Moonwalk: uma prótese de feedback tátil: 5 etapas

2024 Autor: John Day | [email protected]. Última modificação: 2024-01-30 11:37

Descrição:

Moonwalk é um dispositivo protético sensível à pressão para indivíduos com sensação tátil prejudicada (sintomas semelhantes aos da neuropatia). O Moonwalk foi projetado para ajudar os indivíduos a receber feedback tátil útil quando seus pés entram em contato com o solo, para que possam melhorar o equilíbrio e a mobilidade.

Projetado e feito de código aberto por Akshay Dinakar.

Para ver mais projetos e criações, visite www.akshaydinakar.com/lab, o estúdio de design sem fins lucrativos de Akshay Dinakar Design.

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

Este dispositivo protético usa um sensor velostat (conectado por meio de adesão médica, nanossucção ou manga de tecido a qualquer parte relevante do corpo) para ler os valores de pressão por meio de pinos analógicos em um microcontrolador apropriado. Uma vez que o valor da pressão atinge um certo limite, um sinal háptico especificado é ativado, alertando o usuário que ele fez contato com uma superfície.

Minha intenção:

A intenção deste projeto é criar uma prótese de baixo custo para aumentar a independência + mobilidade de qualquer indivíduo com dormência em uma parte do corpo. Tenho experiência pessoal com familiares que vivenciam essa condição e gostariam de criar uma solução acessível que outras pessoas com experiência limitada em engenharia pudessem montar por conta própria. Devido à individualização de sintomas e variedade na disponibilidade de componentes eletrônicos, é um desafio criar um dispositivo que funcione para uma variedade de casos de uso. No entanto, estou orgulhoso de lançar o Moonwalk como uma solução que pode ser usada em qualquer membro / parte afetada do corpo, compatível com uma variedade de fatores de forma (o que for mais apropriado para o usuário).

Para considerações estéticas e acabamento profissional, usei técnicas de fabricação avançadas, incluindo solda, moldagem / fundição de silicone e impressão 3D para montar esta prótese. No entanto, técnicas simples de breadboarding e costura também dão conta do recado.

Fundo:

Quase 20 milhões de pessoas só nos EUA sofrem de neuropatia, um efeito colateral comum de diabetes, câncer e artrite. A neuropatia é caracterizada por uma mistura de dores agudas de formigamento e dormência nas mãos e nos pés dos indivíduos, como resultado de danos nos nervos periféricos. A neuropatia pode limitar severamente a mobilidade, reduzindo as sensações de toque quando os pés e as mãos entram em contato com as superfícies. No entanto, o feedback tátil na forma de vibrações em partes não afetadas do corpo pode ajudar os indivíduos a recuperar o equilíbrio, vinculando o feedback ao seu sentido proprioceptivo.

Suprimentos

Hardware:

Microcontrolador (qualquer uma das opções abaixo são fantásticas):

• Arduino Nano (menor tamanho físico, mas exigirá componentes eletrônicos extras para carregar)
• Adafruit Flora (opção go-to para wearables - formato plano e tem carregamento integrado)
• Adafruit Feather (tem muitos recursos extras que não precisamos, mas uma forma muito compacta e carregamento integrado). Usarei este microcontrolador para este tutorial. Existem diferentes versões do Feather que incluem chips BLE, WiFi ou Radio - qualquer um funcionará.

Motor de vibração:

Motor de vibração LRA (capaz de fornecer uma sensação de vibração muito mais personalizável do que o motor de vibração ERM típico). Qualquer motor de vibração abaixo de 3 V funcionará, mas um LRA será a saída de vibração mais forte (estamos usando um circuito simplificado para tornar nosso design compacto [alimentando o motor de vibração diretamente do microcontrolador), e a maioria dos microcontroladores tem limitações de corrente que enfraquecem a vibração força)

Driver do motor tátil (interfaces entre o microcontrolador e o motor de vibração):

Haptic Motor Driver (DRV2605L, fabricado pela Texas Instruments e distribuído pela Adafruit)

Bateria Li-Po (em algum lugar na faixa de 100 - 350 mAh deve ser suficiente):

3,7v, 350 mAh Li-Po

Fio de silicone:

Fio de silicone 22 AWG (o silicone oferece um ótimo equilíbrio entre flexibilidade e durabilidade para o fio e tem o diâmetro certo)

Material Velostat

Velostat é uma superfície sensível à pressão que altera a resistência quando pressionada ou comprimida

Fita

Qualquer tipo de fita (duto, scotch, elétrica, mascaramento) funcionará, mas eu recomendo uma fita de embalagem transparente e larga. Você só precisará de alguns centímetros

Folha de alumínio (você só precisa de cerca de 4x4 polegadas)

Programas:

Arduino IDE (gratuito para baixar e usar, baixe-o aqui e instale:

Etapa 1: monte o sensor de pressão Velostat

É mais simples do que você pensa.

1. Corte seu velostat no tamanho certo. Use uma tesoura para aparar sua folha velostat para qualquer tamanho de sensor que você precisar. Se você estiver usando esta prótese para os pés, faça-a do tamanho de um calcanhar. Se você estiver usando para as mãos ou dedos, defina as dimensões de qualquer pele que deseja cobrir.

2. Corte a folha de alumínio no tamanho certo. Corte dois pedaços de papel alumínio com as mesmas dimensões do pedaço de velostat. Sanduíche o pedaço de velostat entre os dois pedaços de papel alumínio. A folha de alumínio serve como camada condutora.

