Moonwalk: una protesi a feedback aptico: 5 passaggi

2024 Autore: John Day | [email protected]. Ultima modifica: 2024-01-30 10:02

Descrizione:

Moonwalk è un dispositivo protesico sensibile alla pressione per individui con sensibilità tattile alterata (sintomi simili alla neuropatia). Moonwalk è stato progettato per aiutare le persone a ricevere un feedback tattile utile quando i loro piedi entrano in contatto con il suolo, in modo che possano migliorare l'equilibrio e la mobilità.

Progettato e realizzato in open-source da Akshay Dinakar.

Per vedere altri progetti e creazioni, visita www.akshaydinakar.com/lab, lo studio di design senza scopo di lucro di Akshay Dinakar Design.

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Questo dispositivo protesico utilizza un sensore velostat (collegato tramite adesione medica, nanosuzione o rivestimento in tessuto a qualsiasi parte rilevante del corpo) per leggere i valori di pressione tramite pin analogici su un microcontrollore appropriato. Una volta che il valore della pressione raggiunge un certo limite, viene attivato un segnale tattile specifico, che avverte l'utente che è entrato in contatto con una superficie.

Il mio intento:

L'intento di questo progetto è creare un dispositivo protesico a basso costo per migliorare l'indipendenza + la mobilità di qualsiasi individuo con intorpidimento in una parte del proprio corpo. Ho esperienza personale con i membri della famiglia che sperimentano questa condizione e volevo creare una soluzione accessibile che altri con esperienza ingegneristica limitata potessero assemblare da soli. A causa dell'individualizzazione dei sintomi e della varietà nella disponibilità dei componenti elettronici, è difficile creare un dispositivo che funzioni per una vasta gamma di casi d'uso. Tuttavia, sono orgoglioso di presentare Moonwalk come una soluzione che può essere utilizzata su qualsiasi arto/parte del corpo interessata, compatibile con una serie di fattori di forma (qualunque sia più appropriato per l'utente).

Per considerazioni estetiche e finiture professionali, ho utilizzato tecniche di fabbricazione avanzate tra cui saldatura, stampaggio/fusione in silicone e stampa 3D per assemblare questa protesi. Tuttavia, anche semplici tecniche di breadboard e cucito portano a termine il lavoro.

Sfondo:

Quasi 20 milioni di persone nei soli Stati Uniti soffrono di neuropatia, un effetto collaterale comune di diabete, cancro e artrite. La neuropatia è caratterizzata da un misto di dolori acuti e formicolio e intorpidimento delle mani e dei piedi degli individui, a causa di danni ai nervi periferici. La neuropatia può limitare gravemente la mobilità riducendo le sensazioni tattili quando i piedi e le mani entrano in contatto con le superfici. Tuttavia, il feedback tattile sotto forma di vibrazioni su parti del corpo non interessate può aiutare le persone a ritrovare l'equilibrio collegando il feedback al loro senso propriocettivo.

Forniture

Hardware:

Microcontrollore (qualsiasi delle seguenti opzioni è fantastica):

• Arduino Nano (dimensione fisica più piccola, ma richiederà componenti elettronici extra per la ricarica)
• Adafruit Flora (opzione ideale per dispositivi indossabili - fattore di forma piatto e ricarica integrata)
• Adafruit Feather (ha molte funzionalità extra di cui non abbiamo bisogno, ma una forma molto compatta e ricarica integrata). Userò questo microcontrollore per questo tutorial. Esistono diverse versioni di Feather che includono chip BLE, WiFi o Radio: qualsiasi funzionerà.

