Moonwalk: a Haptic Feedback Prosthetic: 5 Steps

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

Περιγραφή:

Το Moonwalk είναι μια προσθετική συσκευή ευαίσθητη στην πίεση για άτομα με μειωμένη αίσθηση αφής (συμπτώματα που μοιάζουν με νευροπάθεια). Το Moonwalk σχεδιάστηκε για να βοηθήσει τα άτομα να λαμβάνουν χρήσιμη απτική ανατροφοδότηση όταν τα πόδια τους έρχονται σε επαφή με το έδαφος, έτσι ώστε να μπορούν να βελτιώσουν την ισορροπία + την κινητικότητα.

Σχεδιάστηκε και δημιουργήθηκε ανοιχτού κώδικα από τον Akshay Dinakar.

Για να δείτε περισσότερα έργα και δημιουργίες, επισκεφθείτε τη διεύθυνση www.akshaydinakar.com/lab, το μη κερδοσκοπικό στούντιο σχεδιασμού της Akshay Dinakar Design.

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

Αυτή η προσθετική συσκευή χρησιμοποιεί έναν αισθητήρα velostat (που συνδέεται μέσω ιατρικής πρόσφυσης, νανοαναρρόφησης ή υφασμάτινου περιβλήματος σε οποιοδήποτε σχετικό μέρος του σώματος) για να διαβάζει τιμές πίεσης μέσω αναλογικών ακίδων σε κατάλληλο μικροελεγκτή. Μόλις η τιμή πίεσης φτάσει σε ένα ορισμένο όριο, ενεργοποιείται ένα καθορισμένο απτικό σήμα, προειδοποιώντας το χρήστη ότι έχει έρθει σε επαφή με μια επιφάνεια.

Η πρόθεσή μου:

Ο σκοπός αυτού του έργου είναι να δημιουργήσει μια προσθετική συσκευή χαμηλού κόστους για να ενισχύσει την ανεξαρτησία + την κινητικότητα κάθε ατόμου με μούδιασμα σε ένα μέρος του σώματός του. Έχω προσωπική εμπειρία με μέλη της οικογένειας που βιώνουν αυτήν την κατάσταση και ήθελα να δημιουργήσω μια προσβάσιμη λύση που θα μπορούσαν να συγκεντρώσουν μόνοι τους άλλοι με περιορισμένη εμπειρία μηχανικής. Λόγω της εξατομίκευσης των συμπτωμάτων και της ποικιλίας στη διαθεσιμότητα ηλεκτρονικών εξαρτημάτων, είναι δύσκολο να δημιουργηθεί μια συσκευή που λειτουργεί για μια σειρά περιπτώσεων χρήσης. Ωστόσο, είμαι περήφανος που κυκλοφορώ το Moonwalk ως λύση που μπορεί να χρησιμοποιηθεί σε οποιοδήποτε άκρο / προσβεβλημένο μέρος του σώματος, συμβατό με μια σειρά παραγόντων μορφής (όποιο είναι το πιο κατάλληλο για τον χρήστη).

Για αισθητικούς λόγους και επαγγελματικό φινίρισμα, χρησιμοποίησα προηγμένες τεχνικές κατασκευής, όπως συγκόλληση, χύτευση / χύτευση σιλικόνης και εκτύπωση 3D για τη συναρμολόγηση αυτής της προσθετικής. Ωστόσο, οι απλές τεχνικές για το ψωμί και το ράψιμο κάνουν επίσης τη δουλειά.

Ιστορικό:

Σχεδόν 20 εκατομμύρια άτομα μόνο στις ΗΠΑ αντιμετωπίζουν νευροπάθεια, μια κοινή παρενέργεια του διαβήτη, του καρκίνου και της αρθρίτιδας. Η νευροπάθεια χαρακτηρίζεται από ένα μείγμα από έντονο μυρμήγκιασμα και μούδιασμα στα χέρια και τα πόδια των ατόμων, ως αποτέλεσμα βλάβης των περιφερικών νεύρων. Η νευροπάθεια μπορεί να περιορίσει σημαντικά την κινητικότητα μειώνοντας τις αισθήσεις αφής όταν τα πόδια και τα χέρια έρχονται σε επαφή με επιφάνειες. Ωστόσο, η απτική ανατροφοδότηση με τη μορφή κραδασμών σε μέρη που δεν επηρεάζονται από το σώμα μπορεί να βοηθήσει τα άτομα να ανακτήσουν την ισορροπία συνδέοντας την ανατροφοδότηση με την ιδιοδεκτική τους αίσθηση.

