Rehabilitació de l'espatlla de l'exosquelet: 10 passos

2024 Autora: John Day | [email protected]. Última modificació: 2024-01-30 08:13

L’espatlla és una de les parts més complicades de tot el cos humà. Les seves articulacions i l'articulació de l'espatlla permeten a l'espatlla una àmplia gamma de moviments del braç i, per tant, són força complexes de modelar. En conseqüència, la rehabilitació de l’espatlla és un problema mèdic clàssic. L’objectiu d’aquest projecte és dissenyar un robot que ajudi a aquesta rehabilitació.

Aquest robot adoptarà la forma d’un exoesquelet amb diversos sensors que mesuraran paràmetres rellevants per caracteritzar el moviment del braç i, a continuació, compararà els resultats obtinguts amb una base de dades per donar retroalimentació immediata sobre la qualitat del moviment de l’espatlla pel pacient.

El dispositiu es pot veure a les imatges de més amunt. Aquest exosquelet es fixa en un arnès que porta el pacient. També hi ha corretges per fixar el braç del dispositiu al braç del pacient.

Som estudiants de la Facultat d’Enginyeria de Brussel·les (Bruface) i tenim una tasca per al curs de Mecatrònica 1: realitzar un projecte a partir d’una llista de suggeriments d’on vam triar el robot de rehabilitació de l’espatlla.

Membres del grup 7 de Mecatrònica 1:

Gianluca Carbone

Ines Henriette

Pierre Pereira Acuna

Radu Rontu

Thomas Wilmet

Pas 1: materials

- Impressora 3D: plàstic PLA

- Màquina de tall per làser

- MDF 3mm: superfície 2m²

- 2 acceleròmetres MMA8452Q

- 2 potenciòmetres: PC20BU

Rodaments: diàmetre interior de 10 mm; Diàmetre exterior 26mm

Carrils de guies lineals: amplada 27 mm; longitud mínima 300 mm

- Arnès de l'esquena i corretges

- Arduino Uno

- Cables Arduino: 2 busos per a l'alimentació (3, 3V acceleròmetre i 5V potientiòmetre), 2 busos per a la mesura de l'acceleròmetre, 1 bus per a la massa. (tauler de suport):

Cargols:

Per al coixinet: cargols i femelles M10, Per a l’estructura en general: cargols i femelles M3 i M4

Pas 2: idea principal

Per ajudar a la rehabilitació de l'espatlla, aquest dispositiu té per objectiu ajudar a la rehabilitació de l'espatlla seguint moviments bàsics a casa amb el prototip.

Els moviments que hem decidit centrar-nos en exercicis són: l’abducció frontal (esquerra a la imatge) i la rotació externa (dreta).

El nostre prototip està equipat amb diversos sensors: dos acceleròmetres i dos potenciòmetres. Aquests sensors envien a l'ordinador els valors dels angles del braç i de l'avantbraç des de la posició vertical. Les diferents dades es representen a continuació en una base de dades que representa el moviment òptim. Aquesta trama es realitza en temps real perquè el pacient pugui comparar directament el seu propi moviment amb el moviment a obtenir i, per tant, es pugui corregir per mantenir-se el més a prop possible del moviment perfecte. Aquesta part es discutirà al pas de la base de dades.

Els resultats representats també es poden enviar a un fisioterapeuta professional que pugui interpretar les dades i donar més consells al pacient.

Més des del punt de vista pràctic, ja que l'espatlla és una de les articulacions més complexes del cos humà, la idea era evitar cert rang de moviment per evitar una mala realització del moviment, de manera que el prototip només pugui permetre aquestes dos moviments.

A més, el dispositiu no coincidirà perfectament amb l’anatomia del pacient. Això significa que l’eix de rotació de l’exosquelet no coincideix perfectament amb els de l’espatlla del pacient. Això genera parells que poden trencar el dispositiu. Per compensar-ho, s’ha implementat un conjunt de rails. Això també permet que una àmplia gamma de pacients porti el dispositiu.

