Rééducation exosquelette de l'épaule : 10 étapes

2024 Auteur: John Day | [email protected]. Dernière modifié: 2024-01-30 09:06

L'épaule est l'une des parties les plus compliquées de tout le corps humain. Ses articulations et l'articulation de l'épaule permettent à l'épaule une large gamme de mouvements du bras et sont donc assez complexes à modéliser. En conséquence, la rééducation de l'épaule est un problème médical classique. Le but de ce projet est de concevoir un robot qui aide à cette rééducation.

Ce robot prendra la forme d'un exosquelette avec divers capteurs qui mesureront des paramètres pertinents pour caractériser le mouvement du bras, puis comparera les résultats obtenus à une base de données pour donner un retour immédiat sur la qualité du mouvement de l'épaule du patient.

L'appareil est visible sur les photos juste au-dessus. Cet exosquelette est fixé sur un harnais qui est porté par le patient. Il existe également des sangles pour attacher le bras de l'appareil au bras du patient.

Nous sommes étudiants de la Faculté d'Ingénierie de Bruxelles (Bruface) et nous avons une mission pour le cours Mécatronique 1: réaliser un projet à partir d'une liste de suggestions parmi lesquelles nous avons choisi le robot de rééducation de l'épaule.

Membres de la Mécatronique 1 Groupe 7:

Gianluca Carbone

Inès Henriette

Pierre Pereira Acuna

Radu Rontu

Thomas Wilmet

Étape 1: Matériaux

- Imprimante 3D: PLA plastique

- Machine à découper au laser

- MDF 3mm: surface 2m²

- 2 accéléromètres MMA8452Q

- 2 potentiomètres: PC20BU

- Roulements: Diamètre intérieur 10 mm; Diamètre extérieur 26mm

- Rails de guidage linéaire: largeur 27mm; longueur minimale 300 mm

- Harnais dorsal et bretelles

-Arduino Uno

- Câbles Arduino: 2 bus pour l'Alimentation (Accéléromètre 3, 3V et Potentiomètre 5V), 2 bus pour la mesure Accéléromètre, 1 bus pour la masse. (planche à pain):

- Des vis:

Pour le roulement: Boulons et écrous M10, Pour la structure en général: Boulons et écrous M3 et M4

Étape 2: Idée principale

Afin d'aider à la rééducation de l'épaule, cet appareil a pour but d'aider à la rééducation de l'épaule en suivant les mouvements de base à domicile avec le prototype.

Les mouvements sur lesquels nous avons décidé de nous concentrer comme exercices sont: l'abduction frontale (à gauche sur la photo) et la rotation externe (à droite).

Notre prototype est équipé de différents capteurs: deux accéléromètres et deux potentiomètres. Ces capteurs envoient à un ordinateur les valeurs des angles du bras et de l'avant-bras à partir de la position verticale. Les différentes données sont ensuite reportées sur une base de données qui représente le mouvement optimal. Ce tracé se fait en temps réel afin que le patient puisse comparer directement son propre mouvement au mouvement à obtenir, et puisse ainsi se corriger pour rester au plus près du mouvement parfait. Cette partie sera discutée dans l'étape de la base de données.

Les résultats tracés peuvent également être envoyés à un physiothérapeute professionnel qui peut interpréter les données et donner des conseils supplémentaires au patient.

Plus d'un point de vue pratique, l'épaule étant l'une des articulations les plus complexes du corps humain, l'idée était d'empêcher certaines amplitudes de mouvement afin d'éviter une mauvaise réalisation du mouvement, afin que le prototype ne puisse permettre que ces deux mouvements.

De plus, l'appareil ne correspondra pas parfaitement à l'anatomie du patient. Cela signifie que l'axe de rotation de l'exosquelette ne correspond pas parfaitement à celui de l'épaule du patient. Cela va générer des couples qui peuvent casser l'appareil. Pour compenser cela, un ensemble de rails a été mis en place. Cela permet également à un large éventail de patients de porter l'appareil.

