Summary
Een apparaat is gemaakt om aan te tonen van elektromyografie gebaseerde controle voor een vast publiek. Na het succes van het eerste apparaat, werd een tweede apparaat gemaakt met meer flexibiliteit met functionaliteit voor demonstratie- en onderzoeksdoeleinden. Dit protocol beschrijft het proces van opbouw en kalibreren van beide apparaten.
Abstract
In dit manuscript, presenteren we twee 'Bionic Clicker' systemen, de eerste die zijn ontworpen om aan te tonen van elektromyografie (EMG) gebaseerde controlesystemen voor educatieve doeleinden en de tweede voor onderzoeksdoeleinden. EMG gebaseerd controle systemen elektrische signalen gegenereerd door spier activatie halen en gebruiken deze als input voor controllers. EMG controllers worden veel gebruikt in protheses tot controle ledematen.
Het merk ik (MK ik) clicker kan de drager aan het wijzigen van de dia van een presentatie door het verhogen van hun wijsvinger. Het is gebouwd rond een microcontroller en een bio-signalen schild. Het gegenereerde een heleboel belangstelling van zowel de publieke en de onderzoekswereld.
De Mark II (MK II) apparaat hier gepresenteerd is ontworpen als een goedkoper, slanker en beter aanpasbaar systeem dat eenvoudig kan worden aangepast en EMG gegevens direct te verzenden. Het is gebouwd met behulp van een draadloze staat microcontroller- en de sensor van een spier.
Introduction
De Aspire centrum voor revalidatie Engineering en ondersteunende technologie onderzoekt technieken die zijn van toepassing en overdraagbaar tussen verschillende domeinen in aanverwante gebieden van belang, met inbegrip van maar niet beperkt tot, beroerte, spierdystrofie, amputatie, de vergrijzing van de bevolking en de opleiding van gespecialiseerde vaardigheden. Een is onderzoek dat het centrum deelneemt neuroprosthesis. Van de vele technieken gebruikt voor het beheren van neuroprosthetic wapens, is EMG één van de meest voorkomende ingangen voor de controle systemen1,2,3,4,5,6. Dit is in een groot deel te wijten aan het gemak van gebruik en betaalbaarheid in vergelijking met andere controle systemen7. Recent ontwikkelde 3D-gedrukte prothesen zoals de Ada hand kan slechts 1.000 USD kosten bij het gebruik van dit soort controle8,9,10. Echter, wanneer het proberen om aan te tonen van dergelijke systemen aan het publiek er is geen gemakkelijke manier doen zonder de hulp van een geamputeerde.
Om het bewustzijn van de onderzoeksactiviteiten op dit gebied aan de leden van het publiek, werd een bionic clicker demo model ontwikkeld. Het is zeer belangrijk te gebruiken objecten gebaseerde demonstratie als het trekt de aandacht en versnelt het leren en begrip van het onderwerp11onderwezen. Onze apparaat helpt niet alleen om te leren van het concept van EMG, maar ook de kennis van de huidige ontwikkeling van moderne technologieën te vergroten. Bovendien inspireert het jongere generaties om te kiezen van studie binnen de gebieden van wetenschap, technologie, techniek en wiskunde (STEM).
De Bionic Clicker MK ik is gemaakt met behulp van onderdelen die gemakkelijk verkrijgbaar die reeds in gebruik zijn in het lab. Het bestond uit een microcontroller, een bio-signalen schild12, elektroden, een controle van bestuur, een bestuur van draadloze communicatie en een 9 V batterij. Het apparaat functioneerde door het oppakken van de activiteit van de abductor indicis spier gelegen tussen de wijsvinger en de duim. Er wordt een dia wijzigen gegenereerd door het nabootsen van een toetsenbord en een 'juiste ToetsIndrukken (KeyPress)' te verzenden wanneer een tevoren ingestelde drempel werd bereikt. De control board toegestaan voor het handmatig verzenden van de 'juiste' en 'links' toetsaanslagen (vooruitgang dia's en retraite dia's) en kan ook worden gebruikt om het overschrijven van de EMG input als dingen misgegaan tijdens een live demonstratie.
Als onderdeel van de Medical Physics and Biomedical Engineering afdeling betrokkenheid van het publiek activiteiten toonden we de Bionic Clicker aan leden van het publiek. Het kreeg een enthousiaste reactie van het publiek en interesse in het starten van verschillende samenwerkingen gegenereerd. Na het succes van het eerste apparaat is een tweede versie van het apparaat ontworpen.
