Moonwalk: протеза с хаптична обратна връзка: 5 стъпки

2024 Автор: John Day | [email protected]. Последно модифициран: 2024-01-30 07:51

Описание:

Moonwalk е чувствително на натиск протезно устройство за лица с нарушено тактилно усещане (подобни на невропатия симптоми). Moonwalk е създаден, за да помогне на хората да получат полезна хаптична обратна връзка, когато краката им дойдат в земята, така че да могат да подобрят баланса + мобилността.

Проектиран и направен с отворен код от Akshay Dinakar.

За да видите още проекти и творения, посетете www.akshaydinakar.com/lab, дизайнерското студио с нестопанска цел на Akshay Dinakar Design.

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

Това протезно устройство използва сензор за велостат (прикрепен чрез медицинска адхезия, наносукция или тъканна втулка към всяка подходяща част от тялото), за да отчете стойностите на налягането чрез аналогови щифтове на подходящ микроконтролер. След като стойността на налягането достигне определена граница, се активира определен хаптичен сигнал, който предупреждава потребителя, че е осъществил контакт с повърхност.

Моето намерение:

Целта на този проект е да се създаде евтино протезно устройство, което да подобри независимостта и мобилността на всеки индивид с изтръпване в част от тялото му. Имам личен опит с членове на семейството, които изпитват това състояние, и исках да създам достъпно решение, което други с ограничен инженерен опит биха могли да сглобят сами. Поради индивидуализацията на симптомите и разнообразието в наличността на електронни компоненти е предизвикателство да се създаде устройство, което да работи за редица случаи на употреба. Горд съм обаче да пусна Moonwalk като решение, което може да се използва върху всеки крайник / засегнатата част на тялото, съвместимо с набор от форм -фактори (което е най -подходящото за потребителя).

За естетически съображения и професионален завършек, аз използвах усъвършенствани техники за производство, включително запояване, силиконово формоване / леене и 3D печат, за да сглобя тази протеза. Простите техники за нарязване и шиене също свършват работата.

Заден план:

Близо 20 милиона души само в САЩ изпитват невропатия, често срещан страничен ефект от диабет, рак и артрит. Невропатията се характеризира със смес от остри изтръпващи болки и изтръпване в ръцете и краката на индивиди, в резултат на увреждане на периферните нерви. Невропатията може сериозно да ограничи подвижността чрез намаляване на усещането за допир, когато краката и ръцете влизат в контакт с повърхности. Обаче хаптичната обратна връзка под формата на вибрации върху незасегнатите части на тялото може да помогне на хората да възстановят баланса, като свържат обратната връзка с проприоцептивния им усет.

Консумативи

Хардуер:

Микроконтролер (всяка от опциите по -долу е фантастична):

• Arduino Nano (най -малкият физически размер, но ще изисква допълнителни електронни компоненти за зареждане)
• Adafruit Flora (отидете на опция за носене-плосък форм-фактор и има вградено зареждане)
• Adafruit Feather (има много допълнителни функции, които не ни трябват, но много компактна форма и вградено зареждане). Ще използвам този микроконтролер за този урок. Има различни версии на Feather, освен BLE, WiFi или Radio чипове - всяка ще работи.

Вибрационен двигател:

Вибрационен двигател LRA (способен да осигури много по -персонализирано вибрационно усещане от типичния вибрационен двигател ERM). Всеки вибрационен двигател под 3V ще работи, но LRA ще бъде най -силният вибрационен изход (използваме опростена схема, за да направим нашия дизайн компактен [захранващ вибрационния двигател директно от микроконтролера), а повечето микроконтролери имат ограничения по ток, които отслабват вибрациите сила)

Драйвер на тактилен двигател (интерфейси между микроконтролера и вибрационния двигател):

Драйвер за тактилен двигател (DRV2605L, произведен от Texas Instruments и разпространен от Adafruit)

Li -Po батерия (някъде в диапазона 100 - 350 mAh трябва да е много):

3.7v, 350 mAh Li-Po

Силиконов проводник:

22 AWG силиконова тел (силиконът осигурява голям баланс на гъвкавост и издръжливост на жицата и е с правилния диаметър)

Материал на Velostat

Velostat е чувствителна към натиск повърхност, която променя съпротивлението при притискане или компресиране

Лента

Всеки тип лента (канална, шотландска, електрическа, маскираща) ще работи, но препоръчвам прозрачна и широка опаковъчна лента. Ще ви трябват само няколко сантиметра

Алуминиево фолио (имате нужда само от около 4x4 инча)

Софтуер:

Arduino IDE (Безплатно за изтегляне и използване, вземете го тук и инсталирайте:

Стъпка 1: Сглобете вашия сензор за налягане Velostat

По -просто е, отколкото си мислите.

1. Нарежете вашия велостат по размер. Използвайте ножица, за да отрежете листа с велостат до какъвто и датчик за размер да имате нужда. Ако използвате тази протеза за крака, направете я с размера на петата. Ако го използвате за ръце или пръсти, направете го с размерите на всяка кожа, която искате да покриете.

2. Нарежете алуминиево фолио по размер. Нарежете две парчета алуминиево фолио със същите размери като парчето велостат. Сандвич парчето велостат между двете парчета алуминиево фолио. Алуминиевото фолио служи като проводим слой.

