Summary
En enhet skapades för att Visa Elektromyografi-baserade kontroll till en lekmanna publik. Efter framgången med den första enheten gjordes en andra enhet med större flexibilitet i funktionalitet för demonstration och forskningsändamål. Det här protokollet beskriver processen att bygga och kalibrera båda enheterna.
Abstract
I detta manuskript, presenterar vi två 'Bionic klickern' system, det första för att påvisa Elektromyografi (EMG) baserat styrsystem för utbildningsändamål och andra för forskningsändamål. EMG baserad kontroll system plocka upp elektriska signaler som genereras av muskelaktivering och använda dessa som insatsvaror för domänkontrollanter. EMG-styrenheter används allmänt i protetik till kontroll lemmar.
Märket jag (MK I) klickern tillåter bäraren att ändra bilden i en presentation genom att höja sitt pekfinger. Det är byggt runt en mikrokontroller och en bio-signaler sköld. Det genererade en hel del intresse från både allmänheten och forskarvärlden.
Mark II (MK II) enheten presenteras här var avsedd att vara ett billigare, smidigare och mer anpassningsbart system som kan enkelt ändras och direkt överföra EMG data. Det är byggt med en trådlös kapabel mikrokontroller och en muskel sensor.
Introduction
Aspire centrum för rehabilitering Engineering och hjälpmedelsteknik undersöker tekniker som är tillämpliga och överlåtas mellan olika domäner inom relaterade områden av intresse, inklusive men inte begränsat till, stroke, muskeldystrofi, amputation, den åldrande befolkningen och utbildning av specialiserade färdigheter. Ett är forskningsområde som centrum är involverad i neuroprosthesis. Av de många tekniker som används för kontroll av neuroprosthetic vapen, är EMG en av de vanligaste ingångarna för kontroll system1,2,3,4,5,6. Detta är en stor del på grund av dess enkla och överkomliga priser jämfört med andra kontroll system7. Nyligen utvecklat 3D-tryckt proteser som Ada handen kan kosta endast 1.000 USD när du använder denna typ av kontroll8,9,10. Dock när man försöker påvisa sådana system för allmänheten finns det inget enkelt sätt att göra detta utan hjälp av amputerad.
För att öka medvetenheten om forskningen på detta område till allmänheten, utvecklades en bionic klickern demo enhet. Det är mycket viktigt att använda objekt-baserad demonstration som det väcker uppmärksamhet och påskyndar lärande och förståelse av ämnet lärs ut11. Vår enhet hjälper inte bara att undervisa begreppet EMG men också att öka kunskapen om den nuvarande utvecklingen av modern teknik. Dessutom inspirerar det yngre generationer att välja studier inom vetenskap, teknik, ingenjörsvetenskap och matematik (STEM).
Bionic klickern MK var jag gjorde med hjälp av lättillgängliga delar som redan var i bruk i labbet. Den bestod av en mikrokontroller, en bio-signaler sköld12, elektroder, en kontroll ombord, en trådlös kommunikation styrelse och ett 9 V-batteri. Enheten fungerade genom att plocka upp aktiviteten av kidnappare indicis muskeln ligger mellan pekfinger och tumme. Det utlöser en bild förändring genom att härma ett tangentbord och skicka en 'rätt knapptryckning' när en förvald tröskelvärdet nåddes. Styrkortet tillåtet för manuell översändning av 'rätt' och 'vänster' knapptryckningar (framsteg bilder och retreat diabilder) och kunde också användas för att åsidosätta EMG input om saker gick fel under en demonstration.
Som en del av medicinsk fysik och medicinsk teknik Institutionen medborgardialog verksamhet visat vi Bionic klickern till allmänheten. Det fick en entusiastisk respons från publiken och genererade intresse börjar flera samarbeten. Efter framgången med den första enheten utformades en andra version av enheten.
