Comment construire un fauteuil roulant contrôlé par le cerveau (instructions incluses)

Ce Instructable montrera comment faire un cerveau contrôlé fauteuil roulant électrique, afin qu'une personne puisse devenir mobile sans bouger son corps.

Cela pourrait être utile pour les personnes paralysées et incapables de contrôler suffisamment les parties de leur corps pour activer physiquement le joystick d'un fauteuil roulant électrique. . De nombreuses personnes peuvent être en mesure d'utiliser cette technologie pour gagner en indépendance et pour éviter d'avoir besoin d'un accompagnateur pour pousser leur fauteuil roulant afin qu'ils puissent prendre l'air.

Les parties de ce système comprennent un fauteuil roulant électrique, un ordinateur portable, un Arduino, un circuit d'interface, un casque EEG et une collection d'outils prêts à l'emploi et Customiser logiciel.

Le logiciel qui a été écrit spécifiquement pour ce projet (y compris l'interface graphique et l'esquisse Arduino) a été fourni avec Puzzlebox Remue-méninges, et est publié gratuitement sous une licence Open Source.

Le casque EEG, qui se connecte sans fil à l'ordinateur portable, permet à l'opérateur de penser simplement "en avant" ou "à gauche" ou "à droite" pour provoquer le fauteuil roulant bouger. La performance est liée à la pratique de l'utilisateur, à la bonne configuration du logiciel et à une bonne contact établi par les électrodes EEG sur le cuir chevelu de l'opérateur.

Le circuit d'interface se connecte entre les broches numériques de l'Arduino et le joystick du fauteuil roulant. . Lorsque l'Arduino reçoit une commande de l'ordinateur, le circuit "trompe" le fauteuil roulant en pensant que l'opérateur a déplacé le joystick.

ATTENTION:  Fauteuils roulants électriques sont conçus pour les opérateurs formés qui se sont entraînés à manœuvrer en toute sécurité. Électrique fauteuils roulants peut peser plus de 200 livres VIDE ! Ils n'ont aucun mécanisme pour s'arrêter lorsqu'ils frappent un humain ou un animal, ou descendent un trottoir ou des escaliers ou traversent une rampe.  Assurez-vous que personne ne se trouve sur le chemin de une chaise roulante qui n'est pas actionné par un humain qui peut actionner l'interrupteur OFF. Assurez-vous que tout le monde à proximité de ce Instructable se rend compte de ce qui peut arriver s'ils ne s'écartent pas.

N'essayez pas d'arrêter un fauteuil roulant électrique avec votre corps.

 

Pour construire ce Instructable, vous aurez besoin d'un électrique fauteuil roulant, (Nous avons utilisé une série Action Arrow Storm), un Casque EEG, (Nous avons utilisé un casque sans fil Emotiv), un Ordinateur portable, un ArduinoEt un circuit d'interface fabriqué à partir d'électronique de base, (voir l'étape 5 pour matières premières. pour le circuit d'interface).

La Électrique Fauteuil roulant a été acquis comme un extra non désiré d'un atelier de réparation local. Il n'a pas été considéré comme utilisable pour handicapé personnes parce que c'est condition était en dessous de la norme. Si vous entendez parler de quelqu'un qui a besoin de un fauteuil roulant électrique qui est à court de fonds, encouragez-les à demander aux ateliers de réparation des chaises non désirées.

La Casque EEG est un BPCO acquis de Emotiv. Leur site est ici :
http://www.emotiv.com/ 

L'ordinateur portable était celui de Steve, mais n'importe quel ordinateur portable fera l'affaire, il n'a besoin que de deux ports USB - un pour se connecter à l'Arduino et l'autre pour le récepteur sans fil du casque EEG.

An Arduino est une petite plate-forme de microcontrôleur avec une interface série USB. Dans ce cas, il sert de pont entre l'ordinateur portable et le circuit d'interface (voir étapes 5 et 6).

