Method Article

Il Clicker Bionic contrassegnare I & II

DOI:

10.3791/55705

⸱

August 14th, 2017

 ,  ,  ,  , 
1Aspire Create, University College London, 2Translational Imaging Group, CMIC, University College London

In This Article

Summary

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Un dispositivo è stato creato per dimostrare il controllo basato su elettromiografia ad un pubblico laico. Dopo il successo del dispositivo iniziale, un secondo dispositivo è stato effettuato con una maggiore flessibilità nella funzionalità per scopi di ricerca e dimostrazione. Questo protocollo descrive il processo di creazione e calibrazione di entrambi i dispositivi.

Abstract

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In questo manoscritto, presentiamo due sistemi 'Bionic Clicker', il primo disegnato per dimostrare l'elettromiografia (EMG) basato su sistemi di controllo per scopi didattici e la seconda per scopi di ricerca. EMG basato controllo sistemi di captare i segnali elettrici generati da attivazione muscolare e utilizzano come ingressi per i controller. Controller di EMG sono ampiamente usati nella protesi agli arti di controllo.

Il marchio ho (MK I) clicker permette di modificare la diapositiva di una presentazione sollevando il dito indice. È costruito attorno a un microcontrollore e un bio-segnali scudo. Ha generato un sacco di interesse da parte sia del pubblico e comunità di ricerca.

Il dispositivo di Mark II (MK II) qui presentato è stato progettato per essere un sistema più economico, più sottile e più personalizzabile che può essere facilmente modificato e trasmissione direttamente i dati EMG. È costruito utilizzando un microcontrollore in grado senza fili e un sensore di muscolo.

Introduction

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L'Aspire centro per riabilitazione ingegneria e tecnologie assistive indaga tecniche applicabili e trasferibili tra domini diversi in settori correlati di interesse, compresi ma non limitati a, tratto, distrofia muscolare, amputazione, l'invecchiamento della popolazione e la formazione di competenze specialistiche. Un settore di ricerca che il centro è coinvolto in è neuroprotesi. Le tante tecniche utilizzate per il controllo delle armi neuroprosthetic, EMG è uno degli ingressi più comuni per il controllo sistemi1,2,3,4,5,6. Questo è in gran parte grazie alla sua facilità d'uso e convenienza rispetto ad altri sistemi di controllo7. Recentemente sviluppato 3D-stampato protesi come la mano di Ada può costare solo 1.000 USD, quando si utilizza questo tipo di controllo8,9,10. Tuttavia, quando si tenta di dimostrare tali sistemi al pubblico non c'è nessun modo semplice per farlo senza l'ausilio di un amputato.

Per accrescere la consapevolezza delle attività di ricerca in questo campo ai membri del pubblico, è stato sviluppato un dispositivo di demo bionic clicker. È molto importante utilizzare la dimostrazione basata su oggetti che attira l'attenzione e accelera l'apprendimento e la comprensione del soggetto viene insegnato11. Il nostro dispositivo non solo aiuta a insegnare il concetto di EMG, ma anche per aumentare la conoscenza dell'attuale evoluzione delle moderne tecnologie. Inoltre, essa ispira le generazioni più giovani a scegliere studi all'interno di aree di scienza, tecnologia, ingegneria e matematica (STEM).

Il MK Clicker Bionic mi hanno fatto prontamente disponibili pezzi originali che erano già in uso all'interno del laboratorio. Ha consistito di un microcontrollore, un bio-segnali scudo12, elettrodi, una scheda di controllo, una scheda di comunicazione senza fili e una batteria da 9 V. Il dispositivo ha funzionato da far salire l'attività del muscolo abduttore indicis situato tra il dito indice e il pollice. Si innesca un cambiamento di diapositiva che imita una tastiera e inviando un 'giusto keypress' ogni volta che è stata raggiunta una soglia preselezionata. Scheda di controllo consentito per l'invio manuale di pressione dei tasti 'destra' e 'sinistra' (Avanzamento diapositive e diapositive di rifugio) e potrebbe anche essere utilizzata per ignorare l'input di EMG se qualcosa è andato storto durante una dimostrazione dal vivo.

Come parte della fisica medica e attività di coinvolgimento pubblico dipartimento di ingegneria biomedica, abbiamo dimostrato il Clicker Bionic ai membri del pubblico. Esso ha ricevuto una risposta entusiasta da parte del pubblico e generato interesse ad avviare diverse collaborazioni. Dopo il successo del dispositivo iniziale una seconda versione del dispositivo è stata progettata.