Målet för design av den andra enheten var att producera en enhet som var billigare, mindre krångliga och mer anpassningsbar än den första enheten. Syftet med denna enhet var att designa något som enkelt kan ändras för studentprojekt och införlivas billigt i befintliga projekt. Den största fördelen med denna enhet över andra tillgängliga1,2,3,4,5,6 är dess användarvänlighet använder, liten storlek, och låg kostnad. Även om bionic klickern enheterna inte kanske resolution av andra forskning enheter, såsom trigger enheter, är de mer än tillräckligt bra. Den MK II skulle vara en idealisk grund för alla system som använder en EMG tröskel för att utlösa en enhet, såsom en protetiska controller eller hjälpmedel.
Designen baserades runt en trådlös-kapabla mikrokontroller och en muskel sensor. Det ingår också en 3,7 V 150 mAh Litium polymerbatteri, en manuell kontroll styrelse och en 3D-tryckt fall. Figur 3 visar en översikt över skillnaderna mellan mönsterna. MK II designen har samma grundläggande funktioner som den ursprungliga enheten men har betydligt mer potentiella funktionalitet för nya tillämpningar såsom trådlösa EMG övervakning.
Protocol
Protokollet följer riktlinjerna från University College Londons mänskliga forskningsetisk kommitté.
Varning: Detta protokoll innehåller en elektrisk fara och en brännskador (lödkolv); Läs båda innan du försöker detta protokoll. Detta protokoll innehåller ansluta en enhet till huden. Se till att ingen tid finns en sökväg mellan hud och El elnätet. Vid aldrig elementet i lödkolven. Håll ledningarna värmas med pincett eller klämmor. Hålla rengöring svampen våt under användning. Lämna alltid lödkolv till sin monter när inte i använda. Aldrig lägga ner den på arbetsbänken. Stäng av enheten och koppla ur den när inte i använda.
1. montering av bas komponenter
Obs: Figur 3 ger en översikt över protokollstegen.
- För att bygga Bionic klickern MK I, Anslut bio-signaler sensor skölden till mikrokontroller och skruva EMG kablarna i E, M och GND skruven terminalerna av skölden (se figur 4). Fortsätt till steg 1,6.
-
För att bygga den MK II, placera en rad med tre huvud stift i muskel sensorn i den +, - och SIG hål (se figur 5) från ovan, och löd under.
- Böj huvudet stiften 90 ° med ett par plyers halvvägs upp stiften. Detta placerar stiften i rätt position för fallet.
- Om du använder kidnappare indicis muskeln som indata, Fortsätt till steg 1.3, om inte flytta till steg 1.4.
-
Ta bort kort svart referens kabeln från muskel-sensor.
- Skär tre EMG kablarna med en Avbitartång att köra från handleden till baksidan av handen. Remsa i slutet av tre EMG kablarna med en tråd strippa.
- Placera den skalade ändan av den svarta kabeln till R hålet, den blå ledningen i E hålet och den röda kabeln i M hålet muskel sensorn (figur 5). Löda kablarna på plats på undersidan av muskel sensorn. Flytta till steg 1,5.
-
Klipp två elektroder i undersidan av muskel sensorn och en elektrod i kontakten av svarta kabeln.
- Stick muskel sensorn på markerade muskeln med elektrod pads och placera svart referenselektroden på lämplig plats.
-
Skär 8 enkel kärna multitråd sladdar till längd och band varje ände: 5 kort (7 cm) trådarna löpa mikrokontroller styrkortet (röd, svart, grön, vit och blå) och 3 längre (ca 12 cm men beroende på handleden storlek) kablar (röd, svart och grön) till köra från ena sidan av handleden till den andra.
Obs: Om utsläppande muskel sensorn på en annan muskel Kontrollera att längre trådarna körs från webbplatsen muskel sensor till webbplatsen trådlösa mikrokontroller.- Placera trådarna till mikrokontroller redo för lödning: 2 röda trådar i 3V hål, 2 svarta kablarna till GND hålet, långa gröna tråden i A0 hålet, den korta blå ledningen i 2 hål, långa vita tråden i 3 hål , och den korta gröna ledningen i 5 hål. Löda kablarna på plats på undersidan av mikrokontroller.
