Moonwalk: Haptická spätná väzba Protetika: 5 krokov

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

Popis:

Moonwalk je protetické zariadenie citlivé na tlak pre jednotlivcov s poruchou hmatového vnemu (symptómy podobné neuropatii). Moonwalk bol navrhnutý tak, aby pomohol jednotlivcom získať užitočnú hmatovú spätnú väzbu, keď sa ich nohy dostanú do kontaktu so zemou, aby mohli zlepšiť rovnováhu + mobilitu.

Navrhol a vyrobil open-source Akshay Dinakar.

Ak chcete vidieť ďalšie projekty a výtvory, navštívte www.akshaydinakar.com/lab, neziskové dizajnérske štúdio Akshay Dinakar Design.

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

Toto protetické zariadenie používa velostatický senzor (pripevnený lekárskou adhéziou, nanosukciou alebo tkaninovým puzdrom na akúkoľvek relevantnú časť tela) na čítanie hodnôt tlaku prostredníctvom analógových kolíkov na vhodnom mikrokontroléri. Akonáhle hodnota tlaku dosiahne určitú hranicu, aktivuje sa špecifikovaný hmatový signál, ktorý užívateľa upozorní, že sa dostal do kontaktu s povrchom.

Môj zámer:

Cieľom tohto projektu je vytvoriť lacné protetické zariadenie na zvýšenie nezávislosti + mobility akéhokoľvek jednotlivca s necitlivosťou v časti jeho tela. Mám osobnú skúsenosť s rodinnými príslušníkmi, ktorí majú tento stav, a chcel som vytvoriť prístupné riešenie, ktoré by si mohli zostaviť sami ostatní s obmedzenými technickými skúsenosťami. Vzhľadom na individualizáciu symptómov a rozmanitosť dostupnosti elektronických súčiastok je náročné vytvoriť zariadenie, ktoré funguje pre celý rad prípadov použitia. Som však hrdý na to, že môžem vydať Moonwalk ako riešenie, ktoré je možné použiť na akejkoľvek končatine / postihnutej časti tela a je kompatibilné s celým radom tvarových faktorov (podľa toho, čo je pre používateľa najvhodnejšie).

Z estetických dôvodov a profesionálnej povrchovej úpravy som na zostavenie tejto protetiky použil pokročilé výrobné techniky vrátane spájkovania, tvarovania / odlievania silikónu a 3D tlače. Na svoje si však dajú aj jednoduché chlebové dosky a šijacie techniky.

Pozadie:

Takmer 20 miliónov jednotlivcov v USA má neuropatiu, bežný vedľajší účinok cukrovky, rakoviny a artritídy. Neuropatia je charakterizovaná zmesou ostrých mravčivých bolestí a znecitlivenia rúk a nôh jednotlivcov v dôsledku poškodenia periférnych nervov. Neuropatia môže vážne obmedziť pohyblivosť znížením pocitov dotyku pri kontakte chodidiel a rúk s povrchmi. Haptická spätná väzba vo forme vibrácií na neovplyvnených častiach tela však môže jednotlivcom pomôcť obnoviť rovnováhu prepojením spätnej väzby s ich proprioceptívnym zmyslom.

Zásoby

Hardvér:

Mikrokontrolér (ktorákoľvek z nižšie uvedených možností je fantastických):

• Arduino Nano (najmenšia fyzická veľkosť, ale na nabíjanie bude vyžadovať ďalšie elektronické súčiastky)
• Adafruit Flora (možnosť nosiť na nosenie-plochý tvar a má vstavané nabíjanie)
• Adafruit Feather (má veľa ďalších funkcií, ktoré nepotrebujeme, ale veľmi kompaktnú formu a vstavané nabíjanie). Na tento tutoriál budem používať tento mikrokontrolér. Existujú rôzne verzie peria, ako sú čipy BLE, WiFi alebo rádio - všetky budú fungovať.

