Moonwalk: proteza z haptycznym sprzężeniem zwrotnym: 5 kroków

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

Opis:

Moonwalk to czułe na nacisk urządzenie protetyczne dla osób z zaburzeniami czucia dotykowego (objawy podobne do neuropatii). Moonwalk został zaprojektowany, aby pomóc osobom otrzymywać pomocne dotykowe informacje zwrotne, gdy ich stopy stykają się z podłożem, dzięki czemu mogą poprawić równowagę i mobilność.

Zaprojektowany i wykonany open-source przez Akshay Dinakar.

Aby zobaczyć więcej projektów i kreacji, odwiedź www.akshaydinakar.com/lab, niedochodowe studio projektowe Akshay Dinakar Design.

Facebook: www.facebook.com/akshaydinakar | Instagram: @AkshayDinakarDesign

To urządzenie protetyczne wykorzystuje czujnik velostatu (przymocowany za pomocą adhezji medycznej, nanossania lub rękawa z tkaniny do dowolnej odpowiedniej części ciała) do odczytywania wartości ciśnienia za pomocą pinów analogowych na odpowiednim mikrokontrolerze. Gdy wartość ciśnienia osiągnie określoną granicę, aktywowany jest określony sygnał dotykowy, ostrzegający użytkownika o kontakcie z powierzchnią.

Moja intencja:

Celem tego projektu jest stworzenie niedrogiego urządzenia protetycznego, które zwiększy niezależność + mobilność każdej osoby z drętwieniem części ciała. Mam osobiste doświadczenie z członkami rodziny, którzy doświadczają tego stanu, i chciałem stworzyć dostępne rozwiązanie, które inni z ograniczonym doświadczeniem inżynieryjnym mogliby samodzielnie złożyć. Ze względu na indywidualizację objawów i różnorodność dostępności komponentów elektronicznych, trudno jest stworzyć urządzenie, które działa w wielu przypadkach. Jednak z dumą wypuszczam Moonwalk jako rozwiązanie, które może być stosowane na dowolnej kończynie / dotkniętej części ciała, kompatybilne z szeregiem czynników kształtu (w zależności od tego, który jest najbardziej odpowiedni dla użytkownika).

Ze względów estetycznych i profesjonalnego wykończenia użyłem zaawansowanych technik produkcyjnych, w tym lutowania, formowania/odlewania silikonu i drukowania 3D do montażu tej protezy. Jednak proste techniki krojenia i szycia również wykonują zadanie.

Tło:

Prawie 20 milionów osób w samych Stanach Zjednoczonych doświadcza neuropatii, powszechnego efektu ubocznego cukrzycy, raka i zapalenia stawów. Neuropatia charakteryzuje się mieszanką ostrych mrowienia i drętwienia rąk i stóp osób w wyniku uszkodzenia nerwów obwodowych. Neuropatia może poważnie ograniczyć mobilność, zmniejszając wrażenia dotykowe, gdy stopy i dłonie stykają się z powierzchniami. Jednak dotykowa informacja zwrotna w postaci wibracji na nienaruszonych częściach ciała może pomóc osobom odzyskać równowagę, łącząc informację zwrotną z ich zmysłem proprioceptywnym.

Kieszonkowe dzieci

Sprzęt komputerowy:

Mikrokontroler (dowolna z poniższych opcji jest fantastyczna):

• Arduino Nano (najmniejszy rozmiar fizyczny, ale wymaga dodatkowych komponentów elektronicznych do ładowania)
• Adafruit Flora (opcja dla urządzeń do noszenia - płaska obudowa i ma wbudowane ładowanie)
• Adafruit Feather (ma mnóstwo dodatkowych funkcji, których nie potrzebujemy, ale bardzo kompaktową formę i wbudowane ładowanie). W tym samouczku będę używał tego mikrokontrolera. Istnieją różne wersje Feather niż chipy BLE, WiFi lub Radio – każdy będzie działał.

