XI Международный конкурс научно-исследовательских и творческих работ учащихся
Старт в науке
Tuzel - устройство и приложение для отслеживание прогресса осанки и подбора методики лечения заболевании спины
Автор работы награжден дипломом победителя I степени
Полная версия работы доступна во вкладке "Файлы работы" в формате PDF
Аннотация
Цель и задачи проекта
Создать физическое устройство на основе микроконтроллера Arduino, которое рассчитывает положение осанки, а также мобильное приложение для настройки устройства под определенные методы лечения заболевании и отслеживания прогресса.
- определить насколько проблемы позвоночника и осанки распространены в мире и как они влияют на повседневную жизнь
- создать схему работы и собрать готовое устройство Tuzel;
-создать мобильное приложение для синхронного управления устройством.
Гипотеза: Создав мобильное приложение и устройство, мы сможем убедиться в том// и тут тоже
Актуальность: 80% людей по всему миру когда либо испытывали проблемы с осанкой или же боли в спине. Они могут свидетельствовать о серьезных заболеваниях позвоночника. При лечении данных патологии важным фактором является самоконтроль, которого не хватает при традиционном лечении.
Новизна: Данное устройство является удобным при совместной работе с приложением, где пользователю доступна информация о прогрессе. Также это совмещается с новыми функциями при спортивных тренировках.
Этапы работы
1. Изучение темы проблемы осанки и спины;
2. Проведения опроса для выявления инсайтов;
3. Создание схемы для устройства и сборка;
4.Создание приложения в MIT App Inventor и подключение его к устройству.
Методика исследования: Исследовательская работа (изучение распространенности проблем позвоночника и осанки, исследование статистики и выявление неэффективности традиционного лечения без самоконтроля, проведение опроса).
Научная и практическая ценность: // можете добавить что то свое потому что я не совсем понимаю что тут надо писать
Области применения: В первую очередь, это устройство и приложение будут использоваться в медицинских целях для лечения заболевании позвоночника и для исправления осанки. Также Tuzel может быть использован для самоконтроля во время физических упражнении.
Введение
В 21 веке почти каждый человек вне зависимости от возраста хоть раз сталкивался с болью в спине, неправильной осанкой или заболеваниями позвоночника.
Позвоночник — гибкая, но прочная опора, собранная из отдельных косточек-позвонков и связанная в единую структуру при помощи связок и мышц. Между позвонками лежат межпозвоночные диски — «мешочки» из фиброзной ткани, заполненные похожим на гель мягким веществом. Межпозвоночные диски работают как амортизаторы: обеспечивают позвоночнику устойчивость к нагрузкам и гибкость.
Через отверстия в позвонках вдоль позвоночника проходит спинной мозг — «коммуникационный кабель», благодаря которому мозг управляет телом. От спинного мозга ответвляется 31 пара спинномозговых нервных корешков, которые выходят через межпозвоночные отверстия. Спинномозговые нервные корешки обеспечивают чувствительность, способность двигаться и управляют работой внутренних органов.
К сожалению, многие из нас сталкиваются с такими проблемами, как боли в спине, скованность мышц, особенно по утрам, отеки на ногах, чувство покалывания и онемения в конечностях. Нередко у нас бывает нарушение сна, головные боли. Зачастую, причиной данных недугов служат заболевания позвоночника.
Остеохондроз является одним из самых распространенных заболеваний позвоночника. В подавляющем большинстве случаев, именно остеохондроз является причиной болей в спине. При данном заболевании происходит разрушение костной и хрящевой ткани. Эта болезнь знакома практически всем людям пожилого возраста, хотя нередко встречается у молодых мужчин, женщин и даже детей.
Сколиоз – сложная деформация позвоночника. Он начинается и ухудшается, как правило, в детском и юношеском возрасте, во время усиленного роста тела. Примерно в 80 % всех случаев причина возникновения искривлений неизвестна.
Ослабление хрящевой ткани также приводит к другой тяжелой патологии - выпячиванию межпозвоночного диска. Это состояние чревато сильной болью и защемлением нервных корешков, что надолго выбивает человека из нормальной жизни. Сначала происходит нарушение и нарушение кровообращения, а фиброзное кольцо ослабевает, что приводит к появлению трещин и растяжению. Если вовремя не начать лечение, фиброзное кольцо разрывается, наружу в полость межпозвонкового диска выходит его содержимое - пульпозное ядро. Так и возникает грыжа.