Étape 3: Différentes parties de l'appareil

Dans cette partie, vous pouvez retrouver tous les dessins techniques des pièces que nous avons utilisées.

Si vous souhaitez utiliser le vôtre, soyez préoccupé par le fait que certaines pièces sont soumises à de fortes contraintes: les axes des roulements par exemple sont soumis à des déformations locales. S'ils sont imprimés en 3D, ils doivent être fabriqués en haute densité et suffisamment épais pour éviter qu'ils ne se cassent.

Étape 4: Assemblage - Plaque arrière

Sur cette vidéo, vous pouvez voir le curseur utilisé pour corriger l'un des DOF (le guide linéaire perpendiculaire à la plaque arrière). Ce curseur pourrait également être mis sur le bras, mais la solution présentée sur la vidéo a donné de meilleurs résultats théoriques sur le logiciel 3D, pour tester le mouvement du prototype.

Étape 5: Assemblage - Abduction Articulation

Étape 6: Assemblage - Articulation à rotation externe

Étape 7: Assemblage final

Étape 8: Schéma de circuit

Maintenant que le prototype assemblé corrige correctement le désalignement de l'épaule, et parvient à suivre le mouvement du patient dans les deux directions souhaitées, il est temps de passer à la partie suivi et surtout à la partie électrique du projet.

Ainsi les accéléromètres recevront des informations d'accélérations dans toutes les directions du plan, et un code calculera les différents angles intéressants à partir des données mesurées. Les différents résultats seront envoyés dans un fichier matlab via l'Arduino. Le fichier Matlab dessine ensuite les résultats en temps réel et compare la courbe obtenue à une base de données des mouvements acceptables.

Câblage des composants à Arduino:

Il s'agit de la représentation schématique des différentes connexions entre les différents éléments. L'utilisateur doit veiller à ce que les connexions dépendent du code utilisé. Par exemple, la sortie I1 du premier accéléromètre est connectée à la masse tandis que la sortie du second est connectée à 3,3V. C'est l'une des manières de distinguer les deux accéléromètres du point de vue Arduino.

Schéma de câblage:

Vert - Accéléromètres alimentation

Rouge - entrée A5 de l'Arduino pour collecter les données des accéléromètres

Rose - entrée A4 de l'Arduino pour collecter les données des accéléromètres

Noir - Terre

Gris - Mesures du premier potentiomètre (sur la rotule frontale d'abduction)

Jaune - Mesures du deuxième potentiomètre (sur la rotule de rotation externe)

Bleu - Potentiomètres Alimentation

Étape 9: Base de données

Maintenant que l'ordinateur reçoit les angles, l'ordinateur va les interpréter.

Il s'agit d'une photo d'une représentation de la base de données choisie. Sur cette base de données les courbes bleues représentent la zone de mouvement acceptable et la courbe rouge représente le mouvement parfait. Il convient de souligner que la base de données est bien entendu susceptible de modifications. Idéalement, les paramètres de la base de données devraient être établis par un physiothérapeute professionnel pour conseiller sur les paramètres de rééducation optimaux réels.

Le mouvement optimal choisi ici en rouge, est basé sur l'expérience et est tel que le bras atteint 90° en 2,5 secondes, ce qui correspond à une vitesse angulaire constante de 36°/s, (soit 0,6283 rad/s).

La zone acceptable (en bleu) a été conçue avec une fonction par morceaux d'ordre 3 dans ce cas pour la limite supérieure et la limite inférieure. Des fonctions d'ordre supérieur pourraient aussi être envisagées pour améliorer la forme des courbes ou encore la complexité de l'exercice. Dans cet exemple l'exercice est très simple: 3 répétitions de mouvement de 0 à 90°.

Le code va tracer les résultats d'un des capteurs - celui d'intérêt donnant l'exercice de rééducation considéré - sur cette base de données. Le jeu maintenant pour le patient est d'adapter la vitesse et la position de son bras pour que son bras reste à l'intérieur de la zone bleue, la plage acceptable, et aussi près que possible de la courbe rouge, le mouvement parfait.