Summary
En enhed blev oprettet for at vise Elektromyografi-baseret kontrol en lå publikum. Efter succesen med den første enhed, blev en anden enhed foretaget med større fleksibilitet i funktionalitet til demonstrations- og forskningsformål. Denne protokol beskriver processen med at opbygge og kalibrere begge enheder.
Abstract
I dette manuskript, præsenterer vi to 'Bionic klikkertræning' systemer, den første, designet til at demonstrere Elektromyografi (EMG) baseret kontrolsystemer for uddannelsesmæssige formål og andet til forskningsformål. EMG baseret kontrol systemer afhente elektriske signaler genereret af muskel aktivering og bruge dem som input til controllere. EMG controllere er meget udbredt i proteser til kontrol lemmer.
Mærket jeg (MK jeg) klikkertræning tillader brugeren at ændre dias i en præsentation ved at hæve deres pegefinger. Det er bygget op omkring en microcontroller og et bio-signaler skjold. Det skabt en masse interesse fra både offentligheden og forskningsverdenen.
Mark II (MK II) enheden præsenteres her var designet til at være en billigere, slankere og mere tilpasselig system, som nemt kan redigeres og direkte overføre EMG data. Det er bygget ved hjælp af en trådløs i stand til mikrokontroller og en muskel sensor.
Introduction
Aspire Centre for rehabilitering Engineering og hjælpemidler undersøger teknikker, der er gældende og kan overdrages mellem forskellige domæner i beslægtede områder af interesse, herunder men ikke begrænset til, slagtilfælde, muskelsvind, amputation, den aldrende befolkning og uddannelse af specialiserede færdigheder. Et område af forskning, at centeret er involveret i er neuroprosthesis. Af de mange teknikker, der anvendes til kontrol af neuroprosthetic arme, er EMG en af de mest almindelige indgange til kontrol systemer1,2,3,4,5,6. Dette er en stor del på grund af sin lethed af brug og overkommelige priser i forhold til andre kontrol systemer7. For nylig udviklet 3D-trykt proteser såsom Ada hånd kan koste kun 1.000 USD, når du bruger denne type kontrol8,9,10. Men når du forsøger at påvise sådanne systemer til offentligheden der er ingen nem måde at gøre det uden hjælp af en amputeret.
For at øge bevidstheden om forskningsaktiviteterne på dette område for medlemmer af offentligheden, blev der udviklet en bionic klikkertræning demo enhed. Det er meget vigtigt at bruge objekt-baseret demonstration, da det tiltrækker opmærksomhed og accelererer læring og forståelse af emnet bliver undervist11. Vores enhed ikke kun hjælper til at undervise begrebet EMG men også til at øge kendskabet til den aktuelle udvikling af moderne teknologier. Desuden, det inspirerer yngre generationer til at vælge studier inden for videnskab, teknologi, teknik og matematik (STEM) områder.
Bionic klikkertræning MK jeg blev gjort ved hjælp af let tilgængelige dele, der var allerede i brug i laboratoriet. Det bestod af en microcontroller, en bio-signaler skjold12, elektroder, en styrekort, en trådløs kommunikation bord og en 9 V-batteriet. Enheden fungerede ved picking up aktiviteten af bortføreren indicis musklen placeret mellem pegefinger og tommelfinger. Det udløser en ændring af dias ved at efterligne en tastatur og sende en rigtige tastetryk når en forudvalgt tærsklen blev nået. Bestyrelsens kontrol for manuel afsendelse af 'rigtige' og 'venstre' tastetryk (fremskridt dias og retreat dias) og kan også bruges til at tilsidesætte EMG input, hvis det gik galt under en live demonstration.
Som en del af medicinsk fysik og Medicoteknisk Institut offentlige engagement aktiviteter demonstrerede vi Bionic klikperson at medlemmer af offentligheden. Det fik en begejstret respons fra publikum og genereret interesse i at starte flere samarbejder. Efter succesen med den første enhed blev en anden version af enheden designet.
