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创建了一个设备, 以演示 electromyography-based 控制的位置受众。在最初的设备成功后, 第二个设备的功能更加灵活, 以供演示和研究之用。该协议描述了两种设备的生成和校准过程。
在这篇手稿中, 我们提出了两个 ' 仿生的 ' 系统, 第一个设计, 以演示肌电图 (肌电信号) 为基础的控制系统的教育目的和第二个研究目的。基于肌电信号的控制系统拾取肌肉激活产生的电信号, 并将这些信号作为控制器的输入。肌电控制器广泛应用于假肢控制四肢。
"标记 i" (MK i) "遥控器" 允许佩戴者通过提高其食指来改变演示文稿的幻灯片。它是围绕一个单片机和生物信号屏蔽建立的。它引起了公众和研究界的极大兴趣。
此处介绍的标记 ii (MK ii) 设备设计为更便宜、更时尚、更可定制的系统, 可方便地修改和直接传输肌电信号数据。它是使用无线功能的单片机和肌肉传感器构建的。
渴望康复工程和辅助技术中心调查在相关领域的不同领域适用和可转让的技术, 包括但不限于中风、肌肉萎缩症、截肢, 人口老龄化和专业技能培训。中心所涉及的研究领域之一是 neuroprosthesis。在控制 neuroprosthetic 武器的许多技术中, 肌电信号是控制系统的最常见的输入1,2,3,45。与其他控制系统7相比, 这在很大程度上是因为它的易用性和可承受能力。最近开发的 3 d 印刷假体, 如 Ada 手, 在使用这种类型的控制8,9,10时只能花费1000美元。然而, 在试图向公众展示这种系统时, 如果没有截肢的人的帮助, 就没有简单的办法。
为了提高这一领域的研究活动对公众的认识, 研制了一种仿生的响片演示装置。使用基于对象的演示是非常重要的, 因为它吸引了注意并加速了11所教授的主题的学习和理解。我们的设备不仅有助于教授肌电图的概念, 还能提高对现代技术发展的认识。此外, 它还鼓励年轻一代在科学、技术、工程和数学 (词干) 领域内选择研究。
仿生的选择 MK I 是使用现成的零件, 已经在实验室内使用。它包括一个微控制器, 一个生物信号盾12, 电极, 一个控制板, 一个无线通信板和一个 9 V 电池。该装置的功能是拾取的活动食指肌肉位于食指和拇指之间。它通过模仿键盘并在达到预选阈值时发送 "右按键" 来触发幻灯片更改。控制板允许手动发送 "右" 和 "左" 按键 (进度幻灯片和后退幻灯片), 如果在现场演示中出现问题, 也可以使用它来覆盖肌电信号输入。
作为医学物理和生物医学工程系公共参与活动的一部分, 我们向公众展示了仿生的遥控器。它得到了观众的热烈响应, 并产生了开始几个合作的兴趣。在最初的设备的成功之后设计了第二个版本的设备。
设计第二个设备的目的是制造比第一个设备更便宜、更不繁琐和更可定制的设备。该设备的目的是设计一些很容易被修改的学生项目, 并将其便宜地并入现有项目中。此设备的主要优势在于其他可用的1、2、3、4、5、6是其易用性、小尺寸和低成本。虽然仿生的响片装置可能没有其他研究装置的分辨率, 比如触发装置, 但它们已经足够好了。MK II 将是任何使用肌电信号阈值触发设备 (如假肢控制器或辅助设备) 的系统的理想基础。
该设计是基于一个无线功能的微控制器和肌肉传感器。它还包括一个3.7 伏150毫安的锂聚合物电池, 一个手动控制板和一个 3 d 打印的情况下。图 3显示了设计之间的差异的概览。MK II 设计具有与原始设备相同的基本功能, 但对于新的应用 (如无线肌电信号监控) 具有显著的潜在功能。
