Rehabilitering av eksoskeleton skulder: 10 trinn

2024 Forfatter: John Day | [email protected]. Sist endret: 2024-01-30 11:22

Skulderen er en av de mest kompliserte delene av hele menneskekroppen. Artikulasjonene og skulderleddet tillater skulderen et bredt spekter av bevegelser i armen og er dermed ganske komplekse å modellere. Som en konsekvens er rehabilitering av skulderen et klassisk medisinsk problem. Målet med dette prosjektet er å designe en robot som hjelper denne rehabiliteringen.

Denne roboten vil ha form av et eksoskelet med forskjellige sensorer som vil måle relevante parametere for å karakterisere bevegelsen av armen, og deretter sammenligne de oppnådde resultatene med en database for å gi umiddelbar tilbakemelding på pasientens kvalitet på skulderbevegelsen.

Enheten kan sees på bildene like ovenfor. Dette eksoskjelettet er festet på en sele som bæres av pasienten. Det er også stropper for å feste armen på enheten til pasientens arm.

Vi er studenter ved Brussel ingeniørfakultet (Bruface), og vi har en oppgave for Mechatronics 1 -kurset: realiser et prosjekt fra en forslagsliste som vi valgte skulderrehabiliteringsroboten fra.

Medlemmer av Mechatronics 1 Group 7:

Gianluca Carbone

Ines Henriette

Pierre Pereira Acuna

Radu Rontu

Thomas Wilmet

Trinn 1: Materialer

- 3D -skriver: PLA -plast

- Laserskjæremaskin

- MDF 3 mm: overflate 2 m²

- 2 akselerometre MMA8452Q

- 2 potensiometre: PC20BU

- Lagre: Innvendig diameter 10 mm; Ytre diameter 26 mm

- Lineære føringsskinner: bredde 27 mm; minimal lengde 300 mm

- Ryggsele og stropper

- Arduino Uno

- Arduino kabler: 2 buss for Alimentation (3, 3V Accelerometer og 5V Potientiometer), 2 buss for Accelerometer måling, 1 buss for massen. (brødbrett):

- Skruer:

For lageret: M10 bolter og muttere, For konstruksjonen generelt: M3 og M4 bolter og muttere

Trinn 2: Hovedideen

For å hjelpe skulderrehabilitering, har denne enheten til hensikt å hjelpe rehabilitering av skulderen etter grunnleggende bevegelser hjemme med prototypen.

Bevegelsene vi har bestemt oss for å fokusere på som øvelser er: frontal abduksjon (venstre på bildet) og ekstern rotasjon (høyre).

Prototypen vår er utstyrt med forskjellige sensorer: to akselerometre og to potensiometre. Disse sensorene sender verdiene til vinklene på armen og underarmen fra en vertikal posisjon til en datamaskin. De forskjellige dataene blir deretter plottet på en database som representerer den optimale bevegelsen. Denne plottet gjøres i sanntid slik at pasienten direkte kan sammenligne sin egen bevegelse med bevegelsen for å oppnå, og dermed kan korrigere seg selv for å holde seg så nær den perfekte bevegelsen som mulig. Denne delen vil bli diskutert i databasetrinnet.

De plottede resultatene kan også sendes til en profesjonell fysioterapeut som kan tolke dataene og gi noen flere råd til pasienten.

Mer i det praktiske synspunktet, ettersom skulderen er en av de mest komplekse leddene i menneskekroppen, var tanken å forhindre visse bevegelsesområder for å unngå dårlig realisering av bevegelsen, slik at prototypen bare kan tillate disse to bevegelser.

Videre vil enheten ikke passe perfekt til pasientens anatomi. Dette betyr at aksen for rotasjonen av eksoskjelettet ikke passer perfekt til pasientens skulder. Dette genererer dreiemomenter som kan ødelegge enheten. For å kompensere for det, har et sett med skinner blitt implementert. Dette gjør det også mulig for et stort utvalg pasienter å bruke enheten.

