Moonwalk: een prothese met haptische feedback - Ajarnpa

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

Beschrijving:

Moonwalk is een drukgevoelige prothese voor personen met een verminderde tactiele sensatie (neuropathie-achtige symptomen). Moonwalk is ontworpen om individuen te helpen nuttige haptische feedback te krijgen wanneer hun voeten in contact komen met de grond, zodat ze hun balans + mobiliteit kunnen verbeteren.

Ontworpen en open source gemaakt door Akshay Dinakar.

Ga voor meer projecten en creaties naar www.akshaydinakar.com/lab, de non-profit ontwerpstudio van Akshay Dinakar Design.

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

Dit prothetische apparaat gebruikt een velostat-sensor (bevestigd via medische hechting, nanozuiging of stoffen hoes aan een relevant deel van het lichaam) om drukwaarden in te lezen via analoge pinnen op een geschikte microcontroller. Zodra de drukwaarde een bepaalde limiet bereikt, wordt een gespecificeerd haptisch signaal geactiveerd, dat de gebruiker waarschuwt dat hij contact heeft gemaakt met een oppervlak.

Mijn bedoeling:

De bedoeling van dit project is om een goedkoop prothetisch apparaat te creëren om de onafhankelijkheid + mobiliteit van elk individu met gevoelloosheid in een deel van hun lichaam te verbeteren. Ik heb persoonlijke ervaring met familieleden die deze aandoening ervaren en wilde een toegankelijke oplossing creëren die anderen met beperkte technische ervaring zelf kunnen samenstellen. Vanwege de individualisering van symptomen en de verscheidenheid in beschikbaarheid van elektronische componenten, is het een uitdaging om een apparaat te maken dat geschikt is voor verschillende gebruikssituaties. Ik ben er echter trots op om Moonwalk uit te brengen als een oplossing die kan worden gebruikt op elk ledemaat/aangedane lichaamsdeel, compatibel met een reeks vormfactoren (afhankelijk van wat het meest geschikt is voor de gebruiker).

Voor esthetische overwegingen en professionele afwerking heb ik geavanceerde fabricagetechnieken gebruikt, waaronder solderen, siliconengieten / gieten en 3D-printen om deze prothese te monteren. Eenvoudige breadboard- en naaitechnieken klaren echter ook de klus.

Achtergrond:

Bijna 20 miljoen mensen in de VS alleen al ervaren neuropathie, een veelvoorkomende bijwerking van diabetes, kanker en artritis. Neuropathie wordt gekenmerkt door een mengsel van scherpe tintelende pijnen en gevoelloosheid in de handen en voeten van individuen, als gevolg van perifere zenuwbeschadiging. Neuropathie kan de mobiliteit ernstig beperken door het gevoel van aanraking te verminderen wanneer voeten en handen in contact komen met oppervlakken. Haptische feedback in de vorm van trillingen op niet-aangetaste delen van het lichaam kan individuen echter helpen het evenwicht te herstellen door de feedback te koppelen aan hun proprioceptieve gevoel.

Benodigdheden

Hardware:

Microcontroller (elk van de onderstaande opties is fantastisch):

• Arduino Nano (kleinste fysieke grootte, maar vereist extra elektronische componenten om op te laden)
• Adafruit Flora (go-to-optie voor wearables - platte vormfactor en heeft ingebouwd opladen)
• Adafruit Feather (heeft tal van extra functies die we niet nodig hebben, maar een zeer compacte vorm en ingebouwd opladen). Ik zal deze microcontroller gebruiken voor deze tutorial. Er zijn verschillende versies van Feather dan BLE-, WiFi- of Radio-chips - elke zal werken.

