Exoskeleton Shoulder Rehabilitation: 10 trin

2024 Forfatter: John Day | [email protected]. Sidst ændret: 2024-01-30 08:27

Skulderen er en af de mest komplicerede dele af hele menneskekroppen. Dens artikulationer og skulderleddet tillader skulderen en lang række bevægelser af armen og er derfor ret komplekse at modellere. Som følge heraf er rehabilitering af skulderen et klassisk medicinsk problem. Målet med dette projekt er at designe en robot, der hjælper denne rehabilitering.

Denne robot vil have form af et eksoskelet med forskellige sensorer, der vil måle relevante parametre for at karakterisere armens bevægelse og derefter sammenligne de opnåede resultater med en database for øjeblikkeligt at give feedback om patientens kvalitet af skulderbevægelsen.

Enheden kan ses på billederne lige ovenfor. Dette eksoskelet er fastgjort på en sele, der bæres af patienten. Der er også stropper til at fastgøre enhedens arm til patientens arm.

Vi er studerende ved Bruxelles Ingeniørfakultet (Bruface), og vi har en opgave til Mechatronics 1 -kurset: realiser et projekt fra en forslagsliste, hvorfra vi valgte skulderrehabiliteringsrobotten.

Medlemmer af Mechatronics 1 Group 7:

Gianluca Carbone

Ines Henriette

Pierre Pereira Acuna

Radu Rontu

Thomas Wilmet

Trin 1: Materialer

- 3D -printer: PLA -plast

- Laserskæremaskine

- MDF 3 mm: overflade 2m²

- 2 accelerometre MMA8452Q

- 2 potentiometre: PC20BU

- Lejer: Indvendig diameter 10 mm; Udvendig diameter 26 mm

- Lineære styreskinner: bredde 27 mm; minimal længde 300 mm

- Rygsele og stropper

- Arduino Uno

- Arduino kabler: 2 bus til Alimentation (3, 3V Accelerometer og 5V Potientiometer), 2 bus til Accelerometer måling, 1 bus til massen. (brødbræt):

- Skruer:

Til lejet: M10 bolte og møtrikker, Til konstruktionen generelt: M3 og M4 bolte og møtrikker

Trin 2: Hovedidé

For at hjælpe skulderrehabilitering har denne enhed til formål at hjælpe rehabilitering af skulderen efter grundlæggende bevægelser derhjemme med prototypen.

De bevægelser, vi har besluttet at fokusere på som øvelser, er: frontal abduktion (venstre på billedet) og ekstern rotation (højre).

Vores prototype er udstyret med forskellige sensorer: to accelerometre og to potentiometre. Disse sensorer sender til en computer værdierne af armens og underarmens vinkler fra den lodrette position. De forskellige data plottes derefter på en database, der repræsenterer den optimale bevægelse. Dette plot udføres i realtid, så patienten direkte kan sammenligne sin egen bevægelse med den bevægelse, der skal opnås, og dermed kan korrigere sig selv for at blive så tæt som muligt på den perfekte bevægelse. Denne del vil blive diskuteret i databasetrinnet.

De afbildede resultater kan også sendes til en professionel fysioterapeut, der kan fortolke dataene og give nogle flere råd til patienten.

Mere i det praktiske synspunkt, da skulderen er en af de mest komplekse led i menneskekroppen, var tanken at forhindre visse bevægelser for at undgå dårlig erkendelse af bevægelsen, så prototypen kun kan tillade disse to bevægelser.

Desuden matcher enheden ikke perfekt patientens anatomi. Dette betyder, at eksoskelettets rotationsakse ikke passer perfekt til patientens skulder. Dette genererer drejningsmomenter, der kan ødelægge enheden. For at kompensere for det er et sæt skinner blevet implementeret. Dette gør det også muligt for en lang række patienter at bære enheden.

Trin 3: Forskellige dele af enheden

I denne del kan du finde alle de tekniske tegninger af de stykker, vi brugte.

Hvis du vil bruge din egen, skal du være bekymret over det faktum, at nogle stykker er underlagt store begrænsninger: lejens aksler for eksempel udsættes for lokal deformation. Hvis de er 3D-printet, skal de laves i høj densitet og tykke nok til at forhindre, at det går i stykker.

Trin 4: Montering - Bagplade

På denne video kan du se skyderen, der bruges til at rette en af DOF (den lineære guide vinkelret på bagpladen). Denne skyder kunne også sættes på armen, men løsningen, der blev præsenteret på videoen, gav bedre teoretiske resultater på 3D -softwaren for at teste prototypens bevægelse.

Trin 5: Montering - bortførelsesartikulation

Trin 6: Montering - ekstern rotationsartikulation

Trin 7: Endelig samling

Trin 8: Skær diagram

Nu hvor den samlede prototype korrekt korrigerer skulderfejl og formår at følge patientens bevægelse ved siden af de to ønskede retninger, er det tid til at komme på sporingsdelen og især på den elektriske del af projektet.

Så accelerometre vil modtage accelerationsinformation langs alle planens retninger, og en kode vil beregne de forskellige interessante vinkler ud fra de målte data. De forskellige resultater sendes til en matlab -fil via Arduino. Matlab -filen trækker derefter resultaterne i realtid og sammenligner den opnåede kurve med en database over de acceptable bevægelser.

Ledningsføringskomponenter til Arduino:

Dette er den skematiske fremstilling af de forskellige forbindelser mellem forskellige elementer. Brugeren skal være forsigtig med, at forbindelserne afhænger af den anvendte kode. For eksempel er I1 -udgangen fra det første accelerometer forbundet til jorden, mens output fra det andet er forbundet til 3,3V. Dette er en af måderne at skelne de to accelerometre fra Arduino synspunkt.

Ledningsdiagram:

Grøn - accelerationsmålere

Rød - input A5 på Arduino for at indsamle data fra accelerometre

Pink - input A4 på Arduino for at indsamle data fra accelerometre

Sort - Jord

Grå - Målinger fra det første potentiometer (på frontal abduktionsrotul)

Gul - Målinger fra det andet potentiometer (på den eksterne rotationsrotul)

Blå - Potentiometre Alimentation

Trin 9: Database

Nu hvor computeren modtager vinklerne, vil computeren fortolke dem.

Dette er et foto af en repræsentation af den valgte database. På denne database repræsenterer de blå kurver zonen for acceptabel bevægelse, og den røde kurve repræsenterer den perfekte bevægelse. Det skal understreges, at databasen naturligvis er åben for ændringer. Ideelt set bør databasens parametre oprettes af en professionel fysioterapeut for at rådgive om de reelle optimale rehabiliteringsparametre.

Den valgte optimale bevægelse her i rødt er baseret på erfaring og er sådan, at armen når 90 ° på 2,5 sekunder, hvilket svarer til en konstant vinkelhastighed på 36 °/s, (eller 0, 6283 rad/s).

Den acceptable zone (i blå) er designet med en 3 ordens stykkevis funktion i dette tilfælde for både den øvre grænse og den nedre grænse. Funktioner med højere ordrer kan lige så godt overvejes at forbedre kurvens form eller endda kompleksiteten af øvelsen. I dette eksempel er øvelsen meget enkel: 3 gentagelser af 0 til 90 ° bevægelse.

Koden vil plotte resultaterne af en af sensorerne - den af interesse, der overvejer rehabiliteringsøvelsen - på denne database. Spillet nu for patienten er at tilpasse armens hastighed og position, så armen forbliver inden for den blå zone, det acceptable område og så tæt som muligt på den røde kurve, den perfekte bevægelse.