L'obiettivo per la progettazione del secondo dispositivo era quello di produrre un dispositivo che era più economico, meno ingombranti e più personalizzabile rispetto il primo dispositivo. Lo scopo di questo dispositivo era di progettare qualcosa che può essere facilmente modificato per progetti degli studenti e integrarsi economicamente i progetti esistenti. Il vantaggio principale di questo dispositivo rispetto ad altri disponibili1,2,3,4,5,6 è la sua facilità di utilizzo, dimensioni ridotte e basso costo. Anche se i dispositivi di bionic clicker non possono avere la risoluzione di altri dispositivi di ricerca, quali dispositivi di innesco, sono più di abbastanza buoni. Il MK II sarebbe una base ideale per qualsiasi sistema che utilizza una soglia di EMG per attivare un dispositivo, ad esempio un controller di protesi o dispositivo di assistenza.

Il disegno è stato basato intorno un microcontrollore funzionalità wireless e un sensore di muscolo. È compresa anche una 3,7 V 150 mAh ai polimeri di litio, una scheda di controllo manuale e un caso 3D-stampato. La figura 3 Mostra una panoramica delle differenze tra i disegni. Il design di MK II ha la stessa funzionalità di base come il dispositivo originale ma ha funzionalità significativamente più potenziale per nuove applicazioni quali monitoraggio EMG wireless.

Protocol

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Il protocollo segue le linee guida della Commissione d'etica umana ricerca dell'University College di Londra.

Attenzione: Questo protocollo contiene un pericolo elettrico e un pericolo di ustione (saldatore); leggere entrambi prima di tentare questo protocollo. Questo protocollo prevede la connessione di un dispositivo per la pelle. Assicurarsi che in nessun momento c'è un percorso tra la rete della pelle e dell'elettricità. Non toccare mai l'elemento del saldatore. Tenere i fili per essere riscaldato con una pinzetta o morsetti. Mantenere la pulizia spugna bagnato durante l'uso. Restituiscono sempre il saldatore presso il suo stand quando non in uso. Mai messo sul banco di lavoro. Spegnere l'apparecchio e staccare la spina quando non in uso.

1. i componenti di Base di montaggio

Nota: Nella figura 3 fornisce una panoramica dettagliata dei passaggi del protocollo.

  1. Per costruire il Bionic Clicker MK I, collegare lo schermo del sensore di bio-segnali del microcontrollore e avvitare i cavi EMG i morsetti a vite E, M e GND dello scudo (Vedi Figura 4). Continua al passo 1.6.
  2. Per costruire il MK II, inserire il sensore del muscolo in una fila di tre pin il +, - e SIG fori (vedere la Figura 5) dall'alto e saldare sotto.
    1. Piegare i piedini di intestazione 90 ° con un paio di pinze a metà i perni. In questo modo i perni nella posizione corretta per il caso.
    2. Se utilizzando l'abduttore di indicis come input, continuare al passaggio 1.3, se non spostare al punto 1.4.
  3. Rimuovere il cavo di riferimento nero breve dal sensore del muscolo.
    1. Tagliare i tre cavi di EMG con un filo di lama per eseguire dal polso alla parte posteriore della mano. Striscia la fine dei tre cavi EMG con una spogliarellista di filo.
    2. Inserire la fine spogliata del filo nero nel foro R, il filo blu nel foro E e il filo rosso nel foro M del sensore del muscolo (Figura 5). Saldare i fili nel posto sulla parte inferiore del sensore del muscolo. Spostare al punto 1.5.
  4. Due elettrodi di clip nella parte inferiore del sensore del muscolo e un elettrodo al connettore del cavo nero riferimento.
    1. Attaccare il sensore di muscolo sul muscolo selezionato con gli elettrodi e posizionare l'elettrodo di riferimento nero in un luogo appropriato.
  5. Tagliare 8 fili di multi-thread single core a lunghezza e ogni estremità della striscia: 5 brevi fili (7 cm) per eseguire dal microcontrollore per la scheda di controllo (rosso, nero, verde, bianco e blu) e 3 più lungo (circa 12 cm ma dipende dalla dimensione del polso) cavi (rosso, nero e verde) per correre da una parte del polso a altro.
    Nota: Se il posizionamento del sensore del muscolo su un muscolo diverso assicurarsi che i fili più lunghi verranno eseguito dal sito sensore muscolo al sito wireless microcontrollore.
    1. Inserire i fili nel microcontrollore pronto per saldatura: 2 fili rossi nel 3V del foro, 2 fili neri in foro GND, il filo verde lungo nel foro A0, il filo blu corto nel foro 2, il filo lungo bianco nel foro 3 e il filo verde corto nel foro 5. Saldare i fili nel posto sul lato inferiore del microcontrollore.
    2. Saldare l'altra estremità dei fili lunghi 3 a 3 prese di intestazione nell'ordine: rosso, nero, verde. Vedere la Figura 5. Se non utilizza l'abduttore di indicis procedere alla fase 2.
  6. Posizionare le piastre del sensore di EMG sulla mano, come mostrato in Figura 6, con due degli elettrodi ad entrambe le estremità del muscolo abduttore indicis e un EMG sensore pad al centro del dorso della mano.
    1. Incastrare gli elettrodi l'estremità del connettore dei cavi dei sensori del muscolo (accoppiamento di Spinta). La clip di elettrodi blu e rosso sopra il muscolo, le clip di elettrodo nero sulla parte posteriore della mano.