Mål for udformningen af den anden enhed var at producere en enhed, der var billigere, mindre besværlig og mere tilpasselig end den første enhed. Formålet med denne enhed var at designe noget, der kunne nemt ændres for studerende projekter og indgå billigt i eksisterende projekter. Den største fordel ved denne enhed over andre tilgængelige1,2,3,4,5,6 , er let at bruge, lille størrelse, og lave omkostninger. Selvom bionic klikkertræning-enheder ikke muligvis løsningen af andre forskning enheder, som udløser enheder, er de mere end godt nok. Den MK II ville være et ideelt grundlag for ethvert system, der bruger en EMG tærsklen til at udløse en enhed, såsom en protese controller eller hjælpemidler enhed.
Designet var baseret omkring en trådløs-kompatible mikrokontroller og en muskel sensor. Desuden var der en 3,7 V 150 mAh lithium polymer batteri, en manuel kontrol bord og en 3D-trykt sag. Figur 3 viser en oversigt over forskellene mellem designene. MK II design har de samme grundlæggende funktioner som den oprindelige enhed men har betydeligt flere potentielle funktionalitet til nye applikationer såsom trådløse EMG overvågning.
Protocol
Protokollen følger retningslinjerne fra University College London menneskelige videnskabsetisk Komité.
Advarsel: Denne protokol indeholder en elektrisk fare og en burn hazard (loddekolbe); læse både før du forsøger denne protokol. Denne protokol omfatter tilslutning af en enhed til huden. Sikre, at på intet tidspunkt er en sti mellem hud og elektricitet lysnettet. Aldrig røre elementet af loddekolbe. Holde på ledningerne til opvarmes med pincet eller klemmer. Holde opvaskeborste våd under brug. Altid vende tilbage loddekolbe til sin stand når den ikke er i brug. Aldrig sætte den ned på workbench. Slukke enheden og afmonterer det når den ikke er i brug.
1. montering af basiskomponenter
Bemærk: Figur 3 giver et højt oversigt over protokollen trin.
- For at opbygge den Bionic klikkertræning MK I, sæt bio-signaler sensor skjold i mikrokontroller og skrue EMG kablerne til E, M og GND skrue terminaler skjoldet (Se fig. 4). Fortsæt til trin 1,6.
-
For at opbygge den MK II, placere en række af tre header pins i muskel sensoren i den +, - og SIGNA huller (Se figur 5) fra oven, og lodde nedenunder.
- Bøje hovedet pins 90 ° med et par af plyers halvvejs op benene. Dette placerer benene i den korrekte position for sagen.
- Hvis du bruger bortføreren indicis muskel som input, fortsætte til trin 1.3, hvis ikke flytte til trin 1.4.
-
Fjerne den korte sorte reference kabel fra muskel sensor.
- Skære tre EMG kablerne med en wire cutter til at køre fra håndleddet til bagsiden af hånden. Strip i slutningen af de tre EMG kabler med en wire stripper.
- Placer den solerede ende af den sorte ledning til R hul, den blå ledning til E hul, og den røde ledning i M hul muskel sensor (figur 5). Lodde ledninger på plads på undersiden af muskel sensor. Gå til trin 1,5.
-
Klip to elektrode puder til undersiden af muskel sensor og en elektrode i sort reference kablets stik.
- Stikke muskel sensor på den markerede muskler med elektrode puder og placere den sorte referenceelektrode i et passende sted.
-
Skær 8 single core multi-tråd ledninger til længde og fratage hver ende: 5 korte (7 cm) ledninger til at køre fra mikrokontroller kontrol bord (rød, sort, grøn, hvid og blå) og 3 længere (ca 12 cm men afhængig af håndled størrelse) ledninger (rød, sort og grøn) til køre fra den ene side af håndleddet til den anden.
Bemærk: Hvis afsætning en anden muskel muskel sensor Sørg for, at de længere ledninger vil køre fra muskel sensor websted til webstedet trådløse microcontroller.- Anbring ledningerne i mikrokontroller klar til lodning: 2 røde ledninger i 3V hul, 2 sorte ledninger til GND hul, den lange grøn ledning ind i hullet for A0, den korte blå ledning i 2 hullet, den lange hvide ledning ind i de 3 hul , og den korte grønne ledning i 5 hullet. Lodde ledninger på plads på undersiden af mikrokontroller.