该议定书遵循伦敦大学学院人类研究伦理委员会的指导方针。
警告: 本协议包含电气危害和烧伤危险 (烙铁);请在尝试此协议之前读取两个内容。此协议包括将设备连接到皮肤。确保在任何时间, 在皮肤和电源之间有一个路径。不要接触烙铁的元素。用镊子或夹子将电线加热。使用时保持清洁海绵湿润。在不使用时, 始终将烙铁退回其支架。不要把它放在工作台上。关闭设备并在不使用时拔下插头。
1. 组装基本组件
注意:图 3提供了协议步骤的高级概述。
2. 测试肌电信号输出
3. 测试阈值
4. 3D 打印 MK II 例
5. 焊接控制板
注意: 如果生成 MK II, 请继续执行步骤5.2。
6. 组装和更新单片机
7. 将设备连接到计算机
8. 测试遥控器
9. 安装遥控器
注意: 如果生成 MK II 移动到步骤9.2。
mk II 比 mk I 设备更实惠、可定制且不那么繁琐。整个 MK II 成本仅略高于生物信号盾 (75 美元)。该设备是显着较小的坐在手腕上, 而不是手臂和无线微控制器可能同时支持从6肌肉传感器的输入。mk I 设备的功能电池寿命仅在1小时以下, 使用9伏550毫安电池, 而 mk II 装置的功能电池寿命 (当用作遥控器时) 大约8小时使用3.7 伏150毫安电池;有关设备的比较, 请参见表 1 。
仿生的响片 MK II 可以有一个问题时, 使用的诱拐食指: 放大器可以饱和, 并采取超过一秒钟的放电 (参见图 15)。仔细放置电极并正确设置增益可以克服这个问题。这不发生与仿生的响片 MK I 或任何其他常用肌肉的肌电信号。
在校准设备以找到阈值触发价值的同时, 可以观察到许多不同的值。它们分成三范围: 当手静止时的值, 手移动时的值, 手指移动时的值。表 2显示每个范围中的记录值;为固定和手移动的范围, 最大值显示和为手指紧张的范围最小值显示。阈值被选择在手移动值的上方和手指的紧度值之下。接近手移动范围的值增加了假阳性的几率, 减少了假阴性的几率, 而接近手指拉紧范围的值则有相反的效果。
这两种装置都在测试假阴性和假阳性时, 紧张的诱拐指数肌肉。当设备未在肌肉拉紧时触发滑动变化时, 记录了假阴性, 如果在没有拉紧发生的情况下滑动发生变化, 则记录假阳性。这两种设备都没有出现假阳性的问题, 虽然 MK II 设备经历了偶尔的假阴性 (少于5% 的时间)。在操作的前45分钟内, MK I 设备不会出现误报或负片, 但假底片的数量会迅速增加, 直到50分钟到1小时 (参见表 3)。
结果表明, 该装置在其所述目标上取得了成功。表 1显示 mk II 更便宜, 而且比 mk i.表 2和表 3的灵活性更高, 显示该设备按预期的功能运行, 并且可以用作 EMG-based 触发器设备。图 15显示了在使用诱拐指数肌肉时可能出现的问题: 这不是大多数肌肉出现的问题, 可以通过改变增益来修正。虽然这些设备有一些问题, 但它们足以用于预期的用途。
图 1:仿生遥控器 MK i 。这显示了仿生的响片 MK I 及其所有组件安装在左臂上。请单击此处查看此图的较大版本.
图 2:阻止设备图.每个框代表设备的一个单独的部分;每个框中的功能是该部分作为设备的一部分。请单击此处查看此图的较大版本.
图 3: 生成设备的步骤.包含协议每一步骤的高级概述的流程图。请单击此处查看此图的较大版本.
图 4: 初始 MK I 组件.单片机与生物信号屏蔽和电极电缆。请单击此处查看此图的较大版本.
