การฟื้นฟูโครงกระดูกภายนอก: 10 ขั้นตอน

2024 ผู้เขียน: John Day | [email protected]. แก้ไขล่าสุด: 2024-01-30 13:04

ไหล่เป็นส่วนที่ซับซ้อนที่สุดของร่างกายมนุษย์ทั้งหมด ข้อต่อและข้อต่อไหล่ช่วยให้ไหล่สามารถเคลื่อนไหวแขนได้หลากหลาย ดังนั้นจึงค่อนข้างซับซ้อนในการสร้างแบบจำลอง ดังนั้นการฟื้นฟูไหล่จึงเป็นปัญหาทางการแพทย์แบบคลาสสิก เป้าหมายของโครงการนี้คือการออกแบบหุ่นยนต์ที่ช่วยฟื้นฟู

หุ่นยนต์ตัวนี้จะใช้รูปแบบของโครงกระดูกภายนอกที่มีเซ็นเซอร์ต่างๆ ที่จะวัดพารามิเตอร์ที่เกี่ยวข้องเพื่อกำหนดลักษณะการเคลื่อนไหวของแขน จากนั้นจะเปรียบเทียบผลลัพธ์ที่ได้รับกับฐานข้อมูลเพื่อให้ข้อเสนอแนะในทันทีเกี่ยวกับคุณภาพของการเคลื่อนไหวของไหล่ของผู้ป่วย

อุปกรณ์สามารถเห็นได้จากภาพด้านบน โครงกระดูกภายนอกนี้ยึดติดกับสายรัดที่ผู้ป่วยสวมใส่ นอกจากนี้ยังมีสายรัดสำหรับติดแขนของอุปกรณ์กับแขนของผู้ป่วย

เราเป็นนักศึกษาคณะวิศวกรรมศาสตร์แห่งบรัสเซลส์ (Bruface) และเรามีงานมอบหมายสำหรับหลักสูตร Mechatronics 1: ตระหนักถึงโครงการจากรายการข้อเสนอแนะที่เราเลือกหุ่นยนต์ฟื้นฟูไหล่

สมาชิกของเมคคาทรอนิกส์ 1 กลุ่ม 7:

จานลูก้า คาร์โบเน่

Ines Henriette

ปิแอร์ เปเรร่า อากูนา

ราดู รอนตู

Thomas Wilmet

ขั้นตอนที่ 1: วัสดุ

- เครื่องพิมพ์ 3 มิติ: พลาสติก PLA

- เครื่องตัดเลเซอร์

- MDF 3mm: พื้นผิว 2m²

- มาตรความเร่ง 2 ตัว MMA8452Q

- 2 โพเทนชิโอมิเตอร์: PC20BU

- ลูกปืน: เส้นผ่านศูนย์กลางภายใน 10 มม.; เส้นผ่านศูนย์กลางภายนอก 26mm

- รางนำเชิงเส้น: กว้าง 27 มม.; ความยาวขั้นต่ำ 300 mm

- สายรัดหลังและสายรัด

- Arduino Uno

- สายเคเบิล Arduino: 2 บัสสำหรับ Alimentation (3, 3V Accelerometer และ 5V Potientiometer), 2 บัสสำหรับการวัดความเร่ง, 1 บัสสำหรับมวล (เขียงหั่นขนม):

- สกรู:

สำหรับแบริ่ง: M10 สลักเกลียวและถั่ว, สำหรับโครงสร้างทั่วไป: สลักเกลียวและน็อต M3 และ M4

ขั้นตอนที่ 2: แนวคิดหลัก

เพื่อช่วยในการฟื้นฟูไหล่ อุปกรณ์นี้มีจุดประสงค์เพื่อช่วยในการฟื้นฟูไหล่ตามการเคลื่อนไหวขั้นพื้นฐานที่บ้านด้วยเครื่องต้นแบบ

การเคลื่อนไหวที่เราได้ตัดสินใจที่จะเน้นเป็นแบบฝึกหัด ได้แก่ การลักพาตัวหน้าผาก (ซ้ายบนภาพ) และการหมุนภายนอก (ขวา)