- Lodde anden enden af 3 lange ledninger til 3 header stik i rækkefølgen: rød, sort, grøn. Se figur 5. Hvis ikke du bruger bortføreren indicis muskel gå videre til trin 2.
-
Placer EMG sensor puder på side, som vist i figur 6, med to af elektroder i begge ender af bortføreren indicis muskel og en EMG sensor pad på midten af bagsiden af hånden.
- Klip elektrode puder i stik for enden af muskel sensor kabler (push passer). Blå og rød elektroder klippet ovenfor muskel, sort elektrode klip på bagsiden af hånden.
2. test EMG Output
- Download bibliotek for bio-signaler skjold efter link14 fra afsnittet reference. Unzip det og læg den i mappen IDE (Integrated Development) biblioteker (normalt findes i Arduino-dokumenter-biblioteker). Fortsæt til trin 2.3. Hvis bygning MK II, Fortsæt til trin 2.2.
- Tilføje microcontroller boards til IDE, efter instruktioner15.
- Download 'ThresholdTest.ino' til MK jeg eller 'BLEThresholdTest.ino' og 'BluefruitConfig.h' for MK II og åben i IDE software (supplerende filer).
- Frakobler laptop fra lysnettet og derefter og først derefter mikrokontroller ind den bærbare computer via en Universal Serial Bus (USB) telegram.
- Uploade den relevante version af tærskel afprøvningen til mikrokontroller og derefter åbne den serielle skærm (værktøjer > Serial Monitor). Produktionen af EMG vil nu blive vist.
- Flytte pegefingeren fra side til side og bevæge hånden uden at flytte pegefinger. Notér dig værdierne vises i hvert enkelt tilfælde.
Bemærk: Når ved hjælp af MK II sørge for, at kablerne Flyt ikke da det er yderst følsom over for støj genereret på denne måde. - Vælg en værdi, der er over hvad ses når hånden er flyttet rundt, men under Hvad ses når fingeren bevæges fra side til side. Nedskrive denne værdi.
Bemærk: Værdien er valgt således at enheden aktiveres kun ved en målrettet bevægelse af fingeren. Dette er udløser tærskelværdi, den værdi, hvor enheden vil blive aktiveret. Muskel sensoren har en gevinst indstilling, der kan ændres manuelt, hvis grænseværdien er svært at finde. Elektroderne skal muligvis udskiftes. Hvis du bruger bortføreren indicis muskel, Indstil gevinst på minimum som udgangspunkt. Indstillingen gevinst er ændret af potentiometer på muskel sensoren præget af gevinst, og dette kan ændres ved en lille flad-skruetrækker.
3. test tærskel
- Download 'BoomTest.ino' til MK jeg eller 'BLEBoomTest.ino' og BluefruitConfig.h for MK II og åbne det i IDE-softwaren.
- Redigere den angivne kode ved at erstatte 'PLACE_YOUR_THRESHOLD_TRIGGER_VALUE_HERE' med Trigger grænseværdi tidligere bestemt i trin 2.8. Dette er linje 37 af koden for MK I og line 47 af koden for MK II.
- Upload den korrekte version af BoomTest til mikrokontroller og derefter åbne den serielle skærm (værktøjer > Serial Monitor).
- Flytte hånden rundt (ikke flytte pegefingeren fra side til side); intet er set på den serielle output.
- Flytte pegefingeren fra side til side; ordet 'BOOM' vises.
Bemærk: Hvis 'BOOM' vises på det forkerte tidspunkt eller slet ikke, kontrollere tilslutningerne og gå tilbage til trin 2.7.
4. 3D Print MK II-sagen
- Hvis bygning MK II, download stl-filer for alle 5 komponenter af sagen (Se figur 7 for alle 5 dele). Udskrive dele af sagen ved enhver foretrukne metode. Fortsæt til trin 5.2. Hvis bygningen af MK I, gå videre til afsnit 5.
