Moonwalk: eine haptische Feedback-Prothese - Gunook

2024 Autor: John Day | [email protected]. Zuletzt bearbeitet: 2024-01-30 07:18

Beschreibung:

Moonwalk ist eine druckempfindliche Prothese für Personen mit eingeschränktem Tastgefühl (neuropathieähnliche Symptome). Moonwalk wurde entwickelt, um Menschen zu helfen, hilfreiches haptisches Feedback zu erhalten, wenn ihre Füße den Boden berühren, damit sie Gleichgewicht und Mobilität verbessern können.

Entworfen und quelloffen gemacht von Akshay Dinakar.

Um mehr Projekte und Kreationen zu sehen, besuchen Sie www.akshaydinakar.com/lab, das gemeinnützige Designstudio von Akshay Dinakar Design.

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Dieses prothetische Gerät verwendet einen Velostat-Sensor (der über medizinische Adhäsion, Nanosaugen oder Gewebehülle an einem relevanten Körperteil befestigt wird), um Druckwerte über analoge Pins auf einem geeigneten Mikrocontroller einzulesen. Sobald der Druckwert einen bestimmten Grenzwert erreicht, wird ein vorgegebenes haptisches Signal aktiviert, das den Benutzer auf den Kontakt mit einer Oberfläche aufmerksam macht.

Meine Absicht:

Die Absicht dieses Projekts ist es, eine kostengünstige Prothese zu schaffen, um die Unabhängigkeit und Mobilität von Personen mit Taubheit in einem Teil ihres Körpers zu verbessern. Ich habe persönliche Erfahrung mit Familienmitgliedern, die an diesem Zustand leiden, und wollte eine zugängliche Lösung schaffen, die andere mit begrenzter technischer Erfahrung selbst zusammenbauen können. Aufgrund der Individualisierung der Symptome und der Vielfalt der Verfügbarkeit elektronischer Komponenten ist es eine Herausforderung, ein Gerät zu entwickeln, das für eine Reihe von Anwendungsfällen geeignet ist. Ich bin jedoch stolz darauf, Moonwalk als Lösung herauszubringen, die an allen Gliedmaßen / betroffenen Körperteilen verwendet werden kann und mit einer Reihe von Formfaktoren kompatibel ist (je nachdem, was für den Benutzer am besten geeignet ist).

Aus ästhetischen Erwägungen und einem professionellen Finish habe ich fortschrittliche Fertigungstechniken wie Löten, Silikonformen / -gießen und 3D-Druck verwendet, um diese Prothese zusammenzubauen. Aber auch einfache Breadboarding- und Nähtechniken erledigen die Arbeit.

Hintergrund:

Fast 20 Millionen Menschen allein in den USA leiden an Neuropathie, einer häufigen Nebenwirkung von Diabetes, Krebs und Arthritis. Neuropathie ist gekennzeichnet durch eine Mischung aus scharfen Kribbeln und Taubheit in den Händen und Füßen von Personen als Folge einer peripheren Nervenschädigung. Neuropathie kann die Beweglichkeit stark einschränken, indem das Berührungsempfinden reduziert wird, wenn Füße und Hände mit Oberflächen in Kontakt kommen. Haptisches Feedback in Form von Vibrationen auf nicht betroffene Körperteile kann jedoch dem Einzelnen helfen, das Gleichgewicht wiederzuerlangen, indem es das Feedback mit seinem propriozeptiven Sinn verbindet.

Lieferungen

Hardware:

Mikrocontroller (eine der folgenden Optionen sind fantastisch):

• Arduino Nano (kleinste physikalische Größe, erfordert jedoch zusätzliche elektronische Komponenten zum Aufladen)
• Adafruit Flora (Go-to-Option für Wearables – flacher Formfaktor und integriertes Aufladen)
• Adafruit Feather (hat viele zusätzliche Funktionen, die wir nicht brauchen, aber eine sehr kompakte Form und integriertes Aufladen). Ich werde diesen Mikrocontroller für dieses Tutorial verwenden. Es gibt verschiedene Versionen von Feather als BLE-, WiFi- oder Funkchips – alle funktionieren.

