Exoskelett-Schulterrehabilitation - Gunook

2024 Autor: John Day | [email protected]. Zuletzt bearbeitet: 2024-01-30 07:17

Die Schulter ist einer der kompliziertesten Teile des gesamten menschlichen Körpers. Seine Gelenke und das Schultergelenk ermöglichen der Schulter ein breites Bewegungsspektrum des Armes und sind daher recht komplex zu modellieren. Folglich ist die Rehabilitation der Schulter ein klassisches medizinisches Problem. Das Ziel dieses Projekts ist es, einen Roboter zu entwickeln, der diese Rehabilitation unterstützt.

Dieser Roboter wird die Form eines Exoskeletts mit verschiedenen Sensoren haben, die relevante Parameter messen, um die Bewegung des Arms zu charakterisieren, und dann die erhaltenen Ergebnisse mit einer Datenbank vergleichen, um sofortiges Feedback über die Qualität der Schulterbewegung des Patienten zu geben.

Das Gerät ist auf den Bildern oben zu sehen. Dieses Exoskelett wird an einem Gurt befestigt, der vom Patienten getragen wird. Es gibt auch Gurte, um den Arm des Geräts am Arm des Patienten zu befestigen.

Wir sind Studenten der Brüsseler Fakultät für Ingenieurwissenschaften (Bruface) und haben eine Aufgabe für den Studiengang Mechatronik 1: ein Projekt aus einer Vorschlagsliste realisieren, aus der wir den Schulterrehabilitationsroboter ausgewählt haben.

Mitglieder der Mechatronik 1 Gruppe 7:

Gianluca Carbone

Ines Henriette

Pierre Pereira Acuna

Radu Rontu

Thomas Wilmet

Schritt 1: Materialien

- 3D-Drucker: PLA-Kunststoff

- Laser-Schneide-Maschine

- MDF 3mm: Oberfläche 2m²

- 2 Beschleunigungsmesser MMA8452Q

- 2 Potentiometer: PC20BU

- Lager: Innendurchmesser 10 mm; Außendurchmesser 26mm

- Linearführungsschienen: Breite 27 mm; Mindestlänge 300 mm

- Rückengeschirr und Riemen

- Arduino Uno

- Arduino-Kabel: 2 Busse für die Alimentation (3, 3V Beschleunigungsmesser und 5V Potentiometer), 2 Busse für die Beschleunigungsmessermessung, 1 Bus für die Masse. (Steckbrett):

- Schrauben:

Für das Lager: M10 Schrauben und Muttern, Für die Struktur im Allgemeinen: M3- und M4-Schrauben und Muttern

Schritt 2: Hauptidee

Um die Schulterrehabilitation zu unterstützen, soll dieses Gerät die Rehabilitation der Schulter nach grundlegenden Bewegungen zu Hause mit dem Prototyp unterstützen.

Die Bewegungen, auf die wir uns als Übungen konzentrieren möchten, sind: die frontale Abduktion (links im Bild) und die Außenrotation (rechts).

Unser Prototyp ist mit verschiedenen Sensoren ausgestattet: zwei Beschleunigungsmesser und zwei Potentiometer. Diese Sensoren senden an einen Computer die Werte der Winkel des Arms und des Unterarms aus der vertikalen Position. Die verschiedenen Daten werden dann in eine Datenbank eingetragen, die die optimale Bewegung repräsentiert. Diese Darstellung erfolgt in Echtzeit, damit der Patient seine eigene Bewegung direkt mit der zu erhaltenden Bewegung vergleichen und sich so korrigieren kann, so nah wie möglich an der perfekten Bewegung zu bleiben. Dieser Teil wird im Datenbankschritt besprochen.

Die aufgezeichneten Ergebnisse können auch an einen professionellen Physiotherapeuten gesendet werden, der die Daten interpretieren und dem Patienten weitere Ratschläge geben kann.

Aus praktischer Sicht, da die Schulter eines der komplexesten Gelenke des menschlichen Körpers ist, bestand die Idee darin, bestimmte Bewegungsfreiheiten zu verhindern, um eine schlechte Umsetzung der Bewegung zu vermeiden, so dass der Prototyp nur diese zulassen kann zwei Bewegungen.

Außerdem passt das Gerät nicht perfekt zur Anatomie des Patienten. Dies bedeutet, dass die Rotationsachse des Exoskeletts nicht perfekt mit der der Schulter des Patienten übereinstimmt. Dadurch werden Drehmomente erzeugt, die das Gerät brechen können. Um dies zu kompensieren, wurde ein Schienensatz implementiert. Dies ermöglicht auch einem großen Patientenbereich, das Gerät zu tragen.

Schritt 3: Verschiedene Teile des Geräts

In diesem Teil finden Sie alle technischen Zeichnungen der von uns verwendeten Teile.