Pas 3: diferents parts del dispositiu

En aquesta part, podeu trobar tots els dibuixos tècnics de les peces que hem utilitzat.

Si voleu utilitzar el vostre propi, us preocupa el fet que algunes peces estan sotmeses a restriccions elevades: els eixos del coixinet, per exemple, estan subjectes a deformacions locals. Si s’imprimeix en 3D, s’han de fabricar amb una densitat i un gruix suficient per evitar que es trenqui.

Pas 4: Muntatge: placa posterior

En aquest vídeo, podeu veure el control lliscant utilitzat per corregir un dels DOF (la guia lineal perpendicular a la placa posterior). Aquest control lliscant també es podria posar al braç, però la solució presentada al vídeo va donar millors resultats teòrics al programari 3D per provar el moviment del prototip.

Pas 5: Muntatge - Articulació del segrest

Pas 6: Muntatge: articulació de rotació externa

Pas 7: Assemblea final

Pas 8: diagrama Circut

Ara que el prototip muntat corregeix correctament la desalineació de les espatlles i aconsegueix seguir el moviment del pacient junt amb les dues indicacions desitjades, és hora d’arribar a la part de seguiment i, sobretot, a la part elèctrica del projecte.

Així, els acceleròmetres rebran informació d’acceleracions al costat de totes les direccions del pla i un codi calcularà els diferents angles interessants a partir de les dades mesurades. Els diferents resultats s’enviaran a un fitxer matlab mitjançant Arduino. El fitxer Matlab dibuixa els resultats en temps real i compara la corba obtinguda amb una base de dades dels moviments acceptables.

Components de cablejat a Arduino:

Aquesta és la representació esquemàtica de les diferents connexions entre diferents elements. L'usuari ha de tenir cura que les connexions depenguin del codi utilitzat. Per exemple, la sortida I1 del primer acceleròmetre està connectada a terra mentre que la sortida del segon està connectada a 3,3V. Aquesta és una de les maneres de distingir els dos acceleròmetres des del punt de vista d’Arduino.

Gràfic de cablejat:

Verd - Alimentació acceleròmetres

Vermell: entrada A5 de l'Arduino per recollir dades dels acceleròmetres

Rosa: entrada A4 de l'Arduino per recollir dades dels acceleròmetres

Negre - Terra

Gris: mesures del primer potenciòmetre (a la rotula d'abducció frontal)

Groc: mesures del segon potenciòmetre (a la rotula de rotació externa)

Blau - Alimentació de potenciòmetres

Pas 9: base de dades

Ara que l'ordinador rep els angles, l'ordinador els interpretarà.

Aquesta és una foto d’una representació de la base de dades escollida. En aquesta base de dades, les corbes blaves representen la zona de moviment acceptable i la corba vermella representa el moviment perfecte. Cal subratllar que la base de dades està oberta a modificacions. Idealment, els paràmetres de la base de dades haurien de ser establerts per un fisioterapeuta professional per assessorar sobre els paràmetres de rehabilitació òptims reals.

El moviment òptim escollit en vermell es basa en l'experiència i és tal que el braç arriba a 90 ° en 2,5 segons, la qual cosa correspon a una velocitat angular constant de 36 ° / s (o 0, 6283 rad / s).

La zona acceptable (en blau) s’ha dissenyat amb una funció de 3 ordres a trossos en aquest cas, tant per al límit superior com per al límit inferior. També es podrien considerar funcions d’ordres superiors per millorar la forma de les corbes o fins i tot la complexitat de l’exercici. En aquest exemple, l'exercici és molt senzill: 3 repeticions de moviment de 0 a 90 °.

El codi representarà els resultats d’un dels sensors –el d’interès per a l’exercici de rehabilitació considerat– en aquesta base de dades. El joc ara per al pacient és adaptar la velocitat i la posició del braç de manera que el braç quedi dins de la zona blava, el rang acceptable i el més proper possible a la corba vermella, el moviment perfecte.