เครื่องต้นแบบของเราติดตั้งเซ็นเซอร์ต่างๆ ไว้ด้วยกัน: มาตรความเร่งสองตัวและโพเทนชิโอมิเตอร์สองตัว เซ็นเซอร์เหล่านี้จะส่งค่ามุมของแขนและปลายแขนไปยังคอมพิวเตอร์จากตำแหน่งแนวตั้ง จากนั้นข้อมูลต่างๆ จะถูกพล็อตบนฐานข้อมูลที่แสดงถึงการเคลื่อนไหวที่เหมาะสมที่สุด โครงเรื่องนี้จัดทำขึ้นแบบเรียลไทม์ เพื่อให้ผู้ป่วยสามารถเปรียบเทียบการเคลื่อนไหวของตนเองกับการเคลื่อนไหวเพื่อให้ได้มาโดยตรง และสามารถแก้ไขตนเองให้ใกล้เคียงกับการเคลื่อนไหวที่สมบูรณ์แบบที่สุดเท่าที่จะเป็นไปได้ ส่วนนี้จะกล่าวถึงในขั้นตอนฐานข้อมูล

ผลลัพธ์ที่ได้วางแผนไว้ยังสามารถส่งไปยังนักกายภาพบำบัดมืออาชีพที่สามารถตีความข้อมูลและให้คำแนะนำเพิ่มเติมแก่ผู้ป่วยได้

ในมุมมองเชิงปฏิบัติ เนื่องจากไหล่เป็นหนึ่งในข้อต่อที่ซับซ้อนที่สุดของร่างกายมนุษย์ แนวคิดก็คือการป้องกันช่วงการเคลื่อนไหวบางอย่างเพื่อหลีกเลี่ยงการรับรู้การเคลื่อนไหวที่ไม่ดี เพื่อให้ต้นแบบสามารถอนุญาตได้เฉพาะสิ่งเหล่านี้ สองการเคลื่อนไหว

นอกจากนี้อุปกรณ์จะไม่ตรงกับกายวิภาคของผู้ป่วยอย่างสมบูรณ์ ซึ่งหมายความว่าแกนของการหมุนของโครงกระดูกภายนอกไม่ตรงกับแกนของไหล่ของผู้ป่วยอย่างสมบูรณ์ สิ่งนี้จะสร้างแรงบิดที่สามารถทำลายอุปกรณ์ได้ เพื่อเป็นการชดเชย ได้มีการนำชุดรางมาใช้ นอกจากนี้ยังช่วยให้ผู้ป่วยจำนวนมากสวมใส่อุปกรณ์ได้

ขั้นตอนที่ 3: ส่วนต่างๆ ของอุปกรณ์

ในส่วนนี้ คุณจะพบภาพวาดทางเทคนิคทั้งหมดของชิ้นงานที่เราใช้

หากคุณต้องการใช้ชิ้นส่วนของคุณเอง โปรดกังวลว่าชิ้นส่วนบางชิ้นมีข้อจำกัดสูง เช่น เพลาของตลับลูกปืนอาจมีการเสียรูปเฉพาะที่ หากพิมพ์ 3 มิติ ควรทำด้วยความหนาแน่นสูงและหนาพอที่จะป้องกันไม่ให้แตกหัก

ขั้นตอนที่ 4: การประกอบ - แผ่นรองหลัง

ในวิดีโอนี้ คุณสามารถดูแถบเลื่อนที่ใช้แก้ไข DOF อันใดอันหนึ่งได้ (เส้นไกด์เชิงเส้นตั้งฉากกับแผ่นรองด้านหลัง) แถบเลื่อนนั้นสามารถติดตั้งบนแขนได้ แต่โซลูชันที่นำเสนอในวิดีโอให้ผลลัพธ์ทางทฤษฎีที่ดีขึ้นในซอฟต์แวร์ 3D เพื่อทดสอบการเคลื่อนไหวของต้นแบบ

ขั้นตอนที่ 5: การประกอบ - ข้อต่อการลักพาตัว

ขั้นตอนที่ 6: การประกอบ - ข้อต่อการหมุนภายนอก

ขั้นตอนที่ 7: การประกอบขั้นสุดท้าย

ขั้นตอนที่ 8: แผนภาพวงจร

ตอนนี้ต้นแบบที่ประกอบขึ้นแล้วสามารถแก้ไขแนวไหล่ไม่ตรง และจัดการตามการเคลื่อนไหวของผู้ป่วยควบคู่ไปกับทิศทางที่ต้องการทั้งสองได้ ถึงเวลาแล้วที่จะเข้าสู่ส่วนการติดตามและโดยเฉพาะอย่างยิ่งในส่วนไฟฟ้าของโครงการ

