मूनवॉक: एक हैप्टिक फीडबैक प्रोस्थेटिक: 5 कदम

2024 लेखक: John Day | [email protected]. अंतिम बार संशोधित: 2024-01-30 09:20

विवरण:

मूनवॉक बिगड़ा हुआ स्पर्श संवेदना (न्यूरोपैथी जैसे लक्षण) वाले व्यक्तियों के लिए एक दबाव-संवेदनशील कृत्रिम उपकरण है। मूनवॉक को लोगों के पैर जमीन के संपर्क में आने पर मददगार हैप्टिक फीडबैक प्राप्त करने में मदद करने के लिए डिजाइन किया गया था, ताकि वे संतुलन + गतिशीलता में सुधार कर सकें।

अक्षय दिनकर द्वारा डिजाइन और ओपन-सोर्स बनाया गया।

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यह प्रोस्थेटिक डिवाइस एक उपयुक्त माइक्रोकंट्रोलर पर एनालॉग पिन के माध्यम से दबाव मूल्यों में पढ़ने के लिए एक वेलोस्टैट सेंसर (शरीर के किसी भी प्रासंगिक हिस्से में चिकित्सा आसंजन, नैनोसक्शन, या कपड़े आस्तीन के माध्यम से जुड़ा हुआ) का उपयोग करता है। एक बार जब दबाव मान एक निश्चित सीमा तक पहुंच जाता है, तो एक निर्दिष्ट हैप्टिक सिग्नल सक्रिय हो जाता है, जो उपयोगकर्ता को चेतावनी देता है कि उन्होंने सतह से संपर्क किया है।

मेरा इरादा:

इस परियोजना का उद्देश्य किसी भी व्यक्ति के शरीर के एक हिस्से में सुन्नता के साथ स्वतंत्रता + गतिशीलता को बढ़ाने के लिए एक कम लागत वाला कृत्रिम उपकरण बनाना है। मेरे पास परिवार के सदस्यों के साथ व्यक्तिगत अनुभव है जो इस स्थिति का अनुभव करते हैं, और एक सुलभ समाधान बनाना चाहते हैं कि सीमित इंजीनियरिंग अनुभव वाले अन्य लोग स्वयं को इकट्ठा कर सकें। इलेक्ट्रॉनिक घटक उपलब्धता में लक्षणों और विविधता के वैयक्तिकरण के कारण, एक ऐसा उपकरण बनाना चुनौतीपूर्ण है जो कई प्रकार के उपयोग के मामलों के लिए काम करता है। हालांकि, मुझे मूनवॉक को एक समाधान के रूप में जारी करते हुए गर्व हो रहा है, जिसका उपयोग शरीर के किसी भी अंग/प्रभावित हिस्से पर किया जा सकता है, जो फार्म कारकों की एक सरणी के साथ संगत है (जो भी उपयोगकर्ता के लिए सबसे उपयुक्त है)।

सौंदर्य संबंधी विचारों और पेशेवर फिनिश के लिए, मैंने इस प्रोस्थेटिक को इकट्ठा करने के लिए सोल्डरिंग, सिलिकॉन मोल्डिंग / कास्टिंग और 3 डी-प्रिंटिंग सहित उन्नत निर्माण तकनीकों का उपयोग किया है। हालाँकि, साधारण ब्रेडबोर्डिंग और सिलाई तकनीक से भी काम चल जाता है।

पृष्ठभूमि:

अकेले अमेरिका में लगभग 20 मिलियन व्यक्ति न्यूरोपैथी का अनुभव करते हैं, जो मधुमेह, कैंसर और गठिया का एक सामान्य दुष्प्रभाव है। न्यूरोपैथी परिधीय तंत्रिका क्षति के परिणामस्वरूप व्यक्तियों के हाथों और पैरों में तेज झुनझुनी दर्द और सुन्नता के मिश्रण की विशेषता है। जब पैर और हाथ सतहों के संपर्क में आते हैं तो स्पर्श की संवेदना को कम करके न्यूरोपैथी गतिशीलता को गंभीर रूप से सीमित कर सकती है। हालांकि, शरीर के अप्रभावित हिस्सों पर कंपन के रूप में हैप्टिक फीडबैक व्यक्तियों को फीडबैक को उनके प्रोप्रियोसेप्टिव सेंस से जोड़कर संतुलन हासिल करने में मदद कर सकता है।

आपूर्ति

हार्डवेयर:

माइक्रोकंट्रोलर (नीचे दिए गए विकल्पों में से कोई भी शानदार है):