Vibrationsmotor:

LRA-Vibrationsmotor (in der Lage, ein viel anpassbareres Vibrationsempfinden zu bieten als der typische ERM-Vibrationsmotor). Jeder Vibrationsmotor unter 3 V funktioniert, aber ein LRA ist die stärkste Vibrationsausgabe (wir verwenden eine vereinfachte Schaltung, um unser Design kompakt zu gestalten [den Vibrationsmotor direkt vom Mikrocontroller mit Strom zu versorgen), und die meisten Mikrocontroller haben Strombegrenzungen, die die Vibration schwächen Stärke)

Haptic Motor Driver (Schnittstellen zwischen Mikrocontroller und Vibrationsmotor):

Haptischer Motortreiber (DRV2605L, hergestellt von Texas Instruments und vertrieben von Adafruit)

Li-Po Akku (irgendwo im Bereich von 100 - 350 mAh sollte reichen):

3,7 V, 350 mAh Li-Po

Silikondraht:

22 AWG Silikondraht (das Silikon bietet ein hervorragendes Gleichgewicht zwischen Flexibilität und Haltbarkeit für den Draht und hat den richtigen Durchmesser)

Velostat-Material

Velostat ist eine druckempfindliche Oberfläche, die beim Drücken oder Zusammendrücken den Widerstand ändert

Band

Jede Art von Klebeband (Duct, Scotch, Electric, Masking) funktioniert, aber ich empfehle ein transparentes und breites Verpackungsband. Sie benötigen nur ein paar Zentimeter

Aluminiumfolie (Sie benötigen nur ca. 4x4 Zoll)

Software:

Arduino IDE (Kostenlos herunterzuladen und zu verwenden, hier herunterladen und installieren:

Schritt 1: Montieren Sie Ihren Velostat-Drucksensor

Es ist einfacher als Sie denken.

1. Schneiden Sie Ihren Velostat zu. Verwenden Sie eine Schere, um Ihr Velostat-Blatt auf die gewünschte Sensorgröße zuzuschneiden. Wenn Sie diese Prothese für Füße verwenden, nehmen Sie die Größe einer Ferse an. Wenn Sie es für Hände oder Finger verwenden, nehmen Sie die Abmessungen der Haut vor, die Sie bedecken möchten.

2. Alufolie zuschneiden. Schneiden Sie zwei Stücke Aluminiumfolie auf die gleichen Abmessungen wie das Stück Velostat. Legen Sie das Velostat-Stück zwischen die beiden Stücke Aluminiumfolie. Die Aluminiumfolie dient als leitfähige Schicht.

3. Silikondraht abisolieren. Entfernen Sie mit Abisolierzangen 3-4 Zoll des freiliegenden Drahts von zwei Silikondrahtsegmenten. Jeder Silikondraht sollte etwa 15 bis 20 Zoll lang sein (machen Sie beide gleich lang aus ästhetischen Gründen). Legen Sie jeden abisolierten Draht auf eine Seite der Aluminiumfolie. Die gesamte Sandwich-Reihenfolge lautet nun: abisolierter Draht 1, Aluminiumfolie 1, Velostat, Aluminiumfolie 2, abisolierter Draht 2.

4. Drucksensor zusammenkleben. Kleben Sie Ihr Komponenten-Sandwich mit Klebeband und schneiden Sie alle zusätzlichen Klebebandstücke ab, so dass alles sicher aneinander befestigt ist. Es ist äußerst wichtig, dass der Velostat die beiden Seiten des Sandwichs sauber trennt (die Aluminiumfolie / der abisolierte Draht auf der Unterseite sollte NICHT mit irgendeinem Teil der oberen leitfähigen Oberflächen in Kontakt kommen).

5. Flechten Sie den Draht. Um die Drähte zusammenzuhalten und zu verhindern, dass sie während der Bewegung des Benutzers herumfallen, drehen Sie sie zusammen (je öfter Sie drehen, desto sicherer sind sie). Dies ist auch eine gute elektrotechnische Praxis, wenn Sie Gruppen von langen Drähten haben, die vom gleichen Start- zum Endpunkt führen.

Schritt 2: Verbinden Sie Ihre Komponenten

Es ist Zeit, alle Ihre individuellen elektronischen Teile zu verbinden. Ich habe alle meine Komponenten zusammengelötet, aber es ist auch möglich, ein Steckbrett zu verwenden (in diesem Fall müssen Sie noch Pins auf Ihren Mikrocontroller und den haptischen Motortreiber löten).

1. Lötdrucksensor an Mikrocontroller: Verbinden Sie einen Ihrer geflochtenen Drähte mit einem analogen (A1) Pin Ihres Mikrocontrollers und löten Sie den verbleibenden geflochtenen Draht mit dem Massestift (Gnd).

2. Löten Sie den Vibrationsmotor an den haptischen Motortreiber: Löten Sie den roten (positiven) Draht Ihres Vibrationsmotors an den + Anschluss und den blauen (Masse) Draht an den – Anschluss des haptischen Motortreibers.

3. Haptikmotortreiber an Mikrocontroller anlöten: Mit zwei sehr kurzen Silikondrahtsegmenten die folgenden Pins des haptischen Motortreibers an den Mikrocontroller anlöten.

