Rehabilitacija ramena egzoskeleta: 10 koraka

2024 Autor: John Day | [email protected]. Zadnja izmjena: 2024-01-30 08:06

Rame je jedan od najkompliciranijih dijelova cijelog ljudskog tijela. Njegove artikulacije i rameni zglob omogućuju ramenu širok raspon pokreta ruke i stoga su prilično složeni za modeliranje. Posljedično, rehabilitacija ramena je klasičan medicinski problem. Cilj ovog projekta je dizajnirati robota koji pomaže u ovoj rehabilitaciji.

Ovaj robot će imati oblik egzoskeleta s različitim senzorima koji će mjeriti relevantne parametre za karakterizaciju kretanja ruke, a zatim će uporediti dobivene rezultate u bazi podataka kako bi dao trenutnu povratnu informaciju o kvaliteti kretanja ramena pacijenta.

Uređaj se može vidjeti na gornjim slikama. Ovaj egzoskelet pričvršćen je na uprtač koji nosi pacijent. Postoje i trake za pričvršćivanje ruke uređaja na ruku pacijenta.

Studenti smo briselskog Fakulteta tehničkih nauka (Bruface) i imamo zadatak za predmet Mehatronika 1: realizirati projekt sa liste prijedloga s koje smo odabrali robota za rehabilitaciju ramena.

Članovi Mehatronike 1 Grupa 7:

Gianluca Carbone

Ines Henriette

Pierre Pereira Acuna

Radu Rontu

Thomas Wilmet

Korak 1: Materijali

- 3D štampač: PLA plastika

- Mašina za lasersko rezanje

- MDF 3 mm: površina 2m²

- 2 akcelerometra MMA8452Q

- 2 potenciometra: PC20BU

- Ležajevi: Unutrašnji prečnik 10 mm; Vanjski promjer 26 mm

- Linearne vodilice: širina 27 mm; minimalna dužina 300 mm

- Stražnji pojas i trake

- Arduino Uno

- Arduino kablovi: 2 magistrale za alimentaciju (3, 3V akcelerometar i 5V potenciometar), 2 magistrale za merenje akcelerometra, 1 magistrala za masu. (oplata):

- vijci:

Za ležaj: vijci i matice M10, Za općenito konstrukciju: vijci i matice M3 i M4

Korak 2: Glavna ideja

Kako bi pomogao rehabilitaciju ramena, ovaj uređaj ima namjenu pomoći rehabilitaciji ramena nakon osnovnih pokreta kod kuće s prototipom.

Pokreti na koje smo se odlučili fokusirati kao vježbe su: frontalna otmica (lijevo na slici) i vanjska rotacija (desno).

Naš prototip opremljen je raznim senzorima: dva akcelerometra i dva potenciometra. Ovi senzori šalju računaru vrijednosti kutova ruke i podlaktice iz okomitog položaja. Različiti podaci se zatim iscrtavaju u bazi podataka koja predstavlja optimalno kretanje. Ova zacrtana radnja radi se u stvarnom vremenu tako da pacijent može izravno usporediti svoje kretanje s kretanjem kako bi ga dobio, te se tako može ispraviti da ostane što je moguće bliže savršenom kretanju. O ovom dijelu će se govoriti u koraku baze podataka.

Iscrtani rezultati se također mogu poslati profesionalnom fizioterapeutu koji može protumačiti podatke i dati neke dodatne savjete pacijentu.

Više s praktičnog gledišta, budući da je rame jedan od najsloženijih zglobova ljudskog tijela, ideja je bila spriječiti određeni raspon pokreta kako bi se izbjegla loša realizacija pokreta, tako da prototip može dopustiti samo ove dva pokreta.

Štoviše, uređaj neće savršeno odgovarati anatomiji pacijenta. To znači da se os rotacije egzoskeleta ne podudara savršeno s onom pacijentovog ramena. Ovo će generirati okretne momente koji mogu slomiti uređaj. Kako bi se to kompenziralo, implementiran je niz šina. Ovo takođe omogućava velikom broju pacijenata da nose uređaj.