• Arduino नैनो (सबसे छोटा भौतिक आकार, लेकिन चार्ज करने के लिए अतिरिक्त इलेक्ट्रॉनिक घटकों की आवश्यकता होगी)
• एडफ्रूट फ्लोरा (पहनने योग्य वस्तुओं के लिए विकल्प - फ्लैट फॉर्म फैक्टर और इसमें बिल्ट-इन चार्जिंग है)
• एडफ्रूट फेदर (इसमें बहुत सारी अतिरिक्त विशेषताएं हैं जिनकी हमें आवश्यकता नहीं है, लेकिन एक बहुत ही कॉम्पैक्ट फॉर्म और बिल्ट-इन चार्जिंग)। मैं इस ट्यूटोरियल के लिए इस माइक्रोकंट्रोलर का उपयोग करूंगा। बीएलई, वाईफाई, या रेडियो चिप्स शामिल करने की तुलना में पंख के विभिन्न संस्करण हैं - कोई भी काम करेगा।

कंपन मोटर:

एलआरए कंपन मोटर (सामान्य ईआरएम कंपन मोटर की तुलना में अधिक अनुकूलन योग्य कंपन सनसनी प्रदान करने में सक्षम)। 3V के तहत कोई भी कंपन मोटर काम करेगी, लेकिन एक LRA सबसे मजबूत कंपन आउटपुट होगा (हम अपने डिजाइन को कॉम्पैक्ट बनाने के लिए एक सरलीकृत सर्किट का उपयोग कर रहे हैं [माइक्रोकंट्रोलर से सीधे कंपन मोटर को शक्ति देना), और अधिकांश माइक्रोकंट्रोलर की वर्तमान सीमाएं हैं जो कंपन को कमजोर करती हैं। ताकत)।

हैप्टिक मोटर चालक (माइक्रोकंट्रोलर और कंपन मोटर के बीच इंटरफेस):

Haptic Motor Driver (DRV2605L, टेक्सास इंस्ट्रूमेंट्स द्वारा निर्मित और Adafruit द्वारा वितरित)।

ली-पो बैटरी (कहीं १००-३५० एमएएच रेंज में बहुत कुछ होना चाहिए):

3.7 वी, 350 एमएएच ली-पो

सिलिकॉन तार:

22 एडब्ल्यूजी सिलिकॉन वायर (सिलिकॉन तार के लिए लचीलेपन और स्थायित्व का एक बड़ा संतुलन प्रदान करता है, और सही व्यास है)।

वेलोस्टैट सामग्री

वेलोस्टैट एक दबाव-संवेदनशील सतह है जो निचोड़ने या संपीड़ित होने पर प्रतिरोध को बदल देती है।

फीता

किसी भी प्रकार का टेप (डक्ट, स्कॉच, इलेक्ट्रिकल, मास्किंग) काम करेगा, लेकिन मैं एक पारदर्शी और विस्तृत पैकेजिंग टेप की सलाह देता हूं। आपको केवल कुछ इंच की आवश्यकता होगी।

एल्यूमिनियम फोइल (आपको केवल 4x4 इंच की आवश्यकता है)

सॉफ्टवेयर:

Arduino IDE (डाउनलोड और उपयोग करने के लिए नि: शुल्क, इसे यहां प्राप्त करें और इंस्टॉल करें:

चरण 1: अपने वेलोस्टैट प्रेशर सेंसर को इकट्ठा करें

यह आपके विचार से आसान है।

1. अपने वेलोस्टैट को आकार में काटें। कैंची की एक जोड़ी का उपयोग करके अपनी वेलोस्टैट शीट को उस आकार के सेंसर में ट्रिम करें जिसकी आपको आवश्यकता है। अगर आप पैरों के लिए इस प्रोस्थेटिक का इस्तेमाल कर रहे हैं, तो इसे एड़ी के आकार का बना लें। यदि आप इसे हाथों या उंगलियों के लिए उपयोग कर रहे हैं, तो आप जिस भी त्वचा को ढंकना चाहते हैं, उसका आकार बना लें।

2. एल्युमिनियम फॉयल को आकार में काटें। एल्युमिनियम फॉयल के दो टुकड़ों को वेलोस्टैट के टुकड़े के समान आयामों में काटें। एल्युमिनियम फॉयल के दो टुकड़ों के बीच में वेलोस्टैट के टुकड़े को सैंडविच करें। एल्यूमीनियम पन्नी एक प्रवाहकीय परत के रूप में कार्य करती है।

3. स्ट्रिप सिलिकॉन तार। वायर स्ट्रिपर्स का उपयोग करके, दो सिलिकॉन वायर सेगमेंट से 3-4 इंच के खुले तार को हटा दें। प्रत्येक सिलिकॉन तार लगभग 15-20 इंच लंबा होना चाहिए (सौंदर्य अपील के लिए उन दोनों को समान लंबाई बनाएं)। प्रत्येक स्ट्रिप्ड वायर को एल्युमिनियम फॉयल के एक तरफ रखें। समग्र सैंडविच ऑर्डर अब है: स्ट्रिप्ड वायर 1, एल्युमिनियम फॉयल 1, वेलोस्टैट, एल्युमिनियम फॉयल 2, स्ट्रिप्ड वायर 2.

