Moonwalk: o proteză haptică de feedback: 5 pași

2024 Autor: John Day | [email protected]. Modificat ultima dată: 2024-01-30 11:43

Descriere:

Moonwalk este un dispozitiv protetic sensibil la presiune pentru indivizii cu senzație tactilă afectată (simptome asemănătoare neuropatiei). Moonwalk a fost conceput pentru a ajuta indivizii să primească feedback haptic util atunci când picioarele lor intră în contact cu solul, astfel încât să poată îmbunătăți echilibrul + mobilitatea.

Proiectat și realizat open-source de Akshay Dinakar.

Pentru a vedea mai multe proiecte și creații, vizitați www.akshaydinakar.com/lab, studioul de proiectare non-profit al Akshay Dinakar Design.

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

Acest dispozitiv protetic utilizează un senzor velostat (atașat prin aderență medicală, nanosucție sau manșon de țesătură la orice parte relevantă a corpului) pentru a citi valorile de presiune prin intermediul pinilor analogici pe un microcontroler adecvat. Odată ce valoarea presiunii atinge o anumită limită, se activează un semnal haptic specificat, care avertizează utilizatorul că a intrat în contact cu o suprafață.

Intenția mea:

Intenția acestui proiect este de a crea un dispozitiv protetic low-cost pentru a spori independența + mobilitatea oricărei persoane cu amorțeală într-o parte a corpului lor. Am experiență personală cu membrii familiei care experimentează această afecțiune și am dorit să creez o soluție accesibilă pe care alții cu o experiență limitată în inginerie ar putea să o asambleze singuri. Datorită individualizării simptomelor și varietății în disponibilitatea componentelor electronice, este dificil să creezi un dispozitiv care să funcționeze pentru o serie de cazuri de utilizare. Cu toate acestea, sunt mândru să lansez Moonwalk ca o soluție care poate fi utilizată pe orice membru / parte afectată a corpului, compatibilă cu o serie de factori de formă (care este cel mai potrivit pentru utilizator).

Pentru considerații estetice și finisaje profesionale, am folosit tehnici avansate de fabricare, inclusiv lipire, turnare / turnare din silicon și imprimare 3D pentru a asambla această proteză. Cu toate acestea, tehnicile simple de tăiere și cusut fac și treaba.

Fundal:

Aproape 20 de milioane de persoane doar în SUA suferă neuropatie, un efect secundar comun al diabetului, cancerului și artritei. Neuropatia se caracterizează printr-un amestec de dureri ascuțite de furnicături și amorțeală la nivelul mâinilor și picioarelor persoanelor, ca urmare a afectării nervilor periferici. Neuropatia poate limita sever mobilitatea prin reducerea senzațiilor de atingere atunci când picioarele și mâinile intră în contact cu suprafețele. Cu toate acestea, feedback-ul haptic sub formă de vibrații pe părți neafectate ale corpului poate ajuta indivizii să-și recapete echilibrul, conectând feedback-ul la simțul proprioceptiv.

Provizii

Hardware:

Microcontroler (oricare dintre opțiunile de mai jos sunt fantastice):

• Arduino Nano (cea mai mică dimensiune fizică, dar va necesita componente electronice suplimentare pentru încărcare)
• Adafruit Flora (opțiune inițială pentru articole portabile - factor de formă plat și are încărcare încorporată)
• Adafruit Feather (are o mulțime de caracteristici suplimentare de care nu avem nevoie, dar o formă foarte compactă și încărcare încorporată). Voi folosi acest microcontroler pentru acest tutorial. Există versiuni diferite de Feather decât includ chips-uri BLE, WiFi sau Radio - oricare va funcționa.

