Moonwalk: una pròtesi de retroalimentació haptica: 5 passos

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

Descripció:

Moonwalk és un dispositiu protèsic sensible a la pressió per a persones amb una sensació tàctil deteriorada (símptomes similars a la neuropatia). Moonwalk va ser dissenyat per ajudar les persones a rebre retroalimentació hàptica útil quan els peus entren en contacte amb el terra, de manera que puguin millorar l’equilibri + la mobilitat.

Dissenyat i fet de codi obert per Akshay Dinakar.

Per veure més projectes i creacions, visiteu www.akshaydinakar.com/lab, l’estudi de disseny sense ànim de lucre d’Akshay Dinakar Design.

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

Aquest dispositiu protètic utilitza un sensor de velòstat (connectat mitjançant adhesió mèdica, nanosucció o màniga de tela a qualsevol part rellevant del cos) per llegir els valors de pressió mitjançant pins analògics en un microcontrolador adequat. Un cop el valor de pressió assoleix un límit determinat, s'activa un senyal hàptic especificat, que avisa l'usuari que ha entrat en contacte amb una superfície.

La meva intenció:

La intenció d’aquest projecte és crear un dispositiu protètic de baix cost per millorar la independència + mobilitat de qualsevol individu amb entumiment en una part del seu cos. Tinc experiència personal amb membres de la família que experimenten aquesta condició i volia crear una solució accessible que altres persones amb experiència en enginyeria limitada poguessin muntar pel seu compte. A causa de la individualització dels símptomes i la varietat en la disponibilitat de components electrònics, és difícil crear un dispositiu que funcioni per a diversos casos d’ús. No obstant això, estic orgullós de llançar Moonwalk com una solució que es pot utilitzar en qualsevol membre / part afectada del cos, compatible amb una sèrie de factors de forma (el que sigui més adequat per a l'usuari).

Per consideracions estètiques i acabats professionals, he utilitzat tècniques avançades de fabricació, com ara soldadura, emmotllament / fosa de silicona i impressió 3D per muntar aquesta pròtesi. Tanmateix, les tècniques senzilles de taula i costura també fan la feina.

Antecedents:

Només prop de 20 milions d’individus als EUA experimenten neuropatia, un efecte secundari comú de la diabetis, el càncer i l’artritis. La neuropatia es caracteritza per una barreja de forts formigueigs i entumiment a les mans i als peus de les persones, com a resultat del dany al nervi perifèric. La neuropatia pot limitar greument la mobilitat reduint les sensacions de tacte quan els peus i les mans entren en contacte amb les superfícies. Tanmateix, la retroalimentació hàptica en forma de vibracions en parts del cos no afectades pot ajudar els individus a recuperar l’equilibri vinculant la retroalimentació al seu sentit propioceptiu.

Subministraments

Maquinari:

Microcontrolador (qualsevol de les opcions següents és fantàstica):

• Arduino Nano (la mida física més petita, però requerirà components electrònics addicionals per carregar-se)
• Adafruit Flora (opció preferida per a la indústria portàtil: factor de forma pla i càrrega integrada)
• Adafruit Feather (té moltes funcions addicionals que no necessitem, però una forma molt compacta i una càrrega integrada). Utilitzaré aquest microcontrolador per a aquest tutorial. Hi ha diferents versions de Feather que inclouen xips BLE, WiFi o Radio; qualsevol funcionarà.

Motor de vibració:

Motor de vibració LRA (capaç de proporcionar una sensació de vibració molt més personalitzable que el típic motor de vibració ERM). Qualsevol motor de vibració inferior a 3 V funcionarà, però un LRA serà la sortida de vibració més forta (utilitzem un circuit simplificat per fer el nostre disseny compacte [alimentant el motor de vibració directament des del microcontrolador), i la majoria de microcontroladors tenen limitacions actuals que debiliten la vibració força)

Controlador de motor haptic (interfícies entre el microcontrolador i el motor de vibració):

Driver Haptic Motor Driver (DRV2605L, fabricat per Texas Instruments i distribuït per Adafruit)

Bateria Li-Po (en algun lloc del rang de 100 a 350 mAh hauria de ser abundant):

3,7 v, 350 mAh Li-Po

Filferro de silicona:

Fil de silicona de 22 AWG (la silicona proporciona un gran equilibri de flexibilitat i durabilitat per al fil i té el diàmetre adequat)

Material Velostat

El Velostat és una superfície sensible a la pressió que canvia la resistència quan s’extreu o comprimeix

Cinta

Qualsevol tipus de cinta (conducta, escocesa, elèctrica, emmascaradora) funcionarà, però recomano una cinta d’embalatge transparent i àmplia. Només necessiteu uns quants centímetres

Paper d'alumini (només necessiteu aproximadament 4x4 polzades)

Programari:

ID Arduino (gratuït per descarregar-lo i utilitzar-lo, obteniu-lo aquí i instal·leu-lo:

Pas 1: munteu el sensor de pressió Velostat

És més senzill del que es pensa.

1. Talleu el velostat a mida. Utilitzeu unes tisores per retallar el full de velostat al sensor de mida que necessiteu. Si utilitzeu aquesta pròtesi per a peus, feu-la de la mida d’un taló. Si el feu servir per a mans o dits, feu que tingui les dimensions de la pell que vulgueu cobrir.

2. Talleu el paper d'alumini a mida. Talleu dos trossos de paper d'alumini a les mateixes dimensions que el tros de velòstat. Entregeu el tros de velòstat entre les dues peces de paper d'alumini. El paper d'alumini serveix com a capa conductora.

