Moonwalk: Haptic Feedback Prosthetic: 5 ขั้นตอน

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

คำอธิบาย:

Moonwalk เป็นอุปกรณ์เทียมที่ไวต่อแรงกดสำหรับผู้ที่มีความรู้สึกสัมผัสบกพร่อง (อาการคล้ายโรคประสาท) Moonwalk ได้รับการออกแบบมาเพื่อช่วยให้แต่ละคนได้รับการตอบสนองแบบสัมผัสที่เป็นประโยชน์เมื่อเท้าของพวกเขาสัมผัสกับพื้น เพื่อให้สามารถปรับปรุงการทรงตัวและการเคลื่อนไหวได้

ออกแบบและสร้างโอเพ่นซอร์สโดย Akshay Dinakar

หากต้องการดูโครงการและการสร้างสรรค์เพิ่มเติม โปรดไปที่ www.akshaydinakar.com/lab สตูดิโอออกแบบที่ไม่แสวงหาผลกำไรของ Akshay Dinakar Design

Facebook: www.facebook.com/akshaydinakar | อินสตาแกรม: @AkshayDinakarDesign

อุปกรณ์เทียมนี้ใช้เซ็นเซอร์ velostat (ติดผ่านการยึดติดทางการแพทย์ การดูดนาโน หรือปลอกผ้ากับส่วนที่เกี่ยวข้องของร่างกาย) เพื่ออ่านค่าความดันผ่านหมุดอะนาล็อกบนไมโครคอนโทรลเลอร์ที่เหมาะสม เมื่อค่าความดันถึงขีดจำกัดที่กำหนด สัญญาณแฮบติคที่ระบุจะเปิดใช้งาน เพื่อเตือนผู้ใช้ว่าพวกเขาได้สัมผัสกับพื้นผิว

ความตั้งใจของฉัน:

จุดประสงค์ของโครงการนี้คือการสร้างอุปกรณ์เทียมราคาถูกเพื่อเพิ่มความเป็นอิสระและความคล่องตัวของบุคคลที่มีอาการชาในส่วนใดส่วนหนึ่งของร่างกาย ฉันมีประสบการณ์ส่วนตัวกับสมาชิกในครอบครัวที่ประสบปัญหานี้ และต้องการสร้างโซลูชันที่เข้าถึงได้ซึ่งผู้อื่นที่มีประสบการณ์ด้านวิศวกรรมที่จำกัดสามารถประกอบขึ้นเองได้ เนื่องจากอาการเฉพาะบุคคลและความพร้อมใช้งานของชิ้นส่วนอิเล็กทรอนิกส์ที่หลากหลาย จึงเป็นเรื่องยากที่จะสร้างอุปกรณ์ที่ใช้งานได้หลากหลายกรณี อย่างไรก็ตาม ฉันภูมิใจที่จะปล่อย Moonwalk ให้เป็นวิธีการแก้ปัญหาที่สามารถใช้ได้กับแขนขา/ส่วนใดส่วนหนึ่งของร่างกายที่ได้รับผลกระทบ เข้ากันได้กับอาร์เรย์ของฟอร์มแฟคเตอร์ (แล้วแต่ว่ากรณีใดเหมาะสมที่สุดสำหรับผู้ใช้)

เพื่อการพิจารณาด้านสุนทรียภาพและการตกแต่งแบบมืออาชีพ ฉันได้ใช้เทคนิคการประดิษฐ์ขั้นสูงรวมถึงการบัดกรี การขึ้นรูป / การหล่อซิลิโคน และการพิมพ์ 3 มิติเพื่อประกอบชิ้นส่วนเทียมนี้ อย่างไรก็ตาม เทคนิคการทำเขียงหั่นขนมและเย็บผ้าแบบง่ายๆ ก็ช่วยได้เช่นกัน

พื้นหลัง:

