Moonwalk: a Haptic Feedback Prosthetic: 5 steg

2024 Författare: John Day | [email protected]. Senast ändrad: 2024-01-30 12:44

Beskrivning:

Moonwalk är en tryckkänslig protesanordning för personer med nedsatt taktil känsla (neuropati-liknande symptom). Moonwalk var utformat för att hjälpa individer att få hjälpsam haptisk feedback när fötterna kommer i kontakt med marken, så att de kan förbättra balansen + rörligheten.

Designad och gjord öppen källkod av Akshay Dinakar.

För att se fler projekt och skapelser, besök www.akshaydinakar.com/lab, den ideella designstudion för Akshay Dinakar Design.

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

Denna protesanordning använder en velostatsensor (ansluten via medicinsk vidhäftning, nanosugning eller tyghylsa till någon relevant del av kroppen) för att läsa in tryckvärden via analoga stift på en lämplig mikrokontroller. När tryckvärdet når en viss gräns aktiveras en specificerad haptisk signal som varnar användaren om att de har kommit i kontakt med en yta.

Min avsikt:

Avsikten med detta projekt är att skapa en billig protesanordning för att förbättra oberoende + rörlighet för varje individ med domningar i en del av kroppen. Jag har personlig erfarenhet av familjemedlemmar som upplever detta tillstånd och ville skapa en tillgänglig lösning som andra med begränsad ingenjörserfarenhet kunde montera på egen hand. På grund av individualiseringen av symtomen och variationen i tillgängligheten till elektroniska komponenter är det utmanande att skapa en enhet som fungerar för en rad olika användningsfall. Jag är dock stolt över att släppa Moonwalk som en lösning som kan användas på alla lemmar / drabbade delar av kroppen, kompatibel med en rad olika formfaktorer (beroende på vilket som är mest lämpligt för användaren).

För estetiska överväganden och professionell finish har jag använt avancerade tillverkningstekniker inklusive lödning, silikonformning / gjutning och 3D-utskrift för att montera denna protes. Men enkla breadboarding och sömnadstekniker får också jobbet gjort.

Bakgrund:

Nästan 20 miljoner individer i USA ensam upplever neuropati, en vanlig bieffekt av diabetes, cancer och artrit. Neuropati kännetecknas av en blandning av skarpa stickande smärtor och domningar i händer och fötter på individer, som ett resultat av perifer nervskada. Neuropati kan allvarligt begränsa rörligheten genom att minska känslor av beröring när fötter och händer kommer i kontakt med ytor. Haptisk återkoppling i form av vibrationer på opåverkade delar av kroppen kan dock hjälpa individer att återfå balansen genom att koppla återkopplingen till deras proprioceptiva känsla.

Tillbehör

Hårdvara:

Mikrokontroller (något av nedanstående alternativ är fantastiskt):

• Arduino Nano (minsta fysiska storlek, men kräver extra elektroniska komponenter för laddning)
• Adafruit Flora (go-to-alternativ för wearables-platt formfaktor och har inbyggd laddning)
• Adafruit Feather (har massor av extrafunktioner som vi inte behöver, men en mycket kompakt form och inbyggd laddning). Jag kommer att använda denna mikrokontroller för denna handledning. Det finns andra versioner av Feather än som inkluderar BLE, WiFi eller radiochips - alla fungerar.

Vibrationsmotor:

LRA -vibrationsmotor (kan ge mycket mer anpassningsbar vibrationssensation än den typiska ERM -vibrationsmotorn). Vilken som helst vibrationsmotor under 3V fungerar, men en LRA kommer att vara den starkaste vibrationsutgången (vi använder en förenklad krets för att göra vår design kompakt [driver vibrationsmotorn direkt från mikrokontrollern), och de flesta mikrokontroller har strömbegränsningar som försvagar vibrationen styrka)

Haptic Motor Driver (gränssnitt mellan mikrokontrollern och vibrationsmotorn):

Haptic Motor Driver (DRV2605L, tillverkad av Texas Instruments och distribuerad av Adafruit)

Li -Po -batteri (någonstans i intervallet 100 - 350 mAh borde vara gott):

3,7v, 350 mAh Li-Po

Silikontråd:

22 AWG Silicone Wire (silikonen ger en bra balans mellan flexibilitet och hållbarhet för tråden och har rätt diameter)

Velostat material

Velostat är en tryckkänslig yta som ändrar motstånd när den kläms eller komprimeras

Tejp

Varje typ av tejp (kanal, Scotch, elektrisk, maskering) fungerar, men jag rekommenderar en transparent och bred förpackningstejp. Du behöver bara några centimeter

Aluminiumfolie (du behöver bara ca 4x4 tum)

Programvara:

Arduino IDE (gratis att ladda ner och använda, hämta det här och installera:

Steg 1: Montera din Velostat trycksensor

Det är enklare än du tror.

1. Klipp din velostat i storlek. Använd en sax för att trimma ditt velostatark till vilken sensor du behöver. Om du använder denna protes för fötter, gör den till hälens storlek. Om du använder den för händer eller fingrar, gör den till måtten på vilken hud du vill täcka.

2. Skär aluminiumfolie i storlek. Skär två bitar aluminiumfolie till samma dimensioner som bit av velostat. Smörj velostatsbiten mellan de två bitarna av aluminiumfolie. Aluminiumfolien fungerar som ett ledande lager.

