Реабилитация плеча с помощью экзоскелета: 10 шагов

2024 Автор: John Day | [email protected]. Последнее изменение: 2024-01-30 11:51

Плечо - одна из самых сложных частей всего человеческого тела. Его сочленения и плечевой сустав позволяют плечу совершать движения руки в широком диапазоне, поэтому их довольно сложно моделировать. Следовательно, реабилитация плеча - это классическая медицинская проблема. Цель этого проекта - разработать робота, который поможет в этой реабилитации.

Этот робот будет иметь форму экзоскелета с различными датчиками, которые будут измерять соответствующие параметры, чтобы характеризовать движение руки, а затем сравнивать полученные результаты с базой данных, чтобы немедленно получить информацию о качестве движения плеча у пациента.

Устройство можно увидеть на фотографиях чуть выше. Этот экзоскелет закреплен на привязи, которую носит пациент. Также имеются ремни для крепления руки устройства к руке пациента.

Мы студенты инженерного факультета Брюсселя (Bruface), и у нас есть задание для курса «Мехатроника 1»: реализовать проект из списка предложений, из которого мы выбрали робота для реабилитации плеча.

Члены группы 7 мехатроники 1:

Джанлука Карбоне

Инес Генриетта

Пьер Перейра Акуна

Раду Ронту

Томас Уилмет

Шаг 1: материалы

- 3D-принтер: пластик PLA

- Станок для лазерной резки

- МДФ 3 мм: поверхность 2 м²

- 2 акселерометра MMA8452Q

- 2 потенциометра: PC20BU

- Подшипники: внутренний диаметр 10 мм; Наружный диаметр 26 мм

- Линейные направляющие рельсов: ширина 27мм; минимальная длина 300 мм

- Задний ремень и ремни

- Ардуино Уно

- Кабели Arduino: 2 шины для питания (3, 3 В акселерометр и 5 В потенциометр), 2 шины для измерения акселерометра, 1 шина для массы. (макет):

- Винты:

Для подшипника: болты и гайки M10, Для конструкции в целом: болты и гайки M3 и M4.

Шаг 2: Основная идея

Это устройство предназначено для реабилитации плечевого сустава с целью помочь в реабилитации плечевого сустава после выполнения основных движений в домашних условиях с помощью прототипа.

В качестве упражнений мы решили сосредоточиться на следующих движениях: фронтальное отведение (слева на картинке) и внешнее вращение (справа).

Наш прототип оснащен различными датчиками: двумя акселерометрами и двумя потенциометрами. Эти датчики отправляют в компьютер значения углов руки и предплечья из вертикального положения. Затем различные данные заносятся в базу данных, которая представляет оптимальное движение. Этот график создается в реальном времени, так что пациент может напрямую сравнивать свое собственное движение с движением, которое нужно получить, и, таким образом, может корректировать себя, чтобы оставаться как можно ближе к идеальному движению. Эта часть будет обсуждаться на этапе базы данных.

Нанесенные на график результаты также могут быть отправлены профессиональному физиотерапевту, который интерпретирует данные и дает пациенту дополнительные советы.

С практической точки зрения, поскольку плечо является одним из самых сложных суставов человеческого тела, идея заключалась в том, чтобы предотвратить определенный диапазон движений, чтобы избежать неправильной реализации движения, чтобы прототип мог позволить только эти два движения.

Более того, устройство не будет полностью соответствовать анатомии пациента. Это означает, что оси вращения экзоскелета не полностью совпадают с осями плеча пациента. Это создаст крутящие моменты, которые могут сломать устройство. Чтобы это компенсировать, был реализован комплект направляющих. Это также позволяет носить устройство широкому кругу пациентов.

Шаг 3: различные части устройства

В этой части вы можете найти все технические чертежи деталей, которые мы использовали.

Если вы хотите использовать свои собственные, обратите внимание на то, что некоторые детали подвержены высоким ограничениям: например, валы подшипника подвержены локальной деформации. В случае 3D-печати они должны быть достаточно плотными и толстыми, чтобы они не сломались.

Шаг 4: Сборка - задняя панель

На этом видео вы можете увидеть ползунок, используемый для коррекции одной из степеней свободы (линейная направляющая, перпендикулярная задней пластине). Этот слайдер также можно было надеть на руку, но решение, представленное на видео, дало лучшие теоретические результаты для программного обеспечения 3D, чтобы проверить движение прототипа.

Шаг 5: Сборка - отведение сустава

Шаг 6: Сборка - шарнирное соединение с внешним вращением

Шаг 7: Окончательная сборка

Шаг 8: Схема соединений

Теперь, когда собранный прототип должным образом исправляет смещение плеча и ему удается следить за движением пациента в двух желаемых направлениях, пришло время перейти к отслеживающей части и особенно к электрической части проекта.

Таким образом, акселерометры будут получать информацию об ускорении вместе со всеми направлениями плана, а код будет вычислять различные интересные углы на основе измеренных данных. Различные результаты будут отправлены в файл Matlab через Arduino. Затем файл Matlab отображает результаты в реальном времени и сравнивает полученную кривую с базой данных допустимых движений.

Компоненты подключения к Arduino:

Это схематическое изображение различных связей между различными элементами. Пользователь должен быть осторожен, чтобы соединения зависели от используемого кода. Например, выход I1 первого акселерометра подключен к земле, а выход второго подключен к 3,3 В. Это один из способов отличить два акселерометра с точки зрения Arduino.

Схема подключения:

Зеленый - питание акселерометров.

Красный - вход A5 Arduino для сбора данных с акселерометров.

Розовый - вход A4 Arduino для сбора данных с акселерометров.

Черный - Земля

Серый - Измерения от первого потенциометра (на повороте фронтального отведения)

Желтый - Измерения от второго потенциометра (на роторе внешнего вращения)

Синий - потенциометры питания

Шаг 9: База данных

Теперь, когда компьютер получает углы, компьютер интерпретирует их.

Это фотография представления выбранной базы данных. В этой базе данных синие кривые представляют зону допустимого движения, а красная кривая представляет идеальное движение. Следует подчеркнуть, что база данных, конечно, открыта для изменений. В идеале, параметры базы данных должны быть созданы профессиональным физиотерапевтом, чтобы дать рекомендации по фактическим оптимальным параметрам реабилитации.

Выбранное здесь оптимальное движение, выделенное красным, основано на опыте и таково, что рука достигает 90 ° за 2,5 секунды, что соответствует постоянной угловой скорости 36 ° / с (или 0, 6283 рад / с).

Приемлемая зона (выделена синим цветом) была разработана с кусочной функцией 3-го порядка в этом случае как для верхней, так и для нижней границы. Можно также рассмотреть функции более высоких порядков, чтобы улучшить форму кривых или даже усложнить упражнение. В этом примере упражнение очень простое: 3 повторения движения от 0 до 90 °.

Код будет отображать результаты одного из датчиков - того, который представляет интерес для рассматриваемого реабилитационного упражнения - в этой базе данных. Теперь задача пациента - адаптировать скорость и положение руки так, чтобы рука оставалась внутри синей зоны, допустимый диапазон и как можно ближе к красной кривой, идеальное движение.