- Löda i andra änden av de 3 långa trådarna till 3 huvud uttagen i ordningen: röd, svart, grön. Se figur 5. Om inte använder kidnappare indicis muskeln gå vidare till steg 2.
-
Placera de EMG sensor kuddar å, som visas i figur 6, med två av elektroderna i vardera änden av kidnappare indicis muskeln och en EMG sensor pad på mitten av baksidan av handen.
- Klipp elektroder i på kontaktsidan muskel sensor kablar (push-in). Blå och röda elektroder klippet ovanför muskeln, svarta elektroden klippen på baksidan av handen.
2. test EMG utdata
- Ladda ner biblioteket för bio-signaler shield efter länk14 från referensavsnittet. Packa upp den och placera den i mappen integrerad (IDE) bibliotek (hittas vanligen i dokument/Arduino/bibliotek). Fortsätt till steg 2,3. Om att bygga den MK II, Fortsätt till steg 2.2.
- Lägg till mikrokontroller styrelser i IDE, efter de instruktioner15.
- Ladda ner 'ThresholdTest.ino' för MK I eller 'BLEThresholdTest.ino' och 'BluefruitConfig.h' för MK II och öppna i programvaran IDE (kompletterande filer).
- Koppla från den bärbara datorn från elnätet och då, och endast då, Anslut mikrokontroller till den bärbara datorn via en Universal Serial Bus (USB)-kabel.
- Överföra de relevanta versionen av testet tröskeln till mikrokontroller och öppna sedan den serial monitorn (Verktyg > Serial Monitor). Produktionen av EMG visas nu.
- Flytta pekfingret från sida till sida och flytta handen runt utan att röra pekfingret. Skriv ned värdena som visas i varje fall.
Obs: När använda den MK II se till att kablarna inte flytta eftersom det är extremt känsliga för buller genereras hitåt. - Välj ett värde som är ovan vad ses när handen flyttas runt, men nedan vad ses när fingret flyttas från sida till sida. Skriv ner detta värde.
Obs: Värdet är markerat så att enheten aktiveras endast genom en målmedveten rörelse med fingret. Detta är Trigger tröskelvärdet, värdet där enheten kommer att aktiveras. Muskel sensorn har en gain-inställningen som kan ändras manuellt om tröskelvärdet är svårt att hitta. Elektroderna kan behöva bytas ut. Om du använder kidnappare indicis muskeln, ställa in förstärkningen till minimum som utgångspunkt. Känslighetsinställningen förändras genom potentiometern på muskel sensorn präglas av vinst, och detta kan ändras genom en liten platt skruvmejsel.
3. test tröskel
- Ladda ner 'BoomTest.ino' för MK I eller 'BLEBoomTest.ino' och BluefruitConfig.h för MK II och öppna den i programvaran IDE.
- Redigera koden genom att ersätta 'PLACE_YOUR_THRESHOLD_TRIGGER_VALUE_HERE' med Trigger tröskelvärdet tidigare fastställts i steg 2,8. Detta är 37 rad koden för MK jag och linje 47 av koden för den MK II.
- Ladda upp rätt version av BoomTest till mikrokontroller och öppna sedan den serial monitorn (Verktyg > Serial Monitor).
- Flytta handen runt (inte flytta pekfingret från sida till sida); inget syns på en seriell utgång.
- Flytta pekfingret från sida till sida; ordet 'BOOM' visas.
Obs: Om 'BOOM' visas vid fel tidpunkt eller inte alls, Kontrollera anslutningarna och flytta tillbaka till steg 2,7.
4. 3D Print MK II fallet
- Om att bygga den MK II, Hämta stl filer för alla 5 komponenter i det enskilda fallet (se figur 7 för alla 5 delar). Skriva ut delar av fallet av någon rekommenderad metod. Fortsätt till steg 5.2. Om byggnad MK I, gå vidare till avsnitt 5.
