Moonwalk: una prótesis de retroalimentación háptica: 5 pasos

2024 Autor: John Day | [email protected]. Última modificación: 2024-01-30 08:42

Descripción:

Moonwalk es un dispositivo protésico sensible a la presión para personas con alteración de la sensibilidad táctil (síntomas similares a la neuropatía). Moonwalk fue diseñado para ayudar a las personas a recibir retroalimentación háptica útil cuando sus pies entran en contacto con el suelo, para que puedan mejorar el equilibrio y la movilidad.

Diseñado y hecho de código abierto por Akshay Dinakar.

Para ver más proyectos y creaciones, visite www.akshaydinakar.com/lab, el estudio de diseño sin fines de lucro de Akshay Dinakar Design.

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

Este dispositivo protésico utiliza un sensor de velostato (conectado mediante adhesión médica, nanosucción o funda de tela a cualquier parte relevante del cuerpo) para leer los valores de presión a través de pines analógicos en un microcontrolador apropiado. Una vez que el valor de presión alcanza un cierto límite, se activa una señal háptica especificada, que alerta al usuario de que ha hecho contacto con una superficie.

Mi intención:

La intención de este proyecto es crear un dispositivo protésico de bajo costo para mejorar la independencia + movilidad de cualquier individuo con entumecimiento en una parte de su cuerpo. Tengo experiencia personal con familiares que experimentan esta afección y quería crear una solución accesible que otras personas con experiencia limitada en ingeniería pudieran ensamblar por su cuenta. Debido a la individualización de los síntomas y la variedad en la disponibilidad de componentes electrónicos, es un desafío crear un dispositivo que funcione para una variedad de casos de uso. Sin embargo, me enorgullece presentar Moonwalk como una solución que se puede utilizar en cualquier extremidad / parte afectada del cuerpo, compatible con una variedad de factores de forma (lo que sea más apropiado para el usuario).

Por consideraciones estéticas y acabado profesional, he utilizado técnicas de fabricación avanzadas que incluyen soldadura, moldeo / fundición de silicona e impresión 3D para ensamblar esta prótesis. Sin embargo, las técnicas simples de costura y fabricación de tableros de pruebas también hacen el trabajo.

Fondo:

Casi 20 millones de personas solo en los EE. UU. Experimentan neuropatía, un efecto secundario común de la diabetes, el cáncer y la artritis. La neuropatía se caracteriza por una mezcla de dolores agudos de hormigueo y entumecimiento en las manos y los pies de las personas, como resultado del daño de los nervios periféricos. La neuropatía puede limitar gravemente la movilidad al reducir las sensaciones del tacto cuando los pies y las manos entran en contacto con las superficies. Sin embargo, la retroalimentación háptica en forma de vibraciones en las partes no afectadas del cuerpo puede ayudar a las personas a recuperar el equilibrio al vincular la retroalimentación a su sentido propioceptivo.

Suministros

Hardware:

Microcontrolador (cualquiera de las siguientes opciones es fantástica):

• Arduino Nano (tamaño físico más pequeño, pero requerirá componentes electrónicos adicionales para cargar)
• Adafruit Flora (opción de uso para dispositivos portátiles: factor de forma plana y carga incorporada)
• Adafruit Feather (tiene muchas características adicionales que no necesitamos, pero una forma muy compacta y carga incorporada). Usaré este microcontrolador para este tutorial. Hay diferentes versiones de Feather que incluyen chips BLE, WiFi o Radio; cualquiera funcionará.

Motor de vibración:

Motor de vibración LRA (capaz de proporcionar una sensación de vibración mucho más personalizable que el motor de vibración típico de ERM). Cualquier motor de vibración por debajo de 3V funcionará, pero un LRA será la salida de vibración más fuerte (estamos usando un circuito simplificado para hacer que nuestro diseño sea compacto [alimentando el motor de vibración directamente desde el microcontrolador), y la mayoría de los microcontroladores tienen limitaciones de corriente que debilitan la vibración fuerza)

Controlador de motor háptico (interfaces entre el microcontrolador y el motor de vibración):

Controlador de motor háptico (DRV2605L, fabricado por Texas Instruments y distribuido por Adafruit)

Batería Li-Po (en algún lugar del rango de 100 a 350 mAh debería ser suficiente):

Li-Po de 3,7 v, 350 mAh

Alambre de silicona:

Cable de silicona 22 AWG (la silicona proporciona un gran equilibrio de flexibilidad y durabilidad para el cable, y tiene el diámetro correcto)

Material de Velostat

Velostat es una superficie sensible a la presión que cambia de resistencia cuando se aprieta o se comprime

Cinta

Cualquier tipo de cinta (para ductos, escocesa, eléctrica, enmascaradora) funcionará, pero recomiendo una cinta de embalaje transparente y ancha. Solo necesitará unos centímetros

Papel de aluminio (solo necesita alrededor de 4x4 pulgadas)

Software:

Arduino IDE (gratis para descargar y usar, consígalo aquí e instálelo:

Paso 1: ensamble su sensor de presión Velostat

Es más simple de lo que piensas.

1. Corte su velostat a medida. Use un par de tijeras para recortar su hoja de velostat al tamaño de sensor que necesite. Si está usando esta prótesis para los pies, hágalo del tamaño de un talón. Si lo está usando para las manos o los dedos, conviértalo en las dimensiones de la piel que desee cubrir.

2. Corte el papel de aluminio a medida. Corta dos trozos de papel de aluminio de las mismas dimensiones que el trozo de velostat. Emparede el trozo de velostat entre los dos trozos de papel de aluminio. El papel de aluminio sirve como capa conductora.