Bemærk: Sagen er blevet korrekt udskrevet af begge sammenvoksede deposition modellering16 (FDM) og fotolitografi printere17.
5. lodde Control Board
Bemærk: Hvis bygning MK II, Fortsæt til trin 5.2.
-
Placere en række af to header stifter, fem 10 KΩ modstande, en glidende switch og to push-knappen skifter til komponenter som vist i figur 8A; så lodde dem på plads på undersiden af bestyrelsen.
- Bryde kobber sporene i strip bestyrelsen ved skæring gennem med en håndværk kniv, efter de grå linjer på figur 8A. Dette giver mulighed for individuelle spor at have flere funktioner over hele linjen.
- Skær 7 ledninger (sort, rød, blå, orange, hvid, brun og gul) i den korrekte længde med en wire cutter, således at de vil løbe fra underarmen til overarmen (ca 30 cm). Skære en rød wire på 7 cm, en sort ledning på 3 cm og en appelsin og en blå ledning på 4 cm.
- Strip begge ender af ledninger med en wire stripper.
- Anbring ledningerne i styrekort, efter den Ledningsdiagram, vist i figur 9; lodde ledninger på plads på undersiden.
- Lodde de lange røde og sorte ledninger til et par af header pins, og derefter lodde andre lange ledninger til en stribe af header pinkoder i rækkefølge: blå, orange, hvid, brun, gul.
- Lodde 5V og GND stifter af det trådløse modul til header benene på bestyrelsens kontrol.
- Lodde den korte orange ledning til ben 2 på den trådløse kommunikation modul og kort blå ledning til pin 3.
-
Sted tre 10 KΩ modstande, en glidende skifte og to push-knappen skifter som vist i figur 10A og lodde dem på plads på undersiden af bestyrelsen.
- Bryde kobber sporene i strip bestyrelsen ved skæring gennem med en håndværk kniv, efter de grå linjer på figur 10A. Dette giver mulighed for banen for at have flere funktioner i bestyrelsen.
- Cut ledninger, der var tidligere loddet til mikrokontroller med en wire cutter, således at de kan køre gennem mellemlag af sagen microcontroller til kontrol bord uden at stoppe sag fra lukning (figur 10B).
- Anbring ledningerne i styrekort, efter Ledningsdiagram (Figur 11). Lodde ledninger på plads. Fortsæt til trin 6.2.
6. Saml klikkertræning og opdatere Microcontroller
- Saml den Bionic klikkertræning, forbinder header stik fra kontrolelementet bestyrelsen ledninger til mikrokontroller og bio-signaler skjold (5V og GND på MK I, pin 22-30 på MKII). Tilslutte batteriet til mikrokontroller. Se figur 12. Gå videre til trin 6.3.
- Saml den Bionic klikkertræning, tilslutning header stik fra mikrokontroller til muskel sensor (grøn ledning til SIG). Se Figur 13.
- Tilslut microcontroller til den bærbare computer via USB-kabel.
- Download 'BionicClicker.ino' eller ' BLEBionicClicker.ino og BluefruitConfig.h og åbne den i IDE softwaren.
- Redigere koden og erstatte 'PLACE_YOUR_THRESHOLD_TRIGGER_VALUE_HERE' med udløser tærskelværdien fastsat i trin 2.7 (på linje 59 af koden for MK I, line 83 af koden for MK II).
Bemærk: Det navn, MK II enheden vises som når tilslutning via wireless kan ændres ved at redigere linje 47 den. Erstatte "Bionic klikkertræning MK II" med en alternativ titel. - Afbryde mikrokontroller fra den bærbare computer ved at fjerne USB-kablet.
7. Tilslut enheden til en Computer
- Hvis ved hjælp af MK I, Følg instruktionerne for at parre modulet trådløst til enheden ved at følge producentens vejledning18. Hvis du bruger MK II, oprette forbindelse til enheden trådløst efter proceduren for at tilslutte et trådløst tastatur til computeren bliver brugt.
8. test klikperson
-
Åbne nogle skrive software og postere noget tekst som "Lorem ipsum dolor sit amet". Dette giver mulighed for presser opfattes for at teste, om disse kommandoer er sendt og modtaget.