ดังนั้นมาตรความเร่งจะได้รับข้อมูลความเร่งควบคู่ไปกับทุกทิศทางของแผน และโค้ดจะคำนวณมุมต่างๆ ที่น่าสนใจจากข้อมูลที่วัดได้ ผลลัพธ์ที่แตกต่างกันจะถูกส่งไปยังไฟล์ MATLAB ผ่าน Arduino ไฟล์ Matlab จะดึงผลลัพธ์แบบเรียลไทม์และเปรียบเทียบเส้นโค้งที่ได้รับกับฐานข้อมูลของการเคลื่อนไหวที่ยอมรับได้

ส่วนประกอบการเดินสายไปยัง Arduino:

นี่คือการแสดงแผนผังของการเชื่อมต่อที่แตกต่างกันระหว่างองค์ประกอบต่างๆ ผู้ใช้ควรระวังว่าการเชื่อมต่อขึ้นอยู่กับรหัสที่ใช้ ตัวอย่างเช่น เอาต์พุต I1 ของมาตรความเร่งตัวแรกเชื่อมต่อกับกราวด์ ในขณะที่เอาต์พุตของตัวที่สองเชื่อมต่อกับ 3.3V นี่เป็นวิธีหนึ่งในการแยกแยะความแตกต่างระหว่างมาตรวัดความเร่งทั้งสองจากมุมมองของ Arduino

แผนผังสายไฟ:

สีเขียว - มาตรวัดความเร่ง การหายใจ

สีแดง - อินพุต A5 ของ Arduino เพื่อรวบรวมข้อมูลจากมาตรความเร่ง

สีชมพู - ใส่ A4 ของ Arduino เพื่อรวบรวมข้อมูลจากมาตรความเร่ง

สีดำ - พื้น

สีเทา - การวัดจากโพเทนชิออมิเตอร์แรก (บน rotule การลักพาตัวหน้าผาก)

สีเหลือง - การวัดจากโพเทนชิออมิเตอร์ที่สอง (บนการหมุนรอบภายนอก)

สีน้ำเงิน - โพเทนชิโอมิเตอร์

ขั้นตอนที่ 9: ฐานข้อมูล

เมื่อคอมพิวเตอร์ได้รับมุมแล้ว คอมพิวเตอร์ก็จะตีความมัน

นี่คือภาพแทนฐานข้อมูลที่เลือก ในฐานข้อมูลนี้ เส้นโค้งสีน้ำเงินแสดงถึงโซนของการเคลื่อนไหวที่ยอมรับได้ และเส้นโค้งสีแดงแสดงถึงการเคลื่อนไหวที่สมบูรณ์แบบ ควรเน้นว่าฐานข้อมูลเปิดให้แก้ไขได้ ตามหลักการแล้ว พารามิเตอร์ของฐานข้อมูลควรกำหนดโดยนักกายภาพบำบัดมืออาชีพ เพื่อให้คำแนะนำเกี่ยวกับพารามิเตอร์การฟื้นฟูที่เหมาะสมตามจริง

การเคลื่อนไหวที่เหมาะสมที่สุดที่เลือกไว้ที่นี่เป็นสีแดง ขึ้นอยู่กับประสบการณ์และส่งผลให้แขนแตะ 90° ใน 2.5 วินาที ซึ่งสอดคล้องกับความเร็วเชิงมุมคงที่ที่ 36°/s (หรือ 0, 6283 rad/s)

โซนที่ยอมรับได้ (สีน้ำเงิน) ได้รับการออกแบบด้วยฟังก์ชัน 3 ชิ้นตามลำดับ ในกรณีนี้สำหรับทั้งขอบบนและขอบล่าง ฟังก์ชันคำสั่งที่สูงขึ้นสามารถพิจารณาได้ด้วยเช่นกันเพื่อปรับปรุงรูปร่างของส่วนโค้งหรือแม้แต่ความซับซ้อนของการฝึก ในตัวอย่างนี้ การออกกำลังกายนั้นง่ายมาก: ทำซ้ำ 3 ครั้งด้วยการเคลื่อนไหว 0 ถึง 90°

โค้ดนี้จะพล็อตผลลัพธ์ของเซ็นเซอร์ตัวใดตัวหนึ่ง ซึ่งเป็นตัวที่น่าสนใจสำหรับการพิจารณาการฝึกฟื้นฟูสมรรถภาพในฐานข้อมูลนี้ เกมสำหรับผู้ป่วยในตอนนี้คือการปรับความเร็วและตำแหน่งของแขนเพื่อให้แขนอยู่ในโซนสีน้ำเงิน ระยะที่ยอมรับได้ และใกล้เคียงกับเส้นโค้งสีแดงมากที่สุด ซึ่งเป็นการเคลื่อนไหวที่สมบูรณ์แบบ