Wenn Sie Ihre eigenen verwenden möchten, müssen Sie sich darüber Gedanken machen, dass einige Teile hohen Belastungen unterliegen: Die Wellen des Lagers zum Beispiel unterliegen lokalen Verformungen. Wenn sie 3D-gedruckt werden, sollten sie in hoher Dichte und dick genug sein, um zu verhindern, dass sie brechen.

Schritt 4: Montage - Rückplatte

In diesem Video können Sie den Schieberegler sehen, der verwendet wird, um einen der DOF (die lineare Führung senkrecht zur Rückplatte) zu korrigieren. Dieser Schieber könnte auch am Arm angebracht werden, aber die im Video vorgestellte Lösung lieferte bessere theoretische Ergebnisse in der 3D-Software, um die Bewegung des Prototyps zu testen.

Schritt 5: Montage - Abduktionsartikulation

Schritt 6: Montage - Außenrotationsartikulation

Schritt 7: Endmontage

Schritt 8: Schaltungsdiagramm

Nachdem der zusammengebaute Prototyp nun die Schulterfehlausrichtung richtig korrigiert und es schafft, die Bewegungen des Patienten entlang der beiden gewünschten Richtungen zu verfolgen, ist es an der Zeit, sich mit dem Tracking-Teil und insbesondere dem elektrischen Teil des Projekts zu befassen.

So erhalten die Beschleunigungsmesser entlang jeder Richtung des Plans Beschleunigungsinformationen und ein Code berechnet die verschiedenen interessanten Winkel aus den gemessenen Daten. Die verschiedenen Ergebnisse werden über das Arduino an eine Matlab-Datei gesendet. Die Matlab-Datei zeichnet dann die Ergebnisse in Echtzeit und vergleicht die erhaltene Kurve mit einer Datenbank der akzeptablen Bewegungen.

Verdrahtungskomponenten zu Arduino:

Dies ist die schematische Darstellung der verschiedenen Verbindungen zwischen verschiedenen Elementen. Der Benutzer sollte darauf achten, dass die Verbindungen vom verwendeten Code abhängen. Zum Beispiel ist der Ausgang I1 des ersten Beschleunigungsmessers mit Masse verbunden, während der Ausgang des zweiten mit 3,3 V verbunden ist. Dies ist eine der Möglichkeiten, die beiden Beschleunigungsmesser aus Arduino-Sicht zu unterscheiden.

Schaltplan:

Grün - Ernährung der Beschleunigungsmesser

Rot - Geben Sie A5 des Arduino ein, um Daten von den Beschleunigungsmessern zu sammeln

Pink - Geben Sie A4 des Arduino ein, um Daten von den Beschleunigungsmessern zu sammeln

Schwarz - Masse

Grau - Messungen vom ersten Potentiometer (an der frontalen Abduktionsrotule)

Gelb - Messwerte vom zweiten Potentiometer (auf der Außendrehscheibe)

Blau - Potentiometer Alimentation

Schritt 9: Datenbank

Jetzt, da der Computer die Winkel empfängt, wird der Computer sie interpretieren.

Dies ist ein Foto einer Darstellung der ausgewählten Datenbank. In dieser Datenbank repräsentieren die blauen Kurven die Zone der akzeptablen Bewegung und die rote Kurve repräsentiert die perfekte Bewegung. Es sollte betont werden, dass die Datenbank natürlich für Änderungen offen ist. Idealerweise sollten die Parameter der Datenbank von einem professionellen Physiotherapeuten erstellt werden, um Sie über die tatsächlich optimalen Rehabilitationsparameter zu beraten.

Die hier in Rot gewählte optimale Bewegung basiert auf Erfahrungswerten und ist so, dass der Arm in 2,5 Sekunden 90° erreicht, was einer konstanten Winkelgeschwindigkeit von 36°/s (oder 0, 6283 rad/s) entspricht.

Die zulässige Zone (in Blau) wurde in diesem Fall sowohl für die obere als auch für die untere Grenze mit einer stückweisen Funktion 3. Ordnung entworfen. Auch Funktionen höherer Ordnung könnten in Betracht gezogen werden, um die Form der Kurven oder sogar die Komplexität der Übung zu verbessern. In diesem Beispiel ist die Übung sehr einfach: 3 Wiederholungen von 0 bis 90° Bewegungen.

Der Code wird die Ergebnisse eines der Sensoren – desjenigen von Interesse, der die betrachtete Rehabilitationsübung liefert – in dieser Datenbank darstellen. Das Spiel für den Patienten besteht nun darin, die Geschwindigkeit und Position seines Arms so anzupassen, dass sein Arm innerhalb der blauen Zone bleibt, dem akzeptablen Bereich, und so nah wie möglich an der roten Kurve, der perfekten Bewegung.