Mục lục:
2025 Tác giả: John Day | [email protected]. Sửa đổi lần cuối: 2025-01-13 06:58
Bất cứ khi nào hệ thống thần kinh của bạn cần thực hiện một chuyển động, nó sẽ gửi các tín hiệu điện cực nhỏ thông qua các tế bào thần kinh để điều khiển cơ bắp của bạn. Kỹ thuật đo điện cơ (EMG) cho phép chúng ta khuếch đại và đo lường các tín hiệu điện này. Ngoài việc là một công cụ lâm sàng hữu ích để chẩn đoán các rối loạn thần kinh khác nhau, các bản ghi EMG gần đây đã được sử dụng nhiều hơn để điều khiển các bộ phận giả.
Với hy vọng trở nên quen thuộc hơn với các kỹ thuật thu và khuếch đại EMG, tôi nghĩ sẽ rất thú vị khi chế tạo một bộ khuếch đại EMG mà sau đó tôi có thể sử dụng làm tín hiệu điều khiển cho một thiết bị khác. Thay vì điều khiển cánh tay giả, tôi quyết định kết hợp sở thích của mình với âm nhạc và sử dụng tín hiệu EMG để điều khiển thiết bị MIDI. MIDI là viết tắt của Musical Instrument Digital Interface, và là giao thức tiêu chuẩn để gửi và nhận các tín hiệu âm nhạc bằng điện tử.
Kiến thức nền tảng
Có thể hướng dẫn này bao gồm việc tạo bảng mạch, hàn một vài dây, lập trình Arduino và giao tiếp với thiết bị MIDI. Nếu bạn không có một số kiến thức nền tảng cần thiết này, tôi khuyên bạn nên xem một số lớp học / Tài liệu hướng dẫn bên dưới:
Chu trình
Arduino
MIDI
Lưu ý an toàn
Dự án này liên quan đến việc kết nối bản thân với một mạch điện. Thực hiện tất cả các biện pháp phòng ngừa an toàn cần thiết. Bài báo này của Delsys có một phần về an toàn điện cũng như mô tả hữu ích về các kỹ thuật EMG nói chung. Chúng tôi sẽ tắt nguồn mạch của hai pin 9V; không nên kết nối mạch của bạn (đặc biệt là khi bạn đang kết nối với nó) với nguồn AC từ tường.
Bước 1: Tổng quan dự án và danh sách bộ phận
Dự án của chúng tôi bao gồm ba thành phần chính:
1.) Bộ khuếch đại EMG, 2.) Arduino và 3.) thiết bị MIDI.
- Chúng tôi sẽ xây dựng bộ khuếch đại EMG trên một breadboard. Nếu bạn quan tâm đến cái nhìn sâu hơn về khoa học đằng sau bộ khuếch đại EMG và các bước chi tiết hơn về cách xây dựng bộ khuếch đại của riêng bạn, hãy xem bộ khuếch đại âm thanh EMG của tôi có thể hướng dẫn.
- Chúng tôi sẽ cấp nguồn cho Arduino từ cùng một pin 9V cấp nguồn cho amp EMG. Hầu hết các công việc với Arduino sẽ là về mặt phần mềm.
- Tôi đã sử dụng iPhone chạy Garageband làm thiết bị MIDI của mình. Arduino sẽ gửi tín hiệu MIDI tiêu chuẩn qua cáp MIDI tiêu chuẩn, vì vậy mọi thiết bị MIDI sẽ hoạt động thay cho iPhone.
