Reabilitação do Exoesqueleto do Ombro: 10 Passos

2024 Autor: John Day | [email protected]. Última modificação: 2024-01-30 11:36

O ombro é uma das partes mais complicadas de todo o corpo humano. Suas articulações e a articulação do ombro permitem ao ombro uma ampla gama de movimentos do braço e, portanto, são bastante complexos para modelar. Em conseqüência, a reabilitação do ombro é um problema médico clássico. O objetivo deste projeto é conceber um robô que ajude nesta reabilitação.

Este robô assumirá a forma de um exoesqueleto com vários sensores que medirão parâmetros relevantes para caracterizar o movimento do braço e, em seguida, comparará os resultados obtidos a um banco de dados para fornecer feedback imediato sobre a qualidade do movimento do ombro do paciente.

O aparelho pode ser visto nas fotos logo acima. Este exoesqueleto é fixado em um arnês usado pelo paciente. Também existem alças para prender o braço do dispositivo ao braço do paciente.

Somos alunos da Faculdade de Engenharia de Bruxelas (Bruface) e temos um trabalho para o curso de Mecatrônica 1: realizar um projeto a partir de uma lista de sugestões da qual escolhemos o robô de reabilitação Ombro.

Membros da Mecatrônica 1 Grupo 7:

Gianluca Carbone

Ines Henriette

Pierre Pereira Acuna

Radu Rontu

Thomas Wilmet

Etapa 1: Materiais

- Impressora 3D: plástico PLA

- Máquina de corte a laser

- MDF 3mm: superfície 2m²

- 2 acelerômetros MMA8452Q

- 2 potenciômetros: PC20BU

- Rolamentos: Diâmetro interno 10 mm; Diâmetro externo 26 mm

- Trilhos guias lineares: largura 27mm; comprimento mínimo 300 mm

- Arnês dorsal e correias

- Arduino Uno

- Cabos Arduino: 2 barramentos para alimentação (3, 3V acelerômetro e 5V potenciômetro), 2 barramentos para medição do acelerômetro, 1 barramento para a massa. (placa de ensaio):

- Parafusos:

Para o rolamento: parafusos e porcas M10, Para a estrutura em geral: parafusos e porcas M3 e M4

Etapa 2: ideia principal

A fim de auxiliar na reabilitação do ombro, este dispositivo tem por finalidade auxiliar na reabilitação do ombro seguindo movimentos básicos em casa com o protótipo.

Os movimentos que decidimos focar como exercícios são: abdução frontal (esquerda na imagem) e rotação externa (direita).

Nosso protótipo está equipado com vários sensores: dois acelerômetros e dois potenciômetros. Esses sensores enviam para um computador os valores dos ângulos do braço e do antebraço a partir da posição vertical. Os diferentes dados são então plotados em um banco de dados que representa o movimento ideal. Este gráfico é feito em tempo real para que o paciente possa comparar diretamente seu próprio movimento com o movimento a obter, podendo assim corrigir-se para ficar o mais próximo possível do movimento perfeito. Esta parte será discutida na etapa do banco de dados.

Os resultados plotados também podem ser enviados a um fisioterapeuta profissional que pode interpretar os dados e dar mais conselhos ao paciente.

Mais do ponto de vista prático, como o ombro é uma das articulações mais complexas do corpo humano, a ideia era evitar certa amplitude de movimento a fim de evitar a má realização do movimento, para que o protótipo só pudesse permitir essas dois movimentos.

Além disso, o dispositivo não combina perfeitamente com a anatomia do paciente. Isso significa que o eixo de rotação do exoesqueleto não coincide perfeitamente com o do ombro do paciente. Isso irá gerar torques que podem quebrar o dispositivo. Para compensar isso, um conjunto de trilhos foi implementado. Isso também permite que uma grande variedade de pacientes use o dispositivo.

Etapa 3: diferentes partes do dispositivo

Nesta parte, você encontra todos os desenhos técnicos das peças que utilizamos.

Se você quiser usar o seu próprio, preocupe-se com o fato de que algumas peças estão sujeitas a grandes restrições: os eixos dos rolamentos, por exemplo, estão sujeitos a deformações locais. Se forem impressos em 3D, eles devem ser feitos em alta densidade e espessos o suficiente para evitar que se quebrem.

Etapa 4: Montagem - Placa traseira

Neste vídeo, você pode ver o controle deslizante usado para corrigir um dos DOF (a guia linear perpendicular à placa traseira). Esse controle deslizante também poderia ser colocado no braço, mas a solução apresentada no vídeo deu melhores resultados teóricos no software 3D, para testar o movimento do protótipo.

Etapa 5: Montagem - Articulação de abdução

Etapa 6: Montagem - Articulação de rotação externa

Etapa 7: Montagem final

Etapa 8: Diagrama de corte

Agora que o protótipo montado corrige adequadamente o desalinhamento do ombro e consegue seguir o movimento do paciente ao longo das duas direções desejadas, é hora de entrar na parte de rastreamento e especialmente na parte elétrica do projeto.

Assim, os acelerômetros receberão informações de aceleração ao longo de todas as direções do plano, e um código irá computar os diferentes ângulos de interesse a partir dos dados medidos. Os diferentes resultados serão enviados para um arquivo matlab através do Arduino. O arquivo Matlab então desenha os resultados em tempo real e compara a curva obtida com um banco de dados dos movimentos aceitáveis.

Componentes de fiação para o Arduino:

Esta é a representação esquemática das diferentes conexões entre os diferentes elementos. O usuário deve estar atento para que as conexões dependam do código utilizado. Por exemplo, a saída I1 do primeiro acelerômetro é conectada ao solo enquanto a saída do segundo é conectada a 3,3V. Essa é uma das maneiras de distinguir os dois acelerômetros do ponto de vista do Arduino.

Diagrama de fiação:

Verde - Alimentação de acelerômetros

Vermelho - insira A5 do Arduino para coletar dados dos acelerômetros

Pink - entrada A4 do Arduino para coletar dados dos acelerômetros

Preto - Chão

Cinza - Medidas do primeiro potenciômetro (na rotação frontal de abdução)

Amarelo - Medidas do segundo potenciômetro (na rotação externa)

Azul - Alimentação de potenciômetros

Etapa 9: Banco de dados

Agora que o computador recebe os ângulos, o computador vai interpretá-los.

Esta é uma foto de uma representação do banco de dados escolhido. Neste banco de dados, as curvas azuis representam a zona de movimento aceitável e a curva vermelha representa o movimento perfeito. Deve-se ressaltar que o banco de dados está aberto a modificações. Idealmente, os parâmetros do banco de dados devem ser estabelecidos por um fisioterapeuta profissional para aconselhar sobre os parâmetros de reabilitação ideais reais.

O movimento ideal escolhido aqui em vermelho, é baseado na experiência e é tal que o braço atinge 90 ° em 2,5 segundos, o que corresponde a uma velocidade angular constante de 36 ° / s, (ou 0, 6283 rad / s).

A zona aceitável (em azul) foi projetada com uma função por partes de 3 ordens neste caso para o limite superior e o limite inferior. Funções de ordens superiores também podem ser consideradas para melhorar a forma das curvas ou mesmo a complexidade do exercício. Neste exemplo, o exercício é muito simples: 3 repetições de movimento de 0 a 90 °.

O código irá traçar os resultados de um dos sensores - aquele de interesse considerando o exercício de reabilitação considerado - neste banco de dados. O jogo agora para o paciente é adaptar a velocidade e a posição de seu braço para que ele fique dentro da zona azul, a faixa aceitável, e o mais próximo possível da curva vermelha, o movimento perfeito.