A l'origine, l'Arduino n'était pas utilisé, et le circuit d'interface était connecté directement au port parallèle de l'ordinateur. L'ordinateur que nous avons finalement utilisé n'a pas de port parallèle, donc l'Arduino remplit la fonction de fournir huit signaux marche/arrêt basés sur un paquet de données série envoyé via son interface USB. Donc, si votre ordinateur portable a un port parallèle mais est assez neuf pour exécuter le logiciel Emotiv, vous pourrez peut-être ignorer l'Arduino.

 

La Logiciels nécessaire comprend le Puzzlebox Remue-méninges Package BCI (Brain-Computer Interface) qui fournit une GUI et retour visuel à l'utilisateur et émet des commandes de contrôle au matériel Arduino. Également requis sont les pilotes et logiciels standard inclus avec le Emotiv Casque EEG ainsi qu'un Aurduino Croquis qui est un programme simple écrit par nous pour un Arduino.

En option, Basé sur Python script de contrôle principal peut fonctionner indépendamment de la Puzzlebox Remue-méninges GUI (voir l'étape 7) et traduira les touches saisies sur le clavier en commandes envoyées à l'Arduino, qui est connecté au circuit d'interface. Le circuit d'interface rend le fauteuil roulant bouger en simulant quelqu'un poussant sur la manette. Cette option est utile pour contrôler le fauteuil roulant à distance via une session SSH à partir d'un autre ordinateur ou appareil tel qu'un téléphone mobile. Les script de contrôle principal peuvent être trouvés ici:
http://brainstorms.puzzlebox.info/tracker/browser/trunk/Puzzlebox/Brainstorms/Wheelchair_Control.py

Et un convenable Interpréteur Python peuvent être trouvés ici:
http://www.python.org/download 

La Puzzlebox Remue-méninges le logiciel fonctionne avec le casque EmotivPanneau de configuration et Clé Émo application, qui permet au porteur du casque de faire "taper" des caractères sur l'ordinateur portable lorsqu'un algorithme d'apprentissage fait correspondre les modèles d'ondes cérébrales actuels de l'utilisateur à des séquences précédemment formées. Ces caractères "tapés" activent des boutons affichés dans lePuzzlebox Remue-méninges GUI (ou le script de contrôle principal) qui dit à l'Arduino d'activer le circuit d'interface qui simule quelqu'un qui appuie sur le joystick, ce qui provoque le fauteuil roulant bouger. Les Puzzlebox Remue-méningesle logiciel est disponible ici :
http://brainstorms.puzzlebox.info/static.php?page=downloads 

Il y a deux programmes d'Emotiv que nous utiliserons pour ce projet : Panneau de contrôle émotif et Clé Emo. Les deux sont disponibles en téléchargement gratuit dans le cadre de leur pack logiciel "SDKLite":
http://www.emotiv.com/store/sdk/edition/sdklite/ 

Nous utilisions le système d'exploitation Microsoft Windows car c'est le système d'exploitation le plus pris en charge par le logiciel Emotiv à l'heure actuelle. (Ils travaillent sur une version Linux)

La Croquis Arduino est un programme qui est chargé dans le matériel Arduino en utilisant logiciel gratuit du site Arduino. Le programme surveille une série de caractères entrant dans le port série USB de l'ordinateur. Quand il voit la lettre "x", il regarde les huit prochains caractères qui passent, et ils correspondent à huit broches sur l'Arduino. Si un caractère est "1", alors cette broche est réglée sur ON et produit 5 volts, sinon la broche est désactivée et produit zéro volt.
Le croquis Arduino peut être trouvé ici:
http://brainstorms.puzzlebox.info/tracker/browser/trunk/arduino/puzzlebox_brainstorms_wheelchair_noisebridge/puzzlebox_brainstorms_wheelchair_noisebridge.pde

Pour charger le programme ci-dessus dans l'Arduino, vous avez besoin du logiciel Arduino, trouvé ici :

Vous aurez peut-être également besoin de pilotes pour l'interface série USB sur l'Arduino, en fonction de votre système d'exploitation et de la version de l'Arduino que vous possédez. Détails sur :
http://arduino.cc

La fauteuil roulant utilisera très probablement une paire de batteries de la taille des batteries de voiture et de la même tension. Ces batteries sont la partie la plus probable du fauteuil roulant présenter un problème. Si le fauteuil n'a pas été utilisé pendant une longue période, ou s'il a été laissé en position « ON », les batteries peuvent être totalement détériorées.