Trinn 3: Ulike deler av enheten

I denne delen finner du alle de tekniske tegningene av brikkene vi brukte.

Hvis du vil bruke din egen, vær bekymret for det faktum at noen stykker er underlagt store begrensninger: lagerets aksler for eksempel utsettes for lokal deformasjon. Hvis de er 3D-trykte, bør de lages i høy tetthet og tykke nok til å forhindre at det går i stykker.

Trinn 4: Montering - Bakplate

På denne videoen kan du se glidebryteren som brukes til å korrigere en av DOF (den lineære guiden vinkelrett på bakplaten). Den glidebryteren kan også settes på armen, men løsningen som presenteres på videoen ga bedre teoretiske resultater på 3D -programvaren, for å teste bevegelsen til prototypen.

Trinn 5: Montering - bortføringsartikulasjon

Trinn 6: Montering - Ekstern rotasjonsartikulasjon

Trinn 7: Sluttmontering

Trinn 8: Kretsdiagram

Nå som den sammensatte prototypen korrekt korrigerer skulderens feiljustering og klarer å følge pasientens bevegelse sammen med de to ønsket retningene, er det på tide å gå på sporingsdelen og spesielt på den elektriske delen av prosjektet.

Så akselerometerne vil motta akselerasjonsinformasjon ved siden av alle planretningens retninger, og en kode vil beregne de forskjellige interessante vinklene fra de målte dataene. De forskjellige resultatene blir sendt til en matlab -fil gjennom Arduino. Matlab -filen trekker deretter resultatene i sanntid og sammenligner den oppnådde kurven med en database over akseptable bevegelser.

Kablingskomponenter til Arduino:

Dette er den skjematiske fremstillingen av de forskjellige forbindelsene mellom forskjellige elementer. Brukeren bør være forsiktig med at tilkoblingene er avhengige av koden som brukes. For eksempel er I1 -utgangen til det første akselerometeret koblet til bakken mens utgangen til den andre er koblet til 3,3V. Dette er en av måtene å skille de to akselerometrene fra Arduino -synspunktet.

Kabeldiagram:

Grønn - Akselerometer -alimentasjon

Rød - inngang A5 til Arduino for å samle inn data fra akselerometrene

Rosa - skriv inn A4 på Arduino for å samle inn data fra akselerometrene

Svart - Bakken

Grå - Målinger fra det første potensiometeret (på frontal abduksjonsrotul)

Gul - Målinger fra det andre potensiometeret (på den eksterne rotasjonsrotulen)

Blå - Potentiometre Alimentation

Trinn 9: Database

Nå som datamaskinen mottar vinklene, skal datamaskinen tolke dem.

Dette er et bilde av en representasjon av den valgte databasen. På denne databasen representerer de blå kurvene sonen for akseptabel bevegelse og den røde kurven representerer den perfekte bevegelsen. Det bør understrekes at databasen selvfølgelig er åpen for endringer. Ideelt sett bør databasens parametere fastsettes av en profesjonell fysioterapeut for å gi råd om de faktiske optimale rehabiliteringsparametrene.

Den valgte optimale bevegelsen her i rødt, er basert på erfaring og er slik at armen når 90 ° på 2,5 sekunder, noe som tilsvarer en konstant vinkelhastighet på 36 °/s, (eller 0, 6283 rad/s).

Den akseptable sonen (i blått) er designet med en 3 ordens stykkevis funksjon i dette tilfellet både for den øvre grensen og den nedre grensen. Høyere ordrefunksjoner kan like godt vurderes for å forbedre formen på kurvene eller til og med kompleksiteten i øvelsen. I dette eksemplet er øvelsen veldig enkel: 3 repetisjoner av 0 til 90 ° bevegelse.

Koden kommer til å plotte resultatene av en av sensorene - den av interesse som gir rehabiliteringsøvelsen vurdert - i denne databasen. Spillet nå for pasienten er å tilpasse armens hastighet og posisjon slik at armen holder seg innenfor den blå sonen, det akseptable området, og så nær den røde kurven som mulig, den perfekte bevegelsen.