Các bộ phận
- (2x) LT1167 (bộ khuếch đại thiết bị)
- (2x) LT1112 (hoặc bất kỳ chip op-amp kép nào)
- (1x) LM386N (bộ khuếch đại âm thanh)
- (5x) Điện cực EMG bề mặt (hai cho mỗi cơ và một để tham khảo) (Amazon)
- Arduino Uno (Amazon)
-
iPhone (hoặc bất kỳ thiết bị MIDI nào)
Cáp chuyển đổi MIDI sang iPhone (nếu sử dụng iPhone) (Amazon)
- Các loại điện trở, tụ điện và dây nhảy
- Breadboard (Amazon)
- (2x) pin 9V
Công cụ
- Sắt hàn (Amazon)
- Dụng cụ tuốt dây
- Ống co nhiệt
- Băng điện
Bước 2: Lắp ráp Bộ khuếch đại EMG
Để có hướng dẫn kỹ lưỡng hơn về cách xây dựng bộ khuếch đại EMG, hãy xem Bộ khuếch đại âm thanh EMG có thể hướng dẫn của tôi.
Chúng tôi sẽ chế tạo một bộ khuếch đại EMG có khả năng khuếch đại hai kênh EMG. Chúng tôi sẽ sử dụng một amp thiết bị LT1167 cho mỗi kênh. Biểu dữ liệu LT1167 hữu ích chứa một giản đồ cho "Bộ khuếch đại xung thần kinh", mà chúng ta sẽ làm theo trong bước này.
Lắp ráp mạch
Trên bảng mạch, lắp ráp hai bản sao của bộ khuếch đại xung thần kinh được hiển thị ở trên. Những hình ảnh về mạch lắp ráp của tôi sẽ giúp hướng dẫn bạn đến mục tiêu cuối cùng. Tôi đã thêm các bộ lọc thông thấp thụ động bậc 1 vào đầu ra của mỗi bộ khuếch đại của mình để giúp giảm tiếng ồn. Nếu bạn muốn thêm chúng vào mạch của mình, tôi đã sử dụng điện trở 1 kΩ với tụ điện 0,047 μF cho tần số cắt khoảng 2, 000 Hz.
Quyền lực
Chúng tôi sẽ tắt nguồn mạch của hai pin 9V. LT1167 cần có + V và -V (vì tín hiệu nguồn EMG có cả giá trị âm và dương), vì vậy chúng tôi sẽ kết nối chân trừ trên pin + V với chân cộng trên pin -V. Chân trừ trên pin -V trở thành giá trị -V. Khi sử dụng hai pin 9V, bạn sẽ kết thúc với + V và -V tương ứng bằng +9 và -9 volt.
Điện cực Bước tiếp theo sẽ trình bày chi tiết hơn về vị trí đặt điện cực. Điện cực tham chiếu cắm vào chân 1 của một trong các ampe đo thiết bị, và các cặp điện cực cơ cắm vào chân 2 và 3 trên ampe đo thiết bị. Định hướng +/- của các điện cực không quan trọng.
Lưu ý: Nếu mạch của bạn không hoạt động, có thể bạn đã làm sai điều gì đó! Một kỹ thuật tốt để tìm ra lỗi trong một mạch là vẽ ra sơ đồ cho mạch mà bạn đã thực sự lắp ráp trên bảng mạch của mình và so sánh nó với sơ đồ ban đầu. Trong quá trình đó, bạn có thể tìm thấy lỗi (như tôi đã làm nhiều lần).
Bước 3: Chuẩn bị điện cực
Như tôi đã đề cập ở trên, chúng tôi sẽ cần tổng cộng năm điện cực cho dự án này. Các bản ghi EMG được thực hiện bằng bộ khuếch đại vi sai, có nghĩa là chúng tôi đang khuếch đại sự khác biệt giữa hai điểm tham chiếu trên cơ. Điều này có nghĩa là chúng ta sẽ cần hai điện cực cho mỗi cơ. Ngoài ra, chúng ta cần một tham chiếu duy nhất để đo lường hoạt động cơ bắp. Đây là liên kết đến một số điện cực EMG bề mặt được bán trên Amazon. Loại điện cực chính xác không quá quan trọng đối với mục đích của chúng tôi.
Giống như tôi đã trình bày trong hình trên, đặt hai điện cực ở