Moonwalk: Haptická zpětná vazba Protetika: 5 kroků

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

Popis:

Moonwalk je protetické zařízení citlivé na tlak pro osoby s poruchou hmatového vjemu (příznaky podobné neuropatii). Moonwalk byl navržen tak, aby pomohl jednotlivcům získat užitečnou hmatovou zpětnou vazbu, když se jejich nohy dostanou do kontaktu se zemí, aby mohli zlepšit rovnováhu + mobilitu.

Akshay Dinakar navrhl a vytvořil open-source.

Chcete-li zobrazit další projekty a výtvory, navštivte www.akshaydinakar.com/lab, neziskové designérské studio Akshay Dinakar Design.

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

Toto protetické zařízení používá velostatový senzor (připojený pomocí lékařské adheze, nanosukce nebo látkového pouzdra k jakékoli relevantní části těla) ke čtení hodnot tlaku prostřednictvím analogových kolíků na příslušném mikrokontroléru. Jakmile hodnota tlaku dosáhne určité mezní hodnoty, aktivuje se specifický haptický signál, který uživatele upozorní, že navázal kontakt s povrchem.

Můj záměr:

Záměrem tohoto projektu je vytvořit levné protetické zařízení, které zvýší nezávislost + mobilitu každého jedince s necitlivostí v části jeho těla. Mám osobní zkušenost s rodinnými příslušníky, kteří mají tuto podmínku, a chtěli vytvořit přístupné řešení, které by ostatní s omezenými technickými zkušenostmi mohli sestavit sami. Vzhledem k individualizaci symptomů a různorodosti dostupnosti elektronických součástek je náročné vytvořit zařízení, které funguje pro celou řadu případů použití. Jsem však hrdý na to, že vydávám Moonwalk jako řešení, které lze použít na jakékoli končetině / postižené části těla, kompatibilní s řadou tvarových faktorů (podle toho, co je pro uživatele nejvhodnější).

Z estetických důvodů a profesionální povrchové úpravy jsem pro sestavení této protézy použil pokročilé techniky výroby včetně pájení, tvarování / odlévání silikonu a 3D tisku. Svou práci však zvládne i jednoduchá technika prkénka a šití.

Pozadí:

Téměř 20 milionů jedinců pouze v USA má neuropatii, což je běžný vedlejší účinek diabetu, rakoviny a artritidy. Neuropatie je charakterizována směsí ostrých mravenčení a necitlivosti rukou a nohou jednotlivců v důsledku poškození periferních nervů. Neuropatie může výrazně omezit pohyblivost snížením pocitů dotyku, když se nohy a ruce dostanou do kontaktu s povrchy. Haptická zpětná vazba ve formě vibrací na neovlivněných částech těla však může jednotlivcům pomoci znovu získat rovnováhu propojením zpětné vazby s jejich proprioceptivním smyslem.

Zásoby

Hardware:

Mikrokontrolér (některá z níže uvedených možností je fantastických):

• Arduino Nano (nejmenší fyzická velikost, ale pro nabíjení bude vyžadovat další elektronické součástky)
• Adafruit Flora (možnost go-to pro nositelná zařízení-plochý tvar a vestavěné nabíjení)
• Adafruit Feather (má spoustu dalších funkcí, které nepotřebujeme, ale velmi kompaktní formu a vestavěné nabíjení). Pro tento tutoriál budu používat tento mikrokontrolér. Existují různé verze Feather, než jsou čipy BLE, WiFi nebo Radio - každá bude fungovat.