2. test EMG Output

  1. Scarica la libreria per lo scudo di bio-segnali seguendo il link14 dalla sezione di riferimento. Scompatta il file e inserirlo nella cartella di librerie di sviluppo integrato (IDE) (solitamente si trova in documenti/Arduino/libraries). Passare al punto 2.3. Se costruire il MK II, passare al punto 2.2.
  2. Aggiungere le schede microcontrollore all'IDE, seguendo le istruzioni15.
  3. Scarica 'ThresholdTest.ino' per il MK I o 'BLEThresholdTest.ino' e 'BluefruitConfig.h' per la MK II e aprire nel software IDE (file supplementari).
  4. Scollegare il computer portatile dalla rete elettrica e poi e solo allora, collegare il microcontrollore il portatile tramite un cavo di Universal Serial Bus (USB).
  5. Caricare la versione pertinente del test di soglia per il microcontrollore e quindi aprire il monitor seriale (strumenti > Serial Monitor). Verrà ora visualizzato l'output di EMG.
  6. Spostare il dito indice da un lato e la mano senza muovere il dito indice. Annotare i valori visualizzati in ogni caso.
    Nota: Quando utilizzate il MK II assicuratevi che i cavi non spostano in quanto è estremamente sensibile al rumore generato in questo modo.
  7. Selezionare un valore che è di sopra di quello che si vede quando la mano viene spostata intorno, ma di sotto di quello che si vede quando il dito viene spostato da un lato a altro. Annotare questo valore.
    Nota: Il valore è selezionato in modo che il dispositivo viene attivato solo da un movimento propositivo del dito. Questo è il valore di soglia Trigger, il valore a cui il dispositivo verrà attivato. Il sensore di muscolo ha un'impostazione del guadagno che può essere modificata manualmente se il valore di soglia è difficile da trovare. Gli elettrodi debba essere sostituito. Se si utilizza il muscolo di indicis abduttore, è possibile impostare il guadagno al minimo come punto di partenza. L'impostazione del guadagno è alterato dal potenziometro sul sensore muscolo contrassegnato dal guadagno, e questo può essere cambiato da un piccolo cacciavite a testa piatta.

3. test soglia

  1. Scarica 'BoomTest.ino' per il MK I o 'BLEBoomTest.ino' e BluefruitConfig.h per il MK II e aprirlo nel software IDE.
  2. Modificare il codice fornito sostituendo 'PLACE_YOUR_THRESHOLD_TRIGGER_VALUE_HERE' con il valore di soglia Trigger precedentemente determinato al punto 2.8. Si tratta di linea 37 del codice per il MK I e la linea 47 del codice per il MK II.
  3. Caricare la versione corretta di BoomTest al microcontrollore e quindi aprire il monitor seriale (strumenti > Serial Monitor).
  4. Spostare la mano intorno (non muovendo il dito indice da lato a lato); nulla si vede sull'uscita seriale.
  5. Spostare il dito indice da lato a lato; appare la parola 'BOOM'.
    Nota: Se 'BOOM' appare al momento sbagliato o non a tutti, controllare i collegamenti e tornare al punto 2.7.

4. 3D stampa il caso MK II

  1. Se costruire il MK II, scaricare i file stl per tutti i 5 componenti del caso (vedere la Figura 7 per tutte le 5 parti). Stampare le parti del caso con qualsiasi metodo preferito. Procedere al punto 5.2. Se costruire il MK I, passare alla sezione 5.
    Nota: Il caso è stato stampato correttamente da entrambi deposizione fusa modellazione16 (FDM) e fotolitografia stampanti17.

5. saldare la scheda di controllo

Nota: Se costruendo il MK II, procedere al punto 5.2.

