Rehabilitace ramene exoskeletu: 10 kroků

2024 Autor: John Day | [email protected]. Naposledy změněno: 2024-01-30 08:21

Rameno je jednou z nejsložitějších částí celého lidského těla. Jeho artikulace a ramenní kloub umožňují rameni široký rozsah pohybů paže, a proto jsou modelování poměrně složité. V důsledku toho je rehabilitace ramene klasickým zdravotním problémem. Cílem tohoto projektu je navrhnout robota, který této rehabilitaci pomáhá.

Tento robot bude mít formu exoskeletu s různými senzory, které budou měřit relevantní parametry pro charakterizaci pohybu paže, a poté porovná získané výsledky s databází, aby poskytl okamžitou zpětnou vazbu o kvalitě pohybu ramene pacienta.

Zařízení je vidět na obrázcích těsně výše. Tento exoskelet je upevněn na postroji, který nosí pacient. K dispozici jsou také popruhy pro připevnění paže zařízení k paži pacienta.

Jsme studenti bruselské strojírenské fakulty (Bruface) a máme úkol pro kurz Mechatronika 1: realizovat projekt ze seznamu návrhů, ze kterého jsme vybrali rehabilitačního robota Shoulder.

Členové skupiny 7 Mechatronics 1:

Gianluca Carbone

Ines Henriette

Pierre Pereira Acuna

Radu Rontu

Thomas Wilmet

Krok 1: Materiály

- 3D tiskárna: PLA plast

- Laserový řezací stroj

- MDF 3 mm: povrch 2 m2

- 2 akcelerometry MMA8452Q

- 2 potenciometry: PC20BU

- Ložiska: Vnitřní průměr 10 mm; Vnější průměr 26 mm

- Lineární vodicí lišty: šířka 27 mm; minimální délka 300 mm

- zádový popruh a popruhy

- Arduino Uno

- Kabely Arduino: 2 sběrnice pro Alimentation (3, 3V akcelerometr a 5V potenciometr), 2 sběrnice pro měření akcelerometru, 1 sběrnice pro hmotnost. (prkénko):

- Šrouby:

Pro ložisko: šrouby a matice M10, Pro konstrukci obecně: šrouby a matice M3 a M4

Krok 2: Hlavní myšlenka

Aby pomohl rehabilitaci ramene, tento přístroj má za cíl pomoci rehabilitaci ramene po základních pohybech doma s prototypem.

Pohyby, na které jsme se rozhodli jako cvičení zaměřit, jsou: frontální abdukce (na obrázku vlevo) a vnější rotace (vpravo).

Náš prototyp je vybaven různými senzory: dvěma akcelerometry a dvěma potenciometry. Tyto senzory posílají do počítače hodnoty úhlů paže a předloktí ze svislé polohy. Různá data jsou poté vykreslena do databáze, která představuje optimální pohyb. Tento graf se provádí v reálném čase, aby pacient mohl přímo porovnat svůj vlastní pohyb s pohybem, který má získat, a mohl se tak opravit, aby zůstal co nejblíže dokonalému pohybu. Tato část bude probrána v kroku databáze.

Vynesené výsledky lze také zaslat profesionálnímu fyzioterapeutovi, který dokáže data interpretovat a poskytnout pacientovi další rady.

Více z praktického hlediska, protože rameno je jedním z nejsložitějších kloubů lidského těla, šlo o to, zabránit určitému rozsahu pohybu, aby se zabránilo špatné realizaci pohybu, aby prototyp mohl umožnit pouze tyto dva pohyby.

Zařízení navíc nebude dokonale odpovídat anatomii pacienta. To znamená, že osa otáčení exoskeletu neodpovídá dokonale osám ramene pacienta. Tím se vytvoří točivé momenty, které mohou zařízení rozbít. Aby se to kompenzovalo, byla implementována sada kolejnic. To také umožňuje široké škále pacientů nosit zařízení.

