Αποκατάσταση εξωσκελετού ώμου: 10 βήματα

2024 Συγγραφέας: John Day | [email protected]. Τελευταία τροποποίηση: 2024-01-30 08:34

Ο ώμος είναι ένα από τα πιο περίπλοκα μέρη ολόκληρου του ανθρώπινου σώματος. Οι αρθρώσεις και η άρθρωση του ώμου επιτρέπουν στον ώμο μια ευρεία κλίμακα κινήσεων του βραχίονα και επομένως είναι αρκετά πολύπλοκες για μοντελοποίηση. Κατά συνέπεια, η αποκατάσταση του ώμου είναι ένα κλασικό ιατρικό πρόβλημα. Ο στόχος αυτού του έργου είναι να σχεδιάσει ένα ρομπότ που θα βοηθήσει στην αποκατάσταση.

Αυτό το ρομπότ θα έχει τη μορφή εξωσκελετού με διάφορους αισθητήρες που θα μετρούν τις σχετικές παραμέτρους για να χαρακτηρίσουν την κίνηση του βραχίονα και στη συνέχεια θα συγκρίνει τα ληφθέντα αποτελέσματα με μια βάση δεδομένων για άμεση ανατροφοδότηση σχετικά με την ποιότητα της κίνησης του ώμου του ασθενούς.

Η συσκευή μπορεί να φανεί στις εικόνες ακριβώς πάνω. Αυτός ο εξωσκελετός είναι στερεωμένος σε ένα λουρί που φορά ο ασθενής. Υπάρχουν επίσης ιμάντες για τη στερέωση του βραχίονα της συσκευής στον βραχίονα του ασθενούς.

Είμαστε φοιτητές της Σχολής Μηχανικών των Βρυξελλών (Bruface) και έχουμε μια εργασία για το μάθημα Mechatronics 1: πραγματοποιήστε ένα έργο από μια λίστα προτάσεων από το οποίο επιλέξαμε το ρομπότ αποκατάστασης ώμου.

Μέλη της Ομάδας 7 της Μηχατρονικής 1:

Gianluca Carbone

Ines Henriette

Πιερ Περέιρα Ακούνα

Ράντου Ρόντου

Τόμας Βίλμετ

Βήμα 1: Υλικά

- 3D εκτυπωτής: πλαστικό PLA

- Μηχανή κοπής λέιζερ

MDF 3mm: επιφάνεια 2m²

- 2 επιταχυνσιόμετρα MMA8452Q

- 2 ποτενσιόμετρα: PC20BU

Ρουλεμάν: Εσωτερική διάμετρος 10 mm. Εξωτερική διάμετρος 26mm

- Γραμμικές ράγες οδηγών: πλάτος 27mm. ελάχιστο μήκος 300 mm

- Πίσω ζώνη και ιμάντες

- Arduino Uno

- Καλώδια Arduino: 2 δίαυλοι για τροφή (3, 3V επιταχυνσιόμετρο και 5V Potientiometer), 2 δίαυλοι για μέτρηση επιταχυνσιόμετρου, 1 δίαυλος για τη μάζα. (σανίδα ψωμιού):

- Βίδες:

Για το ρουλεμάν: μπουλόνια και παξιμάδια M10, Για τη δομή γενικά: μπουλόνια και παξιμάδια Μ3 και Μ4

Βήμα 2: Κύρια ιδέα

Προκειμένου να βοηθήσει στην αποκατάσταση των ώμων, αυτή η συσκευή έχει σκοπό να βοηθήσει στην αποκατάσταση του ώμου μετά από βασικές κινήσεις στο σπίτι με το πρωτότυπο.

Οι κινήσεις στις οποίες έχουμε αποφασίσει να εστιάσουμε ως ασκήσεις είναι: η μετωπική απαγωγή (αριστερά στην εικόνα) και η εξωτερική περιστροφή (δεξιά).