Motore di vibrazione:

Motore di vibrazione LRA (in grado di fornire una sensazione di vibrazione molto più personalizzabile rispetto al tipico motore di vibrazione ERM). Qualsiasi motore di vibrazione sotto i 3 V funzionerà, ma un LRA sarà l'uscita di vibrazione più forte (stiamo utilizzando un circuito semplificato per rendere compatto il nostro design [alimentando il motore di vibrazione direttamente dal microcontrollore) e la maggior parte dei microcontrollori ha limitazioni di corrente che indeboliscono la vibrazione forza)

Haptic Motor Driver (interfacce tra il microcontrollore e il motore di vibrazione):

Haptic Motor Driver (DRV2605L, prodotto da Texas Instruments e distribuito da Adafruit)

Batteria Li-Po (da qualche parte nella gamma 100 - 350 mAh dovrebbe essere abbondante):

3.7v, 350 mAh Li-Po

Filo di silicone:

Filo in silicone 22 AWG (il silicone offre un ottimo equilibrio tra flessibilità e durata per il filo ed è del diametro giusto)

Materiale Velostat

Velostat è una superficie sensibile alla pressione che cambia resistenza quando viene schiacciata o compressa

Nastro

Qualsiasi tipo di nastro (condotto, Scotch, elettrico, per mascheratura) funzionerà, ma consiglio un nastro da imballaggio trasparente e largo. Avrai solo bisogno di pochi pollici

Foglio di alluminio (hai solo bisogno di circa 4x4 pollici)

Software:

Arduino IDE (gratuito da scaricare e utilizzare, scaricalo qui e installa:

Passaggio 1: assemblare il sensore di pressione Velostat

È più semplice di quanto pensi.

1. Taglia il tuo velostat a misura. Usa un paio di forbici per tagliare il tuo velostat in base al sensore di qualsiasi dimensione di cui hai bisogno. Se stai usando questa protesi per i piedi, falla delle dimensioni di un tallone. Se lo usi per le mani o le dita, rendilo delle dimensioni della pelle che vuoi coprire.

2. Tagliare un foglio di alluminio a misura. Taglia due fogli di alluminio delle stesse dimensioni del pezzo di velostat. Inserite il pezzo di velostat tra i due pezzi di foglio di alluminio. Il foglio di alluminio funge da strato conduttivo.

3. Spellare il filo di silicone. Usando spelafili, spella 3-4 pollici di filo esposto da due segmenti di filo di silicone. Ogni filo di silicone dovrebbe essere lungo circa 15-20 pollici (renderli entrambi della stessa lunghezza per un aspetto estetico). Posiziona ogni filo spelato su un lato del foglio di alluminio. L'ordine complessivo dei sandwich ora è: filo spellato 1, foglio di alluminio 1, velostat, foglio di alluminio 2, filo spellato 2.

4. Nastro sensore di pressione insieme. Nastro sopra il sandwich del componente e tagliare eventuali pezzi di nastro extra, in modo che tutto sia fissato saldamente insieme. È estremamente importante che il velostat separi in modo pulito i due lati del sandwich (il foglio di alluminio/il filo spelato sul fondo NON deve essere in contatto con nessuna parte delle superfici conduttive superiori).

5. Intrecciare il filo. Per tenere insieme i cavi ed evitare che si muovano durante il movimento dell'utente, arrotolarli insieme (più volte si gira, più saranno sicuri). Questa è anche una buona pratica di ingegneria elettrica quando si hanno gruppi di fili lunghi che vanno dallo stesso punto iniziale a quello finale.

Passaggio 2: collega i componenti

È ora di collegare tutte le singole parti elettroniche. Ho saldato tutti i miei componenti insieme, ma è anche possibile utilizzare una breadboard (in tal caso, dovrai comunque saldare i pin sul microcontrollore e sul driver del motore tattile).

1. Sensore di pressione di saldatura al microcontrollore: collegare uno dei fili intrecciati a un pin analogico (A1) del microcontrollore e saldare il filo intrecciato rimanente al pin di terra (Gnd).

2. Saldare il motore di vibrazione al driver del motore tattile: saldare il filo rosso (positivo) del motore di vibrazione al terminale + e il filo blu (terra) al terminale - del driver del motore tattile.