Известны различные подобные проблемы и патологии. И при процессе лечения многих из них, как сколиоз, лордоз используются корсеты, курсы массажа, мануальной терапии и даже хирургические вмешательства. Эти способы лечения обычно не приводят в итоговому желаемому результату. Всему виной самоконтроль. В особенности при лечении сколиоза ношение корсета не дает положительных результатов именно по этой причине.
В таких моментах, сколиоз, который развивается часто у детей и подростков может стать препятствием для развития уверенности в себе. В немалых случаях, люди оказывались в депрессиях по этой причине. В то же время, главным способом профилактики заболевании позвоночника являются здоровый образ жизни и регулярные занятия спортом. Даже при упражнениях важно следить на положением ваше спины.
Исследование
Мы решили провести опрос с использованием Google Forms (https://docs.google.com/forms/d/e/1FAIpQLSf4au5psVUBvxHz9NVQ7EC1eCvbcBPkI5f030EoscRiks7WQ/viewform) для того, чтобы понять актуальность данной проблемы среди людей. Также мы провели ряд интервью с экспертами в области медицины. Посетили ортопедические магазины и организовали беседу с массажистами. В результате мы выявили, что многие способы лечения заболевании, как сколиоз и лордоз являются неэффективными без самоконтроля. И одним из главных преимуществ нашего устройства и приложения является возможность контролировать себя, используя при этом смартфон.
Как оказалось проблемы позвоночника не только означают проблемы с физическим здоровьем, но также приводят к психологическим проблемам.
60% страдающих хронической болью в спине часто выявляются признаки депрессии. Пациенты с нарушенной осанкой в большинстве случаев испытывали проблемы с самооценкой.
Как мы видим в нижеуказанных диаграммах более 39% имеют проблемы с осанкой и 27% сколиоз, лордоз, кифоз.
Рис. 1 Результаты опроса
Рис. 2 Результат ответа на вопрос
Рис.3 Виды искривления позвоночника
Практическая часть
Схема и сборка устройства Tuzel
Рис. 4 Гироскоп MPU6050
MPU-6050 GY-521 - компактный и легкий модуль 3х осевого акселерометра и 3х осевой гироскоп управляемый по протоколу I2C (TWI). Данный датчик отлично подходит для определения положения в пространстве.
Акселерометр – это устройство, измеряющее проекцию кажущегося ускорения на одну или несколько осей, называемых осями чувствительности. Под термином кажущееся ускорение следует понимать ускорение, обусловленное совокупностью всех сил, приложенных к объекту, кроме силы притяжения. Термин в основном применяется в навигационных системах. Если на акселерометр действует лишь сила тяжести, то он будет измерять ускорение свободного падения, т.к. под действием этой силы, чувствительный элемент отклонится от положения равновесия. Как уже было сказано, существует несколько видов акселерометров, отличающихся чувствительными элементами и принципами преобразования физической величины в электрический сигнал. Для того чтобы лучше понять принцип работы акселерометра, представим его как груз, закреплённый на пружинах. Принцип будет одинаков – происходит смещение чувствительного элемента под действием какой-либо силы.
Рис. 5 Внутреннее устройство одноосного акселерометра. 1 – пружина, 2 – чувствительный элемент, 3 – потенциометр, 4 – демпфер, 5 – корпус
Чувствительный элемент представляет собой массу, закрепленную на пружинах, которые прикреплены к корпусу. Демпфер используется для уменьшения влияния собственных колебаний чувствительного элемента. На вышеприведенном рисунке акселерометр расположен параллельно земной поверхности и к корпусу не приложены никакие силы вдоль оси X. Если же корпусу сообщить ускорение, то картина изменится, см. Рис. 2. В данном случае при воздействии силы F1 к корпусу, чувствительный элемент смещается влево, в противоположную сторону, приложенной силе F1. Это смещение регистрирует потенциометр, и на выходе датчика появляется напряжение, пропорциональное приложенной силе.