Silnik wibracyjny:

Silnik wibracyjny LRA (zdolny do zapewnienia znacznie bardziej konfigurowalnego wrażenia wibracji niż typowy silnik wibracyjny ERM). Każdy silnik wibracyjny poniżej 3 V będzie działał, ale LRA będzie najsilniejszym wyjściem wibracji (używamy uproszczonego obwodu, aby nasza konstrukcja była zwarta [zasilanie silnika wibracyjnego bezpośrednio z mikrokontrolera), a większość mikrokontrolerów ma ograniczenia prądowe, które osłabiają wibracje siła)

Haptic Motor Driver (interfejsy między mikrokontrolerem a silnikiem wibracyjnym):

Haptic Motor Driver (DRV2605L, produkowany przez Texas Instruments i dystrybuowany przez Adafruit)

Akumulator Li-Po (gdzieś w zakresie 100 - 350 mAh powinno być pod dostatkiem):

3,7 V, 350 mAh Li-Po

Drut silikonowy:

Drut silikonowy 22 AWG (silikon zapewnia doskonałą równowagę elastyczności i trwałości drutu oraz ma odpowiednią średnicę)

Materiał Velostat

Velostat to powierzchnia wrażliwa na nacisk, która zmienia opór po ściśnięciu lub ściśnięciu

Taśma

Każdy rodzaj taśmy (kanałowa, szkocka, elektryczna, maskująca) sprawdzi się, ale polecam przezroczystą i szeroką taśmę pakową. Potrzebujesz tylko kilku centymetrów

Folia aluminiowa (potrzebujesz tylko około 4x4 cali)

Oprogramowanie:

Arduino IDE (do pobrania i używania bezpłatnie, pobierz tutaj i zainstaluj:

Krok 1: Złóż czujnik ciśnienia Velostat

To prostsze niż myślisz.

1. Przytnij velostat do odpowiedniego rozmiaru. Użyj nożyczek, aby przyciąć arkusz velostatu do czujnika o dowolnym rozmiarze. Jeśli używasz tej protezy do stóp, zrób ją wielkości pięty. Jeśli używasz go do rąk lub palców, spraw, by był to rozmiar dowolnej skóry, którą chcesz pokryć.

2. Przyciąć folię aluminiową na wymiar. Wytnij dwa kawałki folii aluminiowej o takich samych wymiarach jak kawałek velostatu. Umieść kawałek velostatu pomiędzy dwoma kawałkami folii aluminiowej. Folia aluminiowa służy jako warstwa przewodząca.

3. Zdejmij drut silikonowy. Używając szczypiec do zdejmowania izolacji, zdejmij 3-4 cale odsłoniętego drutu z dwóch segmentów drutu silikonowego. Każdy przewód silikonowy powinien mieć długość około 15-20 cali (uczyń je tej samej długości, aby uzyskać estetyczny wygląd). Umieść każdy pozbawiony izolacji drut z boku folii aluminiowej. Całkowite zamówienie na kanapki to teraz: drut bez izolacji 1, folia aluminiowa 1, velostat, folia aluminiowa 2, drut bez izolacji 2.

4. Czujnik ciśnienia taśmy razem. Przyklej taśmę do kanapki z komponentami i odetnij wszelkie dodatkowe kawałki taśmy, aby wszystko było bezpiecznie połączone. Niezwykle ważne jest, aby velostat czysto oddzielał obie strony kanapki (folia aluminiowa/izolowany drut na spodzie NIE powinny stykać się z żadną częścią górnych powierzchni przewodzących).

5. Oplot drut. Aby utrzymać przewody razem i zapobiec ich kładzeniu się podczas ruchu użytkownika, skręć je razem (im więcej razy skręcisz, tym bezpieczniejsze będą). Jest to również dobra praktyka elektrotechniczna, gdy masz grupy długich przewodów biegnących od tego samego punktu początkowego do końcowego.

Krok 2: Podłącz swoje komponenty

Czas połączyć wszystkie Twoje indywidualne części elektroniczne. Przylutowałem wszystkie elementy razem, ale można też użyć płytki stykowej (w takim przypadku nadal trzeba będzie przylutować piny do mikrokontrolera i sterownika silnika dotykowego).

1. Czujnik ciśnienia lutowania do mikrokontrolera: Podłącz jeden z przewodów w oplocie do styku analogowego (A1) mikrokontrolera, a pozostały przewód w oplocie przylutuj do styku uziemienia (Gnd).

2. Przylutuj silnik wibracyjny do sterownika silnika dotykowego: Przylutuj czerwony (dodatni) przewód silnika wibracyjnego do zacisku +, a niebieski (masa) do zacisku - sterownika silnika dotykowego.