Het doel voor het ontwerp van het tweede apparaat was voor de productie van een apparaat dat goedkoper, minder omslachtig en beter aanpasbaar dan het eerste apparaat was. Het doel van dit apparaat was het ontwerpen van iets dat gemakkelijk kan worden gewijzigd voor studentenprojecten en goedkoop in bestaande projecten worden opgenomen. Het belangrijkste voordeel van dit apparaat over anderen beschikbaar1,2,3,4,5,6 het gebruiksgemak is gebruiken, kleine grootte en lage kosten. Hoewel de bionic clicker apparaten niet de resolutie van de andere onderzoek-apparaten, zoals trigger apparaten wellicht, zijn ze meer dan goed genoeg. De MK II zou een ideale basis voor elk systeem dat gebruikmaakt van een EMG-drempel te leiden tot een apparaat, zoals een prothetische controller of ondersteunende apparaat.
Het ontwerp was gebaseerd op een draadloos geschikte microcontroller en een spier-sensor. Het omvatte ook een 3,7 V 150 mAh lithium-polymeerbatterij, een handmatige bediening van bestuur en een 3D-gedrukte case. Figuur 3 geeft een overzicht van de verschillen tussen de modellen. De MK II-ontwerp heeft dezelfde basis functionaliteit als het oorspronkelijke apparaat maar heeft aanzienlijk meer potentiële functionaliteit voor nieuwe toepassingen zoals draadloze EMG monitoring.
Protocol
Het protocol volgt de richtsnoeren van de University College London menselijke onderzoek ethisch comité.
Let op: Dit protocol bevat een elektrische gevaren en een gevaar voor branden (soldeerbout); Lees beide voordat u probeert dit protocol. Dit protocol omvat aansluiten van een apparaat voor de huid. Zorg ervoor dat op geen enkel moment er een pad tussen de huid en elektriciteit lichtnet. Raak nooit het element van de soldeerbout. Houd draden worden verwarmd met pincet of klemmen. Houd de schoonmaak spons nat tijdens het gebruik. Altijd terugkeren de soldeerbout in haar stand wanneer niet in gebruik. Nooit zet het neer op de werkbank. Eenheid uit te schakelen, en haal het wanneer niet in gebruik.
1. montage van de basiscomponenten
Let op: Afbeelding 3 geeft een overzicht van de stappen van het protocol.
- Om te bouwen van de Bionic Clicker MK I, steek het schild van de sensor bio-signalen in de microcontroller en schroef de EMG kabels in de E, M en GND schroefaansluiting van het schild (Zie Figuur 4). Blijven stap 1.6.
-
Plaatsen om te bouwen de MK II, een rij van drie kop spelden in de spier-sensor in de +, - en SIG gaten (Zie Figuur 5) van bovenaf, soldeer onder.
- Buig de kop pinnen 90 ° met een paar plyers halverwege de pinnen. Dit plaatst de pinnen in de juiste positie voor het geval.
- Als met behulp van de abductor indicis spier als invoer, blijven stap 1.3, zo niet verplaatsen naar stap 1.4.
-
Verwijder de korte zwarte verwijzing-kabel van de sensor van de spier.
- Snijd de drie EMG kabels met een draadknipper te lopen vanaf de pols aan de achterkant van de hand. Strip de uiteinde van de drie EMG kabels met een draad-stripper.
- Plaats het gestripte einde van de zwarte draad in de R-gat, de blauwe draad in de E-gat en de rode draad in het gat van de M van de spier sensor (Figuur 5). Soldeer de draden in plaats aan de onderzijde van de spier-sensor. Verplaats naar stap 1.5.
-
Clip twee elektrode pads in de onderkant van de spier-sensor en een elektrode in de stekker van de kabel van de zwarten.
- De sensor van de spier op de geselecteerde spier met de elektrode pads stick en plaats de zwarte referentie-elektrode in een geschikte plaats.
-
8 single core multi-draad draden op lengte gesneden en strippen van elk uiteinde: 5 korte (7 cm) draden te lopen vanaf de microcontroller de control board (rood, zwart, groen, wit en blauw) en 3 langer (ongeveer 12 cm maar afhankelijk van de grootte van de pols) draden (rood, zwart en groen) aan uitvoeren vanaf één zijde van de pols naar de andere.
