Moonwalk: протез с тактильной обратной связью: 5 шагов

2025 Автор: John Day | [email protected]. Последнее изменение: 2025-01-23 15:05

Описание:

Moonwalk - это чувствительный к давлению протез для людей с нарушением тактильной чувствительности (симптомы, подобные нейропатии). Moonwalk был разработан, чтобы помочь людям получать полезную тактильную обратную связь, когда их ноги соприкасаются с землей, чтобы они могли улучшить баланс + подвижность.

Разработано и сделано Акшаем Динакаром с открытым исходным кодом.

Чтобы увидеть больше проектов и творений, посетите www.akshaydinakar.com/lab, некоммерческую дизайн-студию Akshay Dinakar Design.

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

В этом протезе используется датчик велостата (прикрепленный с помощью медицинской адгезии, наносакции или тканевого рукава к любой соответствующей части тела) для считывания значений давления через аналоговые контакты на соответствующем микроконтроллере. Как только значение давления достигает определенного предела, активируется определенный тактильный сигнал, предупреждающий пользователя о том, что он вступил в контакт с поверхностью.

Мое намерение:

Цель этого проекта - создать недорогое протезное устройство для повышения независимости и мобильности любого человека с онемением части тела. У меня есть личный опыт общения с членами семьи, которые испытывают это состояние, и я хотел создать доступное решение, которое другие люди с ограниченным инженерным опытом могли бы собрать самостоятельно. Из-за индивидуализации симптомов и разнообразия доступности электронных компонентов сложно создать устройство, которое будет работать для ряда сценариев использования. Тем не менее, я горжусь выпуском Moonwalk в качестве решения, которое можно использовать на любой конечности / пораженной части тела, совместимого с множеством форм-факторов (в зависимости от того, что больше всего подходит для пользователя).

По эстетическим соображениям и профессиональной отделке я использовал передовые технологии изготовления, включая пайку, силиконовое литье / литье и 3D-печать, чтобы собрать этот протез. Тем не менее, простые методы изготовления макета и шитья также делают свою работу.

Фон:

Только в США около 20 миллионов человек страдают невропатией - частым побочным эффектом диабета, рака и артрита. Невропатия характеризуется сочетанием острых покалывающих болей и онемения рук и ног у людей в результате повреждения периферических нервов. Невропатия может серьезно ограничить подвижность за счет уменьшения ощущения прикосновения при контакте ступней и рук с поверхностями. Однако тактильная обратная связь в виде вибраций на незатронутых частях тела может помочь людям восстановить равновесие, связав обратную связь с их проприоцептивным чувством.

Запасы

Аппаратное обеспечение:

Микроконтроллер (любой из перечисленных ниже вариантов отлично подходит):

• Arduino Nano (наименьший физический размер, но для зарядки потребуются дополнительные электронные компоненты)
• Adafruit Flora (вариант для носимых устройств - плоский форм-фактор и встроенная зарядка)
• Adafruit Feather (имеет множество дополнительных функций, которые нам не нужны, но очень компактная форма и встроенная зарядка). Я буду использовать этот микроконтроллер для этого урока. Существуют разные версии Feather, кроме чипов BLE, WiFi или Radio - подойдет любая.

Вибрационный двигатель:

Вибрационный двигатель LRA (способный обеспечить гораздо более настраиваемое ощущение вибрации, чем типичный вибрационный двигатель ERM). Подойдет любой вибромотор под напряжением 3 В, но LRA будет самым сильным выходом вибрации (мы используем упрощенную схему, чтобы сделать нашу конструкцию компактной [питание вибромотора напрямую от микроконтроллера), и большинство микроконтроллеров имеют ограничения по току, которые ослабляют вибрацию. сила)

Драйвер тактильного двигателя (интерфейс между микроконтроллером и вибромотором):

Драйвер тактильного двигателя (DRV2605L, производится Texas Instruments и распространяется Adafruit)

Li-Po аккумулятор (где-то в диапазоне 100 - 350 мАч должно хватить):

3,7 В, 350 мАч Li-Po

Силиконовый провод:

Силиконовый провод 22 AWG (силикон обеспечивает отличный баланс гибкости и прочности для провода и имеет правильный диаметр)

Велостат Материал

Велостат - это чувствительная к давлению поверхность, которая меняет сопротивление при сжатии или сжатии

Лента

Подойдет любой тип ленты (клейкая, скотч, электрическая, маскировочная), но я рекомендую прозрачную и широкую упаковочную ленту. Вам понадобится всего несколько дюймов

Алюминиевая фольга (вам нужно всего около 4х4 дюйма)

Программное обеспечение:

Arduino IDE (бесплатно для загрузки и использования, получите здесь и установите:

Шаг 1: соберите датчик давления Velostat

Это проще, чем вы думаете.

1. Отрежьте велостат до нужного размера. Ножницами обрежьте лист велостат до нужного вам размера датчика. Если вы используете этот протез для ног, сделайте его размером с пятку. Если вы используете его для рук или пальцев, сделайте его размером с любую кожу, которую вы хотите покрыть.

2. Отрежьте алюминиевую фольгу до нужного размера. Отрежьте два куска алюминиевой фольги до тех же размеров, что и кусок велостата. Поместите кусок велостата между двумя кусками алюминиевой фольги. Алюминиевая фольга служит проводящим слоем.