Vibračný motor:

Vibračný motor LRA (schopný poskytovať oveľa prispôsobiteľnejší pocit vibrácií ako typický vibračný motor ERM). Každý vibračný motor pod 3 V bude fungovať, ale LRA bude najsilnejší vibračný výstup (používame zjednodušený obvod, aby bol náš dizajn kompaktný [napájanie vibračného motora priamo z mikrokontroléra) a väčšina mikrokontrolérov má prúdové obmedzenia, ktoré oslabujú vibrácie. sila)

Haptický ovládač motora (rozhrania medzi mikrokontrolérom a vibračným motorom):

Ovládač haptického motora (DRV2605L, vyrábaný spoločnosťou Texas Instruments a distribuovaný spoločnosťou Adafruit)

Batéria Li -Po (niekde v rozmedzí 100 - 350 mAh by malo stačiť):

3,7 V, 350 mAh Li-Po

Silikónový drôt:

Silikónový drôt 22 AWG (silikón poskytuje vynikajúcu rovnováhu flexibility a trvanlivosti drôtu a má správny priemer)

Materiál Velostat

Velostat je povrch citlivý na tlak, ktorý pri stlačení alebo stlačení mení odpor

Páska

Funguje akýkoľvek typ pásky (potrubná, škótska, elektrická, maskovacia), ale odporúčam priehľadnú a širokú baliacu pásku. Budete potrebovať iba niekoľko palcov

Hliníková fólia (Potrebujete len asi 4 x 4 palce)

Softvér:

Arduino IDE (bezplatné stiahnutie a používanie, stiahnite si ho tu a nainštalujte:

Krok 1: Zostavte snímač tlaku Velostat

Je to jednoduchšie, ako si myslíte.

1. Rozrežte velostat na požadovanú veľkosť. Použite nožnice na orezanie listu velostatu na ľubovoľný snímač veľkosti, ktorý potrebujete. Ak používate túto protézu na nohy, urobte ju vo veľkosti päty. Ak ho používate na ruky alebo prsty, urobte z neho rozmery akejkoľvek pokožky, ktorú chcete zakryť.

2. Odstrihnite hliníkovú fóliu podľa veľkosti. Odrežte dva kusy hliníkovej fólie na rovnaké rozmery ako kus velostatu. Vložte kus velostatu medzi dva kusy hliníkovej fólie. Hliníková fólia slúži ako vodivá vrstva.

3. Odizolujte silikónový drôt. Pomocou odstraňovača strihu drôtov odizolujte 3-4 palce obnaženého drôtu z dvoch segmentov silikónového drôtu. Každý silikónový drôt by mal byť asi 15 až 20 palcov dlhý (kvôli estetickému príťažlivosti ich urobte rovnako dlhé). Každý odizolovaný drôt položte na stranu hliníkovej fólie. Celková sendvičová objednávka je teraz: odizolovaný drôt 1, hliníková fólia 1, velostat, hliníková fólia 2, odizolovaný drôt 2.

4. Snímač tlaku pásky spoločne. Prelepte sendvič s komponentmi a odstrihnite všetky kúsky pásky, aby bolo všetko bezpečne spojené. Je mimoriadne dôležité, aby velostat čisto oddeľoval dve strany sendviča (hliníková fólia / odizolovaný drôt na dne by NEMALI byť v kontakte s žiadnou časťou horných vodivých povrchov).

5. Zapletajte drôt. Aby boli drôty pokope a aby sa nepohybovali počas pohybu používateľa, otočte ich k sebe (čím viackrát sa budete otáčať, tým budú bezpečnejšie). Je to tiež dobrá prax v elektrotechnike, keď máte skupiny dlhých drôtov vedené z rovnakého počiatočného do koncového bodu.

Krok 2: Pripojte svoje komponenty

Čas na pripojenie všetkých vašich individuálnych elektronických súčiastok. Spájkoval som všetky svoje súčasti dohromady, ale je možné použiť aj nepájivú dosku (v takom prípade budete stále musieť spájkovať kolíky s mikrokontrolérom a ovládačom haptického motora).

1. Senzor tlaku spájky k mikrokontroléru: Pripojte jeden z vašich splietaných vodičov k analógovému (A1) kolíku vášho mikrokontroléra a zvyšný pletený vodič spájkujte s uzemňovacím (GND) kolíkom.

2. Spájajte vibračný motor motora s ovládačom haptického motora: Červený (kladný) vodič vibračného motora pripájajte na svorku + a modrý (uzemňovací) vodič na - svorku ovládača haptického motora.