Opmerking: Als de sensor van de spier te plaatsen op een verschillende spier ervoor zorgen dat de langere draden zal lopen de spier sensor site naar de site van draadloze microcontroller.- Plaats de draden in de microcontroller klaar voor het solderen: 2 rode draden in de 3V holes, 2 zwarte draden in het gat van de GND de lange groene draad in het gat van A0, de korte blauwe draad in de 2 gat, de lange witte draad in de 3 holes , en de korte groene draad in de 5 gat. Soldeer de draden in plaats aan de onderzijde van de microcontroller.
- Soldeer het andere uiteinde van de 3 lange draden aan 3 kop sockets in de volgorde: rood, zwart, groen. Zie Figuur 5. Als niet met behulp van de abductor indicis spier gaan verder met stap 2.
-
Plaats de EMG sensor pads op de hand, zoals aangegeven in Figuur 6, met twee van de elektroden aan weerszijden van de abductor indicis spier en een EMG sensor pad op het midden van de rug van de hand.
- Clip van de elektrode-pads in het uiteinde van de verbindingslijn van de spier sensor (push fit). De blauwe en rode elektroden clip boven de spier, de zwarte elektrode clips op de rug van de hand.
2. test EMG Output
- Download de bibliotheek voor het schild van de bio-signalen na de koppeling14 uit de verwijzing sectie. Unzip het en plaats deze in de IDE (Integrated Development) Bibliotheken map (meestal gevonden in documenten/Arduino/bibliotheken). Ga verder met stap 2.3. Als het opbouwen van de MK II, gaat u verder met stap 2.2.
- De microcontroller borden aan de IDE, na de instructies15toevoegen.
- Download van 'ThresholdTest.ino' voor de MK I of 'BLEThresholdTest.ino' en 'BluefruitConfig.h' voor de MK II en open in de IDE software (aanvullende bestanden).
- Koppel de laptop uit het stopcontact en dan, en alleen dan, steek de microcontroller in de laptop via een universele seriële Bus (USB) kabel.
- Uploaden van de desbetreffende versie van de test van de drempel naar de microcontroller en open vervolgens de seriële monitor (Tools > seriële Monitor). De output van het EMG worden nu getoond.
- De wijsvinger van links naar rechts verplaatsen en de hand rond te bewegen zonder het verplaatsen van de wijsvinger. Noteer de waarden die worden weergegeven in elk geval.
Opmerking: Wanneer de MK II gebruikt zorg ervoor dat de kabels niet verplaatst als het is uiterst gevoelig voor ruis gegenereerd op deze manier. - Selecteer een waarde die is boven wat is zichtbaar wanneer de hand wordt verplaatst, maar hieronder wat wordt gezien als de vinger van links naar rechts wordt verplaatst. Schrijf deze waarde.
Opmerking: De waarde is geselecteerd, zodat het apparaat zal alleen worden geactiveerd door een doelgerichte beweging van de vinger. Dit is de drempelwaarde voor de Trigger, de waarde waartegen het apparaat zal worden geactiveerd. De sensor van de spier heeft een instelling van de winst die handmatig kan worden gewijzigd als de drempelwaarde moeilijk is te vinden. De elektroden wellicht worden vervangen. Als de abductor indicis spier gebruikt, stelt u de winst tot minimum als uitgangspunt. De instelling van de winst wordt veranderd door de potentiometer op de sensor van de spier gemarkeerd door winst, en dit kan veranderd worden door een kleine flat-hoofd schroevendraaier.
3. test drempel
- Download van 'BoomTest.ino' voor de MK I of 'BLEBoomTest.ino' en BluefruitConfig.h voor de MK II en open het in de IDE software.
- De verstrekte code bewerken door vervanging van 'PLACE_YOUR_THRESHOLD_TRIGGER_VALUE_HERE' met de drempelwaarde voor de Trigger eerder vastgesteld in stap 2.8. Dit is lijn 37 van de code voor de MK I en lijn 47 van de code voor de MK II.
- Uploaden van de juiste versie van BoomTest naar de microcontroller en open vervolgens de seriële monitor (Tools > seriële Monitor).
- Verplaatsen van de hand rond de (niet verplaatsen de wijsvinger van links naar rechts); niets is gezien op de seriële uitgang.
- Verplaatsen van de wijsvinger van links naar rechts; het woord 'BOOM' wordt weergegeven.
Opmerking: Als 'BOOM' wordt weergegeven op het verkeerde moment of helemaal niet, Controleer de aansluitingen en teruggaan naar stap 2.7.
4. 3D Print het geval MK II
- Als het opbouwen van de MK II, downloaden de stl-bestanden voor alle 5 onderdelen van het geval (Zie Figuur 7 voor alle 5 onderdelen). Afdrukken de delen van het geval door enige voorkeur. Ga verder met stap 5.2. Als gebouw de MK I, beweegt zich op punt 5.