  1. Inserire una riga di due pin di intestazione, cinque 10 resistori KΩ, un interruttore e due interruttori a pulsante per i componenti come illustrato nella Figura 8A; quindi saldarli nel posto sulla parte inferiore del bordo.
    1. Rompere le tracce di rame sulla scheda di striscia di affettare attraverso con un coltello artigianale, seguendo le linee grigia sulla Figura 8A. Questo consente per singole tracce per avere più funzioni su tutta la linea.
    2. Tagliare 7 fili (nero, rosso, blu, arancione, bianco, marrone e giallo) della lunghezza corretta con una fresa a filo in modo che corrono dal avambraccio al braccio superiore (circa 30cm). Tagliare un filo rosso di 7 cm, un filo nero di 3 cm e un'arancia e un filo blu di 4 cm.
    3. Striscia di entrambe le estremità dei fili con una spogliarellista di filo.
    4. Inserire i fili nella scheda di controllo, seguendo lo schema di circuito mostrato in Figura 9; saldare i fili nel posto sul lato inferiore.
    5. Saldare i fili lungo rossi e neri per un paio di spilli di intestazione e poi saldare i fili altri lunghi ad una striscia di perni di intestazione nell'ordine: blu, arancione, bianco, marrone, giallo.
    6. Saldare il 5V e pin GND del modulo wireless ai pin intestazione sulla scheda di controllo.
    7. Saldare il filo arancione breve al pin 2 del modulo di comunicazione wireless e il breve filo blu al pin 3.
  2. Posto tre 10 KΩ resistori, un interruttore e due push pulsante opzioni come mostrato in Figura 10A e saldarli in posto sulla parte inferiore del bordo.
    1. Rompere le tracce di rame sulla scheda di striscia di affettare attraverso con un coltello artigianale, seguendo le linee grigia su Figura 10A. Questo consente per la traccia di avere funzioni multiple sul bordo.
    2. Tagliare i fili che erano precedentemente saldati al microcontrollore con una fresa a filo in modo che corrono attraverso lo strato metà del caso microcontrollore alla scheda di controllo senza interrompere il caso di chiusura (Figura 10B).
    3. Inserire i fili nella scheda di controllo, seguendo lo schema elettrico (Figura 11). Saldare i fili nel posto. Procedere al punto 6.2.

6. montare Clicker e aggiornare microcontrollore

  1. Rimontare il Clicker Bionic, collegare i connettori di intestazione dal controllo bordo fili al microcontrollore e scudo di bio-segnali (5V e GND sul MK I, pin 22-30 sulla MKII). Collegare la batteria al microcontrollore. Vedere la Figura 12. Passare al punto 6.3.
  2. Rimontare il Clicker Bionic, collegare il connettore di intestazione dal microcontrollore al sensore del muscolo (filo verde al SIG). Vedere la Figura 13.
  3. Collegare il microcontrollore al computer portatile tramite cavo USB.
  4. Scarica 'BionicClicker.ino' o ' BLEBionicClicker.ino e BluefruitConfig.h e aprirlo nel software IDE.
  5. Modificare il codice e sostituire 'PLACE_YOUR_THRESHOLD_TRIGGER_VALUE_HERE' con il valore di soglia Trigger determinato nel passaggio 2.7 (sulla linea 59 del codice per il MK I, linea 83 del codice per il MK II).
    Nota: Il nome che il dispositivo MK II appare come quando ci si connette tramite wireless può essere modificato modificando linea 47 del codice. Sostituire 'Bionic Clicker MK II' con un titolo alternativo.
  6. Scollegare il microcontrollore dal portatile rimuovendo il cavo USB.

7. Collegare il dispositivo a un Computer

  1. Se utilizzando il MK I, seguire le istruzioni per associare il modulo wireless al dispositivo seguendo guida18 del produttore. Se si utilizza il MK II, connettersi al dispositivo in modalità wireless seguendo la procedura per collegare una tastiera wireless per il computer utilizzato.

8. test il Clicker

  1. Aprire alcuni software di battitura a macchina e immettere del testo, ad esempio 'Lorem ipsum dolor sit amet'. In questo modo le presse ad essere percepito per verificare se questi comandi vengono inviati e ricevuti.
    Nota: Se la batteria è Scarica il dispositivo può fornire comportamento irregolare; utilizzare sempre una batteria nuova.
    1. Premere il pulsante Avanti manuale per vedere il cursore spostare in avanti e il manuale indietro pulsante per visualizzare il cursore muoversi all'indietro. Sollevare il dito indice per anche andare avanti.
  2. Per testare il clicker con il software di presentazione, sollevare il dito indice per avanzare le diapositive.
    Nota: L'opzione override consente la funzione di EMG on e off, e il manuale avanti e indietro pulsanti di avanzamento e ritirata le diapositive in entrambi gli scenari.

9. Montare il Clicker

Nota: Se costruendo la MK II spostare al punto 9.2.