4. टेप प्रेशर सेंसर एक साथ। अपने घटक सैंडविच पर टेप करें और टेप के किसी भी अतिरिक्त टुकड़े को काट लें, जैसे कि सब कुछ एक साथ सुरक्षित रूप से जुड़ा हुआ है। यह अत्यंत महत्वपूर्ण है कि वेलोस्टैट सैंडविच के दोनों किनारों को साफ-सुथरा रूप से अलग कर रहा है (तल पर एल्यूमीनियम पन्नी / स्ट्रिप्ड तार शीर्ष प्रवाहकीय सतहों के किसी भी हिस्से के संपर्क में नहीं होना चाहिए)।

5. तार को चोटी। तारों को एक साथ रखने के लिए और उन्हें उपयोगकर्ता की आवाजाही के दौरान इधर-उधर फ़्लॉप होने से रोकने के लिए, उन्हें एक साथ घुमाएं (जितनी बार आप घुमाएंगे, वे उतने ही सुरक्षित होंगे)। यह भी अच्छा इलेक्ट्रिकल इंजीनियरिंग अभ्यास है जब आपके पास एक ही शुरुआत से अंत बिंदु तक जाने वाले लंबे तारों के समूह होते हैं।

चरण 2: अपने घटकों को कनेक्ट करें

अपने सभी व्यक्तिगत इलेक्ट्रॉनिक भागों को जोड़ने का समय। मैंने अपने सभी घटकों को एक साथ मिलाया, लेकिन ब्रेडबोर्ड का उपयोग करना भी संभव है (उस स्थिति में, आपको अभी भी अपने माइक्रोकंट्रोलर और हैप्टिक मोटर ड्राइवर पर पिन मिलाप करने की आवश्यकता होगी)।

1. सोल्डर प्रेशर सेंसर को माइक्रोकंट्रोलर से: अपने लटके हुए तारों में से एक को अपने माइक्रोकंट्रोलर के एनालॉग (A1) पिन से कनेक्ट करें, और शेष लटके हुए तार को ग्राउंड (Gnd) पिन से मिलाएं।

2. सोल्डर वाइब्रेशन मोटर टू हैप्टिक मोटर ड्राइवर: अपने वाइब्रेशन मोटर के रेड (पॉजिटिव) वायर को + टर्मिनल से और ब्लू (ग्राउंड) वायर को हैप्टिक मोटर ड्राइवर के - टर्मिनल से मिलाएं।

3. माइक्रोकंट्रोलर के लिए सोल्डर हैप्टिक मोटर ड्राइवर: दो बहुत ही छोटे सिलिकॉन वायर सेगमेंट का उपयोग करके, माइक्रोकंट्रोलर को हैप्टिक मोटर ड्राइवर पर निम्नलिखित पिन मिलाप करें।

• विन -> 3V
• जीएनडी -> जीएनडी
• एससीएल -> एससीएल
• एसडीए -> एसडीए

*हैप्टिक मोटर चालक माइक्रोकंट्रोलर से "बात" करने के लिए I2C नामक एक प्रकार की संचार प्रणाली का उपयोग करता है। SCL और SDA पिन इस संचार के होने के मार्ग हैं।

4. बैटरी कनेक्ट करें: ली-पो बैटरी हेडर को माइक्रोकंट्रोलर में प्लग करें। यदि आपकी बैटरी में कुछ चार्ज है, तो यह माइक्रोकंट्रोलर पर एक एलईडी जला सकता है। जीवन के पहले लक्षण!:)

चरण 3: अपने इलेक्ट्रॉनिक्स की प्रोग्रामिंग

यदि आपने अभी तक Arduino IDE को डाउनलोड और इंस्टॉल नहीं किया है, तो अब समय है। मैं कोडिंग शुरू करने से पहले अपने प्रोग्राम को शब्दों में "छद्म कोड" करना पसंद करता हूं, ताकि मुझे पहले से ही पता चल जाए कि मुझे C++ में क्या लिखना है।

यहां बताया गया है कि हमारा प्रोस्थेटिक सॉफ्टवेयर कोड क्या कर रहा है:

प्रति सेकंड कई बार, हमारा माइक्रोकंट्रोलर दबाव मान में पढ़ता है जिसे सेंसर पता लगा रहा है, और यदि दबाव मान पर्याप्त मजबूत है (दूसरे शब्दों में, सेंसर जमीन के संपर्क में है), तो हम जो भी कंपन पैटर्न चाहते हैं उसे सक्रिय करते हैं हैप्टिक मोटर चालक। संलग्न कोड इस आधार कार्यक्षमता को पूरा करता है, लेकिन दबाव सेंसर का पता लगाने वाले विभिन्न मूल्यों (यानी प्रकाश संपर्क बनाम मजबूत संपर्क) के आधार पर विभिन्न पैटर्न या ताकत के कंपन प्रदान करने के लिए आपकी मोटर को अनुकूलित करना आसान है।

* मैं Arduino IDE का उपयोग करने, पुस्तकालयों को स्थापित करने और एक जुड़े माइक्रो-कंट्रोलर को कोड अपलोड करने का एक बुनियादी ज्ञान मानता हूं। यदि आप Arduino के लिए पूरी तरह से नए हैं, तो गति प्राप्त करने के लिए इन ट्यूटोरियल्स का उपयोग करें।

1. Adafruit DRV फाइलों को उसी फोल्डर में डाउनलोड और इंस्टॉल करें जिसमें आपका Arduino स्केच है।

2. अपने माइक्रोकंट्रोलर पर LevitateVelostatCode प्रोग्राम डाउनलोड करें, अपलोड करें और चलाएं (अपने वेलोस्टैट सेंसर की संवेदनशीलता के आधार पर वेरिएबल्स को उचित रूप से सेट करना सुनिश्चित करें। आप Arduino सीरियल मॉनिटर को खोलकर और अलग-अलग परीक्षण करके CLIFF और CUTOFF मानों को कैलिब्रेट कर सकते हैं। दबाव सीमा, उपयोग के मामले के लिए आपको चाहिए।

3. बधाई हो! आपके पास पहले से ही एक कार्यशील कृत्रिम उपकरण है। बाकी सब सौंदर्यशास्त्र और यह तय करना है कि आप इसे उपयोगकर्ता के शरीर से कैसे जोड़ना चाहते हैं।

चरण 4: फॉर्म फैक्टर + सौंदर्यशास्त्र

यह आप पर निर्भर करता है कि आप मूनवॉक को उपयोगकर्ता के शरीर से कहाँ और कैसे जोड़ना चाहते हैं। मेरा मूल रूप से परिकल्पित उपयोग मामला पैर संपर्क का पता लगाने के लिए था, इसलिए दबाव सेंसर स्वाभाविक रूप से उपयोगकर्ता की एड़ी के नीचे फिट होता है।

इलेक्ट्रॉनिक्स को अच्छा और कॉम्पैक्ट रखने के लिए, मैंने एक हाउसिंग कंटेनर (3 डी-मुद्रित और सिलिकॉन मोल्डेड, त्वचा के साथ लचीले संपर्क की अनुमति देने के लिए) डिज़ाइन और गढ़ा। मैंने इस निर्देश के लिए 3D फाइलें (. STL फॉर्म में) संलग्न की हैं।

*अधिकतम कंपन के लिए, यह महत्वपूर्ण है कि एलआरए मोटर (जो एक जेड-अक्ष वसंत से कंपन उत्पन्न करके कार्य करता है) त्वचा को छूने वाली सतहों के सीधे संपर्क में है (ईआरएम के विपरीत, यदि कोई एलआरए बीच में तैर रहा है, तो आपका त्वचा कुछ भी महसूस नहीं करेगी)। मेरे डिजाइन के लिए, इलेक्ट्रॉनिक्स को नैनोसक्शन/जेल पैड के माध्यम से संलग्न करना सबसे अधिक समझ में आता है (इन्हें आसानी से ऑनलाइन खरीदा जा सकता है और त्वचा पर कई उपयोगों के लिए बहुत अच्छा है), मेडिकल टेप, या कपड़े आस्तीन। सिद्धांत रूप में, आप मूनवॉक को लोचदार / स्पैन्डेक्स कपड़ों के नीचे भी खिसका सकते हैं, यदि इसका उपयोग पैर या जांघ पर किया जाता है।

चरण 5: तैयार प्रोस्थेटिक

मुझे आशा है कि मेरा डिज़ाइन आपके लिए कुछ उपयोगी होगा। कृपया बेझिझक ट्विक करें, रीमिक्स करें, और इस बेस डिज़ाइन में सुधार करें - और अजनबी न बनें! मुझसे मेरी वेबसाइट (www.akshaydinakar.com/home) के माध्यम से संपर्क किया जा सकता है।