorez vous-même les extrémités des fils au marqueur.

Pour couper les fils de pêche et les rendre plus résistant ( pour éviter qu'ils se défilent ) il faut utiliser un fer a souder chaud, celui-ci coupera les fils, fera fondre l'extrémité et les rendra plus résistants. 

Une fois vos doigts assemblés, vous pouvez commencer le montage de la paume. Cette étape est très agréable : en effet le montage est très simple et vous permettra de commencer à bien imaginer, visualiser la main. Il n'y a que six pièces et l'assemblage n'est que mécanique, pas besoin de colle ou autre! Cependant il faut veiller à bien limer les pièces afin de permettre un mouvement fluide des doigts. La base des doigts sera à coller sur la paume. Attention à bien faire passer les fils dans la paume avant de coller le doigt à la paume.

Après avoir passé les fils de pêche dans chacun des doigts en ayant fait attention de faire passer le fil responsable de la flexion vers l’intérieur de la main et celui responsable de l'extension des doigts vers le dos de la main, il faut garder cet ordre jusqu'au rattachement des fils aux moteurs. Pour assembler la paume et le poignet il y a un écrou qui retient les deux parties. Cet écrou doit être poncé pour ne pas abîmer les fils à cause des frottements lors de la mise en tension des ces derniers.

Les deux parties doivent être disposées en quinconce.

Pour permettre le mouvement des doigts, des servomoteurs situés dans l’avant bras tendent les fils de pèche dans un sens ou d’en l’autre (fléchisseur ou extenseur) en l’enroulant autour d’un support rond. Nous avons acheté les servomoteurs chez le marchand de modélisme hobbyking et ils sont capables d’exercé une force de 12 kilogramme à 1 cm de l’axe ce qui représente à peut près le rayon des supports et les fils de pèche résistent a une force de 15kg. Chaque doigt à un servomoteur qui gère ses mouvements et un 6éme servomoteur situé dans le poignet gère la rotation de ce dernier grâce a un système d’engrenages. 

Dans cette étape il faut coller avec de l'époxy les deux parties de l'avant bras bas entres elles puis les coller au poignet. L'époxy est assez longe à séchée mais est la colle la plus adaptée grâce à sa force de collage et sa neutralité qui ne fait pas fondre le plastique.

On installe donc les moteurs dans l’avant bras sur le support prévue pour et on y accroche les câbles en les faisant passer par des supports qui les empêchent de s’emmêler. Cette étape est relativement simple. Vous devez visser un servo moteur sur son support. Puis sur le servo vissez le support rond préalablement imprimé.