Obs: Fallet har varit framgångsrikt ut av både smält nedfall modellering16 (FDM) och photolithography skrivare17.
5. löd styrkortet
Obs: Om att bygga den MK II, Fortsätt till steg 5.2.
-
Placera en rad med två huvud pins, fem 10 KΩ motstånd, en skjutomkopplare och två tryckknapp växlar för komponenter som visas i figur 8A; sedan löda på plats på undersidan av styrelsen.
- Bryta koppar spåren på strip styrelsen genom skärning genom med en hobbykniv, efter de grå linjerna på figur 8A. Detta möjliggör för enskilda spår att ha flera funktioner över hela linjen.
- Skär 7 kablarna (svart, röd, blå, orange, vit, brun och gul) i rätt längd med en Avbitartång så att de kommer att köra från underarmen till överarmen (ca 30 cm). Skär en röd tråd av 7 cm, en svart tråd på 3 cm och en orange och en blå tråd på 4 cm.
- Remsa båda ändar av kablarna med en tråd strippa.
- Placera kablarna i styrkortet, efter kopplingsschemat visas i figur 9. löda kablarna på plats på undersidan.
- Löda långa röda och svarta kablarna till ett par av header pins och sedan löda andra långa trådarna till en remsa av header pins i ordning: blå, orange, vit, brun, gul.
- Löda den 5V och GND pins av den trådlösa modulen till header stiften på styrkortet.
- Löda kort orange tråd till stift 2 i modulen trådlös kommunikation och den korta blå ledningen till stift 3.
-
Plats tre 10 KΩ motstånd, en skjutomkopplare och två push knappen växlar som visas i figur 10och löda på plats på undersidan av styrelsen.
- Bryta koppar spåren på strip styrelsen genom skärning genom med en hobbykniv, efter de grå linjerna på figur 10A. Detta gör banan för att ha flera funktioner i styrelsen.
- Skär trådarna som var tidigare lödda till mikrokontroller med en Avbitartång så att de kan springa genom mitten lagret av mikrokontroller ärendet till styrelsens kontroll utan att stoppa fallet från UB (figur 10B).
- Placera kablarna i styrkortet, efter kopplingsschemat (figur 11). Löda kablarna på plats. Fortsätt till steg 6,2.
6. Montera klickern och uppdatera mikrokontroller
- Återmontera Bionic klickern, ansluta huvudkontakter från kontroll styrelsen ledningar till mikrokontroller och bio-signaler sköld (5V och GND på MK I, stift 22-30 på MKII). Anslut batteriet till mikrokontroller. Se figur 12. Gå vidare till steg 6.3.
- Återmontera Bionic klickern, ansluta header kontakten från mikrokontroller till muskel sensorn (grön kabel till SIG). Se figur 13.
- Anslut mikrokontroller till den bärbara datorn via USB-kabel.
- Ladda ner 'BionicClicker.ino' eller ' BLEBionicClicker.ino och BluefruitConfig.h och öppna den i programvaran IDE.
- Redigera koden och ersätta 'PLACE_YOUR_THRESHOLD_TRIGGER_VALUE_HERE' med Trigger tröskelvärdet bestäms i steg 2,7 (på linje 59 av koden för MK I, fodrar 83 i koden för MK II).
Obs: Det namn som visas MK II enheten som när du ansluter över trådlösa kan ändras genom att redigera linje 47 av koden. Ersätt 'Bionic klickern MK II' med en alternativ titel. - Koppla från mikrokontroller från den bärbara datorn genom att ta bort USB-kabeln.
7. Anslut enheten till en dator
- Om MK I, följ instruktionerna för att koppla den trådlösa modulen till enheten genom att följa tillverkarens guide18. Om du använder den MK II, ansluta till enheten trådlöst efter förfarandet för att ansluta ett trådlöst tangentbord till den dator som används.
8. testa klickern
-
Öppna vissa skriva programvara och ange text, såsom 'Lorem ipsum dolor sit amet'. Detta tillåter pressarna uppfattas för att testa om dessa kommandon skickas och tas emot.