Trillingsmotor:

LRA-trillingsmotor (kan veel meer aanpasbare trillingssensatie bieden dan de typische ERM-trillingsmotor). Elke vibratiemotor onder 3V zal werken, maar een LRA zal de sterkste vibratieoutput zijn (we gebruiken een vereenvoudigd circuit om ons ontwerp compact te maken [de vibratiemotor rechtstreeks van de microcontroller aandrijven), en de meeste microcontrollers hebben huidige beperkingen die de vibratie verzwakken kracht)

Haptic Motor Driver (interfaces tussen de microcontroller en de vibratiemotor):

Haptic Motor Driver (DRV2605L, vervaardigd door Texas Instruments en gedistribueerd door Adafruit)

Li-Po-batterij (ergens in het bereik van 100 - 350 mAh zou voldoende moeten zijn):

3.7v, 350 mAh Li-Po

siliconen draad:

22 AWG siliconendraad (de siliconen zorgen voor een geweldige balans tussen flexibiliteit en duurzaamheid voor de draad en hebben de juiste diameter)

Velostat-materiaal

Velostat is een drukgevoelig oppervlak dat van weerstand verandert wanneer het wordt ingedrukt of samengedrukt

Plakband

Elk type tape (duct, Scotch, electric, masking) zal werken, maar ik raad een transparante en brede verpakkingstape aan. Je hebt maar een paar centimeter nodig

Aluminiumfolie (u hebt slechts ongeveer 4x4 inch nodig)

Software:

Arduino IDE (gratis te downloaden en te gebruiken, download het hier en installeer het:

Stap 1: Monteer uw Velostat-druksensor

Het is eenvoudiger dan je denkt.

1. Knip uw velostat op maat. Gebruik een schaar om uw velostat-vel af te knippen tot de sensormaat die u nodig heeft. Als je deze prothese voor voeten gebruikt, zorg er dan voor dat deze de maat heeft van een hiel. Als je het voor handen of vingers gebruikt, maak het dan de afmetingen van de huid die je wilt bedekken.

2. Snijd aluminiumfolie op maat. Snijd twee stukken aluminiumfolie op dezelfde afmetingen als het stuk velostat. Sandwich het stuk velostat tussen de twee stukken aluminiumfolie. De aluminiumfolie dient als geleidende laag.

3. Strip siliconendraad. Strip met behulp van draadstrippers 3-4 inch blootliggende draad van twee siliconendraadsegmenten. Elke siliconendraad moet ongeveer 15-20 inch lang zijn (maak ze allebei even lang voor esthetische aantrekkingskracht). Leg elke gestripte draad aan een kant van de aluminiumfolie. De totale sandwichvolgorde is nu: gestripte draad 1, aluminiumfolie 1, velostat, aluminiumfolie 2, gestripte draad 2.

4. Tape de druksensor samen. Tape over je componentensandwich en knip eventuele extra stukjes tape weg, zodat alles stevig aan elkaar vastzit. Het is uiterst belangrijk dat de velostaat de twee zijden van de sandwich netjes scheidt (de aluminiumfolie / gestripte draad aan de onderkant mag GEEN contact maken met enig deel van de bovenste geleidende oppervlakken).

5. Vlecht de draad. Om de draden bij elkaar te houden en te voorkomen dat ze gaan floppen tijdens de beweging van de gebruiker, draait u ze samen (hoe vaker u ronddraait, hoe veiliger ze zullen zijn). Dit is ook een goede praktijk voor elektrotechniek wanneer u groepen lange draden van hetzelfde begin- tot eindpunt hebt.

Stap 2: Sluit uw componenten aan

Tijd om al uw individuele elektronische onderdelen aan te sluiten. Ik heb al mijn componenten aan elkaar gesoldeerd, maar het is ook mogelijk om een breadboard te gebruiken (in dat geval moet je nog steeds pinnen op je microcontroller en haptische motordriver solderen).

1. Soldeer de druksensor op de microcontroller: sluit een van uw gevlochten draden aan op een analoge (A1) pin van uw microcontroller en soldeer de resterende gevlochten draad op de aardingspin (Gnd).

2. Soldeer de vibratiemotor aan de haptische motordriver: Soldeer de rode (positieve) draad van uw vibratiemotor aan de +-aansluiting, en de blauwe (aarde) draad aan de --aansluiting van de haptische motordriver.