  1. Se costruire il MK I, tagliare i lati gancio e anello di materiale con le forbici, in modo che si adatta comodamente intorno al polso. Assicurarsi che i loop sono rivolti verso l'interno per non graffiare il polso.
    1. Tagliare il gancio bifacciale e ciclo materiale in modo che si adatta comodamente intorno al braccio superiore, ancora una volta assicurati che i loop si affacciano verso l'interno.
    2. Tagliare le strisce di velcro biadesivo alla dimensione del microcontrollore (10 x 5 cm) e scheda di controllo (2,5 cm x 6,4 cm). Tagliare una striscia che si adatta strettamente intorno alla batteria (4 x 12 cm).
    3. Utilizzando la pistola per colla, colla lato ciclo delle strisce sulla parte inferiore del microcontrollore e parte inferiore della scheda di controllo.
    4. Collegare la scheda di controllo per il cinturino da polso. Fissare la cinghia superiore del braccio il microcontrollore e la batteria.
    5. Collegare tutto: batteria 9 V The spine nel microcontrollore con il connettore PP3. Lo scudo di microcontroller e l'e-health collegare alla scheda di controllo tramite i fili saldati.
      Nota: Il MK I è ora terminato.
  2. Se costruire il MK II, tagliare biadesivo velcro materiale 35 millimetri di larghezza e abbastanza a lungo per avvolgere intorno al polso (circa 22 cm per i polsi più piccoli).
    1. Far scorrere il materiale a strappo attraverso le clip nella parte inferiore del caso. Assicurarsi che i loop sono rivolti verso l'interno per non graffiare il polso.
    2. Collegare i fili saldati al microcontrollore che chiude nell'intestazione femmina nei perni maschio intestazione sul sensore del muscolo e gli elettrodi di clip con i cavi di EMG, spingendoli.
      Nota: Il MK II è ormai finito. Vedi Figura 14.

Results

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Il MK II è più conveniente, personalizzabile e meno ingombrante rispetto al MK ho dispositivo. L'intero che MK II costa solo leggermente più dello scudo di bio-segnali da solo (75 USD). Il dispositivo è significativamente più piccolo seduto sul polso, piuttosto che il braccio e il microcontrollore wireless supporti potenzialmente simultaneamente gli ingressi da 6 sensori di muscolo. L'autonomia funzionale del MK ho dispositivo utilizza una batteria da 9 V 550 mAh appena meno di un'ora e la durata della batteria funzionale del dispositivo MK II (quando viene utilizzato come un clicker) è di circa 8 ore utilizzando un 3,7 V 150 mAh; per un confronto tra i dispositivi, vedere tabella 1 .

Il Bionic Clicker MK II può avere un problema quando viene utilizzato sul rapitore indicis: l'amplificatore può saturare e prendere più di un secondo di scarico (Vedi Figura 15). Accurato posizionamento degli elettrodi e la corretta regolazione del guadagno in grado di superare questo problema. Questo non accade con il Bionic Clicker MK I o su qualsiasi altro comunemente usato i muscoli per EMG.

Mentre calibrare i dispositivi per trovare il valore di soglia Trigger, possono essere osservati molti valori diversi. Cadono in tre gamme: i valori quando la mano è ferma, i valori quando la lancetta si muove e i valori quando viene spostato il dito. La tabella 2 Mostra i valori registrati in ogni intervallo; per il fermo e mano spostando gli intervalli, i valori massimi sono indicati e per il dito tensing gamma è indicato il valore minimo. A trovarsi sopra la mano di valore in movimento e sotto il dito tensing valore viene selezionato il valore di soglia. Un valore più vicino alla mano campo mobile aumenta la probabilità di falsi positivi e riduce la probabilità di falsi negativi, mentre un valore più vicino al dito tensing gamma ha l'effetto opposto.

Entrambi i dispositivi dove testato per falsi negativi e falsi positivi quando tensing muscolo abduttore indici. Un falso negativo è stato registrato quando il dispositivo non ha innescato un cambiamento di diapositiva sulla contrazione del muscolo e un falso positivo è stato registrato se la diapositiva è cambiato quando nessun tensing si è verificato. Né dispositivo ha avuto un problema con falsi positivi, anche se il dispositivo MK II sperimentato l'occasionale falso negativo (meno del 5% del tempo). Il MK ho dispositivo non esperienze falsi positivi o negativi durante i primi 45 minuti di funzionamento, anche se il numero di falsi negativi aumenta rapidamente fino alla rottura totale dispositivo tra 50 minuti e un'ora (Vedi tabella 3).

Questi risultati indicano che il dispositivo è riuscito a obiettivi dichiarati. La tabella 1 Mostra che il MK II è più conveniente e ha una maggiore flessibilità rispetto alla MK I. tabella 2 e tabella 3 Mostra che il dispositivo funziona come previsto e può essere utilizzato come un dispositivo di innesco a base di EMG. Figura 15 Mostra i problemi che possono verificarsi se si utilizza l'abduttore di indici: non si tratta di un problema che si verifica con maggior parte dei muscoli e può essere risolto modificando il guadagno. Anche se i dispositivi hanno alcuni problemi, sono sufficienti per l'uso previsto.