Opmerking: Het geval is met succes gedrukt door beide gesmolten afzetting modellering16 (FDM) en fotolithografie printers17.
5. de Control Board solder
Opmerking: Als het opbouwen van de MK II, gaat u verder met stap 5.2.
-
Plaats een rij van twee kop pins, vijf 10 KΩ weerstanden, een glijdende schakelaar en twee schakelaars van de drukknop voor de onderdelen zoals aangegeven in Figuur 8A; vervolgens soldeer hen in plaats op de onderkant van het bord.
- Breek de koperen nummers op het bord van de strook door snijden door met een mes van de ambachtelijke, na de lichtgrijze lijnen op Figuur 8A. Dit zorgt voor individuele tracks meerdere functies hebben over de hele linie.
- Knip 7 draden (zwart, rood, blauw, oranje, wit, bruin en geel) voor de juiste lengte met een draadknipper zodat ze van de onderarm naar de bovenarm (ongeveer 30 cm loopt). Snijd een rode draad van 7 cm, een zwarte draad van 3 cm en een sinaasappel en een blauwe draad van 4 cm.
- Strip de beide uiteinden van de draden met een draad-stripper.
- Plaats de draden in de control board, na het circuit diagram weergegeven in Figuur 9; Soldeer de draden in plaats aan de onderzijde.
- Soldeer de lange rode en zwarte draden aan een paar header pinnen en vervolgens soldeer de andere lange draden naar een strook van kop spelden in de volgorde: blauw, oranje, wit, bruin, geel.
- Soldeer de 5V en GND pinnen van de draadloze module op de kop pinnen op de control board.
- Soldeer de korte oranje draad naar pin 2 van de draadloze communicatie-module en de korte blauwe draad aan op pin 3.
-
Plaats drie 10 KΩ weerstanden, een glijdende schakelaar en twee push button switches zoals weergegeven in Figuur 10A en soldeer hen naar de plaats op de onderkant van het bord.
- Breek de koperen nummers op het bord van de strip door snijden door met een mes van de ambachtelijke, de lichtgrijze lijnen naar aanleiding figuur 10A. Dit zorgt voor het nummer dat meerdere functies op het bord.
- Knip de draden die eerder werden gesoldeerd aan de microcontroller met een draadknipper zodat ze via de mid laag van de microcontroller zaak naar de control board uitvoeren kunnen zonder te stoppen het geval uit sluiten (Figuur 10B).
- Plaats de draden in de control board, na het schakeldiagram (Figuur 11). Soldeer de draden in plaats. Ga verder met stap 6.2.
6. monteren van de Clicker en bijwerken van de Microcontroller
- Opnieuw assembleren de Bionic Clicker, de kop connectors aansluiten van het besturingselement bestuur draden aan de microcontroller en bio-signalen schild (5V en GND op de MK I, 22-30 pin op de MKII). Sluit de accu aan de microcontroller. Zie Figuur 12. Gaan naar stap 6.3.
- Opnieuw assembleren de Bionic Clicker, de kop-connector van de microcontroller verbinden met de sensor van de spier (groene draad aan SIG). Zie Figuur 13.
- De microcontroller aansluiten op de laptop via USB-kabel.
- Downloaden van de 'BionicClicker.ino' of ' BLEBionicClicker.ino en BluefruitConfig.h en open het in de IDE software.
- Bewerken van de code en 'PLACE_YOUR_THRESHOLD_TRIGGER_VALUE_HERE' vervangen door de drempelwaarde voor de Trigger bepaald in stap 2.7 (op lijn 59 van het wetboek voor de MK I, lijn 83 van het wetboek voor de MK II).
Opmerking: De naam die de MK II-apparaat verschijnt als wanneer verbinding via wireless kan worden gewijzigd door het bewerken van de lijn 47 van de code. 'Bionic Clicker MK II' wordt vervangen door een andere titel. - De microcontroller verbreken met de laptop door het verwijderen van de USB-kabel.
7. Sluit het apparaat aan op een Computer
- Als met behulp van de MK I, volg de instructies om de draadloze module aan het apparaat koppelen door het volgen van de fabrikant gids18. Als de MK II gebruikt, sluit aan op het apparaat draadloos na de procedure voor het aansluiten van een draadloos toetsenbord op de computer wordt gebruikt.
