Hallo Liebe Mikrocontroller Community, Ich hoffe ich bin hier richtig und erhalte ein paar Vorschläge bzw. Tips zu meinem Vorhaben. Aktuell arbeite ich an einem Forschungsprojekt der Uni und es geht darum, die Schutzwirkung von Orthesen an einem menschlichen Fuß- bzw. Sprunggelenksmodell zu untersuchen bzw. zu validieren. Dabei soll untersucht werden, inwieweit eine Umknickbewegung durch die Orthese zugelassen wird. _Genauer_: Das Sprunggelenk besteht aus einem obere und untere Sprunggelenk bzw. Scharniergelenk, welches vergleichbar mit einer Bolzenverbindung ist. Demzufolge liegen zwei unabhängige Rotationsachse vor (siehe Bild: Pruefstand). Testvorgang: Der Test sieht so aus, dass das Fußmodell in einer vordefinierten Nulllage liegt und dann ruckartig ausgelenkt wird (Umknickszenario). *Aktueller Stand:* Zur Erfassung der Kinematik bzw. der Rotationswinkel, die sich durch diese Auslenkung ergeben werden „aktuell“ mithilfe von zwei festverbauten Winkelsensoren gemessen (Halleffektdrehgeber). *Neues Modell – Welche Messtechnik?* Nun soll ein neues realistischeres Fußmodell verbaut und entwickelt werden, welches keine feste Rotationsachse besitzt. Die Idee. Wir nehmen ein anatomisches Fußskelett und wollen dieses in Silikon gießen. Der Testvorgang soll derselbe, nur dass sich nun die Kinematik aufgrund der Knochengeometrie komplett ändert. *Das Problem:* Zur Vermessung der Winkel am Fuß ist es nicht mehr möglich einfach nur zwei Winkelsensoren zu verwenden wie im ersten Modell. Mit welcher Messtechnik könnte ich also die Rotationswinkel im Fuß in den verschiedenen Ebenen feststellen. Messtechnik bzw. Sensoren sollten zudem klein sein, die eventuell sogar in die Knochen versenkt werden können. (Siehe Bild Snesoraufbau) *Ansätze:* Das Verbauen Beschleunigungssensoren (siehe Bild, Orangene Punkte). Was ich jedoch so gelesen habe ist, dass Beschleunigungssensoren zur Positionsbestimmung nicht geeignet sind aufgrund der Integration. Wäre ein Gyrosensor die bessere Lösung? Und ob es 3 Sensoren sein müssen sei auch dahingestellt. Ich hoffe ich habe die Problemstellung präzise genug dargestellt und freue mich über jegliche Lösungsansätze oder Messtechnik, die man eher von Anfang an ausschließen kann. Eine Lösung mit Markern und einem Kamerasystem kommt /bzw soll erstmal nicht in Frage kommen. Einen schönen Samstag wünsche ich euch allen und vielen Dank schonmal. LG chacky33
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Erinnert mich stark an einen Analog 3D Joystick..zB. Playstation analogstick.. die gibt es bestimmt Hochwertiger auch bis nahezu 180°.. So mal als Noob seh..
Julius H. schrieb: > Mit welcher Messtechnik könnte ich also die Rotationswinkel im Fuß in > den verschiedenen Ebenen feststellen. Messtechnik bzw. Sensoren sollten > zudem klein sein, die eventuell sogar in die Knochen versenkt werden > können. (Siehe Bild Snesoraufbau) > > *Ansätze:* > Das Verbauen Beschleunigungssensoren (siehe Bild, Orangene Punkte). Was > ich jedoch so gelesen habe ist, dass Beschleunigungssensoren zur > Positionsbestimmung nicht geeignet sind aufgrund der Integration. > Wäre ein Gyrosensor die bessere Lösung? Könnte man ausprobieren, es gibt kombinierte ACC+Gyro Chips. Wenn Dein Meßaufbau wenig Metall enthält, könnte man auch über Magnetfeldsensoren nachdenken - die gibts ebenfalls als ACC+Mag. Das bräuchte ein geschickt angelegtes externes Magnetfeld - und würde vermutlich allergisch auf sämtliches Metall (nicht nur Eisen) im Meßaufbau reagieren. Wenn übrigens Deine Endposition "fest" ist, gäbe die Erdbeschleunigung eine "feste" Achse ab, die ein 3D- Beschleunigungssensor auch gut anzeigen kann. Eine Umknickbewegung ist ja eher kurz, so das sich die Abweichungen beim Integrieren der gemessenen Beschleunigung nur wenig aufsummieren können.
Hi, Julius H. schrieb: > *Ansätze:* > Das Verbauen Beschleunigungssensoren (siehe Bild, Orangene Punkte). Was > ich jedoch so gelesen habe ist, dass Beschleunigungssensoren zur > Positionsbestimmung nicht geeignet sind aufgrund der Integration. > Wäre ein Gyrosensor die bessere Lösung? Interessante Aufgabe! Ein Gyro liefert ein Signal proportional zur Drehgeschwindigkeit. Wenn Du das messen willst, d.h. wenn es Dir auf die Dynamik ankommt, könnte das ein guter Ansatz sein. Um daraus jedoch absolute Winkel zu erzeugen musst Du das Signal aufintegrieren, was langfristig natürlich wegdriftet, wenn man keine Referenz hat. Ein (3-Achs-) Beschleunigungssensor misst i.d.R. die Erdbeschleunigung. Durch die Verteilung dieser auf die drei Achsen kann man die absolute Lage im Raum bestimmen. Solche Dinger sind z.B. in Smartphones etc. verbaut. Wenn Du in jeden interessanten Knochen so einen einbaust, hast Du von jedem die Lage und kannst die Winkel zwischen ihnen berechnen. Das funktioniert so aber erstmal nur in Ruhe. Während einer Bewegung messen sie natürlich die Beschleunigung dieser auch mit was die Sache verkompliziert. Wenn es Dir auf die Lage nach der Abknickbewegung ankommt, wäre das eine Lösung. Aber am universellsten baust du beides ein, einen 3-Achs-Beschleunigungssensor und einen 3-Achs Gyro, dann kannst Du mit "etwas" Mathematik alles ausrechenen. Und nein, mit der Mathe kann ich Dir nicht helfen... ;-)
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Eine sehr interessante Fragestellung. Eine Frage von wie realistisch soll es sein, wie aufwendig darf es sein. Dabei sollte man sich vergewaertigen weshalb ist der menschliche und tierische Koerper flexibel ? Starr waere doch einfacher. Nun, die auftretenden Kraefte sind geringer. Jede Restriktion fuehrt zu hoeheren Kraeften. Will man erhoehte Kraefte ? Um wieviel duerfen die erhoeht sein ? Schade dass in der Medizin zu viele Physik-Pfeifen sind.
BNO055 ist einfach zu benutzen
Julius H. schrieb: > Was > ich jedoch so gelesen habe ist, dass Beschleunigungssensoren zur > Positionsbestimmung nicht geeignet sind aufgrund der Integration. > Wäre ein Gyrosensor die bessere Lösung? Um einen Winkel zu berechnen, muss man die Werte eines Gyros integrieren oder man nimmt die Werte eines Beschleunigungsmessers direkt - es ist also genau umgekehrt. Ist wohl ein Leseproblem. Beim Beschleunigungssensor weiss man wo unten ist, wegen der Erdanziehung. Aber die Ausrichtung parallel zur Erdoberfläche ist unbekannt, und da hilft auch ein Gyro nicht weiter. Die liefert nur ein Magnetfeldsensor. Georg
Julius H. schrieb: > Einen schönen Samstag wünsche ich euch allen und vielen Dank schonmal Schön, chacky33, so würde ich das auch (eher nicht) machen. Wirf etwas in die Runde und schau am Montag mal, ob was brauchbares dabei ist :-)
Hi, wie wäre es mit Photogrammetrie? Man könnte vielleicht aus den Knochen etwas längere Stifte mit Marken (retroreflektierende Kugeln z.B.) durch das Silikon stehen lassen und dann das ganze mit ein paar Kameras fotografieren (Filmen). Aus den Bildern müsste man relativ einfach die Lage der Knochen ermitteln können. Das ginge vermutlich im Prinzip auch an einem Patienten, die nötigen Schrauben im Knochen sind allerdings sicher nicht lustig. Vielleicht gibts aber man jemand, der eh einen ext. Fixator hat und die orthese testen könnte bevor man den die Pins des Fixator entfernt. Wahrscheinlich sind solche Stifte aber im Weg, die orthese wird den Fuß vermutlich weitgehend umschließen. Grüße Flo
Florian R. schrieb: > wie wäre es mit Photogrammetrie? Julius H. schrieb: > Eine Lösung mit Markern und einem Kamerasystem kommt /bzw soll erstmal > nicht in Frage kommen. :-)
Hi Olly ups... das kommt davon wenn man grad mal so die Hälfte liest und denke alles ist ein Nagel auf den der eigene Hammer mit dem man grad arbeitet passt. Sorry. Hall Sensoren sind ja eh schon angesprochen worden, da gibt's auch fix fertiges für drei Achsen: https://www.melexis.com/en/insights/knowhow/triaxis-position-sensing-solution Irgend wo hatte ich sogar mal ein Muster von denen für einen der 3achs Sensoren... dürfte aber ziemlich unauffindbar sein und ich hab ihn nie getestet, es kam ein einfacherer Sensor von AMS zum Einsatz. Grüße Flo
Florian R. schrieb: > Hall Sensoren sind ja eh schon angesprochen worden, da gibt's auch fix > fertiges für drei Achsen: > https://www.melexis.com/en/insights/knowhow/triaxis-position-sensing-solution Ist ja interessant, kannte (und brauchte) ich bisher nicht, aber gut zu wissen, dass es sowas gibt. Manchmal hat man gar nicht für jede Lösung ein passendes Problem. ;-) Sowas könnte hier vielleicht auch passen, wenn man es hinkriegt, den Magneten und den Sensor ausreichend genau im Fuß zu platzieren. > es kam ein einfacherer Sensor von AMS zum Einsatz. Einen AS5048B hab ich gerade in der Firma auch am Laufen, schönes Teil.
Julius H. schrieb: > Mit welcher Messtechnik könnte ich also die Rotationswinkel > im Fuß in den verschiedenen Ebenen feststellen. "Rotationswinkel" - Ja. "im Fuß" - Nein. Polarisationsfilter, Photodioden, polarisiertes Licht.
Wow, ich bin erstmal überwältigt von den ganzen Antworten und dem Support am gestrigen sonnigen Samstag. Jim M. schrieb: > Könnte man ausprobieren, es gibt kombinierte ACC+Gyro Chips. > > Wenn Dein Meßaufbau wenig Metall enthält, könnte man auch über > Magnetfeldsensoren nachdenken - die gibts ebenfalls als ACC+Mag. Das > bräuchte ein geschickt angelegtes externes Magnetfeld - und würde > vermutlich allergisch auf sämtliches Metall (nicht nur Eisen) im > Meßaufbau reagieren. Florian R. schrieb: > Hall Sensoren sind ja eh schon angesprochen worden, da gibt's auch fix > fertiges für drei Achsen: > https://www.melexis.com/en/insights/knowhow/triaxis-position-sensing-solution > > Grüße > Flo Das wird vermutlich schwierig. Der Silikonfuß mit dem Fuß ist zwar Metallfrei, doch spätestens ab dem Schienbein wird mit einer Metallverbindung /Stab das Ganze am metallischen Prüfstand fixiert =) Aber das mit dem magnetischen Feld hört sich interessant an. Habe in die Richtung mal weiter recherchiert und folgendes gefunden. http://www.ndigital.com/medical/products/aurora/ Das ganze wird als Realtime Tracking System mit einem Magnetfeld. Eine Kombination aus dem Magnetfeldgenerator und dem Triaxis von Melexis wäre doch eine feine Lösung? Stellt sich halt nur die Frage ob es beim Prüfaufbau aufgrund der Metallhilfskonstruktion funktionieren könnte. Jim M. schrieb: > Wenn übrigens Deine Endposition "fest" ist, gäbe die Erdbeschleunigung > eine "feste" Achse ab, die ein 3D- Beschleunigungssensor auch gut > anzeigen kann. > > Eine Umknickbewegung ist ja eher kurz, so das sich die Abweichungen beim > Integrieren der gemessenen Beschleunigung nur wenig aufsummieren können. Da hast du recht, die ganze Umknickbewegung ist im Millisekundenbereich. ca 20-60 ms. Dann ist die Messung auch zueende. Bezüglich der Endposition. Da wir verschiedene Orthesensysteme und Einstellungen testen werden, kann die Endposition varieren. Zudem wollen wir auch verschiedene Umknickszenarien betrachten: Aktueller Fall: Fuß ist im Prüfstand eingespannt und der Fuß wird umgeknickt mithilfe einer Schnur an der Außenkante des Fußes. Weiterer Fall- etwas komplizierter Wir wollen den Fuß beschleunigen und auf eine schiefe ebene fahren lassen (realität: Man springt hoch und fällt auf den Fuß des Gegners wie beim Volleyball) Olly T. schrieb: > Interessante Aufgabe! > Aber am universellsten baust du beides ein, einen > 3-Achs-Beschleunigungssensor und einen 3-Achs Gyro, dann kannst Du mit > "etwas" Mathematik alles ausrechenen. Und nein, mit der Mathe kann ich > Dir nicht helfen... ;-) Wieviel müsste ich optimaler weise verbauen? Reicht einer oder ist das nach dem Motto, je mehr desto besser, wobei ich ja ziemlich im Baureum begrenzt bin? dünnwandiger Trog schrieb: > Eine sehr interessante Fragestellung. Eine Frage von wie > realistisch > soll es sein, wie aufwendig darf es sein. > > Dabei sollte man sich vergewaertigen weshalb ist der menschliche und > tierische Koerper flexibel ? Starr waere doch einfacher. > > Nun, die auftretenden Kraefte sind geringer. Jede Restriktion fuehrt zu > hoeheren Kraeften. Will man erhoehte Kraefte ? Um wieviel duerfen die > erhoeht sein ? > > Schade dass in der Medizin zu viele Physik-Pfeifen sind. Natürlich sollte alles so realistisch sein wie möglich. Wir überlegen uns in wieweit wir Bänder und Sehnen noch implementieren oder sogar DMS einbauen um an der Stelle des Außenbandes am Fuß zu sehen, welche Kräfte wirken. Das wäre wohl die nächste Aufgabe, worüber ich mir den Kopf zerbrechen muss, jedoch hat das eine geringe Priorität. Erstmal die Winkel kennen Jedoch wäre jedes von uns eingbaute Band auch einen gewissen widerstand/wie auch die Silikonhaut geben. Diese Restriktionen wollen wir vor der Messung abschätzen und herausrechnen, so gut wie es geht. Deshalb auch der Schritt aus einem mechanischen Modell mit nur 2 Freiheitsgraden (oberes und unteres Sprunggelenk jeweils eine Bolzenverbindung) zu einem 3D gedruckten Fußskelett aus CT-Scans. Michael L. schrieb: > BNO055 ist einfach zu benutzen Der Boschsensor sieht interessant aus. Wenn ich das richtig Verstehe: Beschleunigungssenser + Gyrometer = IMU Georg schrieb: > Beim Beschleunigungssensor weiss man wo unten ist, wegen der > Erdanziehung. Aber die Ausrichtung parallel zur Erdoberfläche ist > unbekannt, und da hilft auch ein Gyro nicht weiter. Die liefert nur ein > Magnetfeldsensor. > > Georg Ok Mit jeder Antwort werde ich schlauer, vllt wiederhole ich mich auch mit dem Oben besagten. Das heißt, falls ich meinen Fuß immer anders positioniere, mal 90 Grad am Prüfustand wie im Bild, mal Hängend, oder Fallend, dann würde mir ein Gyroskop nicht weiterhelfen? Florian R. schrieb: > Hi, > wie wäre es mit Photogrammetrie? Man könnte vielleicht aus den Knochen > etwas längere Stifte mit Marken (retroreflektierende Kugeln z.B.) durch > das Silikon stehen lassen und dann das ganze mit ein paar Kameras > fotografieren (Filmen). > > Grüße > Flo Fällt leider Raus, da verschiedene Schuhsysteme auch noch auf den Fuß kommen =) Ich bedanke mich nochmals für eure Antworten und hoffe auf eine zweite Runde =) schönen Sonntag euch allen
Julius H. schrieb: > dann würde mir ein > Gyroskop nicht weiterhelfen? Ein Gyroskop ist immer problematisch, weil die Werte intergriert werden müssen und sich damit Fehler aufaddieren, aber für Kurzzeitmessungen mag es gehen. ABER: die Ausgangsposition muss bekannt sein, weil ja nur Änderungen gemessen werden - stell dir ein Flugzeug vor; das Gyroskop zeigt Drehungen an, intergriert kannst du dann sagen, das Flugzeug hat sich 20 Grad nach links gedreht - aber in welcher Richtung es zuvor flog, musst bekannt sein aus anderen Messungen (Kompass oder GPS). Für dein Problem heisst das, zusätzlich zum Gyroskop müsstest du die Orientierung vor Beginn des Messvorgangs irgendwie erfassen. Das Gyroskop liefert dann die Änderungen relativ dazu. Im Endeffekt hast du dann 2 Probleme am Hals statt eines. Georg
Julius H. schrieb: > Das ganze wird als Realtime Tracking System mit einem Magnetfeld. > Eine Kombination aus dem Magnetfeldgenerator und dem Triaxis von Melexis > wäre doch eine feine Lösung? Ich würde einfach das Erdmagnetfeld nehmen und einen kombinierten 3D-Beschleunigungsmesser+3D-Gyroskop+3D-Manetometer wie im BNO055 nehmen und ein Exemplar am/im Fußrücken montieren, einen weiteren im Unterschenkel. Aus beiden Sensoren kann dann mit Hilfe einiger Vektorberechnungen die aktuelle Stellung des Sprunggelenkes berechnet werden. Die Sensoren gibts bei eBay als kleine Breakout-Platinen fertig für ein paar Euro, oft direkt aus China. Um die Magnetfeldsensoren möglichst wenig zu stören, muss die gesamte Mechanik aus nichtmagnetischem Material gefertigt werden. Störeinflüsse lassen sich bestimmen, indem man die ganze Apparatur in verschiedenen Stellungen zum Erdmagnetfeld dieselben Aktionen ausfürhren lässt und dann die Sensorergebnisse vergleicht.
Julius H. schrieb: > Wieviel müsste ich optimaler weise verbauen? > Reicht einer oder ist das nach dem Motto, je mehr desto besser, wobei > ich ja ziemlich im Baureum begrenzt bin? In jedem bewegten Teil, der Dich interessiert würde ich einen 3-Achs-Gyro und einen 3-Achs-Beschleunigungsmesser einbauen, das halte ich für ein gangbare Lösung. Gibt's vermutlich schon kombiniert in einem Chip. Der Beschleunigungsmesser zeigt Dir die absolute Lage im Raum jedes Teils vor der Messung an. Während der Messung integrierst Du die Werte der Gyros, dadurch kannst Du dann während der Bewegungsphase die Winkel berechnen. Da es nur um ms geht, sollte das keine Problem mit wegdriften ergeben. Am Ende, wenn wieder alles in Ruhe ist, kannst du den aufintegrierte Wert wieder mit den Werten der Beschleunigungssensoren vergleichen bzw. angleichen. Während der Messung alle Sensoren mit ausreichender Frequenz abfragen und mitloggen, danach kannst Du am PC die Logs auswerten. Der Übergang von Ruhe zu Bewegung sollte sich anhand der Ausschläge der Gyros gut erkennen lassen.
Der BNO055 macht die ganzen Vektorberchnungen inkl. Kalmanfilter für Magnetfeld, Beschleunigung und Gyro schon für dich. Einfacher geht es nicht.
Idee schrieb: > Der BNO055 macht die ganzen Vektorberchnungen Das wird nicht reichen, wenn mehrere Sensoren verbaut werden.
Suchst Du vielleicht einen Dehnmessstreifen in 3D? https://www.tib.eu/en/search/id/tema%3ATEMA20140310597/Direkt-applizierte-D%C3%BCnnschicht-DMS-auf-3D-Bauteilen/ Vielleicht gibt es ja auch einen Stützstrumpf mit entsprechenden Sensoren? Man könnte sich auch ein Geweben aus flüssigkeitsgefüllten Hohlfasern vorstellen in denen der durch das Abknicken veränderte Innen-Druck gemessen wird.
Spannungsoptik wäre auch eine Möglichkeit: https://de.wikipedia.org/wiki/Spannungsoptik Vielleicht eine transparente elastische Kunststoffhaut die man als flächige, flexible Lightpipe benutzt. An der einen Seite koppelt man (farbiges) Licht ein, auf der anderen Seite empfängt man dieses mit einem Linienformigen Fotosensor. Durch das Abknicken sollte sich der Weg des Lichtes in der Haut ändern was über den Photosensor detektierbar ist. Also sozusagen ein Gewebe aus Lichtleitern.
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