Προμήθειες

Σκεύη, εξαρτήματα:

Μικροελεγκτής (οποιαδήποτε από τις παρακάτω επιλογές είναι φανταστική):

• Arduino Nano (μικρότερο φυσικό μέγεθος, αλλά θα απαιτήσει επιπλέον ηλεκτρονικά εξαρτήματα για φόρτιση)
• Adafruit Flora (δυνατότητα μετάβασης για φορετά-επίπεδη μορφή και ενσωματωμένη φόρτιση)
• Adafruit Feather (έχει πολλές επιπλέον δυνατότητες που δεν χρειαζόμαστε, αλλά μια πολύ συμπαγή φόρμα και ενσωματωμένη φόρτιση). Θα χρησιμοποιήσω αυτόν τον μικροελεγκτή για αυτό το σεμινάριο. Υπάρχουν διαφορετικές εκδόσεις του Feather από το να περιλαμβάνουν BLE, WiFi ή Radio chips - οποιαδήποτε θα λειτουργήσει.

Κινητήρας δόνησης:

Κινητήρας δόνησης LRA (ικανός να παρέχει πολύ πιο προσαρμόσιμη αίσθηση δόνησης από τον τυπικό κινητήρα δόνησης ERM). Οποιοσδήποτε κινητήρας δόνησης κάτω από 3V θα λειτουργήσει, αλλά ένα LRA θα είναι η ισχυρότερη έξοδος κραδασμών (χρησιμοποιούμε ένα απλοποιημένο κύκλωμα για να κάνουμε τον σχεδιασμό μας συμπαγή [τροφοδοτώντας τον κινητήρα δόνησης απευθείας από τον μικροελεγκτή] και οι περισσότεροι μικροελεγκτές έχουν περιορισμούς ρεύματος που αποδυναμώνουν τους κραδασμούς δύναμη)

Haptic Motor Driver (διασυνδέσεις μεταξύ του μικροελεγκτή και του κινητήρα δόνησης):

Haptic Motor Driver (DRV2605L, που κατασκευάζεται από την Texas Instruments και διανέμεται από την Adafruit)

Μπαταρία Li -Po (κάπου στην περιοχή 100 - 350 mAh θα πρέπει να είναι αρκετή):

3,7v, 350 mAh Li-Po

Σύρμα σιλικόνης:

22 AWG Silicone Wire (η σιλικόνη παρέχει μεγάλη ισορροπία ευελιξίας και αντοχής στο σύρμα και έχει τη σωστή διάμετρο)

Υλικό Velostat

Το Velostat είναι μια ευαίσθητη στην πίεση επιφάνεια που αλλάζει αντίσταση όταν πιέζεται ή συμπιέζεται

Ταινία-κασέτα

Οποιοσδήποτε τύπος ταινίας (αγωγός, σκωτσέζικος, ηλεκτρικός, καλύπτοντας) θα λειτουργήσει, αλλά προτείνω μια διαφανή και φαρδιά ταινία συσκευασίας. Θα χρειαστείτε μόνο μερικά εκατοστά

Αλουμινόχαρτο (χρειάζεστε μόνο περίπου 4x4 ίντσες)

Λογισμικό:

Arduino IDE (Δωρεάν λήψη και χρήση, αποκτήστε το εδώ και εγκαταστήστε:

Βήμα 1: Συναρμολογήστε τον αισθητήρα πίεσης Velostat

Είναι πιο απλό από όσο νομίζετε.

1. Κόψτε το velostat σας σε μέγεθος. Χρησιμοποιήστε ένα ψαλίδι για να κόψετε το φύλλο velostat σε οποιοδήποτε αισθητήρα μεγέθους χρειάζεστε. Εάν χρησιμοποιείτε αυτό το προσθετικό για τα πόδια, κάντε το σε μέγεθος φτέρνας. Εάν το χρησιμοποιείτε για χέρια ή δάχτυλα, κάντε το στις διαστάσεις του δέρματος που θέλετε να καλύψετε.

2. Κόψτε αλουμινόχαρτο σε μέγεθος. Κόψτε δύο κομμάτια αλουμινόχαρτου στις ίδιες διαστάσεις με το κομμάτι του velostat. Σάντουιτς το κομμάτι velostat ανάμεσα στα δύο κομμάτια αλουμινόχαρτου. Το φύλλο αλουμινίου χρησιμεύει ως αγώγιμο στρώμα.