8. de test van de Clicker
-
Sommige typen software open en voer wat tekst, zoals 'Lorem ipsum dolor sit amet'. Hierdoor kan het persen worden waargenomen om te testen of deze opdrachten worden verzonden en ontvangen.
Opmerking: Als de batterij laag is het apparaat kan geven grillig gedrag; Gebruik altijd een verse accu.- Druk op de knop handmatig doorsturen om te zien de cursor verplaatsen naar voren en de handleiding achteruit knop om te zien de cursor naar achteren bewegen. Verhogen van de wijsvinger ook om vooruit te gaan.
- Om te testen de clicker met de presentatiesoftware, de wijsvinger om de dia's te verhogen.
Opmerking: De override-schakelaar schakelt de EMG-functie aan en uit, en de handleiding vooruit en achteruit knoppen vooruitgang en het terugtrekken van de dia's in beide scenario's.
9. Monteer de Clicker
Opmerking: Als het bouwen van de MK II verplaatsen naar stap 9.2.
-
Als het bouwen van de MK I, snijd de dubbelzijdige haak en lus van materiaal met een schaar, zodat deze comfortabel om de pols past. Zorg ervoor dat de lussen om niet krabben van de pols naar binnen staan.
- Snij de ' double-sided haak en lus materiaal zodat deze past comfortabel rond de bovenarm, nogmaals Zorg ervoor dat de lussen gezicht naar binnen.
- Snijd de ' double-sided haak en lus strips aan de grootte van de microcontroller (10 x 5 cm) en de control board (2,5 x 6,4 cm). Knip een strook die strak rond de batterij (4 x 12 cm passen zal).
- Met behulp van het lijmpistool, lijm de kant van de lus van de strips aan de onderkant van de microcontroller en de onderkant van de control board.
- Sluit de control board aan de polsriem. Bevestig de microcontroller en de batterij aan de bovenarm-band.
- Sluit alles: de 9 V batterij stekkers in de microcontroller met de PP3-connector. De microcontroller en e-health shield sluit aan op de control board via de draden gesoldeerd.
Opmerking: De MK ik is nu klaar.
-
Als het opbouwen van de MK II, gesneden dubbelzijdige haak en lus materiaal 35 mm breed en lang genoeg om te wikkelen rond de pols (ongeveer 22 cm voor kleinere polsen).
- Schuif de haak en lus materiaal via de clips op de onderkant van de behuizing. Zorg ervoor dat de lussen naar binnen worden geconfronteerd om geen krassen op de pols.
- Sluit de draden gesoldeerd aan de microcontroller beëindigen in de vrouwelijke header in de mannelijke kop pinnen op de sensor van de spier en clip de elektroden in de EMG-kabels door het duwen van hen op.
Opmerking: De MK II is nu voltooid. Zie Figuur 14.
Representative Results
De MK II is meer betaalbare, aanpasbare en minder hinderlijk dan de MK ik apparaat. De gehele die MK II slechts iets kost meer dan het bio-signalen schild alleen (75 USD). Het apparaat is aanzienlijk kleiner zittend op de pols in plaats van de arm en de draadloze microcontroller ingangen uit 6 sensoren van de spier mogelijk gelijktijdig kunnen ondersteunen. De functionele levensduur van de MK ik apparaat is iets minder dan een uur met behulp van een 9 V 550 mAhbatterij en de functionele levensduur van het apparaat van de MK II (wanneer gebruikt als een clicker) is ongeveer 8 uur met een 3,7 V 150 mAhbatterij; Zie tabel 1 voor een vergelijking van de apparaten.
De Bionic Clicker MK II een probleem wanneer gebruikt op de abductor indicis kan hebben: de versterker kunt verzadigen en nemen meer dan een seconde te vervullen (Zie Figuur 15). Zorgvuldige plaatsing van de elektroden en correct instellen van de winst, dit probleem kan verhelpen. Dit gebeurt niet met de Bionic Clicker MK ik of op een andere veelgebruikte spieren van EMG.
Terwijl het kalibreren van de apparaten te vinden de drempelwaarde voor de Trigger, kunnen veel verschillende waarden worden waargenomen. Ze vallen in drie bereiken: de waarden wanneer de hand stilstaat, de waarden wanneer de hand in beweging is, en de waarden als de vinger wordt verplaatst. Tabel 2 toont opgenomen waarden in elk bereik; voor de stationaire en de hand bewegen bereiken, de maximale waarden worden weergegeven en voor de vinger spannen bereik de minimale waarde wordt weergegeven. De drempelwaarde is geselecteerd te liggen boven de hand bewegen van waarde en onder de vinger spannen van waarde. Een waarde dichter bij de hand bereik verplaatsen verhoogt de kans op vals positief en vermindert de kans op valse negatieven, terwijl een waarde dichter aan de vinger spannen bereik het tegenovergestelde effect heeft.