3. Ta bort silikontråd. Använd trådavlägsnare, ta bort 3-4 tum exponerad tråd av två silikontrådssegment. Varje silikontråd ska vara cirka 15-20 tum lång (gör dem båda lika långa för estetisk attraktion). Placera varje avskalad tråd på en sida av aluminiumfolien. Den övergripande smörgåsordningen är nu: avskalad tråd 1, aluminiumfolie 1, velostat, aluminiumfolie 2, avskalad tråd 2.

4. Tejp trycksensorn tillsammans. Tejpa över din komponentmacka och klipp bort eventuella extra tejpbitar, så att allt sitter ordentligt ihop. Det är oerhört viktigt att velostaten rent separerar smörgåsens två sidor (aluminiumfolien / avskalad tråd på botten ska INTE komma i kontakt med någon del av de övre ledande ytorna).

5. Flät tråden. För att hålla ihop trådarna och förhindra att de floppar runt under användarrörelser, snurra ihop dem (ju fler gånger du snurrar, desto säkrare blir de). Detta är också bra elektroteknik när du har grupper av långa ledningar som går från samma start till slutpunkt.

Steg 2: Anslut dina komponenter

Dags att ansluta alla dina individuella elektroniska delar. Jag lödde ihop alla mina komponenter, men det är också möjligt att använda en brödbräda (i så fall kommer du fortfarande att behöva lödstift på din mikrokontroller och haptiska motordrivrutin).

1. Lödtryckssensor till mikrokontroller: Anslut en av dina flätade trådar till en analog (A1) stift på din mikrokontroller och löd den återstående flätade tråden till jordstiftet (Gnd).

2. Lödvibrationsmotor till Haptic Motor Driver: Löd den röda (positiva) ledningen på din vibrationsmotor till + terminalen och den blå (jordade) kabeln till - terminalen på haptic motor driver.

3. Lödare Haptic -motordrivrutin till mikrokontroller: Använd två mycket korta silikontrådssegment och löd följande stift på den haptiska motordrivrutinen till mikrokontrollern.

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

*Den haptiska motordrivrutinen använder en typ av kommunikationssystem som kallas I2C för att "prata" med mikrokontrollern. SCL- och SDA -stiften är vägen för denna kommunikation.

4. Anslut batteri: Anslut Li-Po-batterihuvudet till mikrokontrollen. Om batteriet har en viss laddning kan det tändas en lysdiod på mikrokontrollen. Första tecken på liv!:)

Steg 3: Programmering av din elektronik

Om du inte har laddat ner och installerat Arduino IDE än är det dags. Jag gillar att "pseudokoda" mitt program med ord innan jag börjar koda, så att jag redan har kommit på vad jag behöver skriva i C ++.

Här är vad vår protetiska mjukvarukod gör:

Många gånger per sekund läser vår mikrokontroller in det tryckvärde som sensorn detekterar, och om tryckvärdet är tillräckligt starkt (med andra ord, sensorn är i kontakt med marken) aktiverar vi vilket vibrationsmönster vi vill från haptisk motorförare. Den bifogade koden åstadkommer denna basfunktionalitet, men det är enkelt att anpassa din motor för att ge vibrationer av olika mönster eller styrka, baserat på olika värden som trycksensorn upptäcker (dvs. ljuskontakt kontra stark kontakt)

*Jag förutsätter en grundläggande kunskap om att använda Arduino IDE, installera bibliotek och ladda upp kod till en ansluten mikrokontroller. Om du är helt ny på Arduino, använd dessa självstudier för att komma igång.

1. Ladda ner och installera Adafruit DRV -filer i samma mapp som din Arduino -skiss finns i.

2. Ladda ner, ladda upp och kör LevitateVelostatCode -programmet på din mikrokontroller (se till att ställa in variablerna på lämpligt sätt baserat på din velostatsensors känslighet. Du kan kalibrera CLIFF & CUTOFF -värdena genom att öppna Arduino Serial Monitor och testa olika tryckgränser för det användningsfall du behöver.

3. Grattis! Du har redan en fungerande protes. Resten är all estetik och bestämmer hur du vill fästa den på användarens kropp.

Steg 4: Formfaktor + estetik

Det är upp till dig var och hur du vill att Moonwalk ska fästas på användarens kropp. Mitt ursprungligen tänkta användningsfall var för fotkontaktdetektering, så trycksensorn passade naturligt under användarens häl.

För att hålla elektroniken snygg och kompakt designade och tillverkade jag en behållare (3D-tryckt och silikonformad för att möjliggöra flexibel kontakt med huden). Jag har bifogat 3D -filerna (i. STL -form) till denna instruktionsbok.

*För maximal vibration är det viktigt att LRA-motorn (som fungerar genom att snabbt generera vibrationer från en z-axelfjäder) är i direkt kontakt med ytor som berör huden (till skillnad från en ERM, om en LRA flyter i luften, din huden kommer inte att känna någonting). För min design är det mest vettigt att fästa elektroniken via en nanosugning / gelkudde (dessa kan enkelt köpas online och är bra för flera användningsområden på huden), medicinsk tejp eller en trasa. I teorin kan du också glida Moonwalk under elastiska / spandexkläder, om det används på benet eller låret.

Steg 5: Den färdiga protesen

Jag hoppas att min design tjänar något nytta för dig. Vänligen tweak, remixa och förbättra denna basdesign - och var inte en främling! Jag kan kontaktas via min webbplats (www.akshaydinakar.com/home).