เกือบ 20 ล้านคนในสหรัฐอเมริกาเพียงแห่งเดียวประสบกับโรคระบบประสาท ซึ่งเป็นผลข้างเคียงที่พบบ่อยของโรคเบาหวาน มะเร็ง และโรคข้ออักเสบ โรคระบบประสาทมีลักษณะเฉพาะด้วยอาการปวดและชาที่มือและเท้าของบุคคลซึ่งเป็นผลมาจากความเสียหายของเส้นประสาทส่วนปลาย โรคระบบประสาทสามารถจำกัดการเคลื่อนไหวอย่างรุนแรงโดยการลดความรู้สึกสัมผัสเมื่อเท้าและมือสัมผัสกับพื้นผิว อย่างไรก็ตาม การตอบสนองแบบสัมผัสได้ในรูปแบบของการสั่นสะเทือนบนส่วนต่างๆ ของร่างกายที่ไม่ได้รับผลกระทบสามารถช่วยให้บุคคลกลับมามีความสมดุลได้โดยการเชื่อมโยงฟีดแบ็คกับความรู้สึกรับรู้ของตน

เสบียง

ฮาร์ดแวร์:

ไมโครคอนโทรลเลอร์ (ตัวเลือกใด ๆ ด้านล่างนั้นยอดเยี่ยม):

• Arduino Nano (ขนาดทางกายภาพที่เล็กที่สุด แต่จะต้องใช้ส่วนประกอบอิเล็กทรอนิกส์เพิ่มเติมสำหรับการชาร์จ)
• Adafruit Flora (ตัวเลือกสำหรับอุปกรณ์สวมใส่ - รูปทรงแบนและมีการชาร์จในตัว)
• Adafruit Feather (มีคุณสมบัติพิเศษมากมายที่เราไม่ต้องการ แต่มีรูปแบบที่กะทัดรัดและการชาร์จในตัว) ฉันจะใช้ไมโครคอนโทรลเลอร์นี้สำหรับบทช่วยสอนนี้ Feather มีเวอร์ชันต่าง ๆ มากกว่าชิป BLE, WiFi หรือวิทยุ – อะไรก็ได้

มอเตอร์สั่นสะเทือน:

มอเตอร์สั่นสะเทือน LRA (สามารถให้ความรู้สึกสั่นสะเทือนที่ปรับแต่งได้มากกว่ามอเตอร์สั่น ERM ทั่วไป) มอเตอร์สั่นสะเทือนใดๆ ภายใต้ 3V จะทำงาน แต่ LRA จะเป็นเอาต์พุตการสั่นสะเทือนที่แข็งแกร่งที่สุด (เรากำลังใช้วงจรแบบง่ายเพื่อให้การออกแบบของเรามีขนาดกะทัดรัด [ขับเคลื่อนมอเตอร์สั่นสะเทือนโดยตรงจากไมโครคอนโทรลเลอร์) และไมโครคอนโทรลเลอร์ส่วนใหญ่มีข้อ จำกัด ในปัจจุบันที่ทำให้การสั่นสะเทือนลดลง ความแข็งแกร่ง)

Haptic Motor Driver (อินเทอร์เฟซระหว่างไมโครคอนโทรลเลอร์กับมอเตอร์สั่นสะเทือน):

Haptic Motor Driver (DRV2605L ผลิตโดย Texas Instruments และจัดจำหน่ายโดย Adafruit)

แบตเตอรี่ Li-Po (ที่ใดที่หนึ่งในช่วง 100 - 350 mAh ควรมีเพียงพอ):

3.7v, 350 mAh Li-Po

ลวดซิลิโคน:

สายซิลิโคน 22 AWG (ซิลิโคนให้ความยืดหยุ่นและความทนทานสูงสำหรับลวดและเป็นเส้นผ่านศูนย์กลางที่เหมาะสม)

