Riabilitazione dell'esoscheletro della spalla: 10 passaggi

2024 Autore: John Day | [email protected]. Ultima modifica: 2024-01-30 10:01

La spalla è una delle parti più complicate dell'intero corpo umano. Le sue articolazioni e l'articolazione della spalla consentono alla spalla un'ampia gamma di movimenti del braccio e sono quindi piuttosto complessi da modellare. Di conseguenza, la riabilitazione della spalla è un classico problema medico. L'obiettivo di questo progetto è progettare un robot che aiuti questa riabilitazione.

Questo robot assumerà la forma di un esoscheletro con vari sensori che misureranno parametri rilevanti per caratterizzare il movimento del braccio, e quindi confronterà i risultati ottenuti con un database per dare un feedback immediato sulla qualità del movimento della spalla del paziente.

Il dispositivo può essere visto nelle immagini appena sopra. Questo esoscheletro è fissato su un'imbracatura che viene indossata dal paziente. Sono presenti anche cinghie per fissare il braccio del dispositivo al braccio del paziente.

Siamo studenti della Facoltà di Ingegneria di Bruxelles (Bruface) e abbiamo un incarico per il corso di Meccatronica 1: realizzare un progetto da una lista di suggerimenti da cui abbiamo scelto il Robot per la riabilitazione della spalla.

Membri del Gruppo 7 di Meccatronica 1:

Gianluca Carbone

Ines Henriette

Pierre Pereira Acuna

Radu Rontu

Thomas Wilmet

Passaggio 1: materiali

- Stampante 3D: plastica PLA

- Macchina da taglio laser

- MDF 3mm: superficie 2m²

- 2 accelerometri MMA8452Q

- 2 potenziometri: PC20BU

- Cuscinetti: Diametro interno 10 mm; Diametro esterno 26mm

- Guide lineari: larghezza 27mm; lunghezza minima 300 mm

- Imbracatura posteriore e cinghie

- Arduino Uno

- Cavi Arduino: 2 bus per l'Alimentazione (3, Accelerometro 3V e Potenziometro 5V), 2 bus per la misura dell'Accelerometro, 1 bus per la massa. (tagliere):

- Viti:

Per il cuscinetto: bulloni e dadi M10, Per la struttura in generale: bulloni e dadi M3 e M4

Passaggio 2: idea principale

Per aiutare la riabilitazione della spalla, questo dispositivo ha lo scopo di aiutare la riabilitazione della spalla seguendo i movimenti di base a casa con il prototipo.

I movimenti su cui abbiamo deciso di concentrarci come esercizi sono: l'abduzione frontale (a sinistra nella foto) e la rotazione esterna (a destra).

Il nostro prototipo è dotato di vari sensori: due accelerometri e due potenziometri. Questi sensori inviano ad un computer i valori degli angoli del braccio e dell'avambraccio dalla posizione verticale. I diversi dati vengono quindi tracciati su un database che rappresenta il movimento ottimale. Questa trama viene eseguita in tempo reale in modo che il paziente possa confrontare direttamente il proprio movimento con il movimento da ottenere e quindi correggersi per rimanere il più vicino possibile al movimento perfetto. Questa parte sarà discussa nella fase del database.

I risultati tracciati possono anche essere inviati a un fisioterapista professionista che può interpretare i dati e dare qualche consiglio in più al paziente.

Più dal punto di vista pratico, poiché la spalla è una delle articolazioni più complesse del corpo umano, l'idea era quella di impedire un certo raggio di movimento per evitare una cattiva realizzazione del movimento, in modo che il prototipo possa consentire solo questi due moti.

Inoltre, il dispositivo non corrisponderà perfettamente all'anatomia del paziente. Ciò significa che gli assi di rotazione dell'esoscheletro non combaciano perfettamente con quelli della spalla del paziente. Questo genererà coppie che possono rompere il dispositivo. Per compensare ciò, è stata implementata una serie di binari. Ciò consente anche a un'ampia gamma di pazienti di indossare il dispositivo.

