Moonwalk: a Haptic Feedback Prosthetic: 5 trinn

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

Beskrivelse:

Moonwalk er en trykkfølsom protetisk enhet for personer med nedsatt taktil følelse (nevropati-lignende symptomer). Moonwalk ble designet for å hjelpe enkeltpersoner til å motta nyttig haptisk tilbakemelding når føttene kommer i kontakt med bakken, slik at de kan forbedre balansen + mobilitet.

Designet og laget åpen kildekode av Akshay Dinakar.

For å se flere prosjekter og kreasjoner, besøk www.akshaydinakar.com/lab, det non-profit designstudioet til Akshay Dinakar Design.

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

Denne protesen bruker en velostatsensor (festet via medisinsk vedheft, nanosuging eller stoffhylse til en hvilken som helst relevant del av kroppen) for å lese inn trykkverdier via analoge pinner på en passende mikrokontroller. Når trykkverdien når en viss grense, aktiveres et spesifisert haptisk signal som varsler brukeren om at de har fått kontakt med en overflate.

Min intensjon:

Hensikten med dette prosjektet er å lage en rimelig protetisk enhet for å forbedre uavhengigheten + mobiliteten til ethvert individ med nummenhet i en del av kroppen. Jeg har personlig erfaring med familiemedlemmer som opplever denne tilstanden, og ønsket å lage en tilgjengelig løsning som andre med begrenset ingeniørerfaring kunne sette sammen på egen hånd. På grunn av individualisering av symptomer og variasjon i tilgjengeligheten av elektroniske komponenter, er det utfordrende å lage en enhet som fungerer for en rekke bruksområder. Imidlertid er jeg stolt over å gi ut Moonwalk som en løsning som kan brukes på alle lemmer / berørte deler av kroppen, kompatibel med en rekke formfaktorer (avhengig av hva som er mest passende for brukeren).

Av estetiske hensyn og profesjonell finish har jeg brukt avanserte fabrikasjonsteknikker inkludert lodding, silikonstøping / støping og 3D-utskrift for å montere denne protesen. Imidlertid får enkle breadboarding og syteknikker også jobben gjort.

Bakgrunn:

Nesten 20 millioner individer i USA alene opplever nevropati, en vanlig bivirkning av diabetes, kreft og leddgikt. Nevropati er preget av en blanding av skarpe kriblende smerter og nummenhet i hender og føtter på enkeltpersoner, som et resultat av perifer nerveskade. Nevropati kan alvorlig begrense mobiliteten ved å redusere følelsen av berøring når føtter og hender kommer i kontakt med overflater. Imidlertid kan haptisk tilbakemelding i form av vibrasjoner på upåvirkede deler av kroppen hjelpe enkeltpersoner med å gjenvinne balansen ved å koble tilbakemeldingen til deres proprioceptive sans.

Rekvisita

Maskinvare:

Mikrokontroller (noen av alternativene nedenfor er fantastiske):

• Arduino Nano (minste fysiske størrelse, men krever ekstra elektroniske komponenter for lading)
• Adafruit Flora (gå-til-alternativ for wearables-flat formfaktor og har innebygd lading)
• Adafruit Feather (har mange ekstra funksjoner som vi ikke trenger, men en veldig kompakt form og innebygd lading). Jeg skal bruke denne mikrokontrolleren til denne opplæringen. Det er forskjellige versjoner av Feather enn det inkluderer BLE, WiFi eller radiobrikker - alt vil fungere.

Vibrasjonsmotor:

LRA -vibrasjonsmotor (i stand til å gi mye mer tilpassbar vibrasjonssensasjon enn den typiske ERM -vibrasjonsmotoren). Enhver vibrasjonsmotor under 3V vil fungere, men en LRA vil være den sterkeste vibrasjonsutgangen (vi bruker en forenklet krets for å gjøre vårt design kompakt [driver vibrasjonsmotoren direkte fra mikrokontrolleren), og de fleste mikrokontrollere har strømbegrensninger som svekker vibrasjonen styrke)

Haptic Motor Driver (grensesnitt mellom mikrokontrolleren og vibrasjonsmotoren):

Haptic Motor Driver (DRV2605L, produsert av Texas Instruments og distribuert av Adafruit)

Li -Po -batteri (et sted i området 100 - 350 mAh burde være rikelig):

3,7v, 350 mAh Li-Po

Silikontråd:

22 AWG Silicone Wire (silikonet gir en god balanse mellom fleksibilitet og holdbarhet for ledningen, og har riktig diameter)

Velostat materiale

Velostat er en trykkfølsom overflate som endrer motstand når den presses eller komprimeres

Teip

Enhver type tape (kanal, Scotch, elektrisk, maskering) vil fungere, men jeg anbefaler en transparent og bred emballasje tape. Du trenger bare noen få centimeter

Aluminiumsfolie (du trenger bare omtrent 4 x 4 tommer)

Programvare:

Arduino IDE (gratis å laste ned og bruke, hent den her og installer:

Trinn 1: Sett sammen din Velostat trykksensor

Det er enklere enn du tror.

1. Klipp velostaten i størrelse. Bruk en saks til å trimme velostatarket til hvilken størrelse sensor du trenger. Hvis du bruker denne protesen for føtter, må du gjøre den på størrelse med en hæl. Hvis du bruker det til hender eller fingre, må du gjøre det til dimensjonene til hvilken hud du vil dekke.

2. Skjær aluminiumsfolie i størrelse. Skjær to stykker aluminiumsfolie til samme dimensjoner som stykke velostat. Smør velostatstykket mellom de to stykkene aluminiumsfolie. Aluminiumsfolien fungerer som et ledende lag.

