Rehabilitácia ramena exoskeletu: 10 krokov

2024 Autor: John Day | [email protected]. Naposledy zmenené: 2024-01-30 11:57

Rameno je jednou z najkomplikovanejších častí celého ľudského tela. Jeho artikulácie a ramenný kĺb umožňujú ramenu široký rozsah pohybov ramena, a preto sú modelovanie pomerne zložité. V dôsledku toho je rehabilitácia ramena klasickým zdravotným problémom. Cieľom tohto projektu je navrhnúť robota, ktorý pomôže pri tejto rehabilitácii.

Tento robot bude mať formu exoskeletu s rôznymi senzormi, ktoré zmerajú relevantné parametre na charakterizáciu pohybu ramena a potom porovná získané výsledky s databázou, aby poskytol okamžitú spätnú väzbu o pacientovej kvalite pohybu ramena.

Zariadenie je možné vidieť na obrázkoch tesne vyššie. Tento exoskelet je upevnený na postroji, ktorý nosí pacient. K dispozícii sú tiež popruhy na pripevnenie ramena zariadenia k paži pacienta.

Sme študenti bruselskej strojárskej fakulty (Bruface) a máme úlohu pre kurz Mechatronika 1: realizovať projekt zo zoznamu návrhov, z ktorého sme vybrali rehabilitačný robot Shoulder.

Členovia skupiny 7 Mechatronics 1:

Gianluca Carbone

Ines Henriette

Pierre Pereira Acuna

Radu Rontu

Thomas Wilmet

Krok 1: Materiály

- 3D tlačiareň: plast PLA

- Laserový rezací stroj

- MDF 3 mm: povrch 2 m²

- 2 akcelerometre MMA8452Q

- 2 potenciometre: PC20BU

- Ložiská: vnútorný priemer 10 mm; Vonkajší priemer 26 mm

- Lineárne vodiace lišty: šírka 27 mm; minimálna dĺžka 300 mm

- Zadný popruh a popruhy

- Arduino Uno

- Káble Arduino: 2 zbernice pre Alimentation (3, 3V akcelerometer a 5V potenciometer), 2 zbernice pre meranie akcelerometra, 1 zbernica pre hmotnosť. (doska na chlieb):

- Skrutky:

Pre ložisko: skrutky a matice M10, Pre štruktúru vo všeobecnosti: skrutky a matice M3 a M4

Krok 2: Hlavná myšlienka

Aby pomohlo pri rehabilitácii ramien, tento prístroj má predovšetkým pomôcť pri rehabilitácii ramena po základných pohyboch doma s prototypom.

Pohyby, na ktoré sme sa rozhodli zamerať ako cvičenia, sú: čelný únos (na obrázku vľavo) a vonkajšia rotácia (vpravo).

Náš prototyp je vybavený rôznymi senzormi: dvoma akcelerometrami a dvoma potenciometrami. Tieto snímače odosielajú do počítača hodnoty uhlov ramena a predlaktia zo zvislej polohy. Rôzne údaje sú potom vynesené do databázy, ktorá predstavuje optimálny pohyb. Tento graf sa robí v reálnom čase, aby pacient mohol priamo porovnať svoj vlastný pohyb s pohybom, ktorý má získať, a mohol sa tak opraviť, aby zostal čo najbližšie k dokonalému pohybu. Táto časť bude prediskutovaná v kroku databázy.

Vynesené výsledky je možné tiež odoslať profesionálnemu fyzioterapeutovi, ktorý môže údaje interpretovať a poskytnúť pacientovi ďalšie rady.

Viac z praktického hľadiska, keďže rameno je jedným z najkomplexnejších kĺbov ľudského tela, išlo o to, zabrániť určitému rozsahu pohybu, aby sa predišlo zlej realizácii pohybu, aby prototyp mohol povoliť iba tieto dva pohyby.

Zariadenie navyše nebude úplne zodpovedať anatómii pacienta. To znamená, že os rotácie exoskeletu sa úplne nezhoduje s osami ramena pacienta. To bude generovať krútiace momenty, ktoré môžu poškodiť zariadenie. Aby sa to kompenzovalo, bola implementovaná sada koľajníc. To tiež umožňuje veľkému okruhu pacientov nosiť zariadenie.

