Exoskelet schouderrevalidatie: 10 stappen

2024 Auteur: John Day | [email protected]. Laatst gewijzigd: 2024-01-30 11:16

De schouder is een van de meest gecompliceerde onderdelen van het hele menselijk lichaam. De articulaties en het schoudergewricht laten de schouder een breed scala aan bewegingen van de arm toe en zijn dus vrij complex om te modelleren. De revalidatie van de schouder is dan ook een klassiek medisch probleem. Het doel van dit project is om een robot te ontwerpen die deze revalidatie helpt.

Deze robot zal de vorm aannemen van een exoskelet met verschillende sensoren die relevante parameters meten om de beweging van de arm te karakteriseren, en vervolgens de verkregen resultaten vergelijken met een database om onmiddellijke feedback te geven over de kwaliteit van de schouderbeweging van de patiënt.

Het toestel is te zien op de foto's net hierboven. Dit exoskelet wordt bevestigd op een harnas dat door de patiënt wordt gedragen. Er zijn ook banden om de arm van het apparaat aan de arm van de patiënt te bevestigen.

Wij zijn studenten van de Brusselse Faculteit Ingenieurswetenschappen (Bruface) en hebben een opdracht voor het vak Mechatronica 1: een project realiseren op basis van een suggestielijst waaruit we de Schouderrevalidatierobot hebben gekozen.

Leden van de Mechatronica 1 Groep 7:

Gianluca Carbone

Ines Henriëtte

Pierre Pereira Acuna

Radu Rontu

Thomas Wilmet

Stap 1: Materialen

- 3D-printer: PLA-kunststof

- Laser snij machine

- MDF 3mm: oppervlakte 2m²

- 2 versnellingsmeters MMA8452Q

- 2 potentiometers: PC20BU

- Lagers: Binnendiameter 10 mm; Buitendiameter 26mm

- Lineaire geleiderails: breedte 27 mm; minimale lengte 300 mm

- Rugharnas en riemen

- Arduino Uno

- Arduino kabels: 2 bus voor Alimentatie (3, 3V Accelerometer en 5V Potientiometer), 2 bus voor Accelerometer meting, 1 bus voor de massa. (broodplank):

- Schroeven:

Voor het lager: M10 bouten en moeren, Voor de structuur in het algemeen: M3 en M4 bouten en moeren

Stap 2: Hoofdidee

Om de schouderrevalidatie te ondersteunen, is dit apparaat bedoeld om te helpen bij de revalidatie van de schouder na basisbewegingen thuis met het prototype.

De bewegingen waar we ons op focussen als oefeningen zijn: de frontale abductie (links op de foto) en externe rotatie (rechts).

Ons prototype is uitgerust met verschillende sensoren: twee versnellingsmeters en twee potentiometers. Deze sensoren sturen de waarden van de hoeken van de arm en van de onderarm vanuit de verticale positie naar een computer. De verschillende gegevens worden vervolgens uitgezet in een database die de optimale beweging weergeeft. Deze grafiek wordt in realtime gemaakt, zodat de patiënt zijn eigen beweging direct kan vergelijken met de te verkrijgen beweging, en zichzelf zo kan corrigeren om zo dicht mogelijk bij de perfecte beweging te blijven. Dit deel wordt besproken in de databasestap.

De uitgezette resultaten kunnen ook naar een professionele fysiotherapeut worden gestuurd die de gegevens kan interpreteren en wat meer advies kan geven aan de patiënt.

Meer vanuit praktisch oogpunt, aangezien de schouder een van de meest complexe gewrichten van het menselijk lichaam is, was het idee om een bepaald bewegingsbereik te voorkomen om een slechte realisatie van de beweging te voorkomen, zodat het prototype alleen deze bewegingen kan toestaan. twee bewegingen.

Bovendien zal het apparaat niet perfect passen bij de anatomie van de patiënt. Dit betekent dat de as van de rotatie van het exoskelet niet perfect overeenkomt met die van de schouder van de patiënt. Dit genereert koppels die het apparaat kunnen breken. Om dat te compenseren is een set rails aangebracht. Hierdoor kan een groot aantal patiënten het apparaat ook dragen.

Stap 3: Verschillende delen van het apparaat

In dit deel vind je alle technische tekeningen van de gebruikte stukken.