3. Spájkovač haptického motora motora k mikrokontroléru: Pomocou dvoch veľmi krátkych segmentov silikónového drôtu pripájajte nasledujúce kolíky na haptickom motore k mikrokontroléru.

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

*Ovládač haptického motora používa na „rozhovor“s mikrokontrolérom typ komunikačného systému s názvom I2C. Piny SCL a SDA sú cesty, ktorými môže prebiehať táto komunikácia.

4. Pripojenie batérie: Pripojte konektor Li-Po batérie k mikrokontroléru. Ak je batéria mierne nabitá, môže sa rozsvietiť LED dióda na mikrokontroléri. Prvé známky života!:)

Krok 3: Programovanie elektroniky

Ak ste si ešte nestiahli a nenainštalovali Arduino IDE, teraz je ten správny čas. Rád svoj program „pseudokódujem“slovami skôr, ako začnem kódovať, aby som už prišiel na to, čo potrebujem napísať v C ++.

Tu je to, čo robí náš kód protetického softvéru:

Náš mikrokontrolér mnohokrát za sekundu odčítava hodnotu tlaku, ktorú snímač zisťuje, a ak je hodnota tlaku dostatočne silná (inými slovami, snímač je v kontakte so zemou), aktivujeme akýkoľvek vibračný vzor, ktorý od neho chceme vodič haptického motora. Priložený kód plní túto základnú funkciu, ale je ľahké prispôsobiť váš motor tak, aby poskytoval vibrácie rôznych vzorov alebo sily na základe rôznych hodnôt, ktoré snímač tlaku detekuje (t. J. Ľahký kontakt vs. silný kontakt)

*Predpokladám základné znalosti o používaní Arduino IDE, inštalácii knižníc a odosielaní kódu do pripojeného mikrokontroléra. Ak ste v Arduine úplným nováčikom, použite tieto návody, aby ste sa zorientovali.

1. Stiahnite a nainštalujte súbory Adafruit DRV do rovnakého priečinka, v akom je vaša skica Arduino.

2. Stiahnite, nahrajte a spustite program LevitateVelostatCode do svojho mikrokontroléra (uistite sa, že ste premenné nastavili primerane na základe citlivosti vášho senzora velostatu. Hodnoty CLIFF & CUTOFF môžete kalibrovať otvorením sériového monitora Arduino a testovaním rôznych tlakové limity, pre prípad použitia, ktorý potrebujete.

3. Blahoželáme! Už máte fungujúci protetický prístroj. Ostatné je estetika a rozhodnutie, ako ho chcete pripevniť k telu používateľa.

Krok 4: Form Factor + estetika

Je len na vás, kde a ako chcete Moonwalk pripevniť k telu používateľa. Môj pôvodne predpokladaný prípad použitia bol na detekciu kontaktu s nohou, takže sa snímač tlaku prirodzene zmestil pod pätu používateľa.

Aby bola elektronika pekná a kompaktná, navrhol a vyrobil som puzdro (3D tlačené a tvarované silikónom, aby bol umožnený flexibilný kontakt s pokožkou). Priložil som 3D súbory (vo formáte. STL) k tomuto návodu.

*Na dosiahnutie maximálnych vibrácií je dôležité, aby bol motor LRA (ktorý funguje tak, že rýchlo generuje vibrácie z pružiny osi z) v priamom kontakte s povrchmi, ktoré sa dotýkajú pokožky (na rozdiel od ERM, ak sa LRA vznáša vo vzduchu, váš pokožka nebude nič cítiť). Pre môj návrh dáva najväčší zmysel pripevniť elektroniku pomocou nanosukcie / gélovej podložky (dajú sa ľahko kúpiť online a sú skvelé na viacnásobné použitie na koži), lekárskej pásky alebo látkového puzdra. Teoreticky by ste mohli Moonwalk vkĺznuť aj pod elastické / spandexové oblečenie, ak sa používa na nohu alebo stehno.

Krok 5: Hotová protetika

Dúfam, že vám môj dizajn poslúži. Nebojte sa vyladiť, remixovať a vylepšiť tento základný dizajn - a nebuďte cudzinec! Môžem ma kontaktovať prostredníctvom svojej webovej stránky (www.akshaydinakar.com/home).