Summary
En enhet ble opprettet for å demonstrere Elektromyografi kontrollen til en lå publikum. Etter suksessen med innledende enheten, ble en ny enhet gjort med større fleksibilitet i funksjonalitet for demonstrasjon og forskningsformål. Denne protokollen beskriver prosessen med å bygge og kalibrere begge enhetene.
Abstract
I dette manuskriptet, presenterer vi to 'Bionic staver' systemer, først som er utformet for å vise Elektromyografi (EMG) basert systemer for pedagogiske formål og andre til forskningsformål. EMG basert kontroll systemer hente elektriske signaler generert av muskel aktivering og bruke disse som inndata for kontrollere. EMG kontrollerne er mye brukt i protetikk til kontroll lemmer.
Merke jeg (MK jeg) klikkeren lar brukeren endre lysbildet i en presentasjon ved å heve sine pekefingeren. Det er bygget rundt en microcontroller og en bio-signaler skjold. Det generert mye interesse fra både publikum og samfunnet.
Merk II (MK II) enheten presenteres her laget som en billigere, tynnere og mer passelig system som kan endres enkelt og direkte datasending EMG. Det er bygget med en trådløs dugelig microcontroller og en muskel sensor.
Introduction
Aspire senter for rehabilitering Engineering og hjelpeteknologi undersøker teknikker som er relevant og kan overføres mellom ulike domener i beslektede områder av interesse, inkludert men ikke begrenset til, slag, muskeldystrofi, amputasjon, aldrende befolkning og opplæring av spesialiserte ferdigheter. Et område av forskning som senteret er involvert i er neuroprosthesis. Av de mange teknikkene brukt for kontroll av neuroprosthetic våpen, er EMG en av de vanligste innganger for kontroll systemer1,2,3,4,5,6. Dette er en stor del på grunn av dens lette av bruk og rimelig sammenlignet med andre kontroll systemer7. Nylig utviklet 3D-trykt proteser som Ada hånden kan koste bare 1000 USD når du bruker denne typen kontroll8,9,10. Når du forsøker å vise slike systemer for publikum er det imidlertid ingen enkel måte å gjøre det uten hjelp av en amputert.
For å øke bevisstheten om forskningsaktiviteter i dette feltet for allmennheten, ble en bionic klikkeren demo enhet utviklet. Det er svært viktig å bruke objektbasert demonstrasjon som det tiltrekker seg oppmerksomhet og akselerere læring og forståelse av faget blir undervist11. Vår enhet ikke bare hjelper å lære begrepet EMG, men også å øke kunnskapen om gjeldende utviklingen av moderne teknologi. Dessuten, det inspirerer yngre generasjoner å velge studier innen vitenskap, teknologi, ingeniørfag og matematikk (STEM).
Bionic klikkeren MK jeg ble gjort med lett tilgjengelig deler som allerede var i bruk i laboratoriet. Den besto av en microcontroller, en bio-signaler skjold12, elektroder, en kontroll bord, en trådløs kommunikasjon bord og en 9 V-batteriet. Apparatet fungerte ved å plukke opp aktiviteten til bortfører indicis muskelen ligger mellom pekefingeren og tommelen. Det utløser en lysbilde endring ved å etterligne et tastatur og sende en rett tastetrykk når en forhåndsvalgt terskel ble nådd. Kontrollen styret tillatt for manuell sending av "rett" og "venstre" tastetrykk (fremgang lysbilder og retreat lysbilder) og kan også brukes til å overstyre EMG innspill om ting gikk galt under en demonstrasjon.
Som en del av medisinsk fysikk og biomedisinsk Engineering avdeling offentlig engasjement aktiviteter viste vi Bionic klikkeren til allmennheten. Den fikk en entusiastisk respons fra publikum generert interesse i å starte flere samarbeid. Etter suksessen med innledende enheten ble en ny versjon av enheten utformet.
Målet for utformingen av den andre enheten var å produsere en enhet som var billigere, mindre klumpete og mer passelig enn den første enheten. Formålet med denne enheten var å designe noe som lett kan bli endret for studentprosjekter og innlemmes billig i eksisterende prosjekter. Den største fordelen med denne enheten over andre tilgjengelig1,,2,,3,,4,,5,,6 er dens lette av bruk, liten størrelse, og lav pris. Selv om bionic klikkeren enhetene ikke har oppløsningen på andre forskning som utløser enheter, er de mer enn god nok. MK II ville være en ideell base for alle systemer som bruker en EMG terskelen for å utløse en enhet, for eksempel en protese kontrolleren eller hjelpeenhet.
Design basert rundt et trådløst aksesspunkt microcontroller og en muskel sensor. Den omfattet også en 3,7 V 150 mAh litium polymer batteri, en manuell kontroll bord og en 3D-trykt sak. Figur 3 viser en oversikt over forskjellen mellom design. MK II design har samme grunnleggende funksjonalitet som den opprinnelige enheten men har betydelig mer mulig funksjonalitet for nye applikasjoner som trådløse EMG overvåking.
