Moonwalk: Chân giả phản hồi Haptic: 5 bước

2024 Tác giả: John Day | [email protected]. Sửa đổi lần cuối: 2024-01-30 13:32

Sự miêu tả:

Moonwalk là một bộ phận giả nhạy cảm với áp lực dành cho những người bị suy giảm cảm giác xúc giác (các triệu chứng giống như bệnh thần kinh). Moonwalk được thiết kế để giúp các cá nhân nhận được phản hồi xúc giác hữu ích khi chân họ tiếp xúc với mặt đất, để họ có thể cải thiện khả năng giữ thăng bằng + khả năng vận động.

Được thiết kế và tạo ra mã nguồn mở bởi Akshay Dinakar.

Để xem thêm các dự án và sáng tạo, hãy truy cập www.akshaydinakar.com/lab, studio thiết kế phi lợi nhuận của Akshay Dinakar Design.

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

Bộ phận giả này sử dụng cảm biến velostat (được gắn qua chất kết dính y tế, công nghệ nano hoặc ống bọc vải vào bất kỳ bộ phận liên quan nào của cơ thể) để đọc các giá trị áp suất thông qua các chân tương tự trên một bộ vi điều khiển thích hợp. Khi giá trị áp suất đạt đến một giới hạn nhất định, một tín hiệu xúc giác cụ thể sẽ được kích hoạt, cảnh báo người dùng rằng họ đã tiếp xúc với một bề mặt.

Ý định của tôi:

Mục đích của dự án này là tạo ra một bộ phận giả chi phí thấp để nâng cao tính độc lập + khả năng vận động của bất kỳ cá nhân nào bị tê một phần cơ thể của họ. Tôi có kinh nghiệm cá nhân với các thành viên gia đình gặp phải tình trạng này và muốn tạo ra một giải pháp dễ tiếp cận mà những người khác có kinh nghiệm kỹ thuật hạn chế có thể tự lắp ráp. Do tính chất riêng biệt của các triệu chứng và sự đa dạng về tính khả dụng của linh kiện điện tử, rất khó để tạo ra một thiết bị hoạt động cho nhiều trường hợp sử dụng. Tuy nhiên, tôi tự hào phát hành Moonwalk như một giải pháp có thể được sử dụng trên bất kỳ chi / bộ phận bị ảnh hưởng nào của cơ thể, tương thích với một loạt các yếu tố hình thức (tùy theo yếu tố nào phù hợp nhất với người dùng).

Để cân nhắc về mặt thẩm mỹ và độ hoàn thiện chuyên nghiệp, tôi đã sử dụng các kỹ thuật chế tạo tiên tiến bao gồm hàn, đúc / đúc silicone và in 3D để lắp ráp bộ phận giả này. Tuy nhiên, các kỹ thuật may và may breadboarding đơn giản cũng hoàn thành công việc.

Tiểu sử:

Chỉ riêng ở Hoa Kỳ, gần 20 triệu người bị bệnh thần kinh, một tác dụng phụ phổ biến của bệnh tiểu đường, ung thư và viêm khớp. Bệnh thần kinh được đặc trưng bởi sự kết hợp của các cơn đau nhói và tê ở bàn tay và bàn chân của từng người do tổn thương dây thần kinh ngoại vi. Bệnh thần kinh có thể hạn chế nghiêm trọng khả năng vận động do giảm cảm giác xúc giác khi bàn chân và bàn tay tiếp xúc với các bề mặt. Tuy nhiên, phản hồi xúc giác dưới dạng rung động trên các bộ phận không bị ảnh hưởng của cơ thể có thể giúp các cá nhân lấy lại cân bằng bằng cách liên kết phản hồi với cảm giác nhận thức của họ.

Quân nhu

Phần cứng:

Bộ vi điều khiển (bất kỳ tùy chọn nào dưới đây đều tuyệt vời):

• Arduino Nano (kích thước vật lý nhỏ nhất, nhưng sẽ yêu cầu thêm các thành phần điện tử để sạc)
• Adafruit Flora (tùy chọn đi kèm cho thiết bị đeo được - hệ số dạng phẳng và có sạc tích hợp)
• Adafruit Feather (có nhiều tính năng bổ sung mà chúng tôi không cần, nhưng hình thức rất nhỏ gọn và sạc tích hợp). Tôi sẽ sử dụng vi điều khiển này cho hướng dẫn này. Có nhiều phiên bản khác nhau của Feather không bao gồm chip BLE, WiFi hoặc Radio - bất kỳ phiên bản nào cũng hoạt động.

