Exoskeleton -olkapään kuntoutus: 10 vaihetta

2024 Kirjoittaja: John Day | [email protected]. Viimeksi muokattu: 2024-01-30 09:01

Olkapää on yksi monimutkaisimmista osista koko ihmiskehossa. Sen nivelet ja olkanivel mahdollistavat olkapään laajat liikkeet käsivarressa ja ovat siten melko monimutkaisia mallinnettavaksi. Tämän seurauksena olkapään kuntoutus on klassinen lääketieteellinen ongelma. Tämän projektin tavoitteena on suunnitella robotti, joka auttaa tätä kuntoutusta.

Tämä robotti muodostuu eksoskeletonista, jossa on erilaisia antureita, jotka mittaavat asiaankuuluvia parametreja käsivarren liikkeen luonnehtimiseksi ja vertaavat sitten saatuja tuloksia tietokantaan antaakseen välittömästi palautetta potilaan olkapään liikkeen laadusta.

Laite näkyy yllä olevissa kuvissa. Tämä exoskeleton on kiinnitetty valjaisiin, joita potilas käyttää. On myös hihnat, joilla laitteen varsi voidaan kiinnittää potilaan käsivarteen.

Olemme Brysselin teknillisen tiedekunnan (Bruface) opiskelijoita ja meillä on tehtävä Mechatronics 1 -kurssille: toteuta projekti ehdotusluettelosta, josta valitsimme olkapään kuntoutusrobotin.

Mechatronics 1 -ryhmän 7 jäsenet:

Gianluca Carbone

Ines Henriette

Pierre Pereira Acuna

Radu Rontu

Thomas Wilmet

Vaihe 1: Materiaalit

- 3D -tulostin: PLA -muovia

- Laserleikkauskone

- MDF 3mm: pinta 2m²

- 2 kiihtyvyysmittaria MMA8452Q

- 2 potentiometriä: PC20BU

- Laakerit: Sisähalkaisija 10 mm; Ulkohalkaisija 26 mm

- Lineaariset ohjauskiskot: leveys 27 mm; vähimmäispituus 300 mm

- Selkävyöt ja hihnat

- Arduino Uno

- Arduino -kaapelit: 2 väylää ruokintaan (3, 3 V: n kiihtyvyysmittari ja 5 V: n potentiometri), 2 väylää kiihtyvyysmittarin mittaukseen, 1 väylä massaan. (leipälauta):

- Ruuvit:

Laakerille: M10 pultit ja mutterit, Rakenteelle yleensä: M3- ja M4 -pultit ja mutterit

Vaihe 2: Pääidea

Jotta olkapään kuntoutus olisi helpompaa, tämän laitteen tarkoituksena on auttaa olkapään kuntoutusta perusliikkeiden jälkeen kotona prototyypin avulla.

Liikkeet, joihin olemme päättäneet keskittyä harjoituksina, ovat: edestä tapahtuva sieppaus (vasen kuvassa) ja ulkoinen kierto (oikea).

Prototyypissämme on erilaisia antureita: kaksi kiihtyvyysmittaria ja kaksi potentiometriä. Nämä anturit lähettävät tietokoneelle käsivarren ja kyynärvarren kulmien arvot pystyasennosta. Eri tiedot piirretään sitten tietokantaan, joka edustaa optimaalista liikettä. Tämä juoni tehdään reaaliajassa, jotta potilas voi suoraan verrata omaa liikettäan saatuun liikkeeseen ja siten korjata itsensä pysyäkseen mahdollisimman lähellä täydellistä liikettä. Tätä osaa käsitellään tietokannan vaiheessa.

Kaaviotulokset voidaan lähettää myös ammattitaitoiselle fysioterapeutille, joka tulkitsee tiedot ja antaa neuvoja potilaalle.

Käytännön näkökulmasta, koska olkapää on yksi ihmiskehon monimutkaisimmista nivelistä, ajatuksena oli estää tietty liikealue, jotta vältytään huonolta liikkeen toteutumiselta, jotta prototyyppi sallii vain nämä kaksi liikettä.

Lisäksi laite ei vastaa täydellisesti potilaan anatomiaa. Tämä tarkoittaa, että eksoskeletonin pyörimisakseli ei vastaa täydellisesti potilaan olkapäätä. Tämä tuottaa vääntömomentteja, jotka voivat rikkoa laitteen. Tämän kompensoimiseksi on toteutettu joukko kiskoja. Tämä mahdollistaa myös suuren joukon potilaita käyttämään laitetta.

Vaihe 3: Laitteen eri osat

Tästä osasta löydät kaikki käyttämiemme kappaleiden tekniset piirustukset.

