Moonwalk : une prothèse à rétroaction haptique : 5 étapes

2024 Auteur: John Day | [email protected]. Dernière modifié: 2024-01-30 09:07

La description:

Moonwalk est un appareil prothétique sensible à la pression pour les personnes ayant une sensation tactile altérée (symptômes de type neuropathie). Moonwalk a été conçu pour aider les individus à recevoir un retour haptique utile lorsque leurs pieds entrent en contact avec le sol, afin qu'ils puissent améliorer l'équilibre et la mobilité.

Conçu et réalisé en open source par Akshay Dinakar.

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Ce dispositif prothétique utilise un capteur vélostat (fixé via une adhérence médicale, une nano-aspiration ou un manchon en tissu à toute partie pertinente du corps) pour lire les valeurs de pression via des broches analogiques sur un microcontrôleur approprié. Une fois que la valeur de pression atteint une certaine limite, un signal haptique spécifié est activé, alertant l'utilisateur qu'il a été en contact avec une surface.

Mon intention:

L'intention de ce projet est de créer un appareil prothétique à faible coût pour améliorer l'indépendance et la mobilité de toute personne présentant un engourdissement dans une partie de son corps. J'ai une expérience personnelle avec des membres de la famille qui souffrent de cette maladie et je voulais créer une solution accessible que d'autres ayant une expérience limitée en ingénierie pourraient assembler par eux-mêmes. En raison de l'individualisation des symptômes et de la variété de la disponibilité des composants électroniques, il est difficile de créer un appareil qui fonctionne pour une gamme de cas d'utilisation. Cependant, je suis fier de proposer Moonwalk en tant que solution pouvant être utilisée sur n'importe quel membre / partie affectée du corps, compatible avec un éventail de facteurs de forme (selon celui qui convient le mieux à l'utilisateur).

Pour des considérations esthétiques et une finition professionnelle, j'ai utilisé des techniques de fabrication avancées, notamment le soudage, le moulage/coulage de silicone et l'impression 3D pour assembler cette prothèse. Cependant, de simples techniques de montage et de couture font également le travail.

Fond:

Aux États-Unis, près de 20 millions de personnes souffrent de neuropathie, un effet secondaire courant du diabète, du cancer et de l'arthrite. La neuropathie se caractérise par un mélange de picotements aigus et d'engourdissements dans les mains et les pieds des individus, résultant de lésions nerveuses périphériques. La neuropathie peut gravement limiter la mobilité en réduisant les sensations de toucher lorsque les pieds et les mains entrent en contact avec des surfaces. Cependant, le retour haptique sous forme de vibrations sur les parties non affectées du corps peut aider les individus à retrouver l'équilibre en liant le retour à leur sens proprioceptif.

Fournitures

Matériel:

Microcontrôleur (toutes les options ci-dessous sont fantastiques):

• Arduino Nano (la plus petite taille physique, mais nécessitera des composants électroniques supplémentaires pour le chargement)
• Adafruit Flora (option incontournable pour les appareils portables - facteur de forme plat et charge intégrée)
• Adafruit Feather (a beaucoup de fonctionnalités supplémentaires dont nous n'avons pas besoin, mais une forme très compacte et une charge intégrée). Je vais utiliser ce microcontrôleur pour ce tutoriel. Il existe différentes versions de Feather qui incluent des puces BLE, WiFi ou radio - toutes fonctionneront.