วัสดุ Velostat

Velostat เป็นพื้นผิวที่ไวต่อแรงกดซึ่งจะเปลี่ยนความต้านทานเมื่อบีบหรือบีบอัด

เทป

เทปประเภทใดก็ได้ (ท่อ สก๊อต ไฟฟ้า มาส์ก) แต่ฉันแนะนำเทปบรรจุภัณฑ์ที่โปร่งใสและกว้าง คุณจะต้องใช้เพียงไม่กี่นิ้ว

อลูมิเนียมฟอยล์ (คุณต้องการประมาณ 4x4 นิ้วเท่านั้น)

ซอฟต์แวร์:

Arduino IDE (ดาวน์โหลดและใช้งานฟรี ดาวน์โหลดได้ที่นี่และติดตั้ง:

ขั้นตอนที่ 1: ประกอบเซ็นเซอร์ความดัน Velostat ของคุณ

มันง่ายกว่าที่คุณคิด

1. ตัด velostat ของคุณให้ได้ขนาด ใช้กรรไกรตัดแผ่น velostat ให้เป็นเซ็นเซอร์ขนาดใดก็ได้ที่คุณต้องการ หากคุณกำลังใช้ขาเทียมนี้สำหรับเท้า ให้มีขนาดเท่ากับส้น หากคุณกำลังใช้สำหรับมือหรือนิ้วมือ ให้กำหนดขนาดของผิวที่คุณต้องการปกปิด

2. ตัดอลูมิเนียมฟอยล์ตามขนาด ตัดแผ่นอลูมิเนียมฟอยล์สองชิ้นให้มีขนาดเท่ากับชิ้นส่วนของเวโลสแตท ประกบ Velostat ระหว่างแผ่นอลูมิเนียมฟอยล์สองชิ้น อลูมิเนียมฟอยล์ทำหน้าที่เป็นชั้นนำไฟฟ้า

3. ปอกสายซิลิโคน ใช้เครื่องปอกสายไฟ ดึงลวดที่สัมผัสออก 3-4 นิ้วออกจากส่วนของลวดซิลิโคนสองส่วน ลวดซิลิโคนแต่ละเส้นควรยาวประมาณ 15-20 นิ้ว (ทำให้ทั้งสองเส้นมีความยาวเท่ากันเพื่อความสวยงาม) วางลวดที่ปอกแล้วแต่ละเส้นไว้ด้านข้างของฟอยล์อลูมิเนียม ลำดับแซนวิชโดยรวมคือตอนนี้: ลวดปอก 1, ฟอยล์อลูมิเนียม 1, velostat, อลูมิเนียมฟอยล์ 2, ลวดปอก 2

4. เซ็นเซอร์ความดันเทปเข้าด้วยกัน ติดเทปทับแซนวิชส่วนประกอบของคุณและตัดเทปส่วนเกินออก เพื่อให้ทุกอย่างติดเข้าด้วยกันอย่างแน่นหนา เป็นสิ่งสำคัญอย่างยิ่งที่ velostat จะต้องแยกแซนวิชทั้งสองด้านออกจากกันอย่างหมดจด (ฟอยล์อลูมิเนียม / ลวดลอกที่ด้านล่างไม่ควรสัมผัสกับส่วนใด ๆ ของพื้นผิวที่เป็นสื่อกระแสไฟฟ้าด้านบน)

5. ถักเปียลวด ในการเก็บสายไฟไว้ด้วยกันและป้องกันไม่ให้ล้มระหว่างที่ผู้ใช้เคลื่อนที่ ให้หมุนสายเข้าด้วยกัน (ยิ่งคุณหมุนมากเท่าไหร่ สายไฟก็จะยิ่งปลอดภัยมากขึ้นเท่านั้น) นี่เป็นแนวทางปฏิบัติด้านวิศวกรรมไฟฟ้าที่ดีเช่นกันเมื่อคุณมีกลุ่มของสายไฟที่ยาวจากจุดเริ่มต้นไปยังจุดสิ้นสุดเดียวกัน