3. Soldeer de haptische motordriver aan de microcontroller: Soldeer met behulp van twee zeer korte siliconendraadsegmenten de volgende pinnen op de haptische motordriver aan de microcontroller.

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

*De haptische motordriver gebruikt een type communicatiesysteem genaamd I2C om met de microcontroller te "praten". De SCL- en SDA-pinnen zijn de paden voor deze communicatie.

4. Sluit de batterij aan: sluit de Li-Po-batterijkop aan op de microcontroller. Als uw batterij enigszins is opgeladen, kan er een LED op de microcontroller oplichten. Eerste tekenen van leven!:)

Stap 3: Uw elektronica programmeren

Als je de Arduino IDE nog niet hebt gedownload en geïnstalleerd, is dit het moment. Ik vind het leuk om mijn programma in woorden te "pseudocoderen" voordat ik begin met coderen, zodat ik al weet wat ik in C++ moet schrijven.

Dit is wat onze prothetische softwarecode doet:

Vele malen per seconde leest onze microcontroller de drukwaarde in die de sensor detecteert, en als de drukwaarde sterk genoeg is (met andere woorden, de sensor is in contact met de grond), activeren we welk trillingspatroon we ook willen van de haptische motor driver. De bijgevoegde code volbrengt deze basisfunctionaliteit, maar het is eenvoudig om uw motor aan te passen om trillingen van verschillende patronen of sterkte te bieden, op basis van verschillende waarden die de druksensor detecteert (d.w.z. licht contact versus sterk contact)

*Ik ga uit van basiskennis van het gebruik van de Arduino IDE, het installeren van bibliotheken en het uploaden van code naar een aangesloten microcontroller. Als Arduino helemaal nieuw voor je is, gebruik dan deze tutorials om aan de slag te gaan.

1. Download en installeer de Adafruit DRV-bestanden in dezelfde map waarin uw Arduino-schets zich bevindt.

2. Download, upload en voer het LevitateVelostatCode-programma uit op uw microcontroller (zorg ervoor dat u de variabelen op de juiste manier instelt op basis van de gevoeligheid van uw velostat-sensor. U kunt de CLIFF & CUTOFF-waarden kalibreren door de Arduino Serial Monitor te openen en verschillende druklimieten, voor de use case die u nodig heeft.

3. Gefeliciteerd! U heeft al een werkende prothese. De rest is allemaal esthetiek en beslissen hoe je het aan het lichaam van de gebruiker wilt bevestigen.

Stap 4: Vormfactor + esthetiek

Het is aan jou waar en hoe je wilt dat Moonwalk aan het lichaam van de gebruiker wordt bevestigd. Mijn oorspronkelijk beoogde gebruik was voor detectie van voetcontact, dus de druksensor paste natuurlijk onder de hiel van de gebruiker.

Om de elektronica mooi compact te houden, heb ik een behuizingscontainer ontworpen en gefabriceerd (3D-geprint en gegoten in siliconen, om flexibel contact met de huid mogelijk te maken). Ik heb de 3D-bestanden (in. STL-vorm) aan deze Instructable toegevoegd.

*Voor maximale trillingen is het belangrijk dat de LRA-motor (die functioneert door snel trillingen te genereren van een z-asveer) in direct contact staat met oppervlakken die de huid raken (in tegenstelling tot een ERM, als een LRA in de lucht zweeft, huid voelt niets). Voor mijn ontwerp is het het meest logisch om de elektronica te bevestigen via een nanosuctie / gelpad (deze kunnen gemakkelijk online worden gekocht en zijn geweldig voor meerdere toepassingen op de huid), medische tape of een stoffen hoes. In theorie zou je Moonwalk ook onder elastische / spandex kleding kunnen dragen, als het op het been of dijbeen wordt gebruikt.

Stap 5: De voltooide prothese

Ik hoop dat mijn ontwerp enig nut voor je heeft. Voel je vrij om dit basisontwerp aan te passen, te remixen en te verbeteren - en wees geen onbekende! Ik ben bereikbaar via mijn website (www.akshaydinakar.com/home).