Bemærk: Hvis batteriet er lavt enheden kan give uberegnelig adfærd; altid bruge et nyt batteri.- Tryk på den manuelle frem for at se markøren Flyt fremad og manualen baglæns knappen for at se markøren Flyt bagud. Hæve pegefinger også fremad.
- For at teste klikkertræning med præsentationen software, hæve pegefinger for at gøre fremskridt i lysbilleder.
Bemærk: Parameteren override slår funktionen EMG til og fra, og manuelt frem og tilbage knapperne fremskridt og tilbagetog dias i begge scenarier.
9. mount klikperson
Bemærk: Hvis bygning MK II gå til trin 9.2.
-
Hvis bygning MK I, cut, dobbelt-sidet hook og loop materiale med saks, således at det passer komfortabelt omkring håndleddet. Sørg for, at sløjferne vender indad for at ikke ridse håndleddet.
- Skær dobbeltsidet hook og loop materiale, således at det passer komfortabelt omkring overarmen, igen Sørg for loops ansigt indad.
- Skær dobbeltsidet krog og løkke strimler til størrelsen af microcontroller (10 cm x 5 cm) og control board (2,5 cm x 6,4 cm). Skåret en strimmel, der vil passe stramt omkring batteriet (4 cm x 12 cm).
- Ved hjælp af limpistol, lim den sløjfe side af strips til bunden af mikrokontroller og bunden af bestyrelsens kontrol.
- Tillægge håndledsremmen kontrol bord. Fastgør mikrokontroller og batteri til overarmen bæltet.
- Tilslut alt: The 9 V batteri tilsluttes microcontroller med PP3 stik. Skjoldet mikrokontroller og e-sundhed tilsluttes styrekort via loddes ledningerne.
Bemærk: MK jeg er nu færdig.
-
Hvis bygning MK II, skær dobbeltsidet hook og loop materiale 35 mm bred og lang nok til at vikle rundt om håndleddet (omkring 22 cm for mindre håndled).
- Skub den krog og løkke materiale gennem klip i bunden af sagen. Sørg for, at sløjferne vender indad for at ikke ridse håndleddet.
- Tilslut ledninger loddet til mikrokontroller afslutning i overskriften kvindelige til mandlige header benene på muskel sensor, og klip elektroderne i EMG kabler ved at skubbe dem.
Bemærk: MK II er nu færdig. Se Figur 14.
Representative Results
Den MK II er mere overkommelige, kan tilpasses og mindre besværlig end MK jeg enhed. Hele MK II koster kun lidt mere end den bio-signaler skjold alene (75 USD). Enheden er betydeligt mindre sidder på håndleddet snarere end arm og den trådløse microcontroller kunne potentielt samtidig understøtter input fra 6 muskel sensorer. Den funktionelle akkumulator liv i MK jeg enhed lige under en time bruger en 9 V 550 mAh batteri og den funktionelle batterilevetid af enheden MK II (når det bruges som en clicker) er omkring 8 timer ved hjælp af en 3,7 V 150 mAh batteri; Se tabel 1 for en sammenligning mellem enhederne.
Bionic klikkertræning MK II kan have et problem, når de anvendes på bortføreren indicis: forstærkeren kan mætte og tage mere end et sekund til at varetage (Se Figur 15). Omhyggelig placering af elektroderne og korrekt indstilling af gevinsten kan afhjælpe dette problem. Dette sker ikke med Bionic klikkertræning MK jeg eller på enhver anden anvendt almindeligt muskler til EMG.
Mens kalibrering enheder for at finde udløser tærskelværdi, kan mange forskellige værdier observeres. De falder i tre områder: værdierne, når hånden er stationære, værdier når hånden bevæger sig og værdier når fingeren bevæges. Tabel 2 viser registrerede værdier i hver række; for stationære og hånd flytning intervaller, de maksimale værdier er vist og for finger spænde vifte minimumværdien er vist. Tærskelværdien er valgt at ligge over hånden flytte værdi og under finger spænde værdi. En værdi tættere på hånden flytte vifte øger chancen for falsk positiv og reducerer risikoen for falske negativer, mens en værdi tættere til finger spænde sortiment har den modsatte effekt.