Obs: Om batterinivån är låg enheten kan ge oberäkneligt beteende; Använd alltid ett nytt batteri.- Tryck på knappen för manuell framåt för att se markören flytta framåt och manuell bakåt knappen för att se markören flytta bakåt. Höja pekfingret för att också gå framåt.
- För att testa klickern med presentation programvara, höja pekfingret framsteg bilder.
Obs: Växeln Åsidosätt slår funktionen EMG på och av, och manuellt framåt och bakåt knappar framsteg och retirera bilder i båda scenarierna.
9. Montera klickern
Obs: Om bygga MK II går till steg 9,2.
-
Om byggnad MK I, skär den dubbelsidiga krok och ögla material med sax, så att den passar bekvämt runt handleden. Kontrollera att öglorna riktad inåt för att inte repa handleden.
- Skär dubbelsidig kroken och slinga material så att det sitter bekvämt runt överarmen, kontrollera igen att slingorna ansikte inåt.
- Skär dubbelhäftande kardborreband remsor till storleken på mikrokontroller (10 x 5 cm) och styrelsens kontroll (2,5 x 6,4 cm). Klipp en remsa som passar tätt runt batteriet (4 x 12 cm).
- Med hjälp av limpistol, limma loop sidan av remsorna till botten av mikrokontroller och botten av styrkortet.
- Fäst handledsremmen styrkortet. Fäst i microcontroller och batteriet på överarmen bältet.
- Anslut allt: The 9 V batteri ansluts till mikrokontroller med PP3 connector. Microcontroller och e-hälsa sköld ansluta till styrelsens kontroll via lödde kablarna.
Obs: MK jag är nu klar.
-
Om byggnad den MK II, skär dubbelsidig krok och ögla material 35 mm breda och långa nog att vira runt handleden (cirka 22 cm för mindre handleder).
- Skjut det krok och ögla materialet igenom klippen på botten av fallet. Se till att öglorna vänd inåt för att inte repa handleden.
- Anslut kablar lödas till mikrokontroller avslutande i kvinnliga huvudet till stiftlist stiften på muskel sensorn och klipp elektroderna i EMG kablarna genom att trycka dem.
Obs: Den MK II är nu klar. Se figur 14.
Representative Results
Den MK II är mer prisvärd, anpassningsbara och mindre betungande än MK jag enhet. Hela MK II kostar bara något mer än bio-signaler sköld ensam (75 USD). Enheten är betydligt mindre sitter på handleden i stället för att armen och trådlösa mikrokontroller kunde potentiellt samtidigt stödja ingångar från 6 muskel sensorer. Funktionella ackumulatorn liv av MK jag enhet knappt en timme med ett 9 V 550 mAh batteri och funktionella ackumulatorn liv av MK II enheten (när den används som en klicker) är cirka 8 timmar med en 3,7 V 150 mAh batteri; Se tabell 1 för en jämförelse mellan enheterna.
Den Bionic klickern MK II kan ha ett problem när det används på den kidnappare indicis: förstärkaren kan mätta och ta mer än en sekund att ansvarsfrihet (se figur 15). Noggrann placering av elektroderna och korrekt ställa in känsligheten kan övervinna problemet. Detta händer inte med Bionic klickern MK jag eller på någon annan Använd allmänt musklerna för EMG.
Samtidigt kalibrera enheterna för att hitta Trigger tröskelvärdet, kan många olika värden observeras. De faller in i tre spänner: värdena när handen är stillastående, värdena när handen är i rörelse och värdena när fingret flyttas. Tabell 2 visar inspelade värden i varje område; för stationära och hand flytta spänner, visas de maximala värdena och för finger tensing utbud minimivärdet visas. Tröskelvärdet är valt att ligga ovanför handen flytta värdet och nedanför fingret tensing värde. Ett värde närmare handen flytta utbud ökar risken för falskt positiva och minskar risken för falskt negativ, medan ett värde närmare till finger tensing utbud har motsatt effekt.