Als u uw eigen onderdelen wilt gebruiken, wees dan bezorgd over het feit dat sommige onderdelen onderhevig zijn aan hoge beperkingen: de assen van de lagers zijn bijvoorbeeld onderhevig aan lokale vervorming. Als ze 3D-geprint zijn, moeten ze met een hoge dichtheid en dik genoeg worden gemaakt om te voorkomen dat ze breken.

Stap 4: Montage - Achterplaat

Op deze video kun je de schuifregelaar zien die wordt gebruikt om een van de DOF (de lineaire geleider loodrecht op de achterplaat) te corrigeren. Die slider kon ook op de arm worden gezet, maar de oplossing die op de video werd gepresenteerd, gaf betere theoretische resultaten op de 3D-software, om de beweging van het prototype te testen.

Stap 5: Montage - Ontvoering Articulatie

Stap 6: Montage - Externe Rotatie Articulatie

Stap 7: Eindmontage

Stap 8: Schakelschema

Nu het geassembleerde prototype een verkeerde uitlijning van de schouder corrigeert en erin slaagt de beweging van de patiënt naast de twee gewenste richtingen te volgen, is het tijd om aan het volggedeelte te gaan en vooral aan het elektrische gedeelte van het project.

Dus de versnellingsmeters ontvangen versnellingsinformatie naast alle richtingen van het plan, en een code berekent de verschillende interessante hoeken uit de gemeten gegevens. De verschillende resultaten worden via de Arduino naar een matlab-bestand gestuurd. Het Matlab-bestand tekent vervolgens de resultaten in realtime en vergelijkt de verkregen curve met een database van de acceptabele bewegingen.

Bedrading componenten naar Arduino:

Dit is de schematische weergave van de verschillende verbindingen tussen verschillende elementen. De gebruiker moet erop letten dat de verbindingen afhankelijk zijn van de gebruikte code. De I1-uitgang van de eerste versnellingsmeter is bijvoorbeeld verbonden met de grond terwijl de uitgang van de tweede is verbonden met 3,3V. Dit is een van de manieren om de twee versnellingsmeters te onderscheiden vanuit het Arduino-oogpunt.

Bedrading schema:

Groen - Versnellingsmeter voeding

Rood - voer A5 van de Arduino in om gegevens van de versnellingsmeters te verzamelen

Roze - voer A4 van de Arduino in om gegevens van de versnellingsmeters te verzamelen

Zwart - Grond

Grijs - Metingen vanaf de eerste potentiometer (op de frontale abductierotule)

Geel - Metingen van de tweede potentiometer (op de externe rotatierotule)

Blauw - Potentiometers Voeding

Stap 9: Database

Nu de computer de hoeken ontvangt, gaat de computer ze interpreteren.

Dit is een foto van een weergave van de gekozen database. In deze database vertegenwoordigen de blauwe curven de zone van acceptabele beweging en de rode curve de perfecte beweging. Benadrukt moet worden dat de database uiteraard openstaat voor wijzigingen. Idealiter zouden de parameters van de database moeten worden vastgesteld door een professionele fysiotherapeut om advies te geven over de eigenlijke optimale revalidatieparameters.

De gekozen optimale beweging hier in rood, is gebaseerd op ervaring en is zodanig dat de arm in 2,5 seconden 90° bereikt, wat overeenkomt met een constante hoeksnelheid van 36°/s, (of 0, 6283 rad/s).

De aanvaardbare zone (in blauw) is ontworpen met een 3 orde stuksgewijs functie in dit geval voor zowel de bovengrens als de ondergrens. Functies van hogere orde kunnen ook worden overwogen om de vorm van de curven of zelfs de complexiteit van de oefening te verbeteren. In dit voorbeeld is de oefening heel eenvoudig: 3 herhalingen van 0 tot 90° beweging.

De code gaat de resultaten van een van de sensoren - degene die van belang is voor de overwogen revalidatieoefening - in deze database plotten. Het spel voor de patiënt is nu om de snelheid en positie van zijn arm aan te passen zodat zijn arm binnen de blauwe zone blijft, het acceptabele bereik, en zo dicht mogelijk bij de rode curve, de perfecte beweging.