图 5:初始 MK II 程序集.单片机与肌肉传感器和焊接连接。请单击此处查看此图的较大版本.
图 6: 电极放置.此图显示了使用食指时电极在手上的正确位置。请单击此处查看此图的较大版本.
图 7: MK II 机箱部件.MK II 案件的部分准备在影印打印机打印。请单击此处查看此图的较大版本.
图 8: MK I 控制电路.(a) 电路板从上面 (灰色标记的地方板有接触打破了在底部)。(b) 已完成电路板。请单击此处查看此图的较大版本.
图 9: MK I 控制电路板电路图.用于 MK I 控制板的电路图, 显示电阻、开关和导线之间的连接。请单击此处查看此图的较大版本.
图 10: MK I 控制电路.(a) 控制板从上面 (灰色标记的地方板有接触打破了在底部)。(b) 已完成电路板请单击此处查看此图的较大版本.
图 11:MK II 控制板电路图.用于 MK I 控制板的电路图, 显示电阻、开关和导线之间的连接。请单击此处查看此图的较大版本.
图 12: 组装的 MK i 。这显示了 MK I 装置的所有组件, 然后安装在手臂上。请单击此处查看此图的较大版本.
图 13: 组装遥控器 MK II.(a) 将微控制器放在机箱的底部。(b) 将电池放在中间上并盖上盖子。(c) 将肌肉传感器置于其机箱中, 并将其置于盖子上。(d) 将微控制器连接到肌肉传感器, 并将电池连接到微控制器。请单击此处查看此图的较大版本.
图 14: 完成的仿生遥控器 MK II.(a) 在钩子和环带上。(b) 在手腕上。请单击此处查看此图的较大版本.
图 15:肌肉传感器的会.这个数字显示了当肌肉传感器饱和时会发生什么;高原是当肌肉激活太强的电流增益设置的设备。请单击此处查看此图的较大版本.
MK I | MK II | |
肌电传感器 | 通用生物传感器 | 专用肌肉传感器 |
无线 | 单独的无线模块 | 在微控制器板上 |
无线的肌电信号? | 不 | 是的 |
电池 | 9 V PP3 | 150麻将脂 |
操作时间 | 1 h | 8 h |
生成时间 | 5 h | 4 h |
总成本 | 150美元 | 80美元 |
误报 (%) | 0 | 0 |
假阴性 (%) | 0 | 4。7 |
表 1: 设备的比较。此表比较了设备的几个方面, 从设计到功能。
固定 (最大) | 手移动 (最大) | 手指绷紧 (最小) | 阈值 | |
MK I | 25 | 35 | 215 | 200 |
MK II | 40 | 280 | 460 | 400 |
表 2: 校准结果.该表显示的值, 同时保持手静止, 移动的手和手指紧张, 以及阈值选择。
假阴性数 (每三十年代测试一次) | 误报数 (自发激活) | ||||
前45分钟 | 45 min-1 h | 1-8 h | 第一 h | 1-8 h | |
MK I | 0 | 35 | N/A | 0 | N/A |
MK II | 4 | 1 | 40 | 0 | 0 |
表 3: 设备测试。两个设备之间的假阳性和假阴性的比较。
mk i 和 mk II 的补充代码文件:
请点击这里下载 "BionicClicker"
请点击这里下载 "BLEBionicClicker"。
请点击这里下载 "BLEBoomTest"。
请点击这里下载 "BLEThresholdTest"。
请点击这里下载 "BoomTest"。
请点击这里下载 "ThresholdTest"。
请点击这里下载 "羽毛 Featherbase. stl"。
请点击这里下载 "羽毛 Feathermid. stl"。
请点击这里下载 "羽毛 Feathertop. stl"。
请点击这里下载 "Myobase. stl"。
请点击这里下载 "Myolid. stl"。