3. Saldare il driver del motore tattile al microcontrollore: utilizzando due segmenti di filo di silicone molto corti, saldare i seguenti pin sul driver del motore tattile al microcontrollore.

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

*Il driver del motore aptico utilizza un tipo di sistema di comunicazione chiamato I2C per "parlare" con il microcontrollore. I pin SCL e SDA sono i percorsi per questa comunicazione.

4. Collegare la batteria: collegare l'intestazione della batteria Li-Po al microcontrollore. Se la tua batteria ha una certa carica, potrebbe accendere un LED sul microcontrollore. Primi segni di vita!:)

Passaggio 3: programmare la tua elettronica

Se non hai ancora scaricato e installato l'IDE Arduino, ora è il momento. Mi piace "pseudocodificare" il mio programma in parole prima di iniziare a codificare, così ho già capito cosa devo scrivere in C++.

Ecco cosa sta facendo il nostro codice software protesico:

Molte volte al secondo, il nostro microcontrollore legge il valore di pressione che il sensore sta rilevando, e se il valore di pressione è abbastanza forte (in altre parole, il sensore è a contatto con il suolo), attiviamo qualsiasi modello di vibrazione vogliamo dal driver del motore tattile. Il codice allegato realizza questa funzionalità di base, ma è facile personalizzare il motore per fornire vibrazioni di vari modelli o forza, in base a diversi valori rilevati dal sensore di pressione (cioè contatto leggero o contatto forte)

*Presumo una conoscenza di base dell'utilizzo dell'IDE Arduino, dell'installazione di librerie e del caricamento del codice su un microcontrollore connesso. Se sei completamente nuovo su Arduino, usa questi tutorial per prendere le distanze.

1. Scarica e installa i file Adafruit DRV nella stessa cartella in cui si trova il tuo schizzo Arduino.

2. Scarica, carica ed esegui il programma LevitateVelostatCode sul tuo microcontrollore (assicurati di impostare le variabili in modo appropriato in base alla sensibilità del tuo sensore velostat. Puoi calibrare i valori CLIFF & CUTOFF aprendo il monitor seriale Arduino e testando diversi limiti di pressione, per il caso d'uso di cui hai bisogno.

3. Congratulazioni! Hai già un dispositivo protesico funzionante. Il resto è tutta estetica e decidere come si desidera collegarlo al corpo dell'utente.

Passaggio 4: fattore di forma + estetica

Sta a te decidere dove e come vuoi che Moonwalk si attacchi al corpo dell'utente. Il mio caso d'uso originariamente previsto era per il rilevamento del contatto con il piede, quindi il sensore di pressione si adattava naturalmente al tallone dell'utente.

Per mantenere l'elettronica bella e compatta, ho progettato e fabbricato un contenitore per l'alloggiamento (stampato in 3D e modellato in silicone, per consentire un contatto flessibile con la pelle). Ho allegato i file 3D (in formato. STL) a questo Instructable.

*Per la massima vibrazione, è importante che il motore LRA (che funziona generando rapidamente vibrazioni da una molla dell'asse z) sia a diretto contatto con le superfici che toccano la pelle (a differenza di un ERM, se un LRA galleggia a mezz'aria, il tuo la pelle non sentirà nulla). Per il mio progetto, ha più senso collegare l'elettronica tramite una nanosuzione / pad in gel (questi possono essere facilmente acquistati online e sono ottimi per molteplici usi sulla pelle), nastro medico o un manicotto di stoffa. In teoria, potresti anche infilare Moonwalk sotto gli indumenti elastici / spandex, se viene utilizzato sulla gamba o sulla coscia.

Passaggio 5: la protesi finita

Spero che il mio design ti serva a qualcosa. Sentiti libero di modificare, remixare e migliorare questo design di base - e non essere un estraneo! Posso essere contattato tramite il mio sito web (www.akshaydinakar.com/home).