ขั้นตอนที่ 2: เชื่อมต่อส่วนประกอบของคุณ

ถึงเวลาเชื่อมต่อชิ้นส่วนอิเล็กทรอนิกส์ทั้งหมดของคุณแล้ว ฉันบัดกรีส่วนประกอบทั้งหมดของฉันเข้าด้วยกัน แต่ก็ยังสามารถใช้เขียงหั่นขนมได้ (ในกรณีนี้ คุณจะต้องบัดกรีหมุดบนไมโครคอนโทรลเลอร์และไดรเวอร์มอเตอร์แบบสัมผัส)

1. บัดกรีเซ็นเซอร์ความดันกับไมโครคอนโทรลเลอร์: เชื่อมต่อสายถักหนึ่งเส้นของคุณเข้ากับพินอนาล็อก (A1) ของไมโครคอนโทรลเลอร์และบัดกรีลวดถักที่เหลือเข้ากับขากราวด์ (Gnd)

2. ประสานมอเตอร์สั่นสะเทือนกับไดรเวอร์มอเตอร์ Haptic: ประสานสายสีแดง (บวก) ของมอเตอร์สั่นสะเทือนของคุณเข้ากับขั้ว + และสายสีน้ำเงิน (กราวด์) เข้ากับขั้ว - ของตัวขับมอเตอร์แบบสัมผัส

3. ประสานไดรเวอร์ Haptic Motor กับไมโครคอนโทรลเลอร์: ใช้สายซิลิโคนสั้น ๆ สองส่วน ประสานหมุดต่อไปนี้บนตัวขับมอเตอร์แฮบติคกับไมโครคอนโทรลเลอร์

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

*ไดรเวอร์มอเตอร์แบบสัมผัสใช้ระบบสื่อสารประเภทหนึ่งที่เรียกว่า I2C เพื่อ "พูดคุย" กับไมโครคอนโทรลเลอร์ หมุด SCL และ SDA เป็นเส้นทางสำหรับการสื่อสารนี้

4. เชื่อมต่อแบตเตอรี่: เสียบปลั๊กแบตเตอรี่ Li-Po เข้ากับไมโครคอนโทรลเลอร์ หากแบตเตอรี่ของคุณมีประจุ ไฟ LED บนไมโครคอนโทรลเลอร์อาจสว่างขึ้น สัญญาณแรกของชีวิต!:)

ขั้นตอนที่ 3: การเขียนโปรแกรมอุปกรณ์อิเล็กทรอนิกส์ของคุณ

หากคุณยังไม่ได้ดาวน์โหลดและติดตั้ง Arduino IDE ก็ถึงเวลาแล้ว ฉันชอบ "pseudocode" โปรแกรมของฉันเป็นคำก่อนเริ่มเขียนโค้ด เพื่อที่ฉันจะได้รู้แล้วว่าต้องเขียนอะไรใน C++

นี่คือสิ่งที่โค้ดซอฟต์แวร์เทียมของเรากำลังทำอยู่:

หลายครั้งต่อวินาที ไมโครคอนโทรลเลอร์ของเราจะอ่านค่าความดันที่เซ็นเซอร์ตรวจจับ และหากค่าความดันสูงพอ (กล่าวคือ เซ็นเซอร์สัมผัสกับพื้น) เราจะเปิดใช้งานรูปแบบการสั่นที่เราต้องการจาก ตัวขับมอเตอร์แบบสัมผัส รหัสที่แนบมานี้ใช้ฟังก์ชันพื้นฐานนี้สำเร็จ แต่ง่ายต่อการปรับแต่งมอเตอร์ของคุณเพื่อให้เกิดการสั่นของรูปแบบหรือความแรงต่างๆ ตามค่าต่างๆ ที่เซ็นเซอร์ความดันตรวจพบ (เช่น การสัมผัสเบากับการสัมผัสที่แรง)

*ฉันถือว่ามีความรู้พื้นฐานเกี่ยวกับการใช้ Arduino IDE การติดตั้งไลบรารี่และการอัปโหลดโค้ดไปยังไมโครคอนโทรลเลอร์ที่เชื่อมต่อ หากคุณเพิ่งเริ่มใช้ Arduino อย่างสมบูรณ์ ให้ใช้บทช่วยสอนเหล่านี้เพื่อเร่งความเร็ว