MK II 的饱和度, 当用于诱拐食指是较少的问题比它5月1日出现。小心放置的电极和正确的增益设置停止这是一个问题时, 设备是作为一个响片。除非有兴趣准确记录诱拐者指数的活动, 否则这不可能是一个问题。在其他肌肉被确定后, 没有任何饱和被发现。假阴性与 MK II 是由于困难的选择适当的阈值时, 使用诱拐食指。与更大的肌肉区别在大小之间肌肉的 non-purposeful 活化作用和有目的紧张肌肉是更大的, 允许选择一个门限点进一步从假正面和假阴性点.在特别小的手食指肌可能是太小的电极被正确地安置 (虽然与更小的电极垫这可能可能被解决)。
由于多种原因, MK II 的电池寿命较长很有用。首先, MK I 装置在使用45分钟后开始发生不稳定的行为, 因此不能用于更长的演示。其次, multi-hour 电池寿命, MK II 可以被认为是一个有用的设备的控制输入, 并只增加了一个小的物理电池的大小, 它可以作为全天候监测设备。无线微控制器有6模拟输入和13数字输入;这意味着该设备可以接受来自多个肌肉传感器的信号, 在控制输入中创建具有更多自由度的设备。还应该指出, 肌肉传感器可以取代任何生物传感器与模拟输出创建一个设备, 使用其他生物信号作为输入。该设备的代码也可以很容易地修改, 以改变其功能。对设备的软件和硬件的更改允许对设备进行简单而多样的修改。
该设备目前的一个限制是, 不能以高数据速率以无线方式发送肌电信号输出, 因为这会使无线微控制器缓冲区过载。另一个限制是, 该技术使用诱拐指数作为输入, 并由于肌肉非常小, 在手的电极间距几乎重叠;如果某人有特别小的手, 它可能不可能正确地安置电极在这个肌肉。
当涉及到潜在研究项目的灵活性时, 该设备比较昂贵的设备有几个优点。这是低成本: 设备成本80美元和额外的肌电信号通道只花费35美元, 使其适合较小或学生项目。它易于自定义, 软件可以很容易地编辑, 并为其他硬件的输入改变。它有一个小尺寸, 所以一个人穿它不需要携带笨重或笨重的设备。它还会显示为其他设备的无线键盘, 因此可以方便地与任何兼容的无线设备集成。该设备已被纳入一个辅助设备, 将在不久的将来出版。
由于 MK II 的定制的规模和易用性, 它已经被考虑作为一个无线肌电信号模块和无线触发机制纳入几个研究项目。它也被用来作为一个实验课的基础上, 一个硕士学生的课程。我们想对该设备进行的主要改进是提高无线传输速率;目标是实现10赫兹, 这是否将通过硬件或软件来完成, 还有待确定。
协议中最关键的步骤是步骤2.6 和 2.7: 阈值触发器的选择。在步骤2.6 中, 需要特别注意肌电信号的移动, 因为它们可以充当天线和产生运动伪影;但是, 如果这些保持静止, 这不是一个问题。在步骤2.7 中, 如果所选值太高, 则会导致错误的负数。如果此值过低, 则会导致误报。在诱拐食指的情况下, 很难找到一个不会导致偶然的假阴性的值, 虽然与较大的肌肉, 这似乎不是一个问题。如果找到正确的值仍然是一个问题, 增益可以纠正通过设置它的最小值, 并增加它, 直到非和激活之间的一个很大的差异, 通过串行读出, 值保持低于点饱和.
总体上 mk II 是一个相当大的改进, 在 mk i 作为一个潜在的研究设备, 虽然因为 mk 我有一个更强的视觉冲击力, 它很可能仍然被用于未来的公众参与事件。
作者没有什么可透露的。
该项目由工程和物理科学研究理事会 EPSRC (EP/K503745/1)、国家卫生研究所 (NIHR) 生物医学研究中心 (BRC272/HI/JG/101440) 和伦敦大学学院的变革制造商提供资金。
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 |
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