Beide apparaten waar getest op valse negatieven en valse positieven, wanneer de abductor indexcijfers spier te spannen. Een valse negatief is opgenomen toen het apparaat niet leiden een verandering van de dia tot deed op het spannen van de spieren en een vals positief werd opgenomen als de dia gewijzigd toen geen spannen zich voordeed. Noch apparaat had een probleem met valse positieven, hoewel de MK II-apparaat het af en toe vals negatief (minder dan 5% van de tijd ervaren). De MK ik apparaat ervaringen geen valse positieven en negatieven tijdens de eerste 45 minuten van operatie, hoewel het aantal valse stijgt snel tot totale apparaatfout à een uur en 50 minuten negatieven (Zie tabel 3).
Deze resultaten tonen aan dat het apparaat is geslaagd in haar doelstellingen. Tabel 1 laat zien dat de MK II goedkoper is en meer flexibiliteit dan de MK I. tabel 2 en tabel 3 blijkt heeft dat het apparaat fungeert als bedoeld en kunnen worden gebruikt als een trigger EMG gebaseerde apparaat. Figuur 15 toont de problemen die optreden kunnen als de abductor indexcijfers spier gebruikt: dit is niet een probleem dat optreedt bij de meeste spieren en kan worden opgelost door het wijzigen van de winst. Hoewel de apparaten sommige kwesties hebben, zijn ze voldoende zijn voor het beoogde gebruik.
Figuur 1: De Bionic Clicker MK I. Dit toont de Bionic Clicker MK I en al zijn componenten gemonteerd op de linkerarm. Klik hier voor een grotere versie van dit cijfer.
Figuur 2: Blokdiagram van de apparaten. Elk vak geeft een aparte sectie van het apparaat; binnen elk vak is de functionaliteit die sectie als onderdeel van het apparaat heeft. Klik hier voor een grotere versie van dit cijfer.
Figuur 3 : Stappen om te bouwen van het apparaat. Een stroomschema met een overzicht van elke stap van het protocol. Klik hier voor een grotere versie van dit cijfer.
Figuur 4 : Eerste MK ik vergadering. Microcontroller met de bio-signalen schild en elektrode kabels. Klik hier voor een grotere versie van dit cijfer.
Figuur 5: Eerste MK II vergadering. Microcontroller met de sensor van de spier en gesoldeerde verbindingen. Klik hier voor een grotere versie van dit cijfer.
Figuur 6 : Plaatsing van de elektrode. Deze afbeelding laat de juiste plaatsing van de elektroden op de hand bij het gebruik van de abductor indicis. Klik hier voor een grotere versie van dit cijfer.
Figuur 7 : De MK II geval delen. De onderdelen van het klaar om te worden afgedrukt op een printer fotolithografie MK II-geval. Klik hier voor een grotere versie van dit cijfer.
Figuur 8 : De MK ik controle circuit. (een) printplaat above (grijze merken waar de strip van bestuur had contacten gebroken aan de onderzijde). (b) voltooid printplaat. Klik hier voor een grotere versie van dit cijfer.
Figuur 9 : De MK ik controle bestuur schakeldiagram. Het circuit diagram voor de MK mij zeggenschap Raad weergegeven: de verbindingen tussen de weerstanden, schakelaars en draden. Klik hier voor een grotere versie van dit cijfer.
Figuur 10 : De MK ik controle circuit. (een) Control Board above (grijze mark waar de strip van bestuur had contact verbroken op de onderkant). (b) voltooid printplaat Klik hier voor een grotere versie van dit cijfer.
Figuur 11: The MK II control board schakeldiagram. Het circuit diagram voor de MK mij zeggenschap Raad weergegeven: de verbindingen tussen de weerstanden, schakelaars en draden. Klik hier voor een grotere versie van dit cijfer.
Figuur 12 : De geassembleerde MK I. Dit toont alle componenten van de MK ik apparaat voordat ze zijn gemonteerd op de arm. Klik hier voor een grotere versie van dit cijfer.
Figuur 13 : Montage van de Clicker MK II. (een) plaats de microcontroller in de onderkant van de behuizing. (b) plaats de batterij in de middensectie en zet op de deksel. (c) de sensor van de spier plaats in haar zaak en zet op de deksel. (d) de microcontroller verbinden met de sensor van de spier en sluit de accu aan de microcontroller. Klik hier voor een grotere versie van dit cijfer.