3. Λωρίδα σύρματος σιλικόνης. Χρησιμοποιώντας απογυμνωτές σύρματος, αφαιρέστε 3-4 εκατοστά εκτεθειμένου σύρματος από δύο τμήματα σύρματος σιλικόνης. Κάθε σύρμα σιλικόνης πρέπει να έχει μήκος περίπου 15-20 ίντσες (κάντε και τα δύο το ίδιο μήκος για αισθητική). Τοποθετήστε κάθε απογυμνωμένο σύρμα σε μια πλευρά του αλουμινόχαρτου. Η συνολική σειρά σάντουιτς είναι τώρα: απογυμνωμένο σύρμα 1, φύλλο αλουμινίου 1, velostat, φύλλο αλουμινίου 2, απογυμνωμένο σύρμα 2.

4. Αισθητήρας πίεσης ταινίας μαζί. Κολλήστε το σάντουιτς με το συστατικό σας και κόψτε τυχόν επιπλέον κομμάτια ταινίας, έτσι ώστε όλα να είναι καλά στερεωμένα μεταξύ τους. Είναι εξαιρετικά σημαντικό το velostat να διαχωρίζει καθαρά τις δύο πλευρές του σάντουιτς (το φύλλο αλουμινίου / το απογυμνωμένο σύρμα στο κάτω μέρος ΔΕΝ πρέπει να έρχεται σε επαφή με οποιοδήποτε μέρος των άνω αγώγιμων επιφανειών).

5. Πλέξτε το σύρμα. Για να διατηρήσετε τα καλώδια ενωμένα και να αποτρέψετε την πτώση τους κατά τη διάρκεια της κίνησης του χρήστη, στριφογυρίστε τα μαζί (όσο περισσότερες φορές στριφογυρίζετε, τόσο πιο ασφαλή θα είναι). Αυτή είναι επίσης καλή πρακτική ηλεκτρολογίας όταν έχετε ομάδες μακρών καλωδίων που πηγαίνουν από το ίδιο σημείο εκκίνησης στο τέλος.

Βήμα 2: Συνδέστε τα εξαρτήματά σας

Timeρα να συνδέσετε όλα τα μεμονωμένα ηλεκτρονικά μέρη σας. Συγκόλλησα όλα τα εξαρτήματά μου μαζί, αλλά είναι επίσης δυνατό να χρησιμοποιήσετε ένα breadboard (σε αυτή την περίπτωση, θα χρειαστεί ακόμα να κολλήσετε καρφίτσες στον μικροελεγκτή σας και στο απτικό πρόγραμμα οδήγησης κινητήρα).

1. Αισθητήρας πίεσης συγκόλλησης σε μικροελεγκτή: Συνδέστε ένα από τα πλεγμένα καλώδιά σας σε έναν αναλογικό (A1) πείρο του μικροελεγκτή σας και κολλήστε το υπόλοιπο πλεγμένο σύρμα στον πείρο γείωσης (Gnd).

2. Solder Vibration Motor to Haptic Motor Driver: Συγκολλήστε το κόκκινο (θετικό) καλώδιο του κινητήρα δόνησης στον ακροδέκτη + και το μπλε (γείωση) στο τερματικό του απτικού οδηγού κινητήρα.

3. Solder Haptic Motor Driver σε Microcontroller: Χρησιμοποιώντας δύο πολύ σύντομα τμήματα καλωδίων σιλικόνης, κολλήστε τις ακόλουθες ακίδες στο απτικό πρόγραμμα οδήγησης κινητήρα στον μικροελεγκτή.

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

*Ο απτικός οδηγός κινητήρα χρησιμοποιεί έναν τύπο συστήματος επικοινωνίας που ονομάζεται I2C για να "μιλήσει" με τον μικροελεγκτή. Οι ακίδες SCL και SDA είναι οι δρόμοι για να πραγματοποιηθεί αυτή η επικοινωνία.

4. Σύνδεση μπαταρίας: Συνδέστε την κεφαλίδα της μπαταρίας Li-Po στον μικροελεγκτή. Εάν η μπαταρία σας έχει κάποια φόρτιση, ενδέχεται να ανάψει μια λυχνία LED στον μικροελεγκτή. Τα πρώτα σημάδια ζωής!:)

Βήμα 3: Προγραμματισμός των ηλεκτρονικών σας

Εάν δεν έχετε κατεβάσει και εγκαταστήσει το Arduino IDE ακόμα, ήρθε η ώρα. Μου αρέσει να "ψευδοκωδικοποιώ" το πρόγραμμά μου με λέξεις πριν ξεκινήσω την κωδικοποίηση, έτσι ώστε να έχω ήδη καταλάβει τι πρέπει να γράψω σε C ++.