Protocol
Protokollen følger retningslinjene i University College Londons menneskelige forskning etikk.
Advarsel: Denne protokollen inneholder en elektrisk fare og en brenne fare (loddebolt); lese både før du prøver denne protokollen. Denne protokollen inkluderer koble en enhet til huden. Kontroller at ikke på noe tidspunkt det er en bane mellom huden og elektrisitet strømnettet. Berør elementet av loddebolt. Hold ledningene til varmes med pinsett eller klemmer. Holde rengjøring svampen våt under bruk. Alltid tilbake loddebolt til sin stand når den ikke er i bruk. Aldri sette den på workbench. Slå enheten av og koble den når den ikke er i bruk.
1. montering grunnkomponentene
Merk: Figur 3 gir et høyt nivå oversikt over protokollen trinnene.
- For å bygge det Bionic klikkeren MK jeg koble bio-signaler sensor skjoldet til microcontroller og skru EMG kablene på E, M og GND skruen terminalene på skjoldet (se Figur 4). Fortsett til trinn 1.6.
-
For å bygge det MK II, plassere en rad med tre topp pinner i muskel sensoren i den +, - og SIG hull (se figur 5) ovenfra og loddetinn under.
- Bøye hodet pinnene 90 ° med et par plyers halvveis pinnene. Dette plasserer pinnene i riktig posisjon for saken.
- Hvis bruker bortfører indicis muskel som inngang, fortsette til trinn 1.3, hvis ikke gå til trinn 1.4.
-
Fjern kort svart referanse kabelen fra muskel sensoren.
- Klippe tre EMG kabler med en wire kutter å kjøre fra håndleddet til baksiden av hånden. Stripe slutten av tre EMG kabler med en wire stripper.
- Plass strippet slutten av svarte ledningen i R hullet, blå ledningen inn i E-hullet og røde ledningen i M hullet av muskel sensoren (figur 5). Lodding ledningene på plass på undersiden av muskel sensoren. Gå til trinn 1.5.
-
Klippet to elektrode pads til undersiden av muskel sensoren og en elektrode i kontakten av svart referanse kabelen.
- Stick muskel sensoren på valgte muskler med elektroden pads og plasserer svarte referanse elektrode i et passende sted.
-
Cut 8 énkjerners multi-tråd ledninger til lengde og bånd hver ende: 5 kort (7 cm) ledninger å kjøre fra microcontroller kontroll styret (rød, svart, grønn, hvit og blå) og 3 lenger (ca 12 cm men avhengig av håndleddet størrelse) ledninger (rød, svart og grønn) til kjøre fra en side av håndleddet til den andre.
Merk: Hvis plassere muskel sensoren på en annen muskel Kontroller at lengre ledningene går fra muskel sensor området til trådløse microcontroller området.- Plasser ledningene til microcontroller klar for lodding: 2 røde ledninger i 3V hull, 2 svarte ledninger i GND hullet, lang grønn ledningen i A0 hullet, kort blå ledningen inn i 2 hull, lange hvite ledningen inn i 3 hull , en kort grønn ledning inn i 5 hullet. Lodding ledningene på plass på undersiden av microcontroller.
- Loddetinn den andre enden av 3 lang ledningene til 3 hodet kontakter i rekkefølge: rød, svart, grønn. Se figur 5. Hvis ikke bruker bortfører indicis muskelen fortsette til trinn 2.
-
Plass EMG sensor pads på hånden, som vist i figur 6, med to av elektrodene i hver ende av bortfører indicis muskelen og en EMG sensor pute på midten av baksiden av hånden.
- Klipp elektrode putene i kontakt slutten av muskel sensor kabler (trykk passer). De blå og røde elektroder klipp over muskler, svart elektrode klippene på baksiden av hånden.
2. test EMG utgang
- Last ned biblioteket til bio-signaler Shield følgende link14 fra referansedelen. Unzip den og plassere den i mappen for integrert utvikling (IDE)-biblioteker (finnes vanligvis i dokumenter/Arduino/biblioteker). Fortsett til trinn 2.3. Hvis lager det MK II, Fortsett med trinn 2.2.
- Legge til microcontroller styrene IDE, etter instruksjoner15.
- Last 'ThresholdTest.ino' på MK I eller 'BLEThresholdTest.ino' og 'BluefruitConfig.h' for MK II og åpne i IDE-programvaren (tilleggsfiler).
- Koble den bærbare datamaskinen fra strømnettet og så, og bare da, koble mikrokontrolleren til laptop via en USB (Universal Serial Bus)-kabel.
- Laste opp den aktuelle versjonen av terskel test til microcontroller og åpne serielle skjermen (Verktøy > Serial Monitor). Resultatet av EMG vil nå vises.