Båda enheterna där testas för falska negativa och falskt positiva när tensing kidnappare index muskeln. Ett falskt negativa spelades när enheten inte utlösa en ändring av bild på spänna av muskeln och ett falskt positivt spelades in om bilden ändras när ingen tensing inträffade. Varken enhet hade ett problem med falskt positiva, även om MK II enheten upplevde de enstaka falska negativa (mindre än 5% av tiden). MK jag enhet erfar ingen falsk positiv eller negativ under de första 45 minuterna av drift, även om antalet falskt negativ ökar snabbt tills totala enhetsfel mellan 50 minuter och en timme (se tabell 3).
Dessa resultat visar att enheten lyckats dess uttalade mål. Tabell 1 visar att den MK II är billigare och har större flexibilitet än av MK I. tabell 2 och tabell 3 visar att enheten fungerar som avsett och kan användas som en EMG-baserade trigger enhet. Figur 15 visar de problem som kan uppstå om använder kidnappare index muskeln: Detta är inte ett problem som uppstår med de flesta muskler och kan åtgärdas genom att ändra känsligheten. Även om enheterna har vissa frågor, de räcker för den avsedda användningen.
Figur 1: Den Bionic klickern MK I. Detta visar Bionic klickern MK jag och alla dess komponenter monterade på vänster arm. Klicka här för att se en större version av denna siffra.
Figur 2: Blockdiagram över enheterna. Varje ruta representerar ett separat avsnitt i enheten; inom varje ruta är funktionalitet som avsnitt har som en del av enheten. Klicka här för att se en större version av denna siffra.
Figur 3 : Åtgärder för att bygga enheten. Ett flödesdiagram som innehåller en översikt över varje steg i protokollet. Klicka här för att se en större version av denna siffra.
Figur 4 : Initial MK jag montering. MicroController med bio-signaler sköld och elektroden kablar. Klicka här för att se en större version av denna siffra.
Figur 5: Inledande MK II montering. MicroController med muskel sensorn och Lödde anslutningar. Klicka här för att se en större version av denna siffra.
Figur 6 : Elektrodplacering. Denna figur visar korrekt placering av elektroderna på handen när du använder den kidnappare indicis. Klicka här för att se en större version av denna siffra.
Figur 7 : The MK II fall delar. Delarna av MK II fallet redo för utskrift i en photolithography skrivare. Klicka här för att se en större version av denna siffra.
Figur 8 : The MK jag styra krets. (en) kretskort ovanifrån (grå märken där remsan styrelsen hade kontakter bruten på undersidan). (b) avslutade kretskort. Klicka här för att se en större version av denna siffra.
Figur 9 : The MK jag styra styrelsen kopplingsschemat. Kopplingsschemat för MK styr jag styrelsen visar anslutningarna mellan motstånden, växlar och kablar. Klicka här för att se en större version av denna siffra.
Figur 10 : The MK jag styra krets. (en) Control Board ovanifrån (grå mark där remsan styrelsen hade kontakten bruten på undersidan). (b), slutförd kretskort vänligen klicka här för att visa en större version av denna siffra.
Figur 11: The MK II kontroll styrelsen kopplingsschemat. Kopplingsschemat för MK styr jag styrelsen visar anslutningarna mellan motstånden, växlar och kablar. Klicka här för att se en större version av denna siffra.
Figur 12 : Den monterade MK I. Detta visar alla komponenter i MK jag enheten innan de har varit monterade på armen. Klicka här för att se en större version av denna siffra.
Figur 13 : Montering av klickern MK II. (en) plats mikrokontroller i botten av fallet. (b) Placera batteriet i den mellersta delen och sätt på locket. (c) Placera muskel sensorn i sitt fodral och Lägg på locket. (d) Anslut mikrokontroller till muskel sensorn och Anslut batteriet till mikrokontroller. Klicka här för att se en större version av denna siffra.