Δείτε τι κάνει ο προσθετικός κώδικας λογισμικού μας:

Πολλές φορές ανά δευτερόλεπτο, ο μικροελεγκτής μας διαβάζει την τιμή πίεσης που ανιχνεύει ο αισθητήρας και εάν η τιμή πίεσης είναι αρκετά ισχυρή (με άλλα λόγια, ο αισθητήρας είναι σε επαφή με το έδαφος), ενεργοποιούμε όποιο μοτίβο δόνησης θέλουμε από το απτικό οδηγό κινητήρα. Ο συνημμένος κώδικας ολοκληρώνει αυτήν τη βασική λειτουργικότητα, αλλά είναι εύκολο να προσαρμόσετε τον κινητήρα σας ώστε να παρέχει κραδασμούς διαφόρων σχεδίων ή αντοχής, με βάση τις διαφορετικές τιμές που ανιχνεύει ο αισθητήρας πίεσης (δηλαδή επαφή φωτός έναντι ισχυρής επαφής)

*Υποθέτω βασικές γνώσεις σχετικά με τη χρήση του Arduino IDE, την εγκατάσταση βιβλιοθηκών και τη μεταφόρτωση κώδικα σε συνδεδεμένο μικροελεγκτή. Εάν είστε εντελώς νέοι στο Arduino, χρησιμοποιήστε αυτά τα σεμινάρια για να αποκτήσετε ταχύτητα.

1. Κατεβάστε και εγκαταστήστε τα αρχεία Adafruit DRV στον ίδιο φάκελο στον οποίο βρίσκεται το σκίτσο του Arduino.

2. Κάντε λήψη, μεταφόρτωση και εκτέλεση του προγράμματος LevitateVelostatCode στον μικροελεγκτή σας (φροντίστε να ορίσετε τις μεταβλητές κατάλληλα με βάση την ευαισθησία του αισθητήρα velostat. Μπορείτε να βαθμονομήσετε τις τιμές CLIFF & CUTOFF ανοίγοντας το Arduino Serial Monitor και δοκιμάζοντας διαφορετικά όρια πίεσης, για τη θήκη χρήσης που χρειάζεστε.

3. Συγχαρητήρια! Έχετε ήδη μια προσθετική συσκευή που λειτουργεί. Τα υπόλοιπα είναι όλα αισθητικά και αποφασίζουν πώς θέλετε να το προσαρτήσετε στο σώμα του χρήστη.

Βήμα 4: Form Factor + Aesthetics

Εξαρτάται από εσάς πού και πώς θέλετε να προσαρτηθεί το Moonwalk στο σώμα του χρήστη. Η αρχικά οραματιζόμενη θήκη χρήσης μου ήταν για ανίχνευση επαφής με τα πόδια, έτσι ώστε ο αισθητήρας πίεσης να ταιριάζει φυσικά κάτω από τη φτέρνα του χρήστη.

Για να διατηρήσω τα ηλεκτρονικά όμορφα και συμπαγή, σχεδίασα και κατασκεύασα ένα δοχείο περιβλήματος (με εκτύπωση 3D και σιλικόνη, για ευέλικτη επαφή με το δέρμα). Έχω επισυνάψει τα αρχεία 3D (σε μορφή. STL) σε αυτό το Instructable.

*Για μέγιστη δόνηση, είναι σημαντικό ο κινητήρας LRA (ο οποίος λειτουργεί δημιουργώντας γρήγορα δονήσεις από ένα ελατήριο άξονα z) να είναι σε άμεση επαφή με επιφάνειες που αγγίζουν το δέρμα (σε αντίθεση με ένα ERM, εάν ένα LRA επιπλέει στον αέρα, το το δέρμα δεν θα αισθανθεί τίποτα). Για τον σχεδιασμό μου, είναι πολύ λογικό να συνδέω τα ηλεκτρονικά μέσα με ένα μαξιλάρι νανοαναρρόφησης / τζελ (αυτά μπορούν να αγοραστούν εύκολα στο διαδίκτυο και είναι ιδανικά για πολλαπλές χρήσεις στο δέρμα), ιατρική ταινία ή ένα υφασμάτινο μανίκι. Θεωρητικά, μπορείτε επίσης να γλιστρήσετε το Moonwalk κάτω από ελαστικά / spandex ρούχα, εάν χρησιμοποιείται στο πόδι ή στο μηρό.

Βήμα 5: Η τελική προσθετική

Ελπίζω το σχέδιό μου να σας εξυπηρετήσει κάποια χρησιμότητα. Μη διστάσετε να τροποποιήσετε, να αναμίξετε και να βελτιώσετε αυτόν τον βασικό σχεδιασμό - και μην είστε ξένοι! Μπορώ να επικοινωνήσω μαζί μου μέσω της ιστοσελίδας μου (www.akshaydinakar.com/home).