Korak 3: Različiti dijelovi uređaja

U ovom dijelu možete pronaći sve tehničke crteže komada koje smo koristili.

Ako želite koristiti vlastiti, neka vas zabrine činjenica da su neki dijelovi podložni velikim ograničenjima: na primjer, osovine ležaja podložne su lokalnoj deformaciji. Ako se štampaju 3D, trebaju biti izrađene u velikoj gustoći i dovoljno debele da se spriječe lomljenje.

Korak 4: Montaža - zadnja ploča

Na ovom videu možete vidjeti klizač koji se koristi za ispravljanje jednog od DOF -a (linearni vodič okomit na stražnju ploču). Taj klizač se također mogao staviti na ruku, ali rješenje predstavljeno na videu dalo je bolje teorijske rezultate o 3D softveru, za testiranje kretanja prototipa.

Korak 5: Montaža - artikulacija otmice

Korak 6: Montaža - Vanjska rotacijska artikulacija

Korak 7: Završna montaža

Korak 8: Kružni dijagram

Sada kada sastavljeni prototip ispravno ispravlja pogrešno poravnanje ramena i uspijeva pratiti kretanje pacijenta uz dva željena smjera, vrijeme je da prijeđemo na dio za praćenje, a posebno na električni dio projekta.

Tako će mjerači ubrzanja primati informacije o ubrzanjima uz sve smjerove plana, a kod će izračunati različite zanimljive kutove iz izmjerenih podataka. Različiti rezultati bit će poslani u matlab datoteku putem Arduina. Matlab datoteka tada crta rezultate u stvarnom vremenu i uspoređuje dobivenu krivulju s bazom podataka o prihvatljivim kretanjima.

Komponente ožičenja za Arduino:

Ovo je shematski prikaz različitih veza između različitih elemenata. Korisnik treba biti oprezan da veze zavise od koda koji se koristi. Na primjer, izlaz I1 prvog akcelerometra spojen je na masu, dok je izlaz drugog priključen na 3,3 V. Ovo je jedan od načina da se dva akcelerometra razlikuju od Arduino gledišta.

Shema ožičenja:

Zelena - Ishrana akcelerometara

Crveno - ulaz A5 Arduina za prikupljanje podataka sa mjerača ubrzanja

Ružičasta - ulaz A4 Arduina za prikupljanje podataka sa mjerača ubrzanja

Crna - uzemljenje

Siva - Mjerenja s prvog potenciometra (na rotacijskoj frontalnoj otmici)

Žuta - Mjerenja s drugog potenciometra (na vanjskoj rotacionoj rotuli)

Plava - Potenciometri Alimentation

Korak 9: Baza podataka

Sada kada računar primi uglove, računar će ih protumačiti.

Ovo je fotografija reprezentacije odabrane baze podataka. U ovoj bazi podataka plave krivulje predstavljaju zonu prihvatljivog kretanja, a crvena krivulja predstavlja savršeno kretanje. Treba naglasiti da je baza podataka, naravno, otvorena za izmjene. Idealno bi bilo da parametre baze podataka utvrdi profesionalni fizioterapeut kako bi dao savjete o stvarnim optimalnim parametrima rehabilitacije.

Odabrano optimalno kretanje ovdje u crvenoj boji zasnovano je na iskustvu i takvo je da ruka dostigne 90 ° za 2,5 sekunde, što odgovara konstantnoj kutnoj brzini od 36 °/s (ili 0, 6283 rad/s).

Prihvatljiva zona (plavom bojom) je u ovom slučaju dizajnirana sa 3 reda po komadu za gornju i donju granicu. Funkcije viših redova također se mogu uzeti u obzir za poboljšanje oblika krivulja ili čak složenost vježbe. U ovom primjeru vježba je vrlo jednostavna: 3 ponavljanja pokreta od 0 do 90 °.

Kôd će prikazati rezultate jednog od senzora - onog od interesa za razmatranje vježbe rehabilitacije - u ovoj bazi podataka. Igra za pacijenta sada je prilagoditi brzinu i položaj ruke tako da ruka ostane unutar plave zone, prihvatljivog raspona i što je moguće bliže crvenoj krivulji, savršenog pokreta.