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Figura 1: Il bionico Clicker MK I. Questo dimostra il Clicker Bionic MK I e tutti i suoi componenti montati sul braccio sinistro. Clicca qui per visualizzare una versione più grande di questa figura.

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Figura 2: Schema a blocchi dei dispositivi. Ogni casella rappresenta una sezione separata del dispositivo; all'interno di ogni scatola è la funzionalità che sezione ha come parte del dispositivo. Clicca qui per visualizzare una versione più grande di questa figura.

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Figura 3 : I passaggi per costruire il dispositivo. Un diagramma di flusso che contiene una panoramica dettagliata di ogni passaggio del protocollo. Clicca qui per visualizzare una versione più grande di questa figura.

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Figura 4 : MK iniziale ho Assemblea. Microcontrollore con i cavi di scudo ed elettrodo di bio-segnali. Clicca qui per visualizzare una versione più grande di questa figura.

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Figura 5: Montaggio iniziale MK II. Microcontrollore con il sensore di muscolo e collegamenti saldati. Clicca qui per visualizzare una versione più grande di questa figura.

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Figura 6 : Posizionamento degli elettrodi. Questa figura mostra il corretto posizionamento degli elettrodi sulla mano quando si utilizza il indicis abduttori. Clicca qui per visualizzare una versione più grande di questa figura.

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Figura 7 : Parti di caso la MK II. Le parti del caso MK II pronta per la stampa a una stampante di fotolitografia. Clicca qui per visualizzare una versione più grande di questa figura.

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Figura 8 : The MK controllare circuito. (un) del circuito dall'alto (grigi marchi dove il bordo di striscia ha avuto contatti rotti sulla parte inferiore). (b) completamento del circuito. Clicca qui per visualizzare una versione più grande di questa figura.

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Figura 9 : The MK controllare il diagramma del circuito scheda. Il diagramma di circuito per il MK controllo bordo che mostra le connessioni tra i resistori, interruttori e cavi. Clicca qui per visualizzare una versione più grande di questa figura.

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Figura 10 : The MK controllare circuito. (un) scheda di controllo dall'alto (contrassegno grigio dove il bordo di striscia ha avuto contatto rotto sulla parte inferiore). (b), del circuito completato Clicca qui per visualizzare una versione più grande di questa figura.

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Figura 11: Diagramma di circuito del scheda di controllo la MK II. Il diagramma di circuito per il MK controllo bordo che mostra le connessioni tra i resistori, interruttori e cavi. Clicca qui per visualizzare una versione più grande di questa figura.

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Figura 12 : L'assemblato I. MK Questo dimostra che tutti i componenti del MK ho dispositivo prima che essi sono stati montati sul braccio. Clicca qui per visualizzare una versione più grande di questa figura.

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Figura 13 : Montaggio il Clicker MK II. (un) posto il microcontrollore nella parte inferiore del caso. (b) inserire la batteria nella sezione media e mettere il coperchio. (c) Posizionare il sensore di muscolo nel suo caso e mettere il coperchio. (d) Collegare il microcontrollore al sensore del muscolo e la batteria al microcontrollore. Clicca qui per visualizzare una versione più grande di questa figura.

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Figura 14 : Il completato Bionic Clicker MK II. (un) sul cinturino in velcro. (b) sul polso. Clicca qui per visualizzare una versione più grande di questa figura.

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Figura 15: Sovrasaturazione del sensore muscolo. Questa figura mostra cosa succede quando il sensore del muscolo è troppo saturi; gli altopiani sono quando l'attivazione muscolare era troppo forte per l'attuale impostazione del guadagno sul dispositivo. Clicca qui per visualizzare una versione più grande di questa figura.

MK IMK II
Sensore di EMGGenerale Bio sensorSensore dedicato muscolare
Senza filiModulo senza fili separatoSulla scheda microcontrollore
EMG su reti wireless?NoSì
Batteria9 V PP3150 mAh LiPo
Tempo operativo1 h8 h
Tempo di costruzione5 h4 h
Costo totale$150$80
Falsi positivi (%)00
Falsi negativi (%)04.7

Tabella 1: confronto dei dispositivi. Questa tabella confronta diversi aspetti dei dispositivi, dal design alla funzionalità.

Stazionario (massimo)Mano commovente (massimo)Dito Tensing (minimo)Valore di soglia
MK I2535215200
MK II40280460400

Tabella 2: risultati della calibrazione. Questa tabella mostra i valori ottenuti mantenendo la mano stazionario, muovendo la mano e dito tensing, così come il valore di soglia selezionata.