Figuur 14 : De voltooide Bionic Clicker MK II. (een) op de haak en lus riem. (b) op de pols. Klik hier voor een grotere versie van dit cijfer.
Figuur 15: Overbelichtingseffecten van de spier sensor. Deze afbeelding ziet u wat er gebeurt wanneer de spier sensor is oververzadigd; de plateaus zijn wanneer de spier activering was te sterk voor de huidige instelling van de winst op het apparaat. Klik hier voor een grotere versie van dit cijfer.
| MK IK | MK II | |
| EMG sensor | Generaal Bio-sensor | Specifieke spier Sensor |
| Draadloze | Aparte draadloze module | Op het bord van de microcontroller |
| EMG over wireless? | No | Ja |
| Batterij | 9 V PP3 | 150 mAh LiPo |
| Operationele tijd | 1 h | 8 h |
| Bouwen tijd | 5 h | 4 h |
| Totale kosten | $150 | $80 |
| Valse positieven (%) | 0 | 0 |
| Valse negatieven (%) | 0 | 4.7 |
Tabel 1: vergelijking van de apparaten. Deze tabel geeft een overzicht van verschillende aspecten van de apparaten, van ontwerp tot functionaliteit.
| Stationaire (maximaal) | Hand Moving (maximaal) | Vinger Tensing (minimum) | Drempelwaarde | |
| MK IK | 25 | 35 | 215 | 200 |
| MK II | 40 | 280 | 460 | 400 |
Tabel 2: kalibratieresultaten. Deze tabel toont de waarden verkregen terwijl houdt de hand stationaire, bewegen de hand en de vinger spannen, evenals de drempelwaarde geselecteerd.
| Aantal valse negatieven (getest elk 30 s) | Aantal valse positieven (spontane activeringen) | ||||
| Eerste 45 min | 45 min - 1 h | 1-8 h | Eerste h | 1-8 h | |
| MK IK | 0 | 35 | N/B | 0 | N/B |
| MK II | 4 | 1 | 40 | 0 | 0 |
Tabel 3: het testen van de apparaten. Vergelijking van valse positieven en valse negatieven tussen de twee apparaten.
Aanvullende code bestanden voor MK I en MK II:
Klik hier om te downloaden van de "BionicClicker.ino"
Klik hier om te downloaden van de "BLEBionicClicker.ino".
Klik hier om te downloaden van de "BLEBoomTest.ino".
Klik hier om te downloaden van de "BLEThresholdTest.ino".
Klik hier om te downloaden van de "BoomTest.ino".
Klik hier om te downloaden van de "ThresholdTest.ino".
Klik hier om te downloaden "Feather-Featherbase.stl".
Klik hier om te downloaden "Feather-Feathermid.stl".
Klik hier om te downloaden "Feather-Feathertop.stl".
Klik hier om te downloaden "Myo-Myobase.stl".
Klik hier om te downloaden "Myo-Myolid.stl".
Discussion
De verzadiging van de MK II wordt gebruikt op de abductor indicis is minder een probleem dan op het eerst gezicht lijkt. Zorgvuldige plaatsing van de elektroden en juist baat bij instelling stopt dit wordt een probleem wanneer het apparaat wordt gebruikt als een clicker. Tenzij geïnteresseerd in het nauwkeurig vastleggen van de activiteit van de abductor indices, is dit waarschijnlijk een probleem helemaal. Geen overmatige verzadiging is gezien op elke andere spier nadat de winst is ingesteld. De valse negatieven met de MK II zijn als gevolg van de moeilijkheid van het selecteren van de juiste drempelwaarde bij het gebruik van de abductor indicis. Met grotere spieren is het verschil tussen de omvang van de niet-doelgerichte activering van de spier en doelgerichte spannen van de spier groter, waardoor voor de selectie van een drempel punt dat verder zowel de vals-positieve en vals-negatieve punten. Met name kleine handen wellicht de abductor indicis spier te klein voor de elektroden correct worden geplaatst (hoewel met kleinere elektrode pads kan dit mogelijk worden opgelost).