Рис. 6
Внутреннее устройство одноосного акселерометра при воздействии силы вдоль его оси
Рис. 7
Проекция сил для расчета угла наклона по одной оси акселерометра
Измеряемое значение кажущегося ускорения свободного падения будет уменьшаться в соответствии с выражением.
– угол наклона датчика, – проекция вектора g на ось чувствительности x.
Гироскоп – это устройство, реагирующее на изменение угловой скорости на одной или нескольких осях. Существует несколько разновидностей МЭМС гироскопов, различающихся внутренним устройством, но всех их объединяет то, что их работа основана на использовании силы Кориолиса. В каждом из них есть рабочее тело, совершающее возвратно поступательные движения. Если вращать подложку, на которой находится это тело, то на него начнет действовать сила Кориолиса, направленная перпендикулярно оси вращения и направлению движения тела. На Рис. 6 представлен механизм работы этой силы. Зная линейную скорость и силу Кориолиса можно определить угловую скорость.
Рис. 8 Механизм работы силы Кориолиса:w – вектор угловой скорости,V – вектор линейной скорости, Fc– сила Кориолиса
Одна из возможных реализаций гироскопа имеет следующую структуру: закрепленная на гибких подвесках рамка, внутри которой совершает поступательные колебательные движения некая масса . Структура такого сенсора представлена на Рис. 7.
Рис. 9 Внутренняя структура гироскопа: 1 – крепление массы, 2 – рабочая масса, 3 – крепление внутренней рамки, 4 – сенсоры перемещения внутренней рамки, 5 – внутренняя рамка, 6 - подложка
Колебания рабочей массы происходят вдоль оси X и генерируются электростатически, а колебания внутренней рамки возможны только вдоль оси Y. Между внутренней рамкой и подложной расположены обкладки плоских конденсаторов (сенсоры перемещения), таким образом, измеряя их емкость, можно регистрировать движение рамки относительно подложки. На Рис. 10 представлена структура гироскопа при его вращении в плоскости XY по часовой стрелке.
Рис. 10. Структура гироскопа при вращении:w – вектор угловой скорости,V – вектор линейной скорости, Fc – сила Кориолиса
Но колебания внутренней рамки могут вызываться не только силой Кориолиса, но и линейными ускорениями, которые действуют вдоль оси Y. Проблема решается путем размещения на одной подложке двух рамок, в каждой из которых находится рабочая масса. Обе массы колеблются в противофазе, следовательно, в конкретный момент времени сила Кориолиса, 12 воздействующая на первую массу, направлена противоположно силе, воздействующей на вторую. Сигналы, генерируемые силой Кориолиса, будут складываться, а синфазная составляющая, порожденная линейным ускорением, будет вычитаться. Таким образом, измеряя отклонение внутренней рамки с помощью сенсоров перемещения, можно оценить угловую скорость датчика.
Рис. 11 Arduino Nano
Nano – одна из самых миниатюрных плат. Она является полным аналогом Arduino Uno – также работает на чипе ATmega328P (хотя можно еще встретить варианты с ATmega168), но с меньшим форм-фактором.
Рис. 12 Bluetooth HC-05
Модуль Bluetooth HC-05 позволяет наладить двунаправленную радиосвязь по протоколу bluetooth при управлении различными объектами. Модуль, установленный в прибор с микроконтроллером или без, связывает его, используя радиосвязь по протоколу Bluetooth с персональным компьютером или смартфоном на Android.
Рис. 13 Cхема подключения всех компонентов устройства
Рис. 14 Схема на breadboard
Тут представлены все компоненты MPU6050, Arduino Nano, Bluetooth module HC-05.
Рис. 15
Сборка всех элементов в компактный кейс
.
Рис. 16 Применение Tuzel
Tuzel крепиться к одежде на магнитах и при правильном положении спины находиться в таком положении как на фотографии.
Рис. 17
А при неправильном положений спины, усстройство находится как показано на Рис. 17
Написание программного кода в Arduino IDE
С помощью программного кода мы получали данные с гироскопа и акселерометра. Сырые данные требовали калибровки и учитывания погрешностей. В итоге MPU 6050 дает возможность получить температуру самого датчика и значения, которые указывают на его расположение
(гравитационное ускорение по 3 осям x, y, z, углы). При ровном положении осанки программный код выдает результат о правильности осанки, что и передается в приложение с помощью подключения Bluetooth.
Ниже представлена функция для получения точных данных:
void calculate_IMU_error() {
// Получить 200 раз данные с акселерометра
while (c < 200) {
Wire.beginTransmission(MPU);
Wire.write(0x3B);
Wire.endTransmission(false);
Wire.requestFrom(MPU, 6, true);
AccX = (Wire.read() << 8 | Wire.read()) / 16384.0 ;
AccY = (Wire.read() << 8 | Wire.read()) / 16384.0 ;
AccZ = (Wire.read() << 8 | Wire.read()) / 16384.0 ;
// Сложить все полученнные данные
AccErrorX = AccErrorX + ((atan((AccY) / sqrt(pow((AccX), 2) + pow((AccZ), 2))) * 180 / PI));
AccErrorY = AccErrorY + ((atan(-1 * (AccX) / sqrt(pow((AccY), 2) + pow((AccZ), 2))) * 180 / PI));
c++;
}
//разделить сумму на 200
AccErrorX = AccErrorX / 200;
AccErrorY = AccErrorY / 200;
c = 0;
// Прочитать значения гироскопа 200 раз
while (c < 200) {
Wire.beginTransmission(MPU);
Wire.write(0x43);
Wire.endTransmission(false);
Wire.requestFrom(MPU, 6, true);
GyroX = Wire.read() << 8 | Wire.read();
GyroY = Wire.read() << 8 | Wire.read();
GyroZ = Wire.read() << 8 | Wire.read();
// Сложить все данные
GyroErrorX = GyroErrorX + (GyroX / 131.0);
GyroErrorY = GyroErrorY + (GyroY / 131.0);
GyroErrorZ = GyroErrorZ + (GyroZ / 131.0);
c++;
}
Приложение Tuzel в MIT App Inventor
Рис. 18 и Рис.19
Приложение отправляет сигналы пользователю после подключения смартфона к Bluetooth, о его осанке, прогрессе лечения который представлен в виде графика за определенный период времени. При правильном положении высвечивается “Posture: ON” и при подключении к Bluetooth выходит значение “Connected”.
Также есть возможность добавлять специальные тренировки в корсете и для улучшения осанки. Пользователь может наблюдать какие тренировки он выполнял и составлять план тренировок на ближайшее время.
Следующим режимом является спорт. Он может быть полезен тренерам и в целом людям занимающимся спортом, которые должны уведомляться о правильности выполнения упражнений и держать осанку в определенном положении. При обнаружении неполадок каждый пользователь может оставить отзыв для скорейшего исправления ошибки.
Вывод
Заболевания позвоночника и боли в спине являются частыми явлениями в современном мире. Несмотря на все сложности в итоге мы смогли, выявив проблемы как физическое, психическое здоровье и самоконтроль определить, каким должно быть устройство Tuzel. На основе, проведенного исследования мы смогли создать мобильное приложение в MIT App Inventor и устройство, которое сможет подстроить новый метод лечения определенного заболевания, а также контролировать и уведомлять о прогрессах в лечении. В любой момент времени приложение будет уведомлять и отображать о неправильной осанке. Для людей с незначительными проблемами позвоночника есть дополнительные функции для профилактики. Мы считаем, что достигли поставленной цели и выполнили все задачи. Наш проект сможет внести свой вклад для решения этой распространенной проблемы в 21 веке. Несмотря, на все выполненные задачи у нас есть куда расти и развиваться. В дальнейшем мы планируем работать непосредственно над функционалом приложения и удобства Tuzel.
Использованная литература
1.How to mechatronics – сайт
https://howtomechatronics.com/
https://howtomechatronics.com/tutorials/arduino/how-to-build-custom-android-app-for-your-arduino-project-using-mit-app-inventor/
2. Официальный сайт Arduino
https://www.arduino.cc/
3. Российское Arduino сообщество
https://arduinomaster.ru/platy-arduino/plata-arduino-nano/
4. RobotClass - сайт о робототехнике
https://robotclass.ru/
5. Git.hub
https://git.hub