Rehabilitacja barku egzoszkieletu: 10 kroków

2024 Autor: John Day | [email protected]. Ostatnio zmodyfikowany: 2024-01-30 11:29

Ramię to jedna z najbardziej skomplikowanych części całego ludzkiego ciała. Jego przeguby i staw barkowy umożliwiają barkowi szeroki zakres ruchów ramienia, a zatem są dość skomplikowane w modelowaniu. W konsekwencji rehabilitacja barku jest klasycznym problemem medycznym. Celem tego projektu jest zaprojektowanie robota wspomagającego tę rehabilitację.

Robot ten przyjmie postać egzoszkieletu z różnymi czujnikami, które będą mierzyć odpowiednie parametry w celu scharakteryzowania ruchu ramienia, a następnie porówna uzyskane wyniki z bazą danych, aby dać natychmiastową informację zwrotną o jakości ruchu ramienia pacjenta.

Urządzenie można zobaczyć na zdjęciach tuż powyżej. Ten egzoszkielet jest mocowany na uprzęży noszonej przez pacjenta. Dostępne są również paski do mocowania ramienia urządzenia do ramienia pacjenta.

Jesteśmy studentami brukselskiego Wydziału Inżynierii (Bruface) i mamy zadanie na kurs Mechatronika 1: zrealizuj projekt z listy sugestii, z której wybraliśmy robota rehabilitacyjnego barku.

Członkowie grupy 7 Mechatroniki 1:

Gianluca Carbone

Ines Henriette

Pierre Pereira Acuna

Radu Rontu

Thomas Wilmet

Krok 1: Materiały

-Drukarka 3D: plastik PLA

- Maszyna tnąca laserem

- MDF 3mm: powierzchnia 2m²

- 2 akcelerometry MMA8452Q

- 2 potencjometry: PC20BU

- Łożyska: średnica wewnętrzna 10 mm; Średnica zewnętrzna 26mm

- Prowadnice liniowe: szerokość 27mm; minimalna długość 300 mm

- Szelki i paski na plecy

- Arduino Uno

- Kable Arduino: 2 magistrale do odżywiania (3, 3V Akcelerometr i 5V Potencjometr), 2 magistrale do pomiaru Akcelerometru, 1 magistrala do masy. (płyta chlebowa):

- Śruby:

Do łożyska: śruby i nakrętki M10, Ogólnie dla konstrukcji: śruby i nakrętki M3 i M4

Krok 2: Główna idea

Aby wspomóc rehabilitację barku, to urządzenie ma na celu pomoc w rehabilitacji barku po podstawowych ruchach w domu z prototypem.

Ruchy, na których zdecydowaliśmy się skupić jako ćwiczenia to: odwodzenie czołowe (po lewej na zdjęciu) i rotacja zewnętrzna (po prawej).

Nasz prototyp wyposażony jest w różne czujniki: dwa akcelerometry i dwa potencjometry. Czujniki te przesyłają do komputera wartości kątów ramienia i przedramienia z pozycji pionowej. Różne dane są następnie wykreślane w bazie danych, która reprezentuje optymalny ruch. Ten wykres jest wykonywany w czasie rzeczywistym, aby pacjent mógł bezpośrednio porównać swój własny ruch z ruchem do uzyskania, a tym samym skorygować siebie, aby pozostać jak najbliżej idealnego ruchu. Ta część zostanie omówiona w kroku bazy danych.

Wykreślone wyniki można również przesłać do profesjonalnego fizjoterapeuty, który zinterpretuje dane i udzieli pacjentowi dodatkowych porad.

Bardziej z praktycznego punktu widzenia, ponieważ ramię jest jednym z najbardziej skomplikowanych stawów ludzkiego ciała, chodziło o zapobieganie pewnemu zakresowi ruchu, aby uniknąć złej realizacji ruchu, aby prototyp mógł pozwolić tylko na to dwa ruchy.

Co więcej, urządzenie nie będzie idealnie pasować do anatomii pacjenta. Oznacza to, że oś obrotu egzoszkieletu nie pokrywa się idealnie z osiami barku pacjenta. Wygeneruje to momenty obrotowe, które mogą uszkodzić urządzenie. Aby to zrekompensować, wdrożono zestaw szyn. Pozwala to również na noszenie urządzenia przez wielu pacjentów.

Krok 3: Różne części urządzenia

W tej części znajdziesz wszystkie rysunki techniczne użytych przez nas elementów.