Động cơ rung:

Động cơ rung LRA (có khả năng cung cấp cảm giác rung có thể tùy chỉnh hơn nhiều so với động cơ rung ERM điển hình). Bất kỳ động cơ rung nào dưới 3V sẽ hoạt động, nhưng một LRA sẽ là đầu ra rung động mạnh nhất (chúng tôi đang sử dụng một mạch đơn giản để làm cho thiết kế của chúng tôi nhỏ gọn [cấp nguồn cho động cơ rung trực tiếp từ bộ vi điều khiển) và hầu hết các bộ vi điều khiển đều có giới hạn hiện tại làm suy yếu độ rung sức lực)

Haptic Motor Driver (giao diện giữa bộ vi điều khiển và động cơ rung):

Bộ điều khiển động cơ Haptic (DRV2605L, do Texas Instruments sản xuất và Adafruit phân phối)

Pin Li-Po (một nơi nào đó trong phạm vi 100 - 350 mAh sẽ rất nhiều):

3.7v, 350 mAh Li-Po

Dây silicone:

Dây silicone 22 AWG (silicone cung cấp sự cân bằng tuyệt vời giữa tính linh hoạt và độ bền cho dây và có đường kính phù hợp)

Vật liệu Velostat

Velostat là bề mặt nhạy cảm với áp suất, thay đổi lực cản khi bị ép hoặc nén

Băng

Bất kỳ loại băng dính nào (ống, Scotch, điện, mặt nạ) đều được, nhưng tôi khuyên bạn nên dùng loại băng dán trong suốt và rộng rãi. Bạn sẽ chỉ cần một vài inch

Lá nhôm (Bạn chỉ cần khoảng 4x4 inch)

Phần mềm:

Arduino IDE (Tải xuống và sử dụng miễn phí, tải xuống tại đây và cài đặt:

Bước 1: Lắp ráp cảm biến áp suất Velostat của bạn

Nó đơn giản hơn bạn nghĩ.

1. Cắt khóa dán của bạn theo kích thước. Sử dụng một chiếc kéo để cắt tấm khóa dán của bạn theo bất kỳ cảm biến kích thước nào bạn cần. Nếu bạn đang sử dụng bộ phận giả này cho bàn chân, hãy làm cho nó có kích thước bằng gót chân. Nếu bạn đang sử dụng nó cho bàn tay hoặc ngón tay, hãy tạo kích thước của bất kỳ vùng da nào bạn muốn che phủ.

2. Cắt giấy nhôm theo kích thước. Cắt hai miếng giấy nhôm có cùng kích thước với miếng khóa dán. Kẹp miếng khóa dán ở giữa hai miếng giấy nhôm. Lá nhôm đóng vai trò như một lớp dẫn điện.

3. Dải dây silicone. Sử dụng dụng cụ tuốt dây, tước 3-4 inch phần dây lộ ra khỏi hai đoạn dây silicone. Mỗi dây silicone nên dài khoảng 15-20 inch (làm cho chúng có cùng chiều dài để tăng tính thẩm mỹ). Đặt mỗi dây đã tước trên một mặt của lá nhôm. Thứ tự bánh sandwich tổng thể bây giờ là: dây tước 1, lá nhôm 1, khóa dán, lá nhôm 2, dây tước 2.

4. Cảm biến áp suất băng với nhau. Dán băng keo lên bánh sandwich thành phần của bạn và cắt bỏ bất kỳ đoạn băng thừa nào để mọi thứ được gắn chặt với nhau. Điều cực kỳ quan trọng là khóa dán phải ngăn cách sạch sẽ hai mặt của bánh sandwich (lá nhôm / dây tước ở phía dưới KHÔNG được tiếp xúc với bất kỳ phần nào của các bề mặt dẫn điện trên cùng).

5. Bện dây. Để giữ các dây gần nhau và ngăn chúng không bị bung ra trong quá trình người dùng di chuyển, hãy xoay chúng lại với nhau (bạn càng xoắn nhiều lần, chúng sẽ càng an toàn). Đây cũng là một thực hành kỹ thuật điện tốt khi bạn có các nhóm dây dài đi từ cùng một điểm đầu đến điểm cuối.

Bước 2: Kết nối các thành phần của bạn

Đã đến lúc kết nối tất cả các bộ phận điện tử riêng lẻ của bạn. Tôi đã hàn tất cả các thành phần của mình lại với nhau, nhưng cũng có thể sử dụng bảng mạch (trong trường hợp đó, bạn vẫn cần hàn các chân vào bộ vi điều khiển và trình điều khiển động cơ xúc giác của mình).

1. Cảm biến áp suất hàn với bộ vi điều khiển: Kết nối một trong các dây bện của bạn với chân Analog (A1) của bộ vi điều khiển và hàn dây bện còn lại vào chân nối đất (Gnd).

2. Hàn động cơ rung với bộ điều khiển động cơ xúc giác: Hàn dây màu đỏ (dương) của động cơ rung của bạn với đầu cuối + và dây màu xanh (đất) với đầu cuối - của trình điều khiển động cơ xúc giác.

3. Hàn Trình điều khiển động cơ Haptic với Bộ vi điều khiển: Sử dụng hai đoạn dây silicone rất ngắn, hàn các chân sau trên trình điều khiển động cơ xúc giác với bộ vi điều khiển.