Το πρωτότυπό μας είναι εξοπλισμένο με διάφορους αισθητήρες: δύο επιταχυνσιόμετρα και δύο ποτενσιόμετρα. Αυτοί οι αισθητήρες στέλνουν σε έναν υπολογιστή τις τιμές των γωνιών του βραχίονα και του αντιβραχίου από την κατακόρυφη θέση. Τα διαφορετικά δεδομένα σχεδιάζονται στη συνέχεια σε μια βάση δεδομένων που αντιπροσωπεύει τη βέλτιστη κίνηση. Αυτή η πλοκή γίνεται σε πραγματικό χρόνο, έτσι ώστε ο ασθενής να μπορεί να συγκρίνει άμεσα τη δική του κίνηση με την κίνηση που πρέπει να επιτευχθεί και έτσι μπορεί να διορθωθεί ώστε να παραμείνει όσο το δυνατόν πιο κοντά στην τέλεια κίνηση. Αυτό το μέρος θα συζητηθεί στο βήμα της βάσης δεδομένων.

Τα σχεδιαζόμενα αποτελέσματα μπορούν επίσης να σταλούν σε έναν επαγγελματία φυσικοθεραπευτή που μπορεί να ερμηνεύσει τα δεδομένα και να δώσει μερικές ακόμη συμβουλές στον ασθενή.

Περισσότερο από πρακτική άποψη, καθώς ο ώμος είναι ένας από τους πιο πολύπλοκους συνδέσμους του ανθρώπινου σώματος, η ιδέα ήταν να αποτραπεί ένα συγκεκριμένο εύρος κίνησης για να αποφευχθεί η κακή συνειδητοποίηση της κίνησης, έτσι ώστε το πρωτότυπο να επιτρέπει μόνο αυτά δύο κινήσεις.

Επιπλέον, η συσκευή δεν ταιριάζει απόλυτα με την ανατομία του ασθενούς. Αυτό σημαίνει ότι ο άξονας περιστροφής του εξωσκελετού δεν ταιριάζει απόλυτα με αυτούς του ώμου του ασθενούς. Αυτό θα δημιουργήσει ροπές που μπορεί να σπάσουν τη συσκευή. Για να αντισταθμιστεί αυτό, εφαρμόστηκε μια σειρά ράγες. Αυτό επιτρέπει επίσης σε μια μεγάλη γκάμα ασθενών να φορούν τη συσκευή.

Βήμα 3: Διαφορετικά μέρη της συσκευής

Σε αυτό το μέρος, μπορείτε να βρείτε όλα τα τεχνικά σχέδια των κομματιών που χρησιμοποιήσαμε.

Εάν θέλετε να χρησιμοποιήσετε το δικό σας, ανησυχείτε για το γεγονός ότι ορισμένα κομμάτια υπόκεινται σε υψηλούς περιορισμούς: οι άξονες του ρουλεμάν για παράδειγμα υπόκεινται σε τοπική παραμόρφωση. Εάν εκτυπώνονται 3D, θα πρέπει να είναι κατασκευασμένα σε υψηλή πυκνότητα και αρκετά παχύ για να μην σπάσει.

Βήμα 4: Συναρμολόγηση - Πλάκα

Σε αυτό το βίντεο, μπορείτε να δείτε το ρυθμιστικό που χρησιμοποιείται για τη διόρθωση ενός από τα DOF (ο γραμμικός οδηγός κάθετος στην πλάτη). Αυτό το ρυθμιστικό θα μπορούσε επίσης να τοποθετηθεί στο χέρι, αλλά η λύση που παρουσιάστηκε στο βίντεο έδωσε καλύτερα θεωρητικά αποτελέσματα στο λογισμικό 3D, για να δοκιμάσει την κίνηση του πρωτοτύπου.

Βήμα 5: Συναρμολόγηση - Άρθρωση απαγωγής

Βήμα 6: Συναρμολόγηση - Άρθρωση εξωτερικής περιστροφής

Βήμα 7: Τελική συνέλευση

Βήμα 8: Διάγραμμα κυκλώματος

Τώρα που το συναρμολογημένο πρωτότυπο διορθώνει σωστά την κακή ευθυγράμμιση των ώμων και καταφέρνει να ακολουθήσει την κίνηση του ασθενούς παράλληλα με τις δύο επιθυμητές κατευθύνσεις, είναι καιρός να μπει στο κομμάτι παρακολούθησης και ιδιαίτερα στο ηλεκτρικό μέρος του έργου.

Έτσι, τα επιταχυνσιόμετρα θα λαμβάνουν πληροφορίες επιταχύνσεων παράλληλα με κάθε κατεύθυνση του σχεδίου και ένας κώδικας θα υπολογίζει τις διαφορετικές ενδιαφέρουσες γωνίες από τα μετρημένα δεδομένα. Τα διαφορετικά αποτελέσματα θα σταλούν σε αρχείο matlab μέσω του Arduino. Στη συνέχεια, το αρχείο Matlab αντλεί τα αποτελέσματα σε πραγματικό χρόνο και συγκρίνει την καμπύλη που λαμβάνεται με μια βάση δεδομένων με τις αποδεκτές κινήσεις.