Sinon, les batteries doivent être chargées.  Une chaise roulante a un connecteur de chargeur, et devrait venir avec un chargeur avec le même connecteur. Gardez à l'esprit que les batteries sont connectées en série, ce qui signifie que les deux batteries de 12 volts apparaissent comme une seule batterie de 24 volts pour le fauteuil. Le chargeur doit être un chargeur de 24 volts ou une alimentation régulée de 28 volts.

Bien sûr, vous pouvez également utiliser simplement deux batteries de voiture ordinaires, mais elles doivent être adaptées en termes de capacité et état. . Idéalement, deux batteries neuves identiques seraient utilisées.
It est possible pour les charger individuellement avec un chargeur de batterie de 12 volts, mais ils doivent être chargés de manière égale car ils coopéreront pour alimenter la chaise.

Certains fauteuils roulants inclure des moteurs d'inclinaison et d'autres ajustements. Ces systèmes ont généralement incliner capteurs et autres capteurs de sécurité qui empêchent le fauteuil de bouger lorsqu'il n'est pas sûr. Si la chaise semble s'allumer, mais qu'elle ne bouge pas, vérifiez cela.

De plus, les chaises ont généralement un « embrayage » qui peut désengager les roues des moteurs. Parfois c'est un levier, et parfois c'est un moyeu verrouillable au milieu de la roue. Il devrait y avoir un autocollant expliquant clairement comment l'engager ou le désengager. Si l'embrayage est relâché, les moteurs ne feront pas bouger le fauteuil, et ils peuvent même ne pas tourner si le fauteuil roulant « cerveau » sait qu'ils sont désengagés.

Enfin, il peut y avoir un frein manuel. Recherchez un autocollant expliquant comment l'utiliser. Mais la plupart du temps, le frein est intégré au moteur et est activé chaque fois que les moteurs ne tournent pas. Dans ce type de chaise, ce sera impossible à pousser si les embrayages sont engagés. Lorsque le joystick est déplacé (et que le fauteuil est allumé), vous entendrez des clics lorsque les freins sont relâchés et les moteurs sont engagés. Les freins se remettent en marche lorsque le fauteuil s'arrête après avoir relâché le joystick.

Si les batteries sont chargées et que le fauteuil s'allume et se déplace, il n'y a plus grand-chose à vérifier. Expérimentez avec tous les interrupteurs que vous pouvez trouver pour savoir lesquels sont liés au mouvement de la chaise. Notre chaise avait deux interrupteurs ; l'un sélectionne entre OFF et LOW et HIGH speed, l'autre entre DRIVE "A" et DRIVE "B" qui sont lents et rapides.  Il est nécessaire de savoir comment éteindre le fauteuil s'il devient incontrôlable.  Il est utile de régler la chaise à sa vitesse la plus basse lorsque vous expérimentez la commande par ordinateur.

(Remarque : nous avons utilisé un Action Flèche Tempête Série électrique fauteuil roulant, Avec uneAction MOC MK III dispositif de commande de moteur. Les instructions suivantes s'appliquent au joystick de ce système. Autre fauteuils roulants électriques avec des contrôleurs différents peuvent être similaires ou totalement différents. Certaines chaises utilisent un joystick inductif bien trop sophistiqué pour ce hack !)

Pour contrôler le fauteuil roulant électroniquement, nous devons établir une connexion avec son joystick. Le joystick est une paire de résistances variables, une pour l'avant/arrière et une autre pour la gauche/droite. Chaque résistance variable est connectée entre deux tensions ; un approximativement zéro et l'autre environ 12 volts.