De aanzienlijk langere levensduur van de batterij voor de MK II is handig voor een verscheidenheid van redenen. In de eerste plaats de MK ik apparaat begon te handelen onregelmatig na 45 minuten gebruik, dus het kan niet worden gebruikt voor langere demonstraties. Ten tweede met een multi-uur batterijleven, de MK II kunnen worden beschouwd als een besturingselement ingang voor een handig hulpmiddel, en met slechts een kleine toename van fysieke batterij grootte, kan het worden gebruikt als een hele dag toezicht apparaat. De draadloze microcontroller heeft 6 analoge ingangen en 13 digitale ingangen; Dit betekent dat het apparaat signalen van meerdere spier sensoren aan het maken van een apparaat met meer vrijheidsgraden in de controle-ingangen kan aanvaarden. Ook opgemerkt moet worden dat de spier sensor kan worden vervangen door een biosensor met een analoge uitgang maken een apparaat dat gebruikmaakt van andere biologische signalen als invoer. De code van het apparaat kan ook eenvoudig worden aangepast om de functionaliteit te wijzigen. Wijzigingen in de software en de hardware van het apparaat is voorzien van eenvoudige en gevarieerde wijzigingen aan het apparaat.
Een beperking van het apparaat is zoals het er nu uitziet dat het EMG-uitvoer kan niet worden verzonden draadloos op een hoge snelheid zoals dit kan overbelasting van de buffer draadloze microcontroller. Een andere beperking is dat de techniek de abductor indices als invoer gebruikt, en aangezien de spier zeer klein is, wordt de afstand tussen de elektroden op de hand bijna overlappen; Als iemand met name kleine handen heeft, is het mogelijk dat het onmogelijk te plaatsen van de elektroden correct over deze spier.
Het apparaat heeft verschillende voordelen ten opzichte van de duurdere apparaten als het gaat om flexibiliteit in mogelijke onderzoeksprojecten. Het is lage kosten: het apparaat kost 80 USD en extra EMG kanalen alleen kost 35 dollar, waardoor het ideaal is voor kleinere of studentenprojecten. Het is gemakkelijk aan te passen, de software kan gemakkelijk worden bewerkt, en de ingangen gewijzigd voor andere hardware. Het heeft een klein formaat zodat een persoon draagt het niet hoeft te dragen van zware of omvangrijke uitrusting. Ook lijkt het als een draadloos toetsenbord met andere apparaten, zodat het gemakkelijk kan worden geïntegreerd met een compatibele draadloze apparaat. Het apparaat is al opgenomen in een ondersteunende apparaat dat zal worden gepubliceerd in de nabij toekomst.
Vanwege de grootte en het gemak van aanpassing van de MK II, wordt het reeds beschouwd voor opneming in de diverse onderzoeksprojecten als een draadloze EMG-module en een draadloze trigger-mechanisme. Het is ook gebruikt als het fundament van een van de lab-sessies op een master student de cursus. De belangrijkste verbetering die wij zou willen maken naar het apparaat is de draadloze transmissie te verhogen; het doel is het bereiken van 10 Hz, en of dit zal worden gedaan door hardware of software moet nog worden bepaald.
De belangrijkste stappen in het protocol zijn stappen 2.6 en 2.7: de selectie van de drempelwaarde voor de Trigger. In stap 2.6 moet speciale aandacht worden besteed aan het verkeer van de kabels van de EMG, zoals deze kunnen als antenne fungeren en genereren van beweging artefacten; Als deze worden gehouden stationaire is dit echter niet een probleem. In stap 2.7, als de geselecteerde waarde te hoog is, resulteert dit in valse negatieven. Als deze waarde te laag is, hierdoor valse positieven. In het geval van de abductor indicis is het zeer moeilijk te vinden een waarde die niet leidt het af en toe vals negatieve tot, hoewel met grotere spieren dit niet lijkt te worden een probleem. Als het vinden van de juiste waarde nog steeds een probleem is, kan de winst worden gecorrigeerd door het op de minimumwaarde en verhogen tot een groot verschil tussen niet-activering en activering wordt gezien door de seriële uitlezing, met de waarden blijven onder het punt van verzadiging.
Over het geheel genomen de MK II is een aanzienlijke verbetering ten opzichte het MK I op als een potentiële onderzoek apparaat, hoewel omdat de MK I heeft een sterkere visuele impact, is het waarschijnlijk nog steeds worden gebruikt in de toekomst publiek betrokkenheid gebeurtenissen.
Disclosures
De auteurs hebben niets te onthullen.
Acknowledgments
Het project wordt gefinancierd door de Engineering en Physical Sciences Research Raad EPSRC (EP/K503745/1), Nationaal Instituut voor onderzoek van de gezondheid (NIHR) Biomedische Research Centrum (BRC) (BRC272/HI/JG/101440) en de UCL wijzigen makers.
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).