Moteur à vibrations:

Moteur de vibration LRA (capable de fournir une sensation de vibration beaucoup plus personnalisable que le moteur de vibration ERM typique). Tout moteur de vibration sous 3V fonctionnera, mais un LRA sera la sortie de vibration la plus forte (nous utilisons un circuit simplifié pour rendre notre conception compacte [alimentant le moteur de vibration directement à partir du microcontrôleur), et la plupart des microcontrôleurs ont des limitations de courant qui affaiblissent la vibration force)

Pilote de moteur haptique (interfaces entre le microcontrôleur et le moteur de vibration):

Pilote de moteur haptique (DRV2605L, fabriqué par Texas Instruments et distribué par Adafruit)

Batterie Li-Po (entre 100 et 350 mAh devrait suffire):

Li-Po 3,7 V, 350 mAh

Fil de silicone:

Fil de silicone 22 AWG (le silicone offre un bon équilibre entre flexibilité et durabilité pour le fil, et a le bon diamètre)

Matériel de vélostat

Velostat est une surface sensible à la pression qui change de résistance lorsqu'elle est pressée ou comprimée

Ruban

Tout type de ruban adhésif (duct, Scotch, électrique, de masquage) fonctionnera, mais je recommande un ruban d'emballage transparent et large. Vous n'aurez besoin que de quelques centimètres

Papier d'aluminium (vous n'avez besoin que d'environ 4x4 pouces)

Logiciel:

Arduino IDE (gratuit à télécharger et à utiliser, obtenez-le ici et installez-le:

Étape 1: Assemblez votre capteur de pression Velostat

C'est plus simple que vous ne le pensez.

1. Coupez votre vélostat à la bonne taille. Utilisez une paire de ciseaux pour couper votre feuille de vélostat à la taille de capteur dont vous avez besoin. Si vous utilisez cette prothèse pour les pieds, faites-en la taille d'un talon. Si vous l'utilisez pour les mains ou les doigts, donnez-lui les dimensions de la peau que vous souhaitez couvrir.

2. Coupez le papier d'aluminium à la bonne taille. Coupez deux morceaux de papier d'aluminium aux mêmes dimensions que le morceau de vélostat. Sandwich le morceau de vélostat entre les deux morceaux de papier d'aluminium. La feuille d'aluminium sert de couche conductrice.

3. Dénudez le fil de silicone. À l'aide de pinces à dénuder, dénudez 3 à 4 pouces de fil exposé de deux segments de fil de silicone. Chaque fil de silicone doit mesurer environ 15 à 20 pouces de long (faites-les tous les deux de la même longueur pour un attrait esthétique). Placez chaque fil dénudé sur un côté de la feuille d'aluminium. L'ordre global des sandwichs est désormais: fil dénudé 1, feuille d'aluminium 1, vélostat, feuille d'aluminium 2, fil dénudé 2.

4. Collez le capteur de pression ensemble. Collez sur votre sandwich à composants et coupez tous les morceaux de ruban adhésif supplémentaires, de sorte que tout soit solidement attaché ensemble. Il est extrêmement important que le vélostat sépare proprement les deux côtés du sandwich (la feuille d'aluminium / le fil dénudé au bas ne doit PAS être en contact avec une partie des surfaces conductrices supérieures).

5. Tressez le fil. Pour garder les fils ensemble et les empêcher de basculer pendant les mouvements de l'utilisateur, faites-les tournoyer ensemble (plus vous tournoyez, plus ils seront sécurisés). C'est également une bonne pratique d'ingénierie électrique lorsque vous avez des groupes de longs fils allant du même point de départ à la fin.

Étape 2: connectez vos composants

Il est temps de connecter toutes vos pièces électroniques individuelles. J'ai soudé tous mes composants ensemble, mais il est également possible d'utiliser une maquette (dans ce cas, vous devrez toujours souder des broches sur votre microcontrôleur et votre pilote de moteur haptique).

1. Capteur de pression de soudure au microcontrôleur: connectez l'un de vos fils tressés à une broche analogique (A1) de votre microcontrôleur et soudez le fil tressé restant à la broche de terre (Gnd).

2. Soudez le moteur de vibration au pilote de moteur haptique: soudez le fil rouge (positif) de votre moteur de vibration à la borne + et le fil bleu (masse) à la borne - du pilote de moteur haptique.

3. Soudez le pilote de moteur haptique au microcontrôleur: à l'aide de deux segments de fil de silicone très courts, soudez les broches suivantes du pilote de moteur haptique au microcontrôleur.