Begge enheder hvor testet for falske negativer og falske positiver, når spænde bortføreren indekser muskel. En falsk negativ blev optaget når enheden ikke udløse en ændring af dias ved spænde af musklen og en falsk positiv blev indspillet Hvis diasset ændret da ingen spænde opstod. Hverken enhed havde et problem med falske positiver, selvom enheden MK II oplevet den lejlighedsvise falsk negativ (mindre end 5% af tiden). MK jeg enhed oplever ingen falske positiver eller negativer i løbet af de første 45 minutter af drift, selvom antallet af falske negativer stiger hastigt indtil samlede enhed fejl mellem 50 minutter og en time (Se tabel 3).
Disse resultater viser, at enheden lykkedes at dets erklærede mål. Tabel 1 viser, at den MK II er billigere og har større fleksibilitet end MK I. tabel 2 og tabel 3 viser at enhedens funktioner som formål og kan bruges som en EMG-baserede udløse enhed. Figur 15 viser de problemer, der kan opstå, hvis bruger bortføreren indekser muskel: Dette er ikke et problem, der opstår i forbindelse med de fleste muskler og kan fastsættes ved at ændre gevinsten. Selv om enhederne har nogle spørgsmål, er de tilstrækkeligt for den tilsigtede anvendelse.
Figur 1: Bionic klikkertræning MK I. Dette viser den Bionic klikkertræning MK jeg og alle dets komponenter monteres på venstre arm. Venligst klik her for at se en større version af dette tal.
Figur 2: Blokdiagram af anordningerne. Hver boks repræsenterer et særskilt afsnit af enheden; inden for hver kasse er funktionaliteten til sektion har som en del af enheden. Venligst klik her for at se en større version af dette tal.
Figur 3 : Skridt til at bygge enheden. Et flowdiagram, der indeholder et højt niveau oversigt over hvert trin i protokollen. Venligst klik her for at se en større version af dette tal.
Figur 4 : Indledende MK jeg forsamling. Microcontroller med bio-signaler skjold og elektrode kabler. Venligst klik her for at se en større version af dette tal.
Figur 5: Oprindelige MK II forsamling. Microcontroller med muskel sensor og loddede forbindelser. Venligst klik her for at se en større version af dette tal.
Figur 6 : Elektrode placering. Denne figur viser den korrekte placering af elektroderne på hånden, når du bruger bortføreren indicis. Venligst klik her for at se en større version af dette tal.
Figur 7 : The MK II sag dele. Dele af MK II sag klar til trykning i en fotolitografi printer. Venligst klik her for at se en større version af dette tal.
Figur 8 : The MK jeg styre kredsløb. (en) kredsløb fra oven (grå mærker hvor strip bestyrelsen havde kontakter brudt på undersiden). (b) afsluttet kredsløb. Venligst klik her for at se en større version af dette tal.
Figur 9 : The MK jeg styre board Ledningsdiagram. Ledningsdiagram for MK jeg styre board viser forbindelser mellem modstande, switche og kabler. Venligst klik her for at se en større version af dette tal.
Figur 10 : The MK jeg styre kredsløb. (en) kontrol bord fra oven (grå mark hvor strip bestyrelsen havde kontakt brudt på undersiden). (b) afsluttet Circuit Board venligst klik her for at se en større version af dette tal.
Figur 11: The MK II kontrol bord Ledningsdiagram. Ledningsdiagram for MK jeg styre board viser forbindelser mellem modstande, switche og kabler. Venligst klik her for at se en større version af dette tal.
Figur 12 : Den forsamlede MK I. Dette viser alle komponenter i MK jeg enheden, før de har været monteret på armen. Venligst klik her for at se en større version af dette tal.
Figur 13 : Montage klikkertræning MK II. (en) plads microcontroller i bunden af sagen. (b) Læg batteriet i den midterste del og sætte på låget. (c) sted musklen sensor i sin sag og læg på låget. (d) Tilslut mikrokontroller til muskel sensor og Tilslut batteriet til mikrokontroller. Venligst klik her for at se en større version af dette tal.