3. Przylutuj sterownik silnika dotykowego do mikrokontrolera: Używając dwóch bardzo krótkich segmentów drutu silikonowego, przylutuj następujące styki sterownika silnika dotykowego do mikrokontrolera.

• VIN -> 3V
• GND -> GND
• SCL -> SCL
• SDA -> SDA

*Sterownik silnika dotykowego wykorzystuje rodzaj systemu komunikacyjnego o nazwie I2C do „rozmawiania” z mikrokontrolerem. Piny SCL i SDA są ścieżkami dla tej komunikacji.

4. Podłącz akumulator: Podłącz złącze akumulatora Li-Po do mikrokontrolera. Jeśli bateria jest trochę naładowana, może zapalić się dioda LED na mikrokontrolerze. Pierwsze oznaki życia!:)

Krok 3: Programowanie elektroniki

Jeśli jeszcze nie pobrałeś i nie zainstalowałeś Arduino IDE, nadszedł czas. Lubię "pseudokodować" swój program słowami, zanim zacznę kodować, abym już zorientował się, co muszę napisać w C++.

Oto, co robi nasz kod oprogramowania protetycznego:

Wiele razy na sekundę nasz mikrokontroler odczytuje wartość ciśnienia, którą wykrywa czujnik, i jeśli wartość ciśnienia jest wystarczająco silna (innymi słowy czujnik ma kontakt z podłożem), aktywujemy dowolny wzór wibracji z dotykowy sterownik silnika. Załączony kod spełnia tę podstawową funkcję, ale łatwo jest dostosować silnik tak, aby zapewniał wibracje o różnych wzorcach lub sile, w oparciu o różne wartości wykrywane przez czujnik nacisku (tj. lekki kontakt lub silny kontakt)

*Zakładam podstawową znajomość obsługi Arduino IDE, instalacji bibliotek oraz wgrywania kodu do podłączonego mikrokontrolera. Jeśli jesteś zupełnie nowy w Arduino, skorzystaj z tych samouczków, aby przyspieszyć.

1. Pobierz i zainstaluj pliki Adafruit DRV w tym samym folderze, w którym znajduje się twój szkic Arduino.

2. Pobierz, prześlij i uruchom program LevitateVelostatCode na mikrokontrolerze (pamiętaj, aby odpowiednio ustawić zmienne w oparciu o czułość czujnika velostat. Możesz skalibrować wartości CLIFF i CUTOFF, otwierając Arduino Serial Monitor i testując różne limity ciśnienia, dla przypadku użycia, którego potrzebujesz.

3. Gratulacje! Masz już działające urządzenie protetyczne. Reszta to cała estetyka i decydowanie o tym, jak chcesz ją przymocować do ciała użytkownika.

Krok 4: Współczynnik kształtu + estetyka

Od Ciebie zależy, gdzie i jak chcesz, aby Moonwalk przyczepił się do ciała użytkownika. Mój pierwotnie przewidziany przypadek użycia dotyczył wykrywania kontaktu ze stopą, więc czujnik nacisku naturalnie mieści się pod piętą użytkownika.

Aby elektronika była ładna i kompaktowa, zaprojektowałem i wykonałem pojemnik obudowy (druk 3D i formowanie silikonowe, aby umożliwić elastyczny kontakt ze skórą). Załączyłem pliki 3D (w formie. STL) do tego Instructable.

* Aby uzyskać maksymalne wibracje, ważne jest, aby silnik LRA (który działa poprzez szybkie generowanie wibracji ze sprężyny osi Z) był w bezpośrednim kontakcie z powierzchniami dotykającymi skóry (w przeciwieństwie do ERM, jeśli LRA unosi się w powietrzu, Twój skóra nic nie poczuje). W przypadku mojego projektu najbardziej sensowne jest przymocowanie elektroniki za pomocą nanossania / podkładki żelowej (można je łatwo kupić online i są świetne do wielu zastosowań na skórze), taśmy medycznej lub rękawa z tkaniny. Teoretycznie można również wsunąć Moonwalk pod odzież elastyczną / spandex, jeśli jest ona używana na nodze lub udzie.

Krok 5: Gotowa proteza

Mam nadzieję, że mój projekt będzie dla Ciebie przydatny. Nie krępuj się poprawiać, remiksować i ulepszać ten podstawowy projekt – i nie bądź obcy! Można się ze mną skontaktować za pośrednictwem mojej strony internetowej (www.akshaydinakar.com/home).