3. Извадете силиконов проводник. С помощта на машините за отстраняване на тел отстранете 3-4 инча открита жица от два сегмента силиконова тел. Всяка силиконова жица трябва да е дълга около 15-20 инча (направете ги еднакво дълги за естетическа привлекателност). Поставете всяка оголена тел отстрани на алуминиевото фолио. Общата поръчка на сандвичи сега е: оголена тел 1, алуминиево фолио 1, велостат, алуминиево фолио 2, оголена тел 2.

4. Свържете сензора за налягане заедно. Залепете върху вашия сандвич с компоненти и отрежете всички допълнителни парчета лента, така че всичко да е здраво свързано заедно. Изключително важно е велостатът да разделя чисто двете страни на сандвича (алуминиевото фолио / оголената тел отдолу НЕ трябва да влиза в контакт с която и да е част от горните проводими повърхности).

5. Оплетете жицата. За да държите кабелите заедно и да ги предпазите от преобръщане по време на движение на потребителя, завъртете ги заедно (колкото повече пъти се въртите, толкова по -сигурни ще бъдат те). Това също е добра електротехническа практика, когато имате групи от дълги проводници, преминаващи от една и съща начална до крайна точка.

Стъпка 2: Свържете вашите компоненти

Време е да свържете всичките си отделни електронни части. Запоявах всичките си компоненти заедно, но също така е възможно да се използва макет (в този случай все още ще трябва да запоявате щифтове към вашия микроконтролер и драйвер за хаптичен двигател).

1. Сензор за налягане на запояване към микроконтролер: Свържете един от вашите плетени проводници към аналогов (A1) щифт на вашия микроконтролер и запойте останалия оплетен проводник към заземяващия (Gnd) щифт.

2. Запояване на вибрационен двигател към драйвер за хаптичен двигател: Запоявайте червения (положителен) проводник на вашия вибрационен двигател към клемата + и синия (заземен) проводник към - терминала на драйвера на хаптичния двигател.

3. Припояване на драйвер за тактилен двигател към микроконтролер: Използвайки два много къси сегмента от силиконова жица, запоявайте следните щифтове на драйвера на хаптичния двигател към микроконтролера.

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

*Драйверът на тактилния двигател използва тип комуникационна система, наречена I2C, за да „говори“с микроконтролера. Пиновете SCL и SDA са пътищата за осъществяване на тази комуникация.

4. Свържете батерията: Включете заглавката на Li-Po батерията към микроконтролера. Ако батерията ви е заредена, тя може да светне светодиод на микроконтролера. Първите признаци на живот!:)

Стъпка 3: Програмиране на вашата електроника

Ако все още не сте изтеглили и инсталирали Arduino IDE, сега е моментът. Обичам да „псевдокодирам“програмата си с думи, преди да започна да кодирам, така че вече съм разбрал какво трябва да напиша в C ++.

Ето какво прави нашият протезен софтуерен код:

Много пъти в секунда нашият микроконтролер отчита стойността на налягането, която сензорът открива, и ако стойността на налягането е достатъчно силна (с други думи, сензорът е в контакт със земята), ние активираме какъвто и да е модел на вибрации, който искаме от драйвер на тактилен двигател. Приложеният код изпълнява тази основна функционалност, но е лесно да персонализирате двигателя си, за да осигури вибрации с различни модели или сила, въз основа на различни стойности, които сензорът за налягане открива (т.е. лек контакт срещу силен контакт)

*Предполагам основни познания за използване на Arduino IDE, инсталиране на библиотеки и качване на код към свързан микроконтролер. Ако сте съвсем нов за Arduino, използвайте тези уроци, за да ускорите.

1. Изтеглете и инсталирайте DRV файловете на Adafruit в същата папка, в която се намира скицата на Arduino.

2. Изтеглете, качете и стартирайте програмата LevitateVelostatCode на вашия микроконтролер (не забравяйте да настроите променливите по подходящ начин въз основа на чувствителността на вашия сензор за велостат. Можете да калибрирате стойностите CLIFF & CUTOFF, като отворите Arduino Serial Monitor и тествате различни граници на налягане, за случая на употреба, от който се нуждаете.

3. Поздравления! Вече имате работещо протезно устройство. Всичко останало е естетика и вземане на решение как да го прикрепите към тялото на потребителя.

Стъпка 4: Форм -фактор + естетика

От вас зависи къде и как искате Moonwalk да се прикрепи към тялото на потребителя. Първоначално предвиденият ми случай на използване беше за откриване на контакт с крака, така че сензорът за налягане естествено се побира под петата на потребителя.

За да поддържам електрониката приятна и компактна, проектирах и изработих контейнер за корпус (3D отпечатан и силиконов, за да позволи гъвкав контакт с кожата). Прикачих 3D файловете (под формата. STL) към тази инструкция.

*За максимални вибрации е важно двигателят LRA (който функционира чрез бързо генериране на вибрации от пружина по оста z) да е в пряк контакт с повърхности, които докосват кожата (за разлика от ERM, ако LRA плава във въздуха, вашият кожата няма да усети нищо). За моя дизайн е най -логично да прикачвам електрониката чрез наносукционна / гел подложка (те могат лесно да бъдат закупени онлайн и са чудесни за многократна употреба върху кожата), медицинска лента или платнена втулка. На теория бихте могли също да пъхнете Moonwalk под еластично облекло / спандекс, ако се използва върху крака или бедрото.

Стъпка 5: Готовата протеза

Надявам се моят дизайн да ви е полезен. Моля, не се колебайте да ощипвате, ремиксирате и подобрявате този основен дизайн - и не бъдете непознати! С мен могат да се свържат чрез моя уебсайт (www.akshaydinakar.com/home).