Jos haluat käyttää omaa, ole huolissasi siitä, että jotkut kappaleet ovat alttiita korkeille rajoituksille: esimerkiksi laakerin akselit altistuvat paikallisille muodonmuutoksille. Jos ne on 3D-tulostettu, ne on tehtävä tiheänä ja riittävän paksuna, jotta ne eivät rikkoudu.

Vaihe 4: Asennus - Taustalevy

Tässä videossa näet liukusäätimen, jolla korjataan yksi DOF (lineaarinen ohjain kohtisuorassa takalevyyn nähden). Tämä liukusäädin voitaisiin myös laittaa käsivarteen, mutta videossa esitetty ratkaisu antoi parempia teoreettisia tuloksia 3D -ohjelmistosta, prototyypin liikkeen testaamiseksi.

Vaihe 5: Kokoonpano - sieppauksen artikulaatio

Vaihe 6: Kokoonpano - Ulkoinen pyöriminen

Vaihe 7: Lopullinen kokoonpano

Vaihe 8: Kierroskaavio

Nyt kun koottu prototyyppi korjaa asianmukaisesti olkapään vääristymän ja onnistuu seuraamaan potilaan liikettä kahden halutun suunnan rinnalla, on aika siirtyä seurantaosaan ja erityisesti projektin sähköosaan.

Joten kiihtyvyysmittarit saavat kiihtyvyystietoja suunnitelman jokaisen suunnan rinnalla, ja koodi laskee erilaiset mielenkiintoiset kulmat mitatusta datasta. Eri tulokset lähetetään matlab -tiedostoon Arduinon kautta. Matlab -tiedosto piirtää sitten tulokset reaaliajassa ja vertaa saatua käyrää tietokantaan hyväksyttävistä liikkeistä.

Johdotuskomponentit Arduinoon:

Tämä on kaavamainen esitys eri elementtien välisistä eri yhteyksistä. Käyttäjän tulee olla varovainen, että yhteydet riippuvat käytetystä koodista. Esimerkiksi ensimmäisen kiihtyvyysmittarin I1 -lähtö on kytketty maahan, kun taas toisen ulostulo on kytketty 3,3 V. Tämä on yksi tapa erottaa kaksi kiihtyvyysmittaria Arduinon näkökulmasta.

Kytkentäkaavio:

Vihreä - kiihtyvyysanturit

Punainen - Arduinon tulo A5 tietojen keräämiseksi kiihtyvyysmittarista

Vaaleanpunainen - syötä Arduinon A4, jotta voit kerätä tietoja kiihtyvyysmittarista

Musta - maa

Harmaa - Mittaukset ensimmäisestä potentiometristä (etuosan sieppausrullasta)

Keltainen - Mittaukset toisesta potentiometristä (ulkoisessa pyörimispyörässä)

Sininen - Potentiometrit Alimentation

Vaihe 9: Tietokanta

Nyt kun tietokone vastaanottaa kulmat, tietokone tulkitsee ne.

Tämä on kuva valitun tietokannan esityksestä. Tässä tietokannassa siniset käyrät edustavat hyväksyttävän liikkeen vyöhykettä ja punainen käyrä edustaa täydellistä liikettä. On korostettava, että tietokanta on tietysti avoin muutoksille. Ihannetapauksessa tietokannan parametrit tulisi määrittää ammattitaitoisen fysioterapeutin neuvoa todellisista optimaalisista kuntoutusparametreista.

Valittu optimaalinen liike tässä punaisena, perustuu kokemukseen ja on sellainen, että käsivarsi saavuttaa 90 ° 2,5 sekunnissa, mikä vastaa vakiokulmanopeutta 36 °/s (tai 0, 6283 rad/s).

Hyväksyttävä vyöhyke (sininen) on suunniteltu 3 -kertaiseksi kappaleittain funktioksi tässä tapauksessa sekä ylä- että alarajalle. Suurempien tilausten toimintoja voitaisiin myös harkita parantavan käyrien muotoa tai jopa harjoituksen monimutkaisuutta. Tässä esimerkissä harjoitus on hyvin yksinkertainen: 3 toistoa 0–90 ° liikkeellä.

Koodi piirtää yhden tämän tietokannan anturin - kiinnostuksen kohteena olevan kuntoutusharjoituksen - tulokset. Peli potilaalle on nyt mukauttaa käsivartensa nopeutta ja asentoa niin, että käsivarsi pysyy sinisen alueen, hyväksyttävän alueen sisällä ja mahdollisimman lähellä punaista käyrää, täydellinen liike.