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

* Le pilote de moteur haptique utilise un type de système de communication appelé I2C pour « parler » au microcontrôleur. Les broches SCL et SDA sont les voies pour que cette communication ait lieu.

4. Connectez la batterie: branchez l'en-tête de la batterie Li-Po au microcontrôleur. Si votre batterie est assez chargée, elle peut allumer une LED sur le microcontrôleur. Premiers signes de vie !:)

Étape 3: Programmation de vos appareils électroniques

Si vous n'avez pas encore téléchargé et installé l'IDE Arduino, c'est le moment. J'aime "pseudocoder" mon programme avec des mots avant de commencer à coder, de sorte que j'ai déjà compris ce que je dois écrire en C++.

Voici ce que fait notre code logiciel prothétique:

Plusieurs fois par seconde, notre microcontrôleur lit la valeur de pression que le capteur détecte, et si la valeur de pression est suffisamment forte (en d'autres termes, le capteur est en contact avec le sol), nous activons le modèle de vibration que nous voulons du pilote de moteur haptique. Le code joint accomplit cette fonctionnalité de base, mais il est facile de personnaliser votre moteur pour fournir des vibrations de différents modèles ou de différentes forces, en fonction des différentes valeurs détectées par le capteur de pression (c'est-à-dire un contact léger par rapport à un contact fort)

* Je suppose une connaissance de base de l'utilisation de l'IDE Arduino, de l'installation de bibliothèques et du téléchargement de code sur un microcontrôleur connecté. Si vous êtes complètement nouveau sur Arduino, utilisez ces tutoriels pour vous mettre à jour.

1. Téléchargez et installez les fichiers Adafruit DRV dans le même dossier que votre croquis Arduino.

2. Téléchargez, téléchargez et exécutez le programme LevitateVelostatCode sur votre microcontrôleur (assurez-vous de définir les variables de manière appropriée en fonction de la sensibilité de votre capteur de vélostat. Vous pouvez calibrer les valeurs CLIFF & CUTOFF en ouvrant le moniteur série Arduino et en testant différents limites de pression, pour le cas d'utilisation dont vous avez besoin.

3. Félicitations ! Vous avez déjà une prothèse fonctionnelle. Le reste n'est qu'esthétique et décide comment vous voulez l'attacher au corps de l'utilisateur.

Étape 4: Facteur de forme + Esthétique

C'est à vous de décider où et comment vous voulez que Moonwalk s'attache au corps de l'utilisateur. Mon cas d'utilisation initialement envisagé était la détection de contact avec les pieds, de sorte que le capteur de pression s'insère naturellement sous le talon de l'utilisateur.

Pour garder l'électronique agréable et compacte, j'ai conçu et fabriqué un boîtier de boîtier (imprimé en 3D et moulé en silicone, pour permettre un contact flexible avec la peau). J'ai joint les fichiers 3D (sous forme. STL) à ce Instructable.

*Pour un maximum de vibrations, il est important que le moteur LRA (qui fonctionne en générant rapidement des vibrations à partir d'un ressort d'axe z) soit en contact direct avec les surfaces qui touchent la peau (contrairement à un ERM, si un LRA flotte dans les airs, votre la peau ne sentira rien). Pour ma conception, il est plus logique de fixer l'électronique via un coussinet de nano-aspiration / gel (ceux-ci peuvent être facilement achetés en ligne et sont parfaits pour de multiples utilisations sur la peau), un ruban médical ou un manchon en tissu. En théorie, vous pouvez également glisser Moonwalk sous des vêtements élastiques / spandex, s'il est utilisé sur la jambe ou la cuisse.

Étape 5: La prothèse finie

J'espère que ma conception vous sera utile. N'hésitez pas à modifier, remixer et améliorer cette conception de base - et ne soyez pas un étranger ! Je peux être contacté via mon site Web (www.akshaydinakar.com/home).