3. Зачистите силиконовую проволоку. С помощью приспособлений для зачистки проводов снимите 3–4 дюйма оголенного провода с двух сегментов силиконового провода. Каждая силиконовая проволока должна быть около 15-20 дюймов (сделайте их одинаковой длины для эстетической привлекательности). Поместите каждый зачищенный провод на сторону алюминиевой фольги. Общий порядок сэндвичей теперь следующий: зачищенный провод 1, алюминиевая фольга 1, велостат, алюминиевая фольга 2, зачищенный провод 2.

4. Обмотайте датчик давления лентой. Обклейте сэндвич с компонентами изолентой и отрежьте лишние кусочки ленты, чтобы все было надежно скреплено. Чрезвычайно важно, чтобы велостат чисто разделял две стороны сэндвича (алюминиевая фольга / зачищенный провод внизу НЕ должны контактировать с какой-либо частью верхних проводящих поверхностей).

5. Заплести проволоку. Чтобы провода были вместе и не шлепались во время движения пользователя, скручивайте их вместе (чем больше вы поворачиваете, тем надежнее они будут). Это также хорошая электротехническая практика, когда у вас есть группы длинных проводов, идущих от одной начальной до конечной точки.

Шаг 2. Подключите компоненты

Пришло время подключить все ваши электронные компоненты. Я спаял все свои компоненты вместе, но также можно использовать макетную плату (в этом случае вам все равно нужно будет припаять контакты к микроконтроллеру и тактильному драйверу двигателя).

1. Припаяйте датчик давления к микроконтроллеру: подключите один из плетеных проводов к аналоговому контакту (A1) микроконтроллера, а оставшийся плетеный провод припаяйте к контакту заземления (Gnd).

2. Припаяйте вибрационный двигатель к драйверу тактильного двигателя: припаяйте красный (положительный) провод вибромотора к клемме +, а синий (заземляющий) провод к клемме - драйвера тактильного двигателя.

3. Припаяйте драйвер тактильного двигателя к микроконтроллеру. Используя два очень коротких отрезка силиконового провода, припаяйте следующие контакты тактильного драйвера двигателя к микроконтроллеру.

• VIN -> 3 В
• GND -> GND
• SCL -> SCL
• ПДД -> ПДД

* Драйвер тактильного двигателя использует систему связи, называемую I2C, для «общения» с микроконтроллером. Контакты SCL и SDA служат для этого обмена данными.

4. Подключите батарею: подключите разъем Li-Po батареи к микроконтроллеру. Если ваша батарея немного заряжена, на микроконтроллере может загореться светодиод. Первые признаки жизни!:)

Шаг 3: Программирование вашей электроники

Если вы еще не загрузили и не установили Arduino IDE, самое время. Мне нравится «псевдокодировать» мою программу словами, прежде чем я начну кодировать, так что я уже понял, что мне нужно написать на C ++.

Вот что делает наш программный код протезирования:

Много раз в секунду наш микроконтроллер считывает значение давления, которое обнаруживает датчик, и, если значение давления достаточно велико (другими словами, датчик находится в контакте с землей), мы активируем любую желаемую модель вибрации от датчика. тактильный водитель мотора. Прилагаемый код выполняет эту базовую функцию, но ваш двигатель легко настроить для обеспечения вибрации различной формы или силы в зависимости от различных значений, обнаруживаемых датчиком давления (например, легкий контакт или сильный контакт)

* Я предполагаю наличие базовых знаний об использовании Arduino IDE, установке библиотек и загрузке кода на подключенный микроконтроллер. Если вы новичок в Arduino, воспользуйтесь этими руководствами, чтобы быстро освоиться.

1. Загрузите и установите файлы Adafruit DRV в ту же папку, в которой находится ваш скетч Arduino.

2. Загрузите, загрузите и запустите программу LevitateVelostatCode на своем микроконтроллере (обязательно установите переменные соответствующим образом в зависимости от чувствительности вашего датчика велостата. Вы можете откалибровать значения CLIFF и CUTOFF, открыв последовательный монитор Arduino и протестировав различные пределы давления для нужного вам варианта использования.

3. Поздравляю! У вас уже есть действующий протез. Остальное - это эстетика и решение, как вы хотите прикрепить его к телу пользователя.

Шаг 4: форм-фактор + эстетика

Вам решать, где и как вы хотите, чтобы Moonwalk прикреплялся к телу пользователя. Изначально я предполагал использовать для обнаружения контакта стопы, поэтому датчик давления естественно помещался под пяткой пользователя.

Чтобы электроника оставалась красивой и компактной, я спроектировал и изготовил корпус-контейнер (напечатанный на 3D-принтере и отлитый из силикона, чтобы обеспечить гибкий контакт с кожей). Я прикрепил 3D-файлы (в формате. STL) к этому Руководству.

* Для максимальной вибрации важно, чтобы двигатель LRA (который функционирует, быстро генерируя вибрацию от пружины оси Z) находился в прямом контакте с поверхностями, которые касаются кожи (в отличие от ERM, если LRA плавает в воздухе, ваш кожа ничего не почувствует). В моем дизайне наиболее целесообразно прикреплять электронику с помощью наносакции / гелевой прокладки (их можно легко купить в Интернете, и они отлично подходят для многократного использования на коже), медицинской ленты или тканевого рукава. Теоретически вы также можете положить Moonwalk под одежду из эластичного / спандекса, если она используется на ноге или бедре.

Шаг 5: Готовый протез

Я надеюсь, что мой дизайн будет вам полезен. Пожалуйста, не стесняйтесь настраивать, ремикшировать и улучшать этот базовый дизайн - и не будьте чужим! Со мной можно связаться через мой веб-сайт (www.akshaydinakar.com/home).