Figur 14 : Den ifyllda Bionic klickern MK II. (en) på krok och ögla bandet. (b) på handleden. Klicka här för att se en större version av denna siffra.
Figur 15: Oversaturation muskel sensorns. Denna figur visar vad som händer när muskeln sensorn är övermättad; platåerna är när muskelaktivering var för stark för den aktuella känslighetsinställningen på enheten. Klicka här för att se en större version av denna siffra.
| MK JAG | MK II | |
| EMG-sensor | General Bio-sensor | Dedikerad muskel Sensor |
| Trådlös | Separat trådlös modul | På styrelsens mikrokontroller |
| EMG över trådlösa? | Nej | Ja |
| Batteri | 9 V PP3 | 150 mAh LiPo |
| Operativa tid | 1 h | 8 h |
| Bygga tid | 5 h | 4 h |
| Total kostnad | $150 | $80 |
| Falska positiva (%) | 0 | 0 |
| Falska negativa (%) | 0 | 4.7 |
Tabell 1: jämförelse av enheter. Den här tabellen jämför flera aspekter av enheterna, från design till funktionalitet.
| Stationära (maximalt) | Hand Moving (maximalt) | Finger Tenzing (minst) | Tröskelvärde | |
| MK JAG | 25 | 35 | 215 | 200 |
| MK II | 40 | 280 | 460 | 400 |
Tabell 2: kalibreringsresultat. Den här tabellen visar de värden som erhålls samtidigt att hålla handen stilla, flytta handen och finger tensing, liksom det tröskelvärde som valts.
| Antal falska negativa (testad varje 30 s) | Antalet falska positiva (spontan aktiveringar) | ||||
| Första 45 min | 45 min - 1 h | 1-8 h | Första h | 1-8 h | |
| MK JAG | 0 | 35 | EJ TILLÄMPLIGT | 0 | EJ TILLÄMPLIGT |
| MK II | 4 | 1 | 40 | 0 | 0 |
Tabell 3: provning av enheterna. Jämförelse av falska positiva och falska negativa mellan de två enheterna.
Tilläggskod filer för MK I och MK II:
Klicka här för att ladda ner ”BionicClicker.ino”
Klicka här för att ladda ner ”BLEBionicClicker.ino”.
Klicka här för att ladda ner ”BLEBoomTest.ino”.
Klicka här för att ladda ner ”BLEThresholdTest.ino”.
Klicka här för att ladda ner ”BoomTest.ino”.
Klicka här för att ladda ner ”ThresholdTest.ino”.
Klicka här för att ladda ner ”fjäder-Featherbase.stl”.
Klicka här för att ladda ner ”fjäder-Feathermid.stl”.
Klicka här för att ladda ner ”fjäder-Feathertop.stl”.
Klicka här för att ladda ner ”Myo-Myobase.stl”.
Klicka här för att ladda ner ”Myo-Myolid.stl”.
Discussion
Mättnad av MK II när den används på den kidnappare indicis är mindre problem än vad det först kan verka. Noggrann placering av elektroderna och rätt få inställningen stannar detta från att vara ett problem när enheten används som en klicker. Om inte intresserad av noggrant registrera aktiviteten av kidnappare indexen, är det osannolikt att vara ett problem alls. Ingen överdriven färgmättnad har setts på alla andra muskler efter vinsten har ställts in. De falska negationarna med MK II är på grund av svårigheten att välja korrekt tröskelvärdet när du använder den kidnappare indicis. Med större muskler är skillnaden mellan omfattningen av icke-målmedveten aktivering av muskeln och målmedveten spänna av muskeln större, vilket möjliggör val av en tröskel-punkt som är längre från både falskt positiva och falskt negativa punkter. På särskilt små händer kan kidnappare indicis muskeln vara för liten för elektroderna placeras korrekt (men med mindre elektroder skulle det potentiellt kunna lösas).