3. Tireu fil de silicona. Utilitzant peladors de filferro, retireu de 3 a 4 polzades de filferro exposat de dos segments de filferro de silicona. Cada filferro de silicona ha de tenir entre 15 i 20 polzades de llargada (que siguin de la mateixa longitud per obtenir un atractiu estètic). Col·loqueu cada fil conductor pelat en un costat del paper d'alumini. L’ordre general de sandvitx és ara: fil conductor 1, paper d’alumini 1, velòstat, paper d’alumini 2, fil conductor 2.

4. Coneix el sensor de pressió de la cinta. Cinta sobre el sandvitx de components i talleu qualsevol tros de cinta addicional, de manera que tot quedi ben unit. És extremadament important que el velòstat estigui separant netament els dos costats del sandvitx (el paper d'alumini / filferro pelat de la part inferior NO ha d'estar en contacte amb cap part de les superfícies conductores superiors).

5. Trenar el filferro. Per mantenir els cables junts i evitar que flueixin durant el moviment de l'usuari, gireu-los junts (com més vegades gireu, més segurs estaran). Aquesta també és una bona pràctica d’enginyeria elèctrica quan es tenen grups de cables llargs que van des del mateix punt d’inici fins al final.

Pas 2: connecteu els components

És hora de connectar totes les parts electròniques individuals. He soldat tots els meus components junts, però també és possible utilitzar una placa de control (en aquest cas, encara haureu de soldar pins al microcontrolador i al controlador de motor hàptic).

1. Sensor de pressió de soldadura al microcontrolador: connecteu un dels cables trenats a un pin analògic (A1) del microcontrolador i soldeu el cable trenat restant al pin de terra (Gnd).

2. Soldeu el motor de vibració al controlador del motor hàptic: soldeu el cable vermell (positiu) del motor de vibració al terminal + i el fil blau (de terra) al terminal - del controlador del motor hàptic.

3. Soldador del controlador del motor haptic al microcontrolador: mitjançant dos segments de filferro de silicona molt curts, soldeu els següents pins del controlador del motor hàptic al microcontrolador.

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

* El controlador de motor hàptic utilitza un tipus de sistema de comunicació anomenat I2C per "parlar" amb el microcontrolador. Els pins SCL i SDA són les vies perquè aquesta comunicació tingui lloc.

4. Connecteu la bateria: connecteu la capçalera de la bateria Li-Po al microcontrolador. Si la bateria té alguna càrrega, pot encendre un LED al microcontrolador. Primers signes de vida!:)

Pas 3: programació de l'electrònica

Si encara no heu descarregat i instal·lat l'IDE Arduino, ara és el moment. M'agrada "pseudocodificar" el meu programa amb paraules abans de començar a codificar, de manera que ja he descobert què he d'escriure en C ++.

Això és el que fa el nostre codi de programari protètic:

Moltes vegades per segon, el nostre microcontrolador llegeix el valor de pressió que detecta el sensor i, si el valor de la pressió és prou fort (és a dir, el sensor està en contacte amb el sòl), activem el patró de vibració que vulguem del conductor de motor hàptic. El codi adjunt compleix aquesta funcionalitat base, però és fàcil personalitzar el motor per proporcionar vibracions de diversos patrons o força, segons els diferents valors que detecti el sensor de pressió (és a dir, contacte lleuger vs. contacte fort)

* Assumeixo un coneixement bàsic sobre l’ús de l’IDE Arduino, la instal·lació de biblioteques i la càrrega de codi a un microcontrolador connectat. Si sou completament nou a Arduino, utilitzeu aquests tutorials per posar-vos al dia.

1. Baixeu i instal·leu els fitxers Adafruit DRV a la mateixa carpeta on es troba el vostre esbós Arduino.

2. Descarregueu, carregueu i executeu el programa LevitateVelostatCode al microcontrolador (assegureu-vos d’establir les variables adequadament en funció de la sensibilitat del vostre sensor de velòstat. Podeu calibrar els valors CLIFF i CUTOFF obrint Arduino Serial Monitor i provant diferents límits de pressió, per al cas d’ús que necessiteu.

3. Enhorabona! Ja teniu un dispositiu protètic en funcionament. La resta és estètica i decidir com voleu fixar-lo al cos de l’usuari.

Pas 4: factor de forma + estètica

Depèn de vosaltres, on i com voleu que Moonwalk s’uneixi al cos de l’usuari. El meu cas d’ús previst inicialment era per a la detecció de contacte amb els peus, de manera que el sensor de pressió cabia naturalment sota el taló de l’usuari.

Per mantenir l'electrònica agradable i compacta, vaig dissenyar i fabricar un contenidor de carcassa (imprès en 3D i modelat en silicona, per permetre un contacte flexible amb la pell). He adjuntat els fitxers 3D (en format. STL) a aquesta instrucció.

* Per obtenir la màxima vibració, és important que el motor LRA (que funciona generant ràpidament vibracions des d’un ressort de l’eix z) estigui en contacte directe amb superfícies que toquen la pell (a diferència d’un ERM, si un LRA flota a l’aire, la pell no sentirà res). Per al meu disseny, té molt sentit connectar l’electrònica mitjançant una nanosucció / gel pad (es poden comprar fàcilment en línia i són ideals per a múltiples usos a la pell), cinta mèdica o funda de tela. En teoria, també podríeu lliscar Moonwalk per sota de la roba elàstica / spandex, si s’utilitza a la cama o a la cuixa.

Pas 5: la pròtesi acabada

Espero que el meu disseny us serveixi d'alguna utilitat. Si us plau, no dubteu a modificar, remesclar i millorar aquest disseny base, i no us desconeixeu. Puc contactar-me a través del meu lloc web (www.akshaydinakar.com/home).