Rehabilitacija ramena z eksoskeletom: 10 korakov

2024 Avtor: John Day | [email protected]. Nazadnje spremenjeno: 2024-01-30 12:04

Rama je eden najbolj zapletenih delov celotnega človeškega telesa. Njegove artikulacije in ramenski sklep omogočajo rami širok razpon gibov roke in so zato precej zapletene za modeliranje. Posledično je rehabilitacija rame klasičen zdravstveni problem. Cilj tega projekta je oblikovati robota, ki pomaga pri tej rehabilitaciji.

Ta robot bo v obliki eksoskeleta z različnimi senzorji, ki bodo merili ustrezne parametre za karakterizacijo gibanja roke, nato pa bo pridobljene rezultate primerjal z bazo podatkov, da bo takojšnje povratne informacije o bolnikovi kakovosti gibanja ramen.

Napravo lahko vidite na zgornjih slikah. Ta eksoskelet je pritrjen na pas, ki ga nosi pacient. Obstajajo tudi trakovi za pritrditev roke naprave na pacientovo roko.

Smo študentje bruseljske fakultete za inženiring (Bruface) in imamo nalogo za predmet Mehatronika 1: uresničiti projekt s seznama predlogov, med katerim smo izbrali rehabilitacijskega robota za ramena.

Člani skupine 7 Mehatronike 1:

Gianluca Carbone

Ines Henriette

Pierre Pereira Acuna

Radu Rontu

Thomas Wilmet

1. korak: Materiali

- 3D tiskalnik: PLA plastika

- stroj za lasersko rezanje

- MDF 3 mm: površina 2 m²

- 2 merilnika pospeška MMA8452Q

- 2 potenciometra: PC20BU

- Ležaji: Notranji premer 10 mm; Zunanji premer 26 mm

- Linearna vodila: širina 27 mm; minimalna dolžina 300 mm

- hrbtni pas in pasovi

- Arduino Uno

- Arduino kabli: 2 vodila za prehrano (3, 3V merilnik pospeška in 5V potenciometer), 2 vodila za merjenje pospeška, 1 vodilo za maso. (načrt):

- Vijaki:

Za ležaj: vijaki in matice M10, Za konstrukcijo na splošno: vijaki in matice M3 in M4

2. korak: Glavna ideja

Za pomoč pri rehabilitaciji ramen ima ta naprava namen pomagati pri rehabilitaciji rame po osnovnih gibanjih doma s prototipom.

Gibi, na katere smo se odločili osredotočiti kot vaje, so: čelna ugrabitev (levo na sliki) in zunanja rotacija (desno).

Naš prototip je opremljen z različnimi senzorji: dvema merilcema pospeška in dvema potenciometroma. Ti senzorji pošiljajo računalniku vrednosti kotov roke in podlakti iz navpičnega položaja. Različni podatki se nato vnesejo v bazo podatkov, ki predstavlja optimalno gibanje. Ta risba se izvede v realnem času, tako da lahko pacient neposredno primerja svoje gibanje z gibanjem, ki ga želi pridobiti, in se tako lahko popravi, da ostane čim bližje popolnemu gibanju. Ta del bo obravnavan v koraku zbirke podatkov.

Izrisane rezultate lahko pošljete tudi poklicnemu fizioterapevtu, ki lahko razlaga podatke in bolniku da še nekaj nasvetov.

Bolj s praktičnega vidika, saj je rama eden najkompleksnejših sklepov človeškega telesa, je bila ideja preprečiti določen obseg gibanja, da bi se izognili slabi realizaciji gibanja, tako da lahko prototip dovoljuje le te dva giba.

Poleg tega naprava ne bo popolnoma ustrezala anatomiji pacienta. To pomeni, da se os vrtenja eksoskeleta ne ujema popolnoma z osmi pacientove rame. To bo ustvarilo navore, ki lahko poškodujejo napravo. Da bi to nadomestili, je bil izveden niz tirnic. To omogoča tudi uporabo širokega kroga bolnikov.

3. korak: Različni deli naprave

V tem delu najdete vse tehnične risbe kosov, ki smo jih uporabili.