- Flytt pekefingeren fra side til side og flytte hånden uten å flytte pekefingeren. Skriv ned verdiene i hvert tilfelle.
Merk: Når du bruker det MK II sørge for at kablene ikke flytte som det er svært sensitive for støy generert på denne måten. - Velg en verdi som er over hva er sett når hånden flyttes, men nedenfor hva er sett når fingeren er flyttet fra side til side. Skriv ned verdien.
Merk: Verdien er valgt slik at enheten bare aktiveres av en målrettet bevegelse med fingeren. Dette er utløser terskelverdien, verdien som enheten aktiveres. Muskel sensoren har en gevinst som kan endres manuelt hvis terskelverdien er vanskelig å finne. Elektrodene må erstattes. Hvis bruker bortfører indicis muskelen, angi forsterkningen til minimum som utgangspunkt. Innstillingen gevinst endres av potensiometeret på muskel sensoren preget av gevinst, og dette kan endres av en liten flat-head skrutrekker.
3. test terskel
- Last 'BoomTest.ino' på MK I eller "BLEBoomTest.ino" og BluefruitConfig.h for MK II og åpne den i IDE-programvaren.
- Redigere gitt koden ved å erstatte "PLACE_YOUR_THRESHOLD_TRIGGER_VALUE_HERE" med utløser terskelverdien tidligere fastslått i trinn 2.8. Dette er linje 37 av koden for MK jeg og kodelinje 47 for MK II.
- Laste opp riktig versjon av BoomTest til microcontroller og åpne serielle skjermen (Verktøy > Serial Monitor).
- Flytte hånden rundt (ikke flytting pekefingeren sidelengs); ingenting er sett på den serielle produksjonen.
- Flytte indeksen fingeren fra side til side; ordet "BOOM" vises.
Merk: Hvis "BOOM" vises på feil tidspunkt eller ikke i det hele tatt, kontroller tilkoblinger og gå tilbake til trinn 2.7.
4. 3D utskrift MK II saken
- Hvis lager det MK II, laste ned stl filer for alle 5 komponenter av saken (se figur 7 for alle 5 deler). Skrive ut deler av saken av en foretrukket metode. Fortsett med trinn 5.2. Hvis bygge MK jeg gå videre til 5.
Merk: Saken har vært vellykket trykt av både smeltet deponering modellering16 (FDM) og klima og jordsmonn skrivere17.
5. loddetinn Control Board
Merk: Hvis lager det MK II, Fortsett med trinn 5.2.
-
Plasser en rad med to topp pinner, fem 10 KΩ motstander, en skyvebryteren og to knapp brytere for komponentene som vist i Figur 8A; deretter loddetinn dem på plass på undersiden av styret.
- Bryte kobber sporene strip ombord ved slicing gjennom med craft kniv, etter de grå linjene på Figur 8A. Dette gjør at enkelte spor å ha flere funksjoner over hele linja.
- Skjær 7 ledninger (svart, rød, blå, oransje, hvit, brun og gul) riktig lengde med en wire kutter slik at de går fra underarmen til overarmen (ca 30 cm). Skjær en rød tråd 7 cm, en svart wire 3 cm og en appelsin og en blå ledningen 4 cm.
- Fjerne begge endene av ledningene med en wire stripper.
- Plass ledningene i kontrollen styret, etter koblingsskjemaet som vist i figur 9; lodding ledningene på plass på undersiden.
- Loddetinn lange røde og svarte ledningene til et par topp pins og deretter loddetinn andre lange ledninger til en stripe hodet pins i rekkefølge: blå, oransje, hvit, brunt, gul.
- Lodding 5V og GND pinnene på den trådløse modulen hodet pinnene på kontrollen styret.
- Lodding kort oransje ledningen pinne 2 av modulen trådløs kommunikasjon og korte blå ledningen til pin 3.
-
Sted tre 10 KΩ motstander, en skyvebryteren og to push brytere som vist i Figur 10A og loddetinn dem på plass på undersiden av styret.
- Bryte kobber sporene strip ombord ved slicing gjennom med craft kniv, etter de grå linjene på finne 10A. Dette gjør at sporet til har flere funksjoner på bordet.
- Cut ledninger som tidligere ble loddet til microcontroller med en wire kutter slik at de kan kjøre gjennom midten laget av microcontroller saken til kontrollen styret uten å stoppe saken lukker (Figur 10B).
- Plass ledningene i kontrollen styret, etter koblingsskjemaet (Figur 11). Lodding ledningene på plass. Fortsett med trinn 6.2.
6. Monter klikkeren og oppdatere Microcontroller
- Montere nytt Bionic klikkeren, kobler hodekontakter fra kontrollen styret ledninger til microcontroller og bio-signaler skjerme (5V og GND på MK jeg, pin 22-30 på MKII). Koble batteriet til microcontroller. Se Figur 12. Gå videre til trinn 6.3.