Cela signifie que le fil central de chaque résistance variable est quelque part au milieu au repos, lorsque le joystick n'est pas déplacé. Un circuit est nécessaire pour tirer le courant sur ces résistances variables lorsque les sorties numériques de l'Arduino l'y obligent.

Dans ce nouvel article concernant notre nouveau projet fauteuil roulant, le Joystick est un assemblage de haute technologie où vous ne pouvez pas voir les résistances variables réelles. Il y a cinq fils qui sortent du joystick, et deux d'entre eux sont la "borne centrale" des résistances variables avant/arrière et gauche/droite. Nous avons dû utiliser un voltmètre et nous gratter la tête pour déterminer de quels fils il s'agissait (d'où le ruban électrique).

Nous avons d'abord trouvé Ground (généralement le nœud le plus prolifique sur un circuit imprimé), puis nous avons pu mesurer les fils du joystick tout en le déplaçant. Nous avons vu qu'un fil changeait de tension de haut en bas lorsque le bâton était poussé en avant/en arrière et un autre lorsque le manche est allé à gauche/à droite. Il s'agissait de la "borne médiane" des deux résistances variables du joystick.

Nous faisons donc une connexion à la "borne centrale" de la résistance variable avant/arrière, et un autre fil à gauche/droite. Nous avons également fait passer un fil à partir de la terre du circuit du joystick et de son alimentation 12 volts, que nous avons trouvée en utilisant le voltmètre. Ces quatre fils sont reliés à un connecteur femelle à en-tête comme un câble audio de lecteur de CD-ROM utilise. Ce connecteur va à un en-tête à quatre broches sur la carte d'interface.

La carte d'interface prend huit lignes de contrôle, à partir d'un port parallèle Arduino ou PC, et peut faire le penser en fauteuil roulant le joystick est déplacé. ça fait ça en utilisant transistors, quelques diodes et un tas de résistances. Toutes ces pièces peuvent être trouvées sur mouser.com ou digikey.com ou plusieurs autres fournisseurs. Étant donné que les transistors (2N7000) sont des FET, ils ne consomment pas de courant (bien que leurs résistances en mode par défaut prennent environ un milliampère), ils peuvent donc être pilotés à partir de n'importe quel signal de commande numérique. Les diodes que nous avons utilisées sont 1N4148.

Une fiche technique pour le transistor 2N7000 peut être trouvée ici :
http://www.fairchildsemi.com/ds/2N/2N7000.pdf

Le circuit contient huit transistors. Deux d'entre eux tirent le fil avant/arrière vers la terre à travers une résistance chacun. L'un a une plus grande résistance et l'autre une plus petite. Lorsque les deux transistors sont activés, les deux résistances tirent vers la terre, ce qui représente la vitesse maximale dans cette direction. Deux autres transistors sont utilisés de la même manière pour le fil gauche/droit.

Les quatre autres transistors sont connectés entre la masse et une résistance à l'alimentation 12 volts. Ces transistors sont normalement allumés et leur borne de drain est connectée via une diode au fil avant/arrière ou gauche/droite. Lorsque ces transistors sont éteints, la résistance n'est plus tirée vers la terre et le fil du joystick est tiré vers le fil +12v à travers la diode.

C'est un moyen facile de laisser un contrôleur TTL huit bits (0 / 5V diigtal) comme le port parallèle du PC ou les 8 broches d'un Arduino contrôler l'analogique 12 volts fauteuil roulant manette. Dans la pratique réelle (comme vous pouvez le voir en regardant le schéma et le circuit réel), les valeurs de résistance doivent être choisies pour atteindre des valeurs qui ne provoqueront pas le cerveau en fauteuil roulant penser qu'il y a un dysfonctionnement du joystick. (les résistances 41K et 6.8K doivent ramener les entrées des transistors à leur état par défaut, de sorte que le joystick fonctionne normalement lorsque rien n'est branché sur le côté entrée des cartes d'interface).