Če želite uporabiti svojega, naj vas skrbi dejstvo, da so nekateri kosi izpostavljeni visokim omejitvam: na primer gredi ležajev so podvržene lokalnim deformacijam. Če so 3D-natisnjeni, morajo biti izdelani v visoki gostoti in dovolj debeli, da se prepreči lomljenje.

4. korak: Montaža - zadnja plošča

Na tem videoposnetku si lahko ogledate drsnik, ki se uporablja za popravljanje enega od DOF (linearno vodilo, pravokotno na hrbtno ploščo). Ta drsnik bi lahko dali tudi na roko, vendar je rešitev, predstavljena na videoposnetku, dala boljše teoretične rezultate pri 3D programski opremi, da bi preizkusili gibanje prototipa.

5. korak: Montaža - artikulacija ugrabitve

Korak 6: Montaža - Zunanja rotacijska artikulacija

7. korak: Končna montaža

8. korak: Shema vezja

Zdaj, ko sestavljeni prototip ustrezno popravi napačno poravnavo ramen in uspe spremljati pacientovo gibanje ob obeh želenih smereh, je čas, da se lotimo sledilnega dela in še posebej električnega dela projekta.

Merilniki pospeška bodo tako prejemali informacije o pospeških poleg vseh smeri načrta, koda pa bo iz merjenih podatkov izračunala različne zanimive kote. Različni rezultati bodo poslani v datoteko matlab prek Arduina. Datoteka Matlab nato črpa rezultate v realnem času in primerja dobljeno krivuljo z bazo podatkov o sprejemljivih gibanjih.

Komponente ožičenja za Arduino:

To je shematski prikaz različnih povezav med različnimi elementi. Uporabnik mora biti previden, da so povezave odvisne od uporabljene kode. Na primer, izhod I1 prvega merilnika pospeška je priključen na tla, medtem ko je izhod drugega priključen na 3,3 V. To je eden od načinov za ločitev obeh merilnikov pospeška s stališča Arduino.

Shema ožičenja:

Zelena - Prehranjevanje merilnikov pospeška

Rdeča - vnos A5 Arduina za zbiranje podatkov iz merilnikov pospeška

Roza - vhod A4 Arduina za zbiranje podatkov iz merilnikov pospeška

Črna - prizemljena

Siva - meritve s prvega potenciometra (na rotu za čelno ugrabitev)

Rumena - Meritve iz drugega potenciometra (na zunanji rotacijski vrtljivi roti)

Modra - Prehranjevanje potenciometrov

9. korak: Baza podatkov

Ko računalnik prejme kote, jih bo računalnik interpretiral.

To je fotografija predstavitve izbrane baze podatkov. V tej bazi podatkov modre krivulje predstavljajo območje sprejemljivega gibanja, rdeča pa popolno gibanje. Poudariti je treba, da je zbirka podatkov seveda odprta za spremembe. V idealnem primeru bi moral parametre zbirke podatkov določiti poklicni fizioterapevt, ki bi svetoval glede dejanskih optimalnih parametrov rehabilitacije.

Izbrano optimalno gibanje tukaj v rdeči barvi temelji na izkušnjah in je tako, da roka v 2,5 sekundah doseže 90 °, kar ustreza konstantni kotni hitrosti 36 °/s (ali 0, 6283 rad/s).

Sprejemljivo območje (v modri barvi) je bilo v tem primeru zasnovano s 3 -zaporedno funkcijo po delih za zgornjo in spodnjo mejo. Prav tako bi lahko razmislili o funkcijah višjih naročil, da bi izboljšali obliko krivulj ali celo zapletenost vaje. V tem primeru je vaja zelo preprosta: 3 ponovitve gibanja od 0 do 90 °.

Koda bo v to zbirko podatkov vnesla rezultate enega od senzorjev - tistega, ki zanima obravnavo rehabilitacijske vaje. Igra za pacienta je, da prilagodi hitrost in položaj roke, tako da roka ostane znotraj modrega območja, sprejemljivega območja in čim bližje rdeči krivulji, popolnega gibanja.