- Nytt samle Bionic klikkeren, koble hodet kontakten fra mikrokontrolleren til muskel sensoren (grønne ledningen til SIG). Se figur 13.
- Koble mikrokontrolleren til datamaskinen via USB-kabel.
- Last ned "BionicClicker.ino" eller "BLEBionicClicker.ino og BluefruitConfig.h og åpne den i IDE-programvaren.
- Rediger koden og erstatte "PLACE_YOUR_THRESHOLD_TRIGGER_VALUE_HERE" med utløser terskelverdien i trinn 2.7 (på linjen 59 i koden for MK I linje 83 av koden for MK II).
Merk: Navnet som MK II enheten vises som når du kobler trådløst kan endres ved å redigere linje 47 av koden. Erstatt 'Bionic klikkeren MK II' med en alternativ tittel. - Koble microcontroller fra den bærbare datamaskinen ved å fjerne USB-kabelen.
7. koble enheten til en datamaskin
- Hvis bruker MK jeg, følg instruksjonene for å koble den trådløse modulen til enheten ved å følge produsentens guide18. Hvis bruker MK II, kobler du til enheten trådløst fremgangsmåten koble et trådløst tastatur til datamaskinen som brukes.
8. test Clicker
-
Åpne noen skrive programvare og angi tekst, for eksempel 'Lorem ipsum dolor sit amet'. Dette gjør presser oppfattes for å teste om disse kommandoene sendes og mottas.
Merk: Hvis batterinivået er lavt enheten kan gi uberegnelige oppførsel. Bruk alltid et nytt batteri.- Trykk manuell frem for å se markøren flytter fremover og manuell bakover-knappen for å se markøren flytter bakover. Øke pekefingeren også fremover.
- For å teste klikkeren med presentasjon programvare, heve pekefingeren fremgang lysbildene.
Merk: Overstyre bryteren slår funksjonen EMG på og av, og manuell fremover og bakover knapper fremgang og retrett lysbildene i begge scenariene.
9. Monter Clicker
Merk: Hvis bygningen MK II går videre til trinn 9.2.
-
Hvis bygge MK jeg kuttet den tosidige krok og loop materiale med saks, slik at den passer komfortabelt rundt håndleddet. Kontroller at løkkene vender innover ikke scratch håndleddet.
- Kutte tosidige kroken og gjenta materiale slik at den sitter godt rundt overarmen, igjen må løkkene ansiktet innover.
- Kutt tosidige krok og loop strimler størrelsen på microcontroller (10 cm x 5 cm) og kontrollen styret (2,5 cm x 6,4 cm). Kuttet en stripe som passer tett rundt batteriet (4 cm x 12 cm).
- Bruker limpistolen, fest loop siden av strimler til bunnen av mikrokontrolleren og bunnen av kontroll.
- Fest kontroll styret i håndleddet. Koble microcontroller og batteri til overarmen stroppen.
- Koble alt: The 9 V-batteriet kobles til microcontroller med PP3 kontakten. Mikrokontroller og e-helse skjoldet koble til kontrollen styret via loddet ledningene.
Merk: MK jeg er nå ferdig.
-
Hvis bygge det MK II, kutte tosidige krok og loop materiale 35 mm bred og lang nok å vikle rundt håndleddet (rundt 22 cm for smalere håndledd).
- Skyv materialet krok og loop gjennom klippene i bunnen av saken. Kontroller at løkkene vender innover ikke scratch håndleddet.
- Koble ledninger som er loddet til microcontroller avslutning i kvinnelige overskriften i mannlige hodet pinnene på muskel sensoren, og klipp elektrodene i EMG kablene skyve dem på.
Merk: Det MK II er nå ferdig. Se figur 14.
Representative Results
The MK II er rimeligere, tilpasses og mindre klumpete enn MK jeg enhet. Hele MK II koster bare litt mer enn bio-signaler skjoldet alene (75 USD). Enheten er betydelig mindre sitter på håndleddet i stedet for armen og trådløse microcontroller kan potensielt samtidig støtter inndata fra 6 muskel sensorer. Funksjonell batterilevetiden på MK jeg enheten bare under en time bruker en 9 V 550 mAh batteri og funksjonelle batteriet livet av MK II enheten (når den brukes som en falle i staver) er rundt 8 timer med et 3,7 V 150 mAh batteri; se tabell 1 for en sammenligning av enhetene.
Det Bionic klikkeren MK II kan ha et problem når den brukes på bortfører indicis: forsterkeren kan mette og ta mer enn et sekund utslipp (se Figur 15). Nøye plassering av elektrodene og riktig å sette gevinst kan løse dette problemet. Dette skjer ikke med det Bionic klikkeren MK jeg eller på andre brukte muskler for EMG.