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

* Trình điều khiển động cơ xúc giác sử dụng một loại hệ thống giao tiếp gọi là I2C để "nói chuyện" với vi điều khiển. Các chân SCL và SDA là các con đường để giao tiếp này diễn ra.

4. Kết nối Pin: Cắm đầu cắm pin Li-Po vào bộ vi điều khiển. Nếu pin của bạn còn một số lần sạc, nó có thể sáng đèn LED trên bộ vi điều khiển. Dấu hiệu đầu tiên của sự sống!:)

Bước 3: Lập trình thiết bị điện tử của bạn

Nếu bạn chưa tải xuống và cài đặt Arduino IDE, bây giờ là lúc. Tôi thích "mã giả" chương trình của mình bằng chữ trước khi bắt đầu viết mã, để tôi đã tìm ra những gì tôi cần viết trong C ++.

Đây là những gì mã phần mềm giả của chúng tôi đang làm:

Nhiều lần mỗi giây, bộ vi điều khiển của chúng tôi đọc giá trị áp suất mà cảm biến đang phát hiện và nếu giá trị áp suất đủ mạnh (nói cách khác, cảm biến tiếp xúc với mặt đất), chúng tôi kích hoạt bất kỳ kiểu rung nào chúng tôi muốn từ trình điều khiển động cơ xúc giác. Mã đính kèm hoàn thành chức năng cơ bản này, nhưng thật dễ dàng tùy chỉnh động cơ của bạn để cung cấp các rung động ở nhiều dạng hoặc cường độ khác nhau, dựa trên các giá trị khác nhau mà cảm biến áp suất phát hiện (tức là tiếp xúc nhẹ so với tiếp xúc mạnh)

* Tôi giả sử có kiến thức cơ bản về cách sử dụng Arduino IDE, cài đặt thư viện và tải mã lên bộ điều khiển vi mô được kết nối. Nếu bạn hoàn toàn mới làm quen với Arduino, hãy sử dụng các hướng dẫn này để bắt kịp tốc độ.

1. Tải xuống và cài đặt các tệp Adafruit DRV trong cùng thư mục chứa bản phác thảo Arduino của bạn.

2. Tải xuống, tải lên và chạy chương trình LevitateVelostatCode trên vi điều khiển của bạn (hãy đảm bảo đặt các biến một cách thích hợp dựa trên độ nhạy của cảm biến velostat của bạn. Bạn có thể hiệu chỉnh các giá trị CLIFF & CUTOFF bằng cách mở Màn hình nối tiếp Arduino và thử nghiệm các giá trị khác nhau giới hạn áp suất, cho trường hợp sử dụng bạn cần.

3. Xin chúc mừng! Bạn đã có một bộ phận giả hoạt động. Phần còn lại là thẩm mỹ & quyết định cách bạn muốn gắn nó vào cơ thể người dùng.

Bước 4: Yếu tố hình thức + Tính thẩm mỹ

Bạn muốn Moonwalk gắn vào cơ thể người dùng ở đâu và như thế nào là tùy thuộc vào bạn. Trường hợp sử dụng được hình dung ban đầu của tôi là để phát hiện tiếp xúc với bàn chân, do đó, cảm biến áp suất sẽ nằm gọn dưới gót chân của người dùng một cách tự nhiên.

Để giữ cho các thiết bị điện tử đẹp và nhỏ gọn, tôi đã thiết kế và chế tạo một hộp đựng (in 3D và đúc bằng silicon, để cho phép tiếp xúc linh hoạt với da). Tôi đã đính kèm các tệp 3D (ở dạng. STL) vào Tài liệu hướng dẫn này.

* Để có độ rung tối đa, điều quan trọng là động cơ LRA (hoạt động bằng cách nhanh chóng tạo ra rung động từ lò xo trục z) tiếp xúc trực tiếp với các bề mặt tiếp xúc với da (không giống như ERM, nếu LRA lơ lửng trong không trung, da sẽ không cảm thấy gì). Đối với thiết kế của tôi, điều hợp lý nhất là gắn thiết bị điện tử qua miếng đệm nano / gel (chúng có thể dễ dàng mua trực tuyến và rất phù hợp cho nhiều mục đích sử dụng trên da), băng y tế hoặc ống tay bằng vải. Về lý thuyết, bạn cũng có thể trượt Moonwalk bên dưới quần áo thun / thun, nếu nó được sử dụng ở chân hoặc đùi.

Bước 5: Chân giả đã hoàn thành

Tôi hy vọng thiết kế của tôi phục vụ một số tiện ích cho bạn. Vui lòng tinh chỉnh, phối lại và cải thiện thiết kế đế này - và đừng là người lạ! Có thể liên hệ với tôi qua trang web của tôi (www.akshaydinakar.com/home).