Motor de vibrații:

Motor de vibrații LRA (capabil să ofere o senzație de vibrație mult mai personalizabilă decât motorul tipic de vibrații ERM). Orice motor de vibrație sub 3V va funcționa, dar un LRA va fi cea mai puternică ieșire de vibrație (folosim un circuit simplificat pentru a face designul nostru compact [alimentarea motorului de vibrație direct de la microcontroler), iar majoritatea microcontrolerelor au limitări de curent care slăbesc vibrațiile putere)

Driver Haptic Motor (interfețe între microcontroler și motorul cu vibrații):

Driver de motor haptic (DRV2605L, fabricat de Texas Instruments și distribuit de Adafruit)

Baterie Li-Po (undeva în gama de 100 - 350 mAh ar trebui să fie suficientă):

3,7v, 350 mAh Li-Po

Sârmă din silicon:

Sârmă de silicon 22 AWG (siliconul oferă un echilibru excelent de flexibilitate și durabilitate pentru fir și are diametrul potrivit)

Material Velostat

Velostat este o suprafață sensibilă la presiune care schimbă rezistența atunci când este presată sau comprimată

Bandă

Orice tip de bandă (canal, scotch, electric, mascare) va funcționa, dar recomand o bandă de ambalare transparentă și largă. Veți avea nevoie doar de câțiva centimetri

Folie de aluminiu (Ai nevoie doar de aproximativ 4x4 inch)

Software:

Arduino IDE (gratuit pentru descărcare și utilizare, obțineți-l aici și instalați:

Pasul 1: Asamblați senzorul de presiune Velostat

Este mai simplu decât crezi.

1. Tăiați velostatul la dimensiune. Folosiți o foarfecă pentru a vă tăia foaia de velostat la orice dimensiune senzor de care aveți nevoie. Dacă utilizați această proteză pentru picioare, faceți-o de mărimea unui toc. Dacă îl utilizați pentru mâini sau degete, faceți-l să aibă dimensiunile pielii pe care doriți să o acoperiți.

2. Tăiați folia de aluminiu la dimensiune. Tăiați două bucăți de folie de aluminiu la aceleași dimensiuni ca și bucata de velostat. Îndepărtați bucata de velostat între cele două bucăți de folie de aluminiu. Folia de aluminiu servește ca strat conductiv.

3. Îndepărtați firul de silicon. Folosind decapanti de sârmă, îndepărtați 3-4 inci de sârmă expusă de pe două segmente de sârmă din silicon. Fiecare sârmă de silicon ar trebui să aibă o lungime de aproximativ 15-20 inci (faceți-le pe amândouă aceeași lungime pentru un aspect estetic). Așezați fiecare sârmă dezbrăcată pe o parte a foliei de aluminiu. Comanda generală de tip sandwich este acum: sârmă dezizolată 1, folie de aluminiu 1, velostat, folie de aluminiu 2, sârmă dezizolată 2.

4. Bandați senzorul de presiune împreună. Puneți bandă peste sandwich-ul component și tăiați orice bucăți suplimentare de bandă, astfel încât totul să fie atașat în siguranță. Este extrem de important ca velostatul să separe în mod curat cele două părți ale sandwich-ului (folia de aluminiu / firul despicat de pe partea de jos NU trebuie să fie în contact cu nicio parte a suprafețelor conductoare superioare).

5. Împletați firul. Pentru a menține firele împreună și a le împiedica să cadă în timpul mișcării utilizatorului, răsuciți-le împreună (cu cât mai multe ori vă răsuciți, cu atât vor fi mai sigure). Aceasta este, de asemenea, o bună practică de inginerie electrică atunci când aveți grupuri de fire lungi care merg de la același punct de pornire până la sfârșit.

Pasul 2: Conectați-vă componentele

Este timpul să vă conectați toate piesele electronice individuale. Mi-am lipit toate componentele împreună, dar este, de asemenea, posibil să folosești o placă de calcul (în acest caz, va trebui totuși să lipiți pinii pe microcontrolerul și driverul motorului haptic).

1. Senzor de presiune de lipit la microcontroler: Conectați unul dintre firele împletite la un pin analogic (A1) al microcontrolerului și lipiți firul împletit rămas la pinul de masă (Gnd).

2. Motor de vibrație de lipit la driverul motorului haptic: lipiți firul roșu (pozitiv) al motorului de vibrație la terminalul +, iar firul albastru (la sol) la terminalul - driverului motorului haptic.