Figur 14 : Den færdige Bionic klikkertræning MK II. (en) på hook og loop remmen. (b) på håndleddet. Venligst klik her for at se en større version af dette tal.
Figur 15: Oversaturation af muskel sensoren. Denne figur viser hvad der sker når muskel sensor er oversaturated; plateauer er når muskel aktivering var for stærk for den aktuelle indstilling af gevinst på enheden. Venligst klik her for at se en større version af dette tal.
| MK JEG | MK II | |
| EMG sensor | General Bio-sensor | Dedikeret muskel Sensor |
| Wireless | Separate trådløse modul | På bestyrelsens microcontroller |
| EMG over wireless? | Nej | Ja |
| Batteri | 9 V PP3 | 150 mAh LiPo |
| Operationelle tid | 1 h | 8 h |
| Bygge tid | 5 h | 4 h |
| Samlede omkostninger | $150 | $80 |
| Falske positiver (%) | 0 | 0 |
| Falske negativer (%) | 0 | 4.7 |
Tabel 1: sammenligning af enheder. Denne tabel sammenligner flere aspekter af enheder, fra design til funktionalitet.
| Stationære (maksimum) | Hånd flytning (maksimum) | Finger Tensing (minimum) | Grænseværdi | |
| MK JEG | 25 | 35 | 215 | 200 |
| MK II | 40 | 280 | 460 | 400 |
Tabel 2: kalibreringsresultater. Denne tabel viser de værdier, der opnås samtidig holde hånden stationære, flytte hånd og finger spænde, samt den tærskelværdi, der er valgt.
| Antallet af falske negativer (testet hver 30 s) | Antallet af falske positiver (spontan aktiveringer) | ||||
| Første 45 min | 45 min - 1 h | 1-8 h | Første h | 1-8 h | |
| MK JEG | 0 | 35 | NIELSEN | 0 | NIELSEN |
| MK II | 4 | 1 | 40 | 0 | 0 |
Tabel 3: test af enheder. Sammenligning af falske positiver og falske negativer mellem de to enheder.
Supplerende kode filer for MK I og MK II:
Venligst klik her for at downloade "BionicClicker.ino"
Venligst klik her for at downloade "BLEBionicClicker.ino".
Venligst klik her for at downloade "BLEBoomTest.ino".
Venligst klik her for at downloade "BLEThresholdTest.ino".
Venligst klik her for at downloade "BoomTest.ino".
Venligst klik her for at downloade "ThresholdTest.ino".
Venligst klik her for at downloade "Fjer-Featherbase.stl".
Venligst klik her for at downloade "Fjer-Feathermid.stl".
Venligst klik her for at downloade "Fjer-Feathertop.stl".
Venligst klik her for at downloade "Myo-Myobase.stl".
Venligst klik her for at downloade "Myo-Myolid.stl".
Discussion
Mætning af MK II når det bruges på bortføreren indicis er mindre af et problem end det kan først vises. Omhyggelig placering af elektroderne og korrekte få indstilling stopper det fra at være et problem, når enheden bruges som en clicker. Medmindre interesseret i præcist optagelse aktivitet af bortføreren indekser, er dette usandsynligt, at være et problem overhovedet. Ingen over mætning er blevet set på nogen andre muskler efter gevinsten er indstillet. De falske negativer med MK II er på grund af vanskeligheden ved at vælge den rette tærskelværdien, når du bruger bortføreren indicis. Med større muskler er forskellen mellem omfanget af ikke-målrettet aktivering af muskel og målrettet spænde af musklen større, giver mulighed for udvælgelse af en tærskel punkt, der er længere fra både falsk positive og falsk negative point. På særligt små hænder kan bortføreren indicis muskel være for lille til elektroder skal placeres korrekt (dog med mindre elektrode puder kunne dette potentielt være løst).