Krok 3: Rôzne časti zariadenia

V tejto časti nájdete všetky technické výkresy kusov, ktoré sme použili.

Ak chcete použiť svoje vlastné, buďte znepokojení skutočnosťou, že niektoré kusy sú vystavené vysokému tlaku: napríklad hriadele ložísk podliehajú lokálnej deformácii. Ak sú vytlačené 3D, mali by byť vyrobené s vysokou hustotou a dostatočne hrubé, aby sa zabránilo rozbitiu.

Krok 4: Montáž - zadná doska

Na tomto videu môžete vidieť posúvač používaný na opravu jedného z DOF (lineárny sprievodca kolmý na zadnú dosku). Tento posúvač by bolo možné nasadiť aj na rameno, ale riešenie uvedené na videu poskytlo lepšie teoretické výsledky v 3D softvéri na testovanie pohybu prototypu.

Krok 5: Montáž - artikulácia únosu

Krok 6: Montáž - artikulácia vonkajšieho otáčania

Krok 7: Konečná montáž

Krok 8: Schéma prerušenia

Teraz, keď zostavený prototyp správne opravuje nesúosenie ramien a dokáže sledovať pohyb pacienta pozdĺž dvoch požadovaných smerov, je načase začať s sledovacou časťou a najmä s elektrickou časťou projektu.

Akcelerometre teda budú dostávať informácie o zrýchleních pozdĺž všetkých smerov plánu a kód z nameraných údajov vypočíta rôzne zaujímavé uhly. Rôzne výsledky budú odoslané do súboru matlab cez Arduino. Súbor Matlab potom nakreslí výsledky v reálnom čase a porovná získanú krivku s databázou prijateľných pohybov.

Zapojenie komponentov do Arduina:

Toto je schematické znázornenie rôznych spojení medzi rôznymi prvkami. Užívateľ by mal byť opatrný, že pripojenia závisia od použitého kódu. Napríklad výstup I1 prvého akcelerometra je pripojený k zemi, zatiaľ čo výstup druhého je pripojený k 3,3 V. Toto je jeden zo spôsobov, ako rozlíšiť dva akcelerometre z pohľadu Arduina.

Schéma zapojenia:

Zelená - výživa akcelerometrov

Červená - zadajte A5 Arduina na zber údajov z akcelerometrov

Ružová - zadajte Arduino A4 na zber údajov z akcelerometrov

Čierna - Zem

Sivá - Merania z prvého potenciometra (na rotácii čelného únosu)

Žltá - merania z druhého potenciometra (na vonkajšej rotačnej rotácii)

Modrá - Potenciometre Stravovanie

Krok 9: Databáza

Teraz, keď počítač získa uhly, počítač ich bude interpretovať.

Toto je fotografia reprezentácie zvolenej databázy. V tejto databáze modré krivky predstavujú zónu prijateľného pohybu a červená krivka predstavuje dokonalý pohyb. Je potrebné zdôrazniť, že databáza je samozrejme prístupná zmenám. V ideálnom prípade by parametre databázy mal stanoviť profesionálny fyzioterapeut, ktorý poradí so skutočnými optimálnymi rehabilitačnými parametrami.

Zvolený optimálny pohyb tu v červenej farbe vychádza zo skúseností a je taký, že rameno dosiahne 90 ° za 2,5 sekundy, čo zodpovedá konštantnej uhlovej rýchlosti 36 °/s, (alebo 0, 6283 rad/s).

Prijateľná zóna (v modrej farbe) bola v tomto prípade navrhnutá s funkciou poradia po troch častiach pre hornú aj dolnú hranicu. Mohli by sa zvážiť aj funkcie vyšších rádov, aby sa zlepšil tvar kriviek alebo dokonca náročnosť cvičenia. V tomto prípade je cvičenie veľmi jednoduché: 3 opakovania pohybu 0 až 90 °.

Kód bude v tejto databáze vykresľovať výsledky jedného zo senzorov - ten, ktorý je predmetom záujmu pri zvažovaní rehabilitačného cvičenia. Hra pre pacienta teraz spočíva v prispôsobení rýchlosti a polohy ramena tak, aby jeho rameno zostalo v modrej zóne, prijateľnom rozsahu a čo najbližšie k červenej krivke, dokonalému pohybu.