3. Strip silikontråd. Ved bruk av strippere fjerner du 3-4 tommer eksponert ledning av to silikontrådssegmenter. Hver silikontråd skal være omtrent 15-20 tommer lang (gjør dem begge like lange for estetisk appell). Legg hver strippet tråd på en side av aluminiumsfolien. Den generelle sandwichordren er nå: strippet wire 1, aluminiumsfolie 1, velostat, aluminiumsfolie 2, strippet wire 2.

4. Tape trykksensor sammen. Tape over komponentsmørbrødet og kutt bort eventuelle ekstra bånd, slik at alt er festet godt sammen. Det er ekstremt viktig at velostaten skiller rent de to sidene av smørbrødet (aluminiumsfolien / avisolert ledning på bunnen bør IKKE komme i kontakt med noen del av de øverste ledende overflatene).

5. Flett ledningen. For å holde ledningene sammen og forhindre at de flopper rundt under brukerbevegelse, snurr du dem sammen (jo flere ganger du snurrer, desto sikrere blir de). Dette er også god elektroteknisk praksis når du har grupper med lange ledninger som går fra samme start til sluttpunkt.

Trinn 2: Koble til komponentene

På tide å koble til alle dine individuelle elektroniske deler. Jeg loddet alle komponentene mine sammen, men det er også mulig å bruke et brødbrett (i så fall må du fortsatt lodde pinner på mikrokontrolleren og haptisk motordriver).

1. Loddetrykksensor til mikrokontroller: Koble en av dine flettede ledninger til en analog (A1) pinne på mikrokontrolleren, og lodd den gjenværende flettede ledningen til jord (Gnd) pinnen.

2. Loddevibrasjonsmotor til haaptisk motordriver: Lodd den røde (positive) ledningen til vibrasjonsmotoren til + -terminalen, og den blå (bakken) ledningen til - terminalen til haptisk motordriver.

3. Loddehaptisk motordriver til mikrokontroller: Ved hjelp av to veldig korte silikontrådssegmenter loddes følgende pinner på haptisk motordriver til mikrokontrolleren.

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

*Den haptiske motorføreren bruker en type kommunikasjonssystem kalt I2C for å "snakke" med mikrokontrolleren. SCL- og SDA -pinnene er veiene for denne kommunikasjonen.

4. Koble til batteri: Koble Li-Po-batterihodet til mikrokontrolleren. Hvis batteriet har en viss ladning, kan det lyse en LED på mikrokontrolleren. Første tegn på liv!:)

Trinn 3: Programmering av elektronikken din

Hvis du ikke har lastet ned og installert Arduino IDE ennå, er det på tide. Jeg liker å "pseudokode" programmet mitt med ord før jeg begynner å kode, slik at jeg allerede har funnet ut hva jeg trenger å skrive i C ++.

Her er hva vår protetiske programvarekode gjør:

Mange ganger i sekundet leser mikrokontrolleren inn trykkverdien som sensoren oppdager, og hvis trykkverdien er sterk nok (med andre ord, sensoren er i kontakt med bakken), aktiverer vi det vibrasjonsmønsteret vi ønsker fra haptisk motorfører. Den vedlagte koden oppnår denne grunnfunksjonaliteten, men det er enkelt å tilpasse motoren din til å gi vibrasjoner av forskjellige mønstre eller styrke, basert på forskjellige verdier trykksensoren oppdager (dvs. lyskontakt vs. sterk kontakt)

*Jeg antar en grunnleggende kunnskap om bruk av Arduino IDE, installering av biblioteker og opplasting av kode til en tilkoblet mikrokontroller. Hvis du er helt ny på Arduino, kan du bruke disse opplæringene for å få fart.

1. Last ned og installer Adafruit DRV -filene i samme mappe som Arduino -skissen din er i.

2. Last ned, last opp og kjør LevitateVelostatCode -programmet på mikrokontrolleren din (sørg for å sette variablene riktig ut fra sensitiviteten til velostatsensoren. Du kan kalibrere CLIFF & CUTOFF -verdiene ved å åpne Arduino Serial Monitor og teste ut forskjellige trykkgrenser, for brukstilfellet du trenger.

3. Gratulerer! Du har allerede en fungerende protese. Resten er estetikk og bestemmer hvordan du vil feste den til brukerens kropp.

Trinn 4: Formfaktor + Estetikk

Det er opp til deg hvor og hvordan du vil at Moonwalk skal festes til brukerens kropp. Min opprinnelige tenkte brukstilfelle var for deteksjon av fotkontakt, så trykksensoren passet naturlig inn under brukerens hæl.

For å holde elektronikken fin og kompakt, designet og produserte jeg en husbeholder (3D-trykt og silikonstøpt for å gi fleksibel kontakt med huden). Jeg har lagt ved 3D -filene (i. STL -skjema) til denne instruksjonsboken.

*For maksimal vibrasjon er det viktig at LRA-motoren (som fungerer ved raskt å generere vibrasjoner fra en z-aksefjær) er i direkte kontakt med overflater som berører huden (i motsetning til en ERM, hvis en LRA flyter i luften, vil din huden vil ikke føle noe). For mitt design er det mest fornuftig å feste elektronikken via en nanosuging / gelpute (disse kan enkelt kjøpes online og er gode for flere bruksområder på huden), medisinsk tape eller en kluthylse. I teorien kan du også skyve Moonwalk under elastiske / spandexklær, hvis det brukes på beinet eller låret.

Trinn 5: Den ferdige protesen

Jeg håper designet mitt er til nytte for deg. Du er velkommen til å tilpasse, remikse og forbedre denne basedesignen - og ikke vær en fremmed! Jeg kan kontaktes via nettstedet mitt (www.akshaydinakar.com/home).