Den betydligt längre batteritiden för MK II är användbar för en mängd olika skäl. För det första, MK jag enhet börjat agera oförutsägbart efter 45 minuters användning, så det inte kan användas för längre demonstrationer. För det andra med en flera timmars batteritid, den MK II kan betraktas som en kontroll som indata för en användbar enhet, och med endast en liten ökning i fysisk batteristorlek, det kan användas som en övervakning anordning för hela dagen. Trådlös mikrokontroller har 6 analoga ingångar och 13 digitala ingångar; Detta innebär att enheten kan acceptera signaler från flera muskel sensorer för att skapa en enhet med fler frihetsgrader i kontroll indata. Det bör också noteras att muskel sensorn kunde ersättas av någon biosensor med en analog utgång att skapa en enhet som använder andra biologiska signaler som indata. Koden för enheten kan också enkelt ändras för att ändra dess funktionalitet. Ändringar av programvara och maskinvara av enheten möjliggör enkel och varierad ändringar till enheten.
En begränsning av enheten är som det ser ut nu att EMG utdata inte kan skickas trådlöst på en hög datahastighet som detta kan överbelasta trådlösa microcontroller bufferten. En annan begränsning är att tekniken används på kidnappare indexen som indata, och som muskeln är mycket liten, avståndet mellan elektroderna å nästan överlappar varandra; om någon har särskilt små händer, kan det vara omöjligt att placera elektroderna korrekt över denna muskel.
Enheten har flera fördelar jämfört med de dyra enheterna när det kommer till flexibilitet i potentiella projekt. Det är låg kostnad: enheten kostar 80 USD och ytterligare EMG kanaler kostar bara 35 USD, vilket gör den idealisk för mindre eller studentprojekt. Det är lätt att anpassa programvaran enkelt kan redigeras och ingångarna ändrats för annan hårdvara. Den har en liten storlek, så en person som bär den inte behöver bära tungt eller skrymmande utrustning. Det verkar också som ett trådlöst tangentbord till andra enheter, så att den enkelt kan integreras med alla kompatibla trådlösa enheter. Enheten har redan införlivats i en hjälpmedel som kommer att publiceras i nära framtid.
På grund av den storlek och enkel anpassning av MK II, är det redan betraktas för iblandning i flera forskningsprojekt som en trådlös EMG-modul och en trådlös utlösningsmekanism. Det är också används som grund för en av laborationer på en master Students kurs. Den huvudsakliga förbättringen vill vi göra till enheten är att öka den trådlösa överföringen; målet är att uppnå 10 Hz, och huruvida detta kommer att ske genom maskinvara eller programvara är ännu skall fastställas.
De viktigaste stegen inom protokollet är steg 2.6 och 2.7: val av utlösare tröskelvärdet. I steg 2,6 måste särskild uppmärksamhet ägnas rörlighet för EMG kablarna, eftersom dessa kan fungera som antenn och generera rörelse artefakter; men om dessa hålls stilla är detta inte ett problem. I steg 2,7, om det valda värdet är för högt, resulterar detta i falska negativa. Om värdet är för lågt, resulterar detta i falska positiva. När det gäller den kidnappare indicis är det mycket svårt att hitta ett värde som inte resulterar i det enstaka falska negationen, även om med större muskler inte verkar detta vara ett problem. Om att hitta rätt värde är fortfarande ett problem, kan vinsten korrigeras genom att du ger det lägsta värdet och öka det tills en stor skillnad mellan icke-aktivering och aktivering ses genom den seriella avläsningen, med de värden som bor nedanför punkten av mättnad.
Övergripande den MK II är en avsevärd förbättring över MK I som en potentiell forskning enhet, även om eftersom MK har en starkare visuell påverkan, är det sannolikt att fortfarande vara används i framtiden medborgardialog händelser.
Disclosures
Författarna har något att avslöja.
Acknowledgments
Projektet är finansierat av Engineering och Physical Sciences Research rådet EPSRC (EP/K503745/1), Institutet för hälsa forskning (NIHR) Biomedical Research Centre (BRC) (BRC272/HI/JG/101440) och UCL ändra beslutsfattare.
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).