Jeśli chcesz użyć własnego, zwróć uwagę na fakt, że niektóre elementy podlegają dużym ograniczeniom: na przykład wały łożyska podlegają miejscowym odkształceniom. Jeśli są drukowane w 3D, powinny być wykonane w dużej gęstości i wystarczająco grube, aby zapobiec ich pękaniu.

Krok 4: Montaż - płyta tylna

Na tym filmie możesz zobaczyć suwak służący do korekcji jednego z DOF (prowadnica liniowa prostopadła do płyty tylnej). Ten suwak można było również założyć na ramię, ale rozwiązanie zaprezentowane na filmie dało lepsze wyniki teoretyczne na oprogramowaniu 3D, do testowania ruchu prototypu.

Krok 5: Składanie - Artykulacja odwodzenia

Krok 6: Montaż - artykulacja obrotu zewnętrznego

Krok 7: Montaż końcowy

Krok 8: Schemat obwodu

Teraz, gdy zmontowany prototyp prawidłowo koryguje niewspółosiowość ramion i potrafi podążać za ruchem pacjenta w dwóch pożądanych kierunkach, nadszedł czas, aby przejść do części śledzącej, a zwłaszcza elektrycznej części projektu.

Tak więc akcelerometry będą otrzymywały informacje o przyspieszeniach wzdłuż wszystkich kierunków planu, a kod obliczy różne interesujące kąty na podstawie zmierzonych danych. Różne wyniki zostaną przesłane do pliku Matlab za pośrednictwem Arduino. Następnie plik Matlab rysuje wyniki w czasie rzeczywistym i porównuje uzyskaną krzywą z bazą danych dopuszczalnych ruchów.

Okablowanie komponentów do Arduino:

To jest schematyczne przedstawienie różnych połączeń między różnymi elementami. Użytkownik powinien uważać, aby połączenia były zależne od użytego kodu. Np. wyjście I1 pierwszego akcelerometru jest podłączone do masy, a wyjście drugiego jest podłączone do 3,3V. To jeden ze sposobów na rozróżnienie dwóch akcelerometrów z punktu widzenia Arduino.

Schemat połączeń:

Zielony - Akcelerometry żywieniowe

Czerwony - wejście A5 Arduino do zbierania danych z akcelerometrów

Różowy - wejście A4 Arduino do zbierania danych z akcelerometrów

Czarny - ziemia

Szary - Pomiary z pierwszego potencjometru (na rotule odwodzenia czołowego)

Żółty - Pomiary z drugiego potencjometru (na zewnętrznej rotacji rotacyjnej)

Niebieski - Potencjometry Wyżywienie

Krok 9: Baza danych

Teraz, gdy komputer otrzyma kąty, komputer zinterpretuje je.

To jest zdjęcie reprezentacji wybranej bazy danych. W tej bazie danych niebieskie krzywe reprezentują strefę dopuszczalnego ruchu, a czerwona krzywa reprezentuje ruch idealny. Należy podkreślić, że baza danych jest oczywiście otwarta na modyfikacje. Najlepiej byłoby, gdyby parametry bazy danych zostały ustalone przez profesjonalnego fizjoterapeutę, który doradzi w sprawie rzeczywistych optymalnych parametrów rehabilitacji.

Wybrany tutaj optymalny ruch, zaznaczony na czerwono, opiera się na doświadczeniu i jest taki, że ramię osiąga 90° w 2,5 sekundy, co odpowiada stałej prędkości kątowej 36°/s (lub 0,6283 rad/s).

Dopuszczalna strefa (na niebiesko) została zaprojektowana z funkcją 3 rzędów odcinkowo w tym przypadku zarówno dla górnej granicy, jak i dolnej granicy. Równie dobrze można rozważyć funkcje wyższych rzędów, aby poprawić kształt krzywych, a nawet złożoność ćwiczenia. W tym przykładzie ćwiczenie jest bardzo proste: 3 powtórzenia ruchu od 0 do 90°.

Kod wykreśli wyniki jednego z czujników - tego, który jest interesujący dla rozważanego ćwiczenia rehabilitacyjnego - w tej bazie danych. Teraz gra dla pacjenta polega na dostosowaniu prędkości i pozycji ramienia tak, aby jego ramię pozostawało w niebieskiej strefie, w dopuszczalnym zakresie i jak najbliżej czerwonej krzywej, w idealnym ruchu.