Passaggio 3: diverse parti del dispositivo

In questa parte potete trovare tutti i disegni tecnici dei pezzi che abbiamo utilizzato.

Se vuoi usare il tuo, preoccupati del fatto che alcuni pezzi sono soggetti a forti vincoli: gli alberi dei cuscinetti ad esempio sono soggetti a deformazioni locali. Se stampati in 3D, dovrebbero essere realizzati ad alta densità e abbastanza spessi da evitare che si rompano.

Passaggio 4: montaggio - piastra posteriore

In questo video, puoi vedere il cursore utilizzato per correggere uno dei DOF (la guida lineare perpendicolare alla piastra posteriore). Quel cursore potrebbe essere messo anche sul braccio, ma la soluzione presentata nel video ha dato risultati teorici migliori sul software 3D, per testare il movimento del prototipo.

Fase 5: Assemblaggio - Articolazione del rapimento

Fase 6: Assemblaggio - Articolazione a rotazione esterna

Passaggio 7: assemblaggio finale

Passaggio 8: diagramma di circuito

Ora che il prototipo assemblato corregge correttamente il disallineamento della spalla, e riesce a seguire il movimento del paziente lungo le due direzioni volute, è il momento di passare alla parte di tracciamento e soprattutto alla parte elettrica del progetto.

Quindi gli accelerometri riceveranno informazioni sulle accelerazioni lungo ogni direzione del piano, e un codice calcolerà i diversi angoli di interesse dai dati misurati. I diversi risultati verranno inviati a un file matlab tramite Arduino. Il file Matlab disegna quindi i risultati in tempo reale e confronta la curva ottenuta con un database dei movimenti accettabili.

Cablaggio dei componenti ad Arduino:

Questa è la rappresentazione schematica delle diverse connessioni tra i diversi elementi. L'utente deve fare attenzione che le connessioni dipendano dal codice utilizzato. Ad esempio, l'uscita I1 del primo accelerometro è collegata a massa mentre l'uscita del secondo è collegata a 3,3V. Questo è uno dei modi per distinguere i due accelerometri dal punto di vista di Arduino.

Schema di cablaggio:

Verde - Alimentazione accelerometri

Rosso - ingresso A5 dell'Arduino per raccogliere dati dagli accelerometri

Rosa - input A4 dell'Arduino per raccogliere dati dagli accelerometri

Nero - Terra

Grigio - Misure dal primo potenziometro (sulla rotule di abduzione frontale)

Giallo - Misure dal secondo potenziometro (sulla rotule di rotazione esterna)

Blu - Potenziometri Alimentazione

Passaggio 9: banca dati

Ora che il computer riceve gli angoli, il computer li interpreterà.

Questa è una foto di una rappresentazione del database scelto. In questo database le curve blu rappresentano la zona di moto accettabile e la curva rossa rappresenta il moto perfetto. Va sottolineato che il database è ovviamente aperto a modifiche. Idealmente i parametri del database dovrebbero essere stabiliti da un fisioterapista professionista per consigliare gli effettivi parametri riabilitativi ottimali.

Il movimento ottimale scelto qui in rosso, si basa sull'esperienza ed è tale che il braccio raggiunge i 90° in 2,5 secondi, che corrisponde a una velocità angolare costante di 36°/s, (o 0, 6283 rad/s).

La zona accettabile (in blu) è stata progettata con una funzione a tratti di 3 ordini in questo caso sia per il limite superiore che per il limite inferiore. Si potrebbero anche considerare funzioni di ordini superiori per migliorare la forma delle curve o anche la complessità dell'esercizio. In questo esempio l'esercizio è molto semplice: 3 ripetizioni di movimento da 0 a 90°.

Il codice riporterà i risultati di uno dei sensori - quello di interesse per l'esercizio riabilitativo considerato - su questo database. Il gioco ora per il paziente è adattare la velocità e la posizione del suo braccio in modo che il suo braccio rimanga all'interno della zona blu, l'intervallo accettabile, e il più vicino possibile alla curva rossa, il movimento perfetto.