Vibrační motor:

Vibrační motor LRA (schopný poskytovat mnohem více přizpůsobitelný pocit vibrací než typický vibrační motor ERM). Jakýkoli vibrační motor pod 3V bude fungovat, ale LRA bude nejsilnější vibrační výstup (používáme zjednodušený obvod, aby byl náš design kompaktní [napájení vibračního motoru přímo z mikrokontroléru) a většina mikrokontrolérů má proudová omezení, která vibrace oslabují síla)

Ovladač haptického motoru (rozhraní mezi mikrokontrolérem a vibračním motorem):

Ovladač haptického motoru (DRV2605L, vyráběný společností Texas Instruments a distribuovaný společností Adafruit)

Li -Po baterie (někde v rozmezí 100 - 350 mAh by mělo být dost):

3,7 V, 350 mAh Li-Po

Silikonový drát:

22 AWG silikonový drát (silikon poskytuje skvělou rovnováhu pružnosti a trvanlivosti drátu a má správný průměr)

Materiál Velostat

Velostat je povrch citlivý na tlak, který při stlačení nebo stlačení mění odpor

Páska

Jakýkoli typ pásky (potrubí, skotská, elektrická, maskovací) bude fungovat, ale doporučuji průhlednou a širokou balicí pásku. Bude vám stačit jen pár palců

Hliníková fólie (Potřebujete jen asi 4 x 4 palce)

Software:

Arduino IDE (zdarma ke stažení a použití, stáhněte si jej zde a nainstalujte:

Krok 1: Sestavte si snímač tlaku Velostat

Je to jednodušší, než si myslíte.

1. Ořízněte svůj velostat na požadovanou velikost. Pomocí nůžek ořízněte list velostatu na libovolný snímač velikosti, který potřebujete. Pokud používáte tuto protézu na nohy, udělejte ji o velikosti paty. Pokud ho používáte na ruce nebo prsty, udělejte z něj rozměry jakékoli kůže, kterou chcete zakrýt.

2. Odřízněte hliníkovou fólii podle velikosti. Odřízněte dva kusy hliníkové fólie na stejné rozměry jako kus velostatu. Vložte kus velostatu mezi dva kusy hliníkové fólie. Hliníková fólie slouží jako vodivá vrstva.

3. Odizolujte silikonový drát. Pomocí odizolovače drátu odizolujte 3-4 palce odkrytého drátu ze dvou segmentů silikonového drátu. Každý silikonový drát by měl být asi 15-20 palců dlouhý (aby byly oba stejně dlouhé pro estetickou přitažlivost). Každý odizolovaný drát položte na stranu hliníkové fólie. Celková sendvičová objednávka je nyní: odizolovaný drát 1, hliníková fólie 1, velostat, hliníková fólie 2, odizolovaný drát 2.

4. Snímač tlaku pásku dohromady. Přilepte sendvič se součástmi a odstřihněte všechny kousky pásky, aby bylo vše bezpečně spojeno dohromady. Je nesmírně důležité, aby velostat čistě oddělil obě strany sendviče (hliníková fólie / odizolovaný drát na dně NESMÍ být v kontaktu s žádnou částí horních vodivých povrchů).

5. Oplette drát. Chcete -li udržet vodiče pohromadě a zabránit jim v pohybu během pohybu uživatele, otočte je k sobě (čím vícekrát se budete točit, tím bezpečnější budou). To je také dobrá elektrotechnická praxe, když máte skupiny dlouhých vodičů od stejného počátečního do koncového bodu.

Krok 2: Připojte své součásti

Čas na připojení všech vašich individuálních elektronických součástek. Pájel jsem všechny své součásti dohromady, ale je také možné použít prkénko (v takovém případě budete stále muset připájet kolíky na mikrokontrolér a ovladač haptického motoru).

1. Senzor tlaku pájky k mikrokontroléru: Připojte jeden ze svých splétaných vodičů k analogovému (A1) pinu svého mikrokontroléru a zbývající opletený vodič připájejte ke kolíku Ground (Gnd).

2. Pájecí vibrační motor na ovladač haptického motoru: Červený (kladný) vodič vibračního motoru připájejte na svorku + a modrý (uzemňovací) vodič na - svorku ovladače haptického motoru.