3. Pele el cable de silicona. Con un pelacables, pele de 3 a 4 pulgadas de alambre expuesto de dos segmentos de alambre de silicona. Cada cable de silicona debe tener entre 15 y 20 pulgadas de largo (haz que ambos tengan la misma longitud para un atractivo estético). Coloque cada cable pelado en un lado del papel de aluminio. El pedido total de sándwich ahora es: cable pelado 1, papel de aluminio 1, velostat, papel de aluminio 2, cable pelado 2.

4. Pegue el sensor de presión con cinta adhesiva. Pegue con cinta adhesiva el sándwich de componentes y corte los trozos de cinta adicionales, de modo que todo quede bien unido. Es extremadamente importante que el velostat separe limpiamente los dos lados del sándwich (el papel de aluminio / alambre pelado en la parte inferior NO debe estar en contacto con ninguna parte de las superficies conductoras superiores).

5. Trenza el alambre. Para mantener los cables juntos y evitar que se muevan durante el movimiento del usuario, gírelos juntos (cuantas más veces los gire, más seguros estarán). Esta también es una buena práctica de ingeniería eléctrica cuando tiene grupos de cables largos que van desde el mismo punto de inicio hasta el final.

Paso 2: conecte sus componentes

Es hora de conectar todas sus partes electrónicas individuales. Soldé todos mis componentes juntos, pero también es posible usar una placa de prueba (en ese caso, aún necesitará soldar pines en su microcontrolador y controlador de motor háptico).

1. Suelde el sensor de presión al microcontrolador: conecte uno de sus cables trenzados a una clavija analógica (A1) de su microcontrolador y suelde el cable trenzado restante a la clavija de tierra (Gnd).

2. Suelde el motor de vibración al controlador del motor háptico: Suelde el cable rojo (positivo) de su motor de vibración al terminal + y el cable azul (tierra) al terminal - del controlador del motor háptico.

3. Suelde el controlador del motor háptico al microcontrolador: utilizando dos segmentos de alambre de silicona muy cortos, suelde los siguientes pines del controlador del motor háptico al microcontrolador.

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

* El controlador del motor háptico utiliza un tipo de sistema de comunicación llamado I2C para "hablar" con el microcontrolador. Los pines SCL y SDA son las vías para que se lleve a cabo esta comunicación.

4. Conecte la batería: conecte el cabezal de la batería Li-Po al microcontrolador. Si su batería tiene algo de carga, puede encender un LED en el microcontrolador. ¡Primeros signos de vida!:)

Paso 3: Programación de sus dispositivos electrónicos

Si aún no ha descargado e instalado el IDE de Arduino, ahora es el momento. Me gusta "pseudocodificar" mi programa en palabras antes de empezar a codificar, de modo que ya he descubierto lo que necesito escribir en C ++.

Esto es lo que está haciendo nuestro código de software protésico:

Muchas veces por segundo, nuestro microcontrolador lee en el valor de presión que está detectando el sensor, y si el valor de presión es lo suficientemente fuerte (es decir, el sensor está en contacto con el suelo), activamos cualquier patrón de vibración que queramos desde el controlador de motor háptico. El código adjunto logra esta funcionalidad básica, pero es fácil personalizar su motor para proporcionar vibraciones de varios patrones o fuerza, según los diferentes valores que detecta el sensor de presión (es decir, contacto ligero frente a contacto fuerte)

* Asumo un conocimiento básico del uso del IDE de Arduino, la instalación de bibliotecas y la carga de código a un microcontrolador conectado. Si eres completamente nuevo en Arduino, usa estos tutoriales para ponerte al día.

1. Descargue e instale los archivos Adafruit DRV en la misma carpeta en la que se encuentra su boceto de Arduino.

2. Descargue, cargue y ejecute el programa LevitateVelostatCode en su microcontrolador (asegúrese de configurar las variables apropiadamente en función de la sensibilidad de su sensor de velostat. Puede calibrar los valores CLIFF y CUTOFF abriendo el monitor serial Arduino y probando diferentes límites de presión, para el caso de uso que necesite.

3. ¡Felicidades! Ya tiene una prótesis en funcionamiento. El resto es todo estética y decidir cómo quieres unirlo al cuerpo del usuario.

Paso 4: Factor de forma + Estética

Depende de usted dónde y cómo desea que Moonwalk se adhiera al cuerpo del usuario. Mi caso de uso originalmente previsto era para la detección de contacto con el pie, por lo que el sensor de presión encaja naturalmente debajo del talón del usuario.

Para mantener la electrónica agradable y compacta, diseñé y fabricé un contenedor de carcasa (impreso en 3D y moldeado con silicona, para permitir un contacto flexible con la piel). He adjuntado los archivos 3D (en formato. STL) a este Instructable.

* Para obtener la máxima vibración, es importante que el motor LRA (que funciona generando rápidamente vibraciones a partir de un resorte del eje z) esté en contacto directo con las superficies que tocan la piel (a diferencia de un ERM, si un LRA está flotando en el aire, su la piel no sentirá nada). Para mi diseño, tiene más sentido conectar los componentes electrónicos a través de una almohadilla de gel / nanosucción (se pueden comprar fácilmente en línea y son ideales para múltiples usos en la piel), cinta médica o una funda de tela. En teoría, también podría deslizar Moonwalk debajo de la ropa elástica / spandex, si se usa en la pierna o el muslo.

Paso 5: ¡La prótesis terminada

Espero que mi diseño te sirva de algo. Siéntase libre de modificar, mezclar y mejorar este diseño base, ¡y no sea un extraño! Me pueden contactar a través de mi sitio web (www.akshaydinakar.com/home).