1. ดาวน์โหลดและติดตั้งไฟล์ Adafruit DRV ในโฟลเดอร์เดียวกับที่สเก็ตช์ Arduino ของคุณอยู่

2. ดาวน์โหลด อัปโหลด และเรียกใช้โปรแกรม LevitateVelostatCode บนไมโครคอนโทรลเลอร์ของคุณ (ตรวจสอบให้แน่ใจว่าได้ตั้งค่าตัวแปรอย่างเหมาะสมตามความไวของเซ็นเซอร์ velostat ของคุณ คุณสามารถปรับเทียบค่า CLIFF & CUTOFF ได้โดยการเปิด Arduino Serial Monitor และทดสอบความแตกต่าง ขีดจำกัดแรงดัน สำหรับกรณีการใช้งานที่คุณต้องการ

3. ยินดีด้วย! คุณมีอุปกรณ์เทียมที่ใช้งานได้อยู่แล้ว ที่เหลือคือความสวยงามและการตัดสินใจว่าคุณต้องการแนบไปกับร่างกายของผู้ใช้อย่างไร

ขั้นตอนที่ 4: ฟอร์มแฟกเตอร์ + สุนทรียศาสตร์

ขึ้นอยู่กับคุณว่าคุณต้องการให้ Moonwalk ยึดติดกับร่างกายของผู้ใช้ที่ไหนและอย่างไร กรณีการใช้งานที่จินตนาการไว้แต่แรกของฉันมีไว้สำหรับการตรวจจับการสัมผัสเท้า ดังนั้นเซ็นเซอร์ความดันจึงพอดีกับส้นเท้าของผู้ใช้อย่างเป็นธรรมชาติ

เพื่อให้อุปกรณ์อิเล็กทรอนิกส์สวยงามและกะทัดรัด ฉันได้ออกแบบและประดิษฐ์กล่องใส่ของตัวเครื่อง (พิมพ์ 3 มิติและขึ้นรูปด้วยซิลิโคนเพื่อให้สัมผัสกับผิวหนังได้อย่างยืดหยุ่น) ฉันได้แนบไฟล์ 3D (ในรูปแบบ. STL) กับคำแนะนำนี้

*สำหรับการสั่นสะเทือนสูงสุด สิ่งสำคัญคือมอเตอร์ LRA (ซึ่งทำงานโดยสร้างการสั่นสะเทือนอย่างรวดเร็วจากสปริงแกน z) จะต้องสัมผัสโดยตรงกับพื้นผิวที่สัมผัสผิวหนัง (ต่างจาก ERM หาก LRA ลอยอยู่กลางอากาศ ผิวจะไม่รู้สึกอะไร) สำหรับการออกแบบของฉัน เหมาะสมที่สุดที่จะติดอุปกรณ์อิเล็กทรอนิกส์ผ่านแผ่นนาโนดูด/เจล (สามารถซื้อทางออนไลน์ได้ง่ายและเหมาะสำหรับการใช้งานหลายประเภทบนผิวหนัง) เทปทางการแพทย์ หรือปลอกผ้า ในทางทฤษฎี คุณสามารถใส่ Moonwalk ไว้ใต้เสื้อผ้ายางยืด/ผ้าสแปนเด็กซ์ได้ หากใช้กับขาหรือต้นขา

ขั้นตอนที่ 5: ขาเทียมสำเร็จรูป

ฉันหวังว่าการออกแบบของฉันจะมีประโยชน์สำหรับคุณ โปรดปรับแต่ง รีมิกซ์ และปรับปรุงการออกแบบพื้นฐานนี้ได้ตามสบาย – และอย่าเป็นคนแปลกหน้า! สามารถติดต่อได้ทางเว็บไซต์ (www.akshaydinakar.com/home)