Den betydeligt længere batterilevetid for den MK II er nyttigt for en række årsager. For det første MK jeg enhed begyndte at fungere uregelmæssigt efter 45 minutters brug, så det ikke kan bruges til længere demonstrationer. For det andet med en multi timers batterilevetid, MK II kan betragtes som et input til en nyttig indretning, og med kun en lille stigning i fysiske batteri størrelse, det kunne bruges som en heldagsbegivenhed overvågning enheden. Den trådløse microcontroller har 6 analoge indgange og 13 digitale indgange; Det betyder, at enheden kunne acceptere signaler fra flere sensorer, muskel til at oprette en enhed med flere frihedsgrader i kontrol-indgange. Det skal også bemærkes, at muskel sensor kan erstattes af enhver biosensor med en analog udgang til at oprette en enhed, der bruger andre biologiske signaler som input. Koden for enheden kan også let ændres for at ændre dens funktionalitet. Ændringer i software og hardware af enheden giver mulighed for enkel og varieret ændringer til enheden.
En begrænsning af enheden er som det ser ud nu ikke at EMG output kan sendes trådløst på en høj datahastighed som dette kan overbelaste trådløse microcontroller buffer. En anden begrænsning er, at teknikken bruger bortføreren indekser som input, og som musklen er meget lille, afstanden mellem elektroderne på hånden næsten overlapper; Hvis en person har særligt små hænder, kan det være umuligt at placere elektroder korrekt over denne muskel.
Enheden har flere fordele frem for de dyrere enheder, når det kommer til fleksibilitet i potentielle forskningsprojekter. Det er billigt: enheden koster 80 USD og yderligere EMG kanaler kun koster 35 USD, hvilket gør det ideelt for mindre eller studerendes projekter. Det er let at tilpasse, software nemt kan redigeres, og indgangene ændret for andre hardware. Det har en lille størrelse, så en person iført det ikke behøver at bære tunge eller uhåndterbare udstyr. Det vises også som et trådløst tastatur til andre enheder, så det kan let integreres med kompatible trådløse enheder. Enheden er allerede blevet indarbejdet i en kompenserende enhed, som vil blive offentliggjort i den nærmeste fremtid.
På grund af størrelse og nem tilpasning af MK II, er det allerede overvejes til indbygning i flere forskningsprojekter som en trådløs EMG modul og som en trådløs udløsningsmekanisme. Det er også brugt som grundlag for en af lab-sessioner på en master studerende kursus. Den væsentligste forbedring vil vi gerne gøre til enheden er at øge trådløs transmission sats; Målet er at opnå 10 Hz, og om dette vil ske gennem hardware eller software er endnu fastlagt.
De mest kritiske trin i protokollen er trin 2.6 og 2.7: udvælgelse af Trigger tærskelværdi. I trin 2.6 skal særlig opmærksomhed betales for udveksling af EMG-kabler, da de kan fungere som antenne og generere bevægelse artefakter; men hvis disse holdes stationære dette er ikke et problem. I trin 2,7, hvis den valgte værdi er for høj, resulterer dette i falske negativer. Hvis denne værdi er for lav, resulterer dette i falske positiver. I tilfælde af bortføreren indicis er det meget vanskeligt at finde en værdi, der ikke resulterer i lejlighedsvise falsk negativt, men med større muskler dette ikke synes at være et problem. Hvis at finde den korrekte værdi er stadig et problem, kan gevinsten rettes ved at sætte den til den laveste værdi og øge det indtil en stor forskel mellem ikke-aktivering og aktivering er set gennem den serielle udlæsning, med de værdier, der opholder sig under punktet mætning.
Samlet MK II er en stor forbedring over MK jeg som en potentiel forskning enhed, selv om fordi MK jeg har en stærkere visuel effekt, er det sandsynligt, at stadig blive brugt i fremtidige offentlige engagement begivenheder.
Disclosures
Forfatterne har ikke noget at oplyse.
Acknowledgments
Projektet er finansieret af teknik og naturvidenskab forskning Rådet EPSRC (EP/K503745/1), Statens Institut for sundhed Research (NIHR) Biomedical Research Center (BRC) (BRC272/HI/JG/101440) og UCL ændre beslutningstagere.
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).