Στοιχεία καλωδίωσης στο Arduino:

Αυτή είναι η σχηματική αναπαράσταση των διαφορετικών συνδέσεων μεταξύ διαφορετικών στοιχείων. Ο χρήστης πρέπει να είναι προσεκτικός ώστε οι συνδέσεις να εξαρτώνται από τον κωδικό που χρησιμοποιείται. Για παράδειγμα, η έξοδος Ι1 του πρώτου επιταχυνσιόμετρου συνδέεται με τη γείωση ενώ η έξοδος του δεύτερου συνδέεται με 3,3V. Αυτός είναι ένας από τους τρόπους διάκρισης των δύο επιταχυνσιόμετρων από την άποψη του Arduino.

Διάγραμμα καλωδίωσης:

Green - Επιταχυνσιόμετρα τροφή

Κόκκινο - εισαγωγή A5 του Arduino για τη συλλογή δεδομένων από τα επιταχυνσιόμετρα

Ροζ - είσοδος Α4 του Arduino για τη συλλογή δεδομένων από τα επιταχυνσιόμετρα

Μαύρο - έδαφος

Γκρι - Μετρήσεις από το πρώτο ποτενσιόμετρο (στην μετωπική μονάδα απαγωγής)

Κίτρινο - Μετρήσεις από το δεύτερο ποτενσιόμετρο (στην εξωτερική περιστροφή περιστροφής)

Μπλε - Ποτενσιόμετρα Διατροφή

Βήμα 9: Βάση δεδομένων

Τώρα που ο υπολογιστής λαμβάνει τις γωνίες, ο υπολογιστής πρόκειται να τις ερμηνεύσει.

Αυτή είναι μια φωτογραφία αναπαράστασης της επιλεγμένης βάσης δεδομένων. Σε αυτή τη βάση δεδομένων οι μπλε καμπύλες αντιπροσωπεύουν τη ζώνη της αποδεκτής κίνησης και η κόκκινη καμπύλη αντιπροσωπεύει την τέλεια κίνηση. Πρέπει να τονιστεί ότι η βάση δεδομένων είναι φυσικά ανοιχτή σε τροποποιήσεις. Ιδανικά οι παράμετροι της βάσης δεδομένων θα πρέπει να καθορίζονται από έναν επαγγελματία φυσιοθεραπευτή για να συμβουλεύει τις πραγματικές βέλτιστες παραμέτρους αποκατάστασης.

Η επιλεγμένη βέλτιστη κίνηση εδώ με κόκκινο χρώμα, βασίζεται στην εμπειρία και είναι τέτοια που ο βραχίονας φτάνει τις 90 ° σε 2,5 δευτερόλεπτα, που αντιστοιχεί σε σταθερή γωνιακή ταχύτητα 36 °/s, (ή 0, 6283 rad/s).

Η αποδεκτή ζώνη (με μπλε χρώμα) έχει σχεδιαστεί με λειτουργία τμηματικής κατάταξης 3 τάξεων σε αυτήν την περίπτωση τόσο για το ανώτερο όσο και για το κάτω όριο. Οι συναρτήσεις υψηλότερης τάξης θα μπορούσαν επίσης να θεωρηθούν ότι βελτιώνουν το σχήμα των καμπυλών ή ακόμα και την πολυπλοκότητα της άσκησης. Σε αυτό το παράδειγμα η άσκηση είναι πολύ απλή: 3 επαναλήψεις κίνησης από 0 έως 90 °.

Ο κώδικας πρόκειται να σχεδιάσει τα αποτελέσματα ενός από τους αισθητήρες - του ενδιαφέροντος που εξετάζει την άσκηση αποκατάστασης - σε αυτήν τη βάση δεδομένων. Το παιχνίδι τώρα για τον ασθενή είναι να προσαρμόσει την ταχύτητα και τη θέση του βραχίονα του έτσι ώστε το χέρι του να παραμείνει μέσα στη μπλε ζώνη, το αποδεκτό εύρος και όσο το δυνατόν πιο κοντά στην κόκκινη καμπύλη, την τέλεια κίνηση.