Pour déterminer les valeurs de résistance, commencez avec une résistance variable (un 100K-ohm est un bon début) et connectez un fil à sa borne centrale et gauche. Avec le fauteuil roulant en toute sécurité élevé à empêcher le mouvement (ou avec l'opérateur en toute sécurité dans le siège avec de la place pour conduire) connectez la résistance variable tout en prenant des notes. Commencez par vous connecter au fil gauche/droit et à la terre et avec votre résistance variable tournée complètement vers la droite. (c'est la résistance la plus élevée, 100K ohms). Une image d'une résistance variable est montrée ci-dessous.

Lorsque la fonction gauche/droite est activée sur un fauteuil roulant, il tourne autour de son centre comme un tank. Assurez-vous que vos pieds sont bien dans les étriers ou vous pourriez vous blesser !

Si la fauteuil roulant ne fait rien, tournez le bouton vers la gauche jusqu'à ce que la vitesse la plus lente souhaitée se produise. Déconnectez la résistance, mesurez-la avec un ohmmètre et notez tout (comment elle a été connectée et ce que la chaise a fait). Faites-le à nouveau et trouvez la résistance la plus faible et la vitesse la plus élevée souhaitée et notez-les. Pour cette direction, vous aurez besoin d'une résistance pour chacun des deux transistors associés - l'un sera la valeur du premier test (mouvement le plus lent) et l'autre sera (préparez-vous) l'inverse de [l'inverse de la valeur de la deuxième test moins l'inverse de la valeur du premier test]. De cette façon, lorsque les deux transistors sont activés, le fauteuil roulant voit la résistance du deuxième test. Vous pouvez toujours arrondir les valeurs si vous n'avez pas exactement le bon nombre. Ces résistances et les deux suivantes iront sur les transistors inférieurs du schéma, pour tirer le fil du joystick vers la terre lorsque ces transistors sont activés.

Ce test doit être répété avec le fil avant/arrière (vous pourriez revenir en arrière à grande vitesse). Prendre des notes. Une fois ces deux résistances déterminées, vous devrez essayer les mêmes tests, mais cette fois, en connectant votre résistance variable via une diode au fil rouge, qui a +12 volts du circuit du joystick. Ne laissez pas ce fil rouge être court-circuité à la terre, même pendant une seconde - vous pourriez FRY vos appareils électroniques. Les résultats de ces tests seront les valeurs de résistance choisies pour les transistors supérieurs, qui tirent vers le fil rouge comme vous pouvez le voir sur le schéma.

Une fois que vous avez déterminé les valeurs de résistance que vous souhaitez utiliser, ou même avant cela, vous pouvez construire la carte d'interface. Nous avons utilisé "perfboard" et l'avons assemblé selon le même arrangement physique montré dans l'image schématique ci-dessous, sauf que nous avons utilisé des prises de machine à 8 broches qui fonctionnent bien pour insérer des résistances, afin que des modifications puissent être apportées à la vitesse de mouvement de la machine. Vous pouvez également utiliser un tas de résistances variables de 100K-ohms....

Tableau de performances sur WikiPedia :
http://en.wikipedia.org/wiki/Perfboard

La borne Gate de chaque transistor va à l'un des huit fils de commande du câble d'entrée. Nous avons utilisé un connecteur mâle DB25 depuis que nous étions à l'origine en utilisant un port parallèle PC. Les fils de commande sont connectés aux broches 2 à 9 et à la masse aux broches 18-25. Nous avons ensuite dû fabriquer un adaptateur pour le connecter à l'Arduino lorsqu'il a remplacé le port parallèle dans notre configuration.  Vous pouvez ignorer tout le connecteur DB25 et simplement câbler directement de l'Arduino aux transistors de la carte d'interface tant que vous le câblez dans le bon sens, ce qui est plus facile sans l'étape supplémentaire de toute façon.

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