3. Pájecí ovladač haptického motoru k mikrokontroléru: Pomocí dvou velmi krátkých segmentů silikonového drátu připájejte následující kolíky ovladače haptického motoru k mikrokontroléru.

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

*Ovladač haptického motoru používá k „hovoru“s mikrokontrolérem typ komunikačního systému s názvem I2C. Piny SCL a SDA jsou cestami, kde může probíhat tato komunikace.

4. Připojte baterii: Připojte konektor Li-Po baterie k mikrokontroléru. Pokud je vaše baterie trochu nabitá, může se rozsvítit LED na mikrokontroléru. První známky života!:)

Krok 3: Programování elektroniky

Pokud jste si ještě nestáhli a nenainstalovali Arduino IDE, je nejvyšší čas. Rád svůj program „pseudokóduji“slovy, než začnu kódovat, takže už jsem přišel na to, co potřebuji v C ++ napsat.

Zde je to, co dělá náš kód protetického softwaru:

Náš mikrokontrolér mnohokrát za sekundu čte hodnotu tlaku, kterou snímač detekuje, a pokud je hodnota tlaku dostatečně silná (jinými slovy, senzor je v kontaktu se zemí), aktivujeme jakýkoli vzor vibrací, který chceme od řidič haptického motoru. Přiložený kód splňuje tuto základní funkci, ale je snadné přizpůsobit váš motor tak, aby poskytoval vibrace různých vzorů nebo síly na základě různých hodnot, které snímač tlaku detekuje (tj. Lehký kontakt vs. silný kontakt)

*Předpokládám základní znalosti používání Arduino IDE, instalace knihoven a nahrávání kódu do připojeného mikrořadiče. Pokud jste v Arduinu úplným nováčkem, použijte tyto návody, abyste se dostali do tempa.

1. Stáhněte a nainstalujte soubory Adafruit DRV do stejné složky, ve které je vaše skica Arduino.

2. Stáhněte, nahrajte a spusťte program LevitateVelostatCode na svém mikrokontroléru (nezapomeňte správně nastavit proměnné na základě citlivosti vašeho senzoru velostat. Hodnoty CLIFF & CUTOFF můžete kalibrovat otevřením sériového monitoru Arduino a testováním různých tlakové limity, pro případ použití, který potřebujete.

3. Gratulujeme! Už máte funkční protetický přístroj. Zbytek je na estetice a rozhodování, jak jej chcete připevnit k tělu uživatele.

Krok 4: Form Factor + Estetics

Je jen na vás, kde a jak chcete Moonwalk připevnit k tělu uživatele. Můj původně předpokládaný případ použití byl pro detekci kontaktu nohou, takže tlakový senzor se přirozeně vešel pod patu uživatele.

Aby byla elektronika hezká a kompaktní, navrhl a vyrobil jsem pouzdro (3D vytištěné a silikonové, aby byl umožněn flexibilní kontakt s pokožkou). Připojil jsem 3D soubory (ve formátu. STL) k tomuto Instructable.

*Pro maximální vibrace je důležité, aby motor LRA (který funguje tak, že rychle generuje vibrace z pružiny osy z) byl v přímém kontaktu s povrchy, které se dotýkají pokožky (na rozdíl od ERM, pokud se LRA vznáší ve vzduchu, váš kůže nic necítí). Pro můj návrh má největší smysl připevnit elektroniku pomocí nanosukce / gelové podložky (ty lze snadno zakoupit online a jsou skvělé pro více použití na kůži), lékařské pásky nebo látkového pouzdra. Teoreticky byste také mohli Moonwalk vklouznout pod elastické / spandexové oblečení, pokud je použito na noze nebo stehně.

Krok 5: Hotová protetika

Doufám, že vám můj design poslouží. Neváhejte vyladit, remixovat a vylepšit tento základní design - a nebuďte cizí! Můžu být kontaktován prostřednictvím mých webových stránek (www.akshaydinakar.com/home).