Numero di falsi negativi (testato ogni 30 s)Numero di falsi positivi (spontanee attivazioni)
Primo 45 min45 min - 1h1-8 hPrima h1-8 h
MK I035N/A0N/A
MK II414000

Tabella 3: test dei dispositivi. Confronto di falsi positivi e falsi negativi tra i due dispositivi.

I file di codice supplementare per MK I e MK II:
Clicca qui per scaricare "BionicClicker.ino"
Clicca qui per scaricare "BLEBionicClicker.ino".
Clicca qui per scaricare "BLEBoomTest.ino".
Clicca qui per scaricare "BLEThresholdTest.ino".
Clicca qui per scaricare "BoomTest.ino".
Clicca qui per scaricare "ThresholdTest.ino".
Clicca qui per scaricare "Piuma-Featherbase.stl".
Clicca qui per scaricare "Piuma-Feathermid.stl".
Clicca qui per scaricare "Piuma-Feathertop.stl".
Clicca qui per scaricare "Myo-Myobase.stl".
Clicca qui per scaricare "Myo-Myolid.stl".
 

Discussion

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,

La saturazione del MK II quando utilizzato su indicis il rapitore è meno di un problema di quanto potrebbe sembrare. Attento posizionamento degli elettrodi e corretto guadagno impostazione fermate dall'essere un problema quando il dispositivo viene utilizzato come un clicker. A meno che non siete interessati a registrare accuratamente l'attività degli indici abduttore, questo è improbabile che sia un problema a tutti. Non sovra-saturazione è stato visto su qualsiasi altro muscolo dopo aver impostato il guadagno. I falsi negativi con il MK II sono a causa della difficoltà di selezionare il valore di soglia corrispondenti quando si utilizza il indicis abduttori. Con muscoli più grandi la differenza tra la grandezza dell'attivazione non intenzionale del muscolo e propositivo che si irrigidisce il muscolo è maggiore, consentendo la selezione di un punto di soglia che è più lontano sia il falsi positivi e falsi negativi punti. Sulle mani particolarmente piccole muscolo abduttore indicis potrebbe essere troppo piccolo per gli elettrodi per essere posizionato correttamente (anche se con piccoli elettrodi questo potrebbe potenzialmente essere risolto).

La durata della batteria notevolmente più lunga per il MK II è utile per una varietà di motivi. In primo luogo, il MK I dispositivo ha iniziato ad agire in modo irregolare dopo 45 minuti di utilizzo, quindi non può essere utilizzata per le dimostrazioni più a lungo. In secondo luogo con una durata della batteria di multi-ora, il MK II può essere considerato come un controllo di input per un dispositivo utile, e con solo un piccolo aumento in dimensione fisica della batteria, potrebbe essere usato come un dispositivo di monitoraggio tutto il giorno. Il microcontrollore senza fili ha 6 ingressi analogici e 13 ingressi digitali; Ciò significa che la periferica potrebbe accettare segnali da sensori multipli del muscolo per creare un dispositivo con più gradi di libertà in ingressi di comando. Si deve anche osservare che il sensore muscolare potrebbe essere sostituito da qualsiasi biosensore con un'uscita analogica per creare un dispositivo che utilizza altri segnali biologici come input. Il codice del dispositivo può anche essere modificato facilmente per cambiare la sua funzionalità. Modifiche al software e all'hardware del dispositivo consentono semplici e varie modifiche al dispositivo.

Una limitazione del dispositivo nella sua forma attuale è che l'output di EMG non può essere inviato in modalità wireless a un alto tasso di dati come questo può sovraccaricare il buffer di microcontrollore senza fili. Un'altra limitazione è che la tecnica utilizza gli indici di abduttore come input, e come il muscolo è molto piccolo, si sovrappongono quasi la spaziatura degli elettrodi sulla mano; Se qualcuno ha le mani particolarmente piccole, potrebbe essere Impossibile posizionare correttamente gli elettrodi sopra questo muscolo.

Il dispositivo presenta parecchi vantaggi sopra i dispositivi più costosi quando si tratta di flessibilità a potenziali progetti di ricerca. È basso costo: il dispositivo costa 80 USD e canali aggiuntivi di EMG costano solo 35 USD, che lo rende ideale per piccoli o progetti degli studenti. È facile da personalizzare, il software può essere facilmente modificato e cambiato gli ingressi per altro hardware. Ha una dimensione piccola, quindi una persona che lo indossa non necessità di trasportare attrezzature pesanti o ingombranti. Appare anche come una tastiera wireless ad altri dispositivi, quindi è facilmente integrabile con qualsiasi dispositivo wireless compatibile. Il dispositivo è già stato incorporato in un dispositivo di assistenza che sarà pubblicato nel prossimo futuro.