Krok 3: Různé části zařízení

V této části najdete všechny technické výkresy kusů, které jsme použili.

Pokud chcete použít svůj vlastní, znepokojuje vás skutečnost, že některé kusy jsou vystaveny vysokým omezením: například hřídele ložisek podléhají místní deformaci. Pokud jsou vytištěny 3D, měly by být vyrobeny ve vysoké hustotě a dostatečně silné, aby se zabránilo rozbití.

Krok 4: Montáž - zadní deska

Na tomto videu můžete vidět posuvník používaný k opravě jednoho z DOF (lineární vodítko kolmé k zadní desce). Tento jezdec lze také nasadit na paži, ale řešení uvedené na videu poskytlo lepší teoretické výsledky pro 3D software, aby bylo možné testovat pohyb prototypu.

Krok 5: Montáž - abdukční artikulace

Krok 6: Montáž - vnější rotační kloub

Krok 7: Konečná montáž

Krok 8: Circut Diagram

Nyní, když sestavený prototyp správně koriguje nesouosost ramene a dokáže sledovat pohyb pacienta podél dvou požadovaných směrů, je načase se dostat na sledovací část a zejména na elektrickou část projektu.

Akcelerometry tedy budou přijímat informace o zrychleních vedle všech směrů plánu a kód vypočítá různé zajímavé úhly z naměřených dat. Různé výsledky budou odeslány do souboru matlab přes Arduino. Soubor Matlab poté vykreslí výsledky v reálném čase a porovná získanou křivku s databází přijatelných pohybů.

Zapojení komponent do Arduina:

Toto je schematické znázornění různých spojení mezi různými prvky. Uživatel by měl být opatrný, že připojení závisí na použitém kódu. Například výstup I1 prvního akcelerometru je připojen k zemi, zatímco výstup druhého je připojen k 3,3 V. Toto je jeden ze způsobů, jak odlišit dva akcelerometry z pohledu Arduina.

Schéma zapojení:

Zelená - Accelerometers alimentation

Červená - vstup A5 Arduina pro sběr dat z akcelerometrů

Růžová - zadejte Arduino A4 pro sběr dat z akcelerometrů

Black - Ground

Šedá - měření z prvního potenciometru (na rotaci čelního únosu)

Žlutá - měření z druhého potenciometru (na rotaci vnější rotace)

Modrá - Potenciometry Stravování

Krok 9: Databáze

Nyní, když počítač přijímá úhly, počítač je bude interpretovat.

Toto je fotografie znázornění zvolené databáze. V této databázi představují modré křivky zónu přijatelného pohybu a červená křivka představuje dokonalý pohyb. Je třeba zdůraznit, že databáze je samozřejmě otevřená úpravám. V ideálním případě by parametry databáze měl stanovit profesionální fyzioterapeut, který poradí ohledně skutečných optimálních rehabilitačních parametrů.

Zvolený optimální pohyb zde červenou barvou vychází ze zkušeností a je takový, že rameno dosáhne 90 ° za 2,5 sekundy, což odpovídá konstantní úhlové rychlosti 36 °/s (nebo 0, 6283 rad/s).

Přijatelná zóna (v modré barvě) byla v tomto případě navržena s funkcí 3 řádu po částech pro horní i dolní hranici. Rovněž lze uvažovat o funkcích vyšších řádů, které by zlepšily tvar křivek nebo dokonce složitost cvičení. V tomto příkladu je cvičení velmi jednoduché: 3 opakování pohybu 0 až 90 °.

Kód bude v této databázi vykreslovat výsledky jednoho ze senzorů - ten, který je předmětem zájmu při zvažovaném rehabilitačním cvičení. Hra nyní pro pacienta spočívá v přizpůsobení rychlosti a polohy paže tak, aby paže zůstala uvnitř modré zóny, přijatelného dosahu a co nejblíže červené křivce, dokonalého pohybu.