3. Conductorul motorului hapic de lipit pe microcontroler: Folosind două segmente foarte scurte de sârmă de silicon, lipiți următorii pini de pe driverul motorului haptic pe microcontroler.

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

* Driverul motorului haptic folosește un tip de sistem de comunicație numit I2C pentru a „vorbi” cu microcontrolerul. Pinii SCL și SDA sunt căile pentru ca această comunicare să aibă loc.

4. Conectați bateria: conectați antetul bateriei Li-Po la microcontroler. Dacă bateria dvs. are o anumită încărcare, poate aprinde un LED pe microcontroler. Primele semne de viață!:)

Pasul 3: Programarea electronice

Dacă nu ați descărcat și instalat încă IDE-ul Arduino, acum este momentul. Îmi place să „pseudocodez” programul meu în cuvinte înainte de a începe codarea, astfel încât am aflat deja ce trebuie să scriu în C ++.

Iată ce face codul nostru software protetic:

De multe ori pe secundă, microcontrolerul nostru citește valoarea presiunii pe care o detectează senzorul și, dacă valoarea presiunii este suficient de puternică (cu alte cuvinte, senzorul este în contact cu solul), activăm orice model de vibrație dorim de la șofer de motor haptic. Codul atașat realizează această funcționalitate de bază, dar este ușor să vă personalizați motorul pentru a oferi vibrații de diferite tipare sau rezistență, pe baza diferitelor valori pe care senzorul de presiune le detectează (adică contact ușor vs. contact puternic)

* Presupun cunoștințe de bază despre utilizarea Arduino IDE, instalarea bibliotecilor și încărcarea codului pe un microcontroler conectat. Dacă sunteți complet nou în Arduino, utilizați aceste tutoriale pentru a vă pune la curent.

1. Descărcați și instalați fișierele Adafruit DRV în același folder în care se află schița dvs. Arduino.

2. Descărcați, încărcați și rulați programul LevitateVelostatCode pe microcontrolerul dvs. (asigurați-vă că setați variabilele în funcție de sensibilitatea senzorului velostat. Puteți calibra valorile CLIFF și CUTOFF deschizând Arduino Serial Monitor și testând diferite limite de presiune, pentru cazul de utilizare de care aveți nevoie.

3. Felicitări! Aveți deja un dispozitiv protetic funcțional. Restul este estetic și decide cum doriți să-l atașați la corpul utilizatorului.

Pasul 4: Factor de formă + Estetică

Depinde de voi unde și cum doriți ca Moonwalk să se atașeze de corpul utilizatorului. Cazul meu de utilizare prevăzut inițial a fost pentru detectarea contactului cu piciorul, astfel încât senzorul de presiune se potrivește în mod natural sub călcâiul utilizatorului.

Pentru a menține electronica plăcută și compactă, am proiectat și fabricat un container de carcasă (imprimat 3D și modelat cu silicon, pentru a permite un contact flexibil cu pielea). Am atașat fișierele 3D (în format. STL) la acest instructabil.

* Pentru vibrații maxime, este important ca motorul LRA (care funcționează prin generarea rapidă de vibrații dintr-un arc al axei Z) să fie în contact direct cu suprafețele care ating pielea (spre deosebire de un ERM, dacă un LRA pluteste în aer, pielea nu va simți nimic). Pentru designul meu, este foarte logic să atașați electronica printr-un tampon de nanosucție / gel (acestea pot fi cumpărate cu ușurință online și sunt excelente pentru utilizări multiple pe piele), bandă medicală sau un manșon de pânză. În teorie, ați putea aluneca Moonwalk sub îmbrăcăminte elastică / spandex, dacă este folosit pe picior sau pe coapsă.

Pasul 5: Protetica terminată

Sper că designul meu vă va ajuta. Vă rugăm să nu ezitați să modificați, să remixați și să îmbunătățiți acest design de bază - și nu fiți străin! Pot fi contactat prin intermediul site-ului meu web (www.akshaydinakar.com/home).