A causa delle dimensioni e la facilità di personalizzazione del MK II, è già considerato per incorporazione in diversi progetti di ricerca come un modulo wireless di EMG e come un meccanismo trigger wireless. Esso serve anche come fondamento di una delle sessioni di laboratorio su un corso di master. Il miglioramento principale che vorremmo apportare al dispositivo è di aumentare il tasso di trasmissione senza fili; L'obiettivo è raggiungere 10 Hz, e se questo sarà fatto attraverso hardware o software è ancora da determinare.

I passaggi più critici all'interno del protocollo sono passaggi 2.6 e 2.7: la selezione del valore soglia Trigger. Al punto 2.6, particolare attenzione deve essere pagato al movimento dei cavi EMG, come questi possono agire come antenna e generare artefatti da movimento; Tuttavia, se queste sono mantenute stazionarie, questo non è un problema. Al punto 2.7, se il valore selezionato è troppo elevato, causando falsi negativi. Se questo valore è troppo basso, causando falsi positivi. Nel caso di indicis il rapitore, è molto difficile trovare un valore che non si traduca in occasionale falso negativo, anche se con muscoli più grandi questo non sembra essere un problema. Se trovare il valore corretto è ancora un problema, il guadagno può essere corretto da impostandola sul valore minimo e aumentarla fino a una grande differenza tra non-attivazione e l'attivazione è visto attraverso la lettura seriale, con i valori di stare sotto il punto di saturazione.

Nel complesso il MK II è un notevole miglioramento sopra il MK I come un potenziale dispositivo di ricerca, anche se perché il MK I ha un forte impatto visivo, è probabile essere ancora usate impegno pubblico in futuro eventi.

Disclosures

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Gli autori non hanno nulla a rivelare.

Acknowledgements

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Il progetto viene finanziato attraverso l'ingegneria e scienze fisiche ricerca Consiglio EPSRC (EP/K503745/1), National Institute for Health Research (NIHR) Biomedical Research Centre (BRC) (BRC272/HI/JG/101440) e l'UCL cambiare creatori.

Materials

List of materials used in this article
NameCompanyCatalog NumberComments
Per il marchio I
Equipment
LaptopQualsiasi laptop con
cavoDal laptop alla connessione USB-B su Arduino
Saldatura
per colla a
caldo Pistola
Articoli
Piccoli filiNero, Rosso, Giallo, Marrone, Arancione Bianco, Blu,
Arduino MEGA 2560ArduinoArduino MEGA 2560(Geniuno MEGA 2560 al di fuori degli Stati Uniti)
E-Health Shield v2.0Cooking Hackse-Health Sensor Shield V2.0 per Arduino, Raspberry Pi e Intel Galileo [Applicazioni biometriche / mediche]
Cavi EMGCooking HacksSensore di elettromiografia (EMG) per piattaforma e-Health [Applicazioni biometriche / mediche]
Elettrodi EMGBatteria SparkfunSEN-12969
9VQualsiasi
cavoConnettore PP3 9v con jack
Bluefruit EZ-KEY HIDAdafruit1535
strip boardAmazon.co.ukSmall Stripboard 25 X 64mm Confezione da 3qualsiasi stripboard simile passo 2,54 mm 7x25
interruttoreCOM-00097
a scorrimentoamazon.com20 pezzi On/Off/On DPDT 2P2T 6 pin verticale DIP Slide Switch 9x4x3,5 mm
resistoriCOM-11508
a doppia faccia
- DrittiSparkfunPRT-001162, 2 e 5 necessari
Per Mark II
Equipment
LaptopQualsiasi laptop con USB collegamento
CavoDal laptop al micro USB (stile connettore telefonico standard)
Stazione di saldaturaQualsiasi
saldatura
Articoli
Piccolo FiliNero, Rosso, Verde, Bianco, Blu,
Piuma BLE 32U4Adafruit2829
MyoWareSparkfunSEN-13723
Cavi EMGSparkfunCAB-12970
Elettrodi EMGSparkfunSEN-12969
3.7 V LiPoAdafruit1317
Strip Boardamazon.co.ukSmall Stripboard 25 x 64mm Confezione da 32.54 passo 7x9 file
InterruttoreCOM-00097
interruttore a scorrimentoamazon.com20 pezzi On/Off/On DPDT 2P2T Interruttore a scorrimento DIP verticale a 6 pin 9x4x3,5 mm
resistoriCOM-11508
stampate in 3DPuò essere stampato in 3D da solo o stampato da un sito Web
Intestazioni Velcro
- DrittoSparkfunPRT-001163 pin necessari
Connettori femminasparkfunPRT-001153 pin necessari
USB USB B della stazione di saldaturaPistola per colla a caldo multifilo unipolari di alimentazione a pulsante interruttoreConnettori a strappo Velcro micro USB multifilo unipolari a pulsante Parti a strappo a doppia faccia

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