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

*Der haptische Motortreiber verwendet ein Kommunikationssystem namens I2C, um mit dem Mikrocontroller zu "sprechen". Die SCL- und SDA-Pins sind die Pfade für diese Kommunikation.

4. Batterie anschließen: Stecken Sie den Li-Po-Batterie-Header in den Mikrocontroller. Wenn Ihr Akku etwas aufgeladen ist, leuchtet möglicherweise eine LED am Mikrocontroller auf. Erste Lebenszeichen!:)

Schritt 3: Programmieren Ihrer Elektronik

Wenn Sie die Arduino IDE noch nicht heruntergeladen und installiert haben, ist es jetzt an der Zeit. Ich mag es, mein Programm in Worten zu "pseudocodieren", bevor ich mit dem Codieren beginne, damit ich bereits herausgefunden habe, was ich in C++ schreiben muss.

Das macht unser prothetischer Softwarecode:

Viele Male pro Sekunde liest unser Mikrocontroller den Druckwert ein, den der Sensor erkennt, und wenn der Druckwert stark genug ist (mit anderen Worten, der Sensor hat Bodenkontakt), aktivieren wir jedes gewünschte Vibrationsmuster von der haptischer Motortreiber. Der beigefügte Code erfüllt diese Basisfunktionalität, aber es ist einfach, Ihren Motor so anzupassen, dass er Vibrationen verschiedener Muster oder Stärke erzeugt, basierend auf verschiedenen Werten, die der Drucksensor erkennt (z. B. leichter Kontakt vs. starker Kontakt)

* Ich setze Grundkenntnisse in der Verwendung der Arduino IDE, der Installation von Bibliotheken und dem Hochladen von Code auf einen angeschlossenen Mikrocontroller voraus. Wenn Sie Arduino noch nicht kennen, verwenden Sie diese Tutorials, um sich auf den neuesten Stand zu bringen.

1. Laden Sie die Adafruit DRV-Dateien herunter und installieren Sie sie im selben Ordner, in dem sich Ihre Arduino-Skizze befindet.

2. Laden Sie das LevitateVelostatCode-Programm herunter, laden Sie es hoch und führen Sie es auf Ihrem Mikrocontroller aus (stellen Sie die Variablen entsprechend der Empfindlichkeit Ihres Velostat-Sensors ein. Sie können die CLIFF- und CUTOFF-Werte kalibrieren, indem Sie den Arduino Serial Monitor öffnen und verschiedene testen Druckgrenzen, für den Anwendungsfall, den Sie benötigen.

3. Herzlichen Glückwunsch! Sie haben bereits eine funktionierende Prothese. Der Rest ist die Ästhetik und die Entscheidung, wie Sie es am Körper des Benutzers befestigen möchten.

Schritt 4: Formfaktor + Ästhetik

Es liegt an Ihnen, wo und wie Sie Moonwalk am Körper des Benutzers befestigen möchten. Mein ursprünglich angedachter Anwendungsfall war die Fußkontakterkennung, sodass der Drucksensor natürlich unter die Ferse des Benutzers passt.

Um die Elektronik schön kompakt zu halten, habe ich einen Gehäusebehälter entworfen und hergestellt (3D-gedruckt und aus Silikon geformt, um einen flexiblen Kontakt mit der Haut zu ermöglichen). Ich habe die 3D-Dateien (in. STL-Form) an dieses Instructable angehängt.

*Für maximale Vibration ist es wichtig, dass der LRA-Motor (der durch eine schnelle Vibrationserzeugung von einer Z-Achsen-Feder funktioniert) in direktem Kontakt mit Oberflächen steht, die die Haut berühren (im Gegensatz zu einem ERM, wenn ein LRA in der Luft schwebt, ist Ihr Haut spürt nichts). Für mein Design ist es am sinnvollsten, die Elektronik über ein Nanosauger / Gel-Pad (diese können einfach online gekauft werden und eignen sich hervorragend für die Mehrfachverwendung auf der Haut), ein medizinisches Klebeband oder eine Stoffhülle zu befestigen. Theoretisch könnte man Moonwalk auch unter elastische / Elasthan-Kleidung schlüpfen, wenn es am Bein oder Oberschenkel verwendet wird.

Schritt 5: Die fertige Prothese

Ich hoffe, dass mein Design für Sie nützlich ist. Fühlen Sie sich frei, dieses Basisdesign zu optimieren, zu remixen und zu verbessern – und seien Sie kein Fremder! Ich kann über meine Website (www.akshaydinakar.com/home) kontaktiert werden.