3. Descasque o fio de silicone. Usando descascadores de fio, retire 3-4 polegadas de fio exposto de dois segmentos de fio de silicone. Cada fio de silicone deve ter cerca de 15-20 polegadas de comprimento (faça com que ambos tenham o mesmo comprimento para apelo estético). Coloque cada fio descascado em um lado da folha de alumínio. O pedido geral do sanduíche agora é: fio desencapado 1, folha de alumínio 1, velostat, folha de alumínio 2, fio desencapado 2.

4. Prenda o sensor de pressão com fita adesiva. Prenda com fita adesiva o sanduíche de seu componente e corte quaisquer pedaços extras de fita, de forma que tudo fique bem preso. É extremamente importante que o velostat separe de forma limpa os dois lados do sanduíche (a folha de alumínio / fio desencapado na parte inferior NÃO deve estar em contato com nenhuma parte das superfícies condutoras superiores).

5. Trance o fio. Para manter os fios juntos e evitar que eles caiam durante o movimento do usuário, gire-os juntos (quanto mais vezes você girar, mais seguros eles ficarão). Essa também é uma boa prática de engenharia elétrica quando você tem grupos de fios longos indo do mesmo ponto inicial ao ponto final.

Etapa 2: conecte seus componentes

É hora de conectar todas as suas peças eletrônicas individuais. Soldei todos os meus componentes, mas também é possível usar uma placa de ensaio (nesse caso, você ainda precisará soldar os pinos em seu microcontrolador e no driver do motor háptico).

1. Soldar o sensor de pressão ao microcontrolador: Conecte um dos fios trançados a um pino analógico (A1) do microcontrolador e solde o fio trançado restante ao pino terra (Gnd).

2. Solde o motor de vibração para o driver do motor háptico: Solde o fio vermelho (positivo) de seu motor de vibração ao terminal + e o fio azul (terra) ao terminal - do driver do motor háptico.

3. Solde o driver do motor háptico no microcontrolador: Usando dois segmentos de fio de silicone muito curtos, solde os seguintes pinos no driver do motor háptico no microcontrolador.

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

* O driver do motor háptico usa um tipo de sistema de comunicação chamado I2C para "falar" com o microcontrolador. Os pinos SCL e SDA são os caminhos para que essa comunicação ocorra.

4. Conecte a bateria: Conecte o conector da bateria Li-Po ao microcontrolador. Se a bateria tiver alguma carga, um LED no microcontrolador pode acender. Primeiros sinais de vida!:)

Etapa 3: Programar seus eletrônicos

Se você ainda não baixou e instalou o IDE do Arduino, agora é a hora. Gosto de "pseudocodificar" meu programa em palavras antes de começar a codificar, de modo que já descobri o que preciso escrever em C ++.

Aqui está o que nosso código de software protético está fazendo:

Muitas vezes por segundo, nosso microcontrolador lê o valor de pressão que o sensor está detectando e, se o valor de pressão for forte o suficiente (em outras palavras, o sensor está em contato com o solo), ativamos qualquer padrão de vibração que desejamos do driver do motor háptico. O código anexado realiza essa funcionalidade básica, mas é fácil personalizar seu motor para fornecer vibrações de vários padrões ou intensidade, com base em valores diferentes que o sensor de pressão detecta (ou seja, contato leve vs. contato forte)

* Presumo que tenha um conhecimento básico de como usar o IDE do Arduino, instalando bibliotecas e fazendo upload de código para um microcontrolador conectado. Se você for completamente novo no Arduino, use estes tutoriais para se atualizar.

1. Baixe e instale os arquivos Adafruit DRV na mesma pasta em que seu esboço do Arduino está.

2. Baixe, carregue e execute o programa LevitateVelostatCode em seu microcontrolador (certifique-se de definir as variáveis apropriadamente com base na sensibilidade do seu sensor velostat. Você pode calibrar os valores CLIFF e CUTOFF abrindo o Monitor Serial Arduino e testando outros limites de pressão, para o caso de uso de que você precisa.

3. Parabéns! Você já tem uma prótese em funcionamento. O resto é tudo estético e decidir como você deseja anexá-lo ao corpo do usuário.

Etapa 4: Fator de forma + estética

Depende de você onde e como deseja que o Moonwalk se fixe ao corpo do usuário. Meu caso de uso originalmente imaginado era para detecção de contato com o pé, então o sensor de pressão cabia naturalmente sob o calcanhar do usuário.

Para manter a eletrônica agradável e compacta, projetei e fabriquei um invólucro (impresso em 3D e moldado em silicone, para permitir um contato flexível com a pele). Anexei os arquivos 3D (no formato. STL) a este Instructable.

* Para máxima vibração, é importante que o motor LRA (que funciona gerando vibrações rapidamente a partir de uma mola do eixo z) esteja em contato direto com as superfícies que tocam a pele (ao contrário de um ERM, se um LRA estiver flutuando no ar, seu a pele não sentirá nada). Para o meu projeto, faz mais sentido anexar os componentes eletrônicos por meio de uma nano-sucção / almofada de gel (elas podem ser facilmente compradas online e são ótimas para vários usos na pele), esparadrapo ou uma capa de tecido. Em teoria, você também pode deslizar o Moonwalk por baixo da roupa de elástico / spandex, se for usado na perna ou na coxa.

Etapa 5: a prótese acabada

Espero que meu design seja útil para você. Sinta-se à vontade para ajustar, remixar e melhorar este design básico - e não seja um estranho! Posso ser contatado por meio do meu site (www.akshaydinakar.com/home).