Mens kalibrering enheter for å finne utløser terskelverdien, kan mange forskjellige verdier observeres. De faller i tre områder: verdiene når hånden er stasjonære, verdiene når hånden er bevegelige og verdiene når fingeren er flyttet. Tabell 2 viser registrerte verdier i hvert område; for stasjonære og hånd flytte områder, de maksimale verdiene vises og fingeren spenner området minimumsverdien er vises. Terskelverdien er valgt å ligge over hånden flytte verdien og under fingeren spenner verdi. Verdien nærmere hånden flytte området øker sjansen for feil og reduserer sjansen for feilaktige negativer, mens en verdi nærmere på fingeren spenner området har motsatt effekt.
Begge enhetene der testet for falske negativer og feilaktige positiver når spenner bortfører indekser muskelen. En falsk negativt ble registrert da enheten ikke utløse en endring av lysbildet på spenner av muskler og en falsk positiv ble spilt inn hvis lysbildet endres når ingen spenner oppstod. Ingen enhet hadde et problem med falske positiver, om MK II enheten opplevd sporadisk falske negative (mindre enn 5% av tiden). MK jeg enheten opplevelser ingen falske positive eller negative under de første 45 minuttene av drift, men antall falske negativer øker raskt til totalt enhetsfeil mellom 50 minutter og en time (se tabell 3).
Disse resultatene viser at enheten lyktes i sine uttalte mål. Tabell 1 viser at det MK II er billigere og har større fleksibilitet enn det MK I. tabell 2 og tabell 3 viser enheten fungerer som planlagt og kan brukes som en EMG-baserte utløser enheten. Figur 15 , viser problemene som kan oppstå hvis bruker bortfører indekser muskelen: Dette er ikke et problem som oppstår med de fleste muskler og kan rettes ved å endre gevinst. Selv om enhetene har noen problemer, er de tilstrekkelig for den tilsiktede bruken.
Figur 1: Bionic klikkeren MK I. Dette viser Bionic klikkeren MK jeg og alle dens komponenter montert på venstre arm. Klikk her for å se en større versjon av dette tallet.
Figur 2: Blokkdiagram enhetene. Hver boks representerer en separat del av enheten. i hver boks er funksjonaliteten delen med som en del av enheten. Klikk her for å se en større versjon av dette tallet.
Figur 3 : Skritt for å bygge enheten. Et dataflytskjema inneholder et høyt nivå oversikt over hvert trinn i protokollen. Klikk her for å se en større versjon av dette tallet.
Figur 4 : Første MK jeg montering. Mikrokontrolleren bio-signaler skjold og elektroden kablene. Klikk her for å se en større versjon av dette tallet.
Figur 5: Første MK II montering. Mikrokontrolleren muskel sensoren og loddet tilkoblinger. Klikk her for å se en større versjon av dette tallet.
Figur 6 : Elektrodeplassering. Denne illustrasjonen viser den riktige plasseringen av elektrodene på hånden ved bortfører indicis. Klikk her for å se en større versjon av dette tallet.
Figur 7 : The MK II tilfellet deler. Delene av MK II saken klart for utskrift i en klima og jordsmonn skriver. Klikk her for å se en større versjon av dette tallet.
Figur 8 : The MK styrer krets. (en) kretskortet ovenfra (grå merker hvor stripe styret hadde kontakter brutt på undersiden). (b) fullført kretskortet. Klikk her for å se en større versjon av dette tallet.
Figur 9 : The MK styrer styret koblingsskjema. Koblingsskjemaet for MK styrer styret viser sammenhenger mellom motstander, brytere og ledninger. Klikk her for å se en større versjon av dette tallet.
Figur 10 : The MK styrer krets. (en) Control Board ovenfra (grått merke der stripe styret hadde kontakt brutt på undersiden). (b) fullført kretskortet Klikk her for å se en større versjon av dette tallet.
Figur 11: The MK II kontroll styret koblingsskjema. Koblingsskjemaet for MK styrer styret viser sammenhenger mellom motstander, brytere og ledninger. Klikk her for å se en større versjon av dette tallet.
Figur 12 : Den sammensatte MK I. Viser alle komponentene i MK jeg enheten før de har blitt montert på armen. Klikk her for å se en større versjon av dette tallet.
Figur 13 : Montering klikkeren MK II. (en) sted mikrokontrolleren i bunnen av saken. (b) Plasser batteriet i midtre del og sett på lokket. (c) sett muskel sensoren i sin sak, og sett på lokket. (d) koble mikrokontrolleren til muskel sensoren og koble batteriet til microcontroller. Klikk her for å se en større versjon av dette tallet.
Figur 14 : Det fullførte Bionic klikkeren MK II. (en) på remmen krok og loop. (b) på håndleddet. Klikk her for å se en større versjon av dette tallet.
Figur 15: Oversaturation av muskel sensoren. Denne illustrasjonen viser hva som skjer når muskel sensoren er overeksponert; platåer er når muskelen aktivisering var for sterk for den gjeldende gevinst-innstillingen på enheten. Klikk her for å se en større versjon av dette tallet.
| MK JEG | MK II | |
| EMG sensor | Generelt Bio-sensor | Dedikert muskel Sensor |
| Trådløs | Egen trådløs modul | Ombord microcontroller |
| EMG trådløst? | nei | ja |
| Batteri | 9 V PP3 | 150 mAh LiPo |
| Levetid | 1 h | 8 h |
| Byggetid | 5 h | 4 h |
| Totale kostnader | $150 | $80 |
| Falske positiver (%) | 0 | 0 |
| Feilaktige negativer (%) | 0 | 4.7 |
Tabell 1: sammenligning av enhetene. Denne tabellen sammenligner flere aspekter av enheter, fra design til funksjonalitet.
| Stasjonære (maksimum) | Hånd Moving (maksimum) | Finger Tensing (minimum) | Grenseverdi | |
| MK JEG | 25 | 35 | 215 | 200 |
| MK II | 40 | 280 | 460 | 400 |
Tabell 2: kalibreringsresultater. Denne tabellen viser verdiene hentes stund holder hånden stasjonære, flytte hånden og finger spenner, i tillegg til terskelverdien valgt.
| Antall falske negative (testet hver 30 s) | Antall falske positiver (spontan aktiveringer) | ||||
| Første 45 min | 45 min - 1t | 1-8 h | Første h | 1-8 h | |
| MK JEG | 0 | 35 | I/T | 0 | I/T |
| MK II | 4 | 1 | 40 | 0 | 0 |
Tabell 3: Testing av enhetene. Sammenligning av falske positiver og feilaktige negativer mellom de to enhetene.
Utdypende kode filer for MK I og MK II:
Klikk her for å laste ned "BionicClicker.ino"
Klikk her for å laste ned "BLEBionicClicker.ino".
Klikk her for å laste ned "BLEBoomTest.ino".
Klikk her for å laste ned "BLEThresholdTest.ino".
Klikk her for å laste ned "BoomTest.ino".
Klikk her for å laste ned "ThresholdTest.ino".
Klikk her for å laste ned "Fjær-Featherbase.stl".
Klikk her for å laste ned "Fjær-Feathermid.stl".
Klikk her for å laste ned "Fjær-Feathertop.stl".
Klikk her for å laste ned "Myo-Myobase.stl".
Klikk her for å laste ned "Myo-Myolid.stl".
Discussion
Metning av MK II når den brukes på bortfører indicis er mindre av et problem enn det kan først virke. Nøye plassering av elektrodene og korrekt få stopper dette blir et problem når enheten brukes som en falle i staver. Med mindre interessert i nøyaktig opptak aktiviteten til bortfører indeksene, er dette usannsynlig å være et problem i det hele tatt. Ingen over metning har blitt sett på noen andre muskler etter gevinst er angitt. Den falske negative med MK II er på grunn av vanskelighetene med å velge riktig terskelverdien når du bruker bortfører indicis. Med større muskler er forskjellen omfanget av ikke-målrettet aktivering av muskler og målrettet spenner av muskel større, slik at valg av en terskel punkt som er lengre fra både falske positive og USANN-negativ poeng. På spesielt små hender kan bortfører indicis muskelen være for lite for elektrodene kan plasseres riktig (men med mindre elektrode pads dette kan potensielt løses).
Betydelig lengre batterilevetid for MK II er nyttig for en rekke årsaker. Først MK jeg enheten begynte å handle seg uberegnelig etter 45 minutters bruk, så den ikke kan brukes for lengre demonstrasjoner. Dernest en flere timers batterilevetid, MK II kan betraktes som en inngang for en nyttig apparat, og med bare en liten økning i fysisk batteristørrelsen, det kan brukes som en heldags overvåking enhet. Trådløs microcontroller har 6 analoge innganger og 13 digitale innganger; Dette betyr at enheten kan godta signaler fra flere muskler sensorer til å opprette en enhet med flere grader av frihet kontroll inndata. Det bør også bemerkes at muskel sensoren kan bli erstattet av en biosensor med en analog produksjon å opprette en enhet som bruker andre biologiske signaler som inndata. Koden for enheten kan også enkelt endres for å endre funksjonaliteten. Endringer i programvaren og maskinvaren i enheten tillater enkle og variert endringer til enheten.
En begrensning av enheten er som det nå står at EMG utdata ikke kan sendes trådløst på en høy datahastighet som dette kan overbelaste trådløse microcontroller bufferen. En annen begrensning er at teknikken bruker bortfører indekser som inndata, og muskelen er svært liten, avstanden mellom elektrodene på hånd nesten overlapper; Hvis noen har spesielt små hender, kan det være umulig å plassere elektrodene riktig over denne muskelen.
Enheten har flere fordeler over dyrere enhetene når det gjelder fleksibilitet i potensielle forskningsprosjekter. Det er lav: enheten koster 80 dollar og ekstra EMG kanaler bare koster 35 USD, gjør den ideell for mindre eller studentprosjekter. Det er enkelt å tilpasse programvaren enkelt kan redigeres og innganger endret for annen hardware. Den har en liten størrelse, så en person på seg det ikke trenger å bære tunge eller voluminøse utstyr. Det vises også som et trådløst tastatur til andre enheter, slik at det enkelt kan integreres med en kompatibel trådløs enhet. Enheten er allerede lagt inn en hjelpeenhet som publiseres i nær fremtid.
På grunn av størrelsen og enkel tilpasning av MK II vurderes allerede for inkorporering flere forskningsprosjekter som en trådløs EMG modul og en trådløs trigger-mekanismen. Det er også brukt som grunnlag for en av lab-økter på en master student kurs. Den største forbedringen vi ønsker å gjøre enheten er å øke trådløse overføringshastigheten; målet er å oppnå 10 Hz, og om det vil skje gjennom maskinvare eller programvare er ennå skal fastsettes.
De viktigste trinnene i protokollen er trinn 2.6 og 2.7: valg av utløse terskelverdien. I trinn 2.6 må spesiell oppmerksomhet betales til bevegelsen av EMG kabler, dette kan fungere som antenne og generere bevegelse bruksgjenstander. men hvis disse er holdt stasjonære er dette ikke et problem. I trinn 2.7, hvis den valgte verdien er for høy, resulterer dette i feilaktige negativer. Hvis denne verdien er for lav, resulterer dette i falske positiver. Ved bortfører indicis er det svært vanskelig å finne en verdi som ikke fører til sporadisk falske negative, men med større muskler dette ikke synes å være et problem. Om å finne den riktige verdien er fortsatt et problem, kan gevinst rettes ved at det til minimumsverdien og øke det til en stor forskjell mellom ikke-aktivisering og aktivisering er sett gjennom den serielle avlesning, med verdiene opphold under poenget med metning.
Samlet det MK II er en betydelig forbedring i MK jeg som en potensiell forskning enhet, men fordi MK har en sterkere visuell effekt, er det sannsynlig å fortsatt være brukt i fremtiden offentlig engasjement hendelser.
Disclosures
Forfatterne ikke avsløre.
Acknowledgments
Prosjektet er finansiert av Engineering og Physical Sciences Research Council EPSRC (EP/K503745/1), National Institute for Health Research (NIHR) biomedisinsk forskning sentrum (BRC) (BRC272/HI/JG/101440) og UCL endrer Maker.
Materials
| Name | Company | Catalog Number | Comments |
| For the Mark I | |||
| Equipment | |||
| Laptop | Any laptop with USB | ||
| USB B cable | From laptop to USB-B connection on Arduino | ||
| Soldering Station | |||
| Solder | |||
| Hot glue gun | |||
| Hot glue gun glue | |||
| Items | |||
| Small Single-Core Multi-thread Wires | Black, Red, Yellow, Brown, Orange White, Blue, | ||
| Arduino MEGA 2560 | Arduino | Arduino MEGA 2560 | (Geniuno MEGA 2560 outside US) |
| E-Health Shield v2.0 | Cooking Hacks | e-Health Sensor Shield V2.0 for Arduino, Raspberry Pi and Intel Galileo [Biometric / Medical Applications] | |
| EMG cables | Cooking Hacks | Electromyography Sensor (EMG) for e-Health Platform [Biometric / Medical Applications] | |
| EMG Electrodes | Sparkfun | SEN-12969 | |
| 9V battery | Any | ||
| Power cable | PP3 9v connector with jack | ||
| Bluefruit EZ-KEY HID | Adafruit | 1535 | |
| strip board | Amazon.co.uk | Small Stripboard 25 X 64mm Pack of 3 | any similiar stripboard 2.54mm pitch 7x25 |
| push button switch | COM-00097 | ||
| slide switch | amazon.com | 20 Pcs On/Off/On DPDT 2P2T 6 Pin Vertical DIP Slide Switch 9x4x3.5mm | |
| resistors | COM-11508 | ||
| Double sided Velcro | |||
| Break Away Headers - Straight | Sparkfun | PRT-00116 | 2, 2 and 5 needed |
| For the Mark II | |||
| Equipment | |||
| Laptop | Any laptop with USB connection | ||
| USB micro cable | From laptop to USB micro (standard phone connector style) | ||
| Soldering Station | Any | ||
| Solder | |||
| Items | |||
| Small Single-Core Multi-thread Wires | Black, Red, Green, White, Blue, | ||
| Feather BLE 32U4 | Adafruit | 2829 | |
| MyoWare | Sparkfun | SEN-13723 | |
| EMG cables | Sparkfun | CAB-12970 | |
| EMG electrodes | Sparkfun | SEN-12969 | |
| 3.7 V LiPo | Adafruit | 1317 | |
| Strip Board | amazon.co.uk | Small Stripboard 25 X 64mm Pack of 3 | 2.54 pitch 7x9 rows |
| Push Button switch | COM-00097 | ||
| slide switch | amazon.com | 20 Pcs On/Off/On DPDT 2P2T 6 Pin Vertical DIP Slide Switch 9x4x3.5mm | |
| resistors | COM-11508 | ||
| 3D printed parts | Can be 3D printed yourself or printed from a website | ||
| Double sided Velcro | |||
| Break Away Headers - Straight | Sparkfun | PRT-00116 | 3 pins needed |
| Female Headers | sparkfun | PRT-00115 | 3 pins needed |
References
- Navarro, X., Krueger, T. B., Lago, N., Micera, S., Stieglitz, T., Dario, P. A critical review of interfaces with the peripheral nervous system for the control of neuroprostheses and hybrid bionic systems. J Periph Nerv Syst. 10 (3), 229-258 (2005).
- Yang, D. P., et al. An anthropomorphic robot hand developed based on underactuated mechanism and controlled by EMG signals. J Bionic Eng. 6 (3), 255-263 (2009).
- Chu, J. U., Moon, I., Lee, Y. J., Kim, S. K., Mun, M. S. A supervised feature-projection-based real-time EMG pattern recognition for multifunction myoelectric hand control. IEEE/ASME Trans Mechatronics. 12 (12), 282-290 (2007).
- Bitzer, S., Van Der Smagt, P. Learning EMG control of a robotic hand: towards active prostheses. Proceedings 2006 IEEE International Conference on Robotics and Automation. , Orlando, Florida. (2006).
- Cipriani, C., Zaccone, F., Micera, S., Carrozza, M. C. On the shared control of an EMG-controlled prosthetic hand: analysis of user-prosthesis interaction. IEEE Trans Rob. 24 (1), 170-184 (2008).
- Tenore, F., Ramos, A., Fahmy, A., Acharya, S., Etienne-Cummings, R., Thakor, N. V. Towards the control of individual fingers of a prosthetic hand using surface EMG signals. IEEE EMBS. 2007, 6145-6148 (2007).
- Reinvee, M., Pääsuke, M. Overview of Contemporary Low-cost sEMG Hardware for Applications in Human Factors and Ergonomics. In Proc Hum Fact Ergon Soc Annu Meet. 60 (1), 408-412 (2016).
- George, P. K., Minas, V. L., Agisilaos, G. Z., Christoforos, I. M., Kostas, J. K. Open-Source, Anthropomorphic, Underactuated Robot Hands with a Selectively Lockable Differential Mechanism: Towards Affordable Prostheses. 2015 IEEE/RSJ International Conference of Intelligent Robots and Systems. , Hamburg. (2015).
- Agisilaos, G. Z., Minas, V. L., Christoforos, I. M., Kostas, J. K. Open-Source, Affordable, Modular, Light-Weight, Underactuated Robot Hands. IEEE/RSJ International Conference of Intelligent Robots and Systems. , Chicago, Illinois. (2014).
- Minas, V. L., Agisilaos, G. Z., Melina, N. B., Kostas, J. K. Open-Source, Low-Cost, Compliant, Modular, Underactuated Fingers: Towards Affordable Prostheses for Partial Hand Amputations. 2014 36th Annual International Conference of the IEEE Engineering in Medicine and Biology Society. , Chicago, Illinois. (2014).
- Engaging the senses: object-based learning in higher education. Chatterjee, H. J., Hannan, L. , Ashgate Publishing, Ltd. (2015).
- Zainee, N. M., Chellappan, K. Emergency clinic multi-sensor continuous monitoring prototype using e-Health platform. 2014 IEEE Conference on Biomedical Engineering and Sciences (IECBES). , Kuala Lumpur. (2014).
- Paul, P., Motskin, M. Engaging the Public with Your Research. Trends Immunol. 37 (4), 268-271 (2016).
- e-Health Sensor Platform V2.0 for Arduino and Raspberry Pi. , Available from: https://www.cooking-hacks.com/documentation/tutorials/ehealth-biometric-sensor-platform-arduino-raspberry-pi-medical#step3_1 (2017).
- Arduino IDE Setup. , Available from: https://learn.adafruit.com/add-boards-arduino-v164/setup (2017).
- Ultimaker 2+. , Available from: https://ultimaker.com/en/products/ultimaker-2-plus (2017).
- Form 2. , Available from: https://formlabs.com/3d-printers/form-2/ (2017).
- Pairing to Bluefruit. , Available from: https://learn.adafruit.com/introducing-bluefruit-ez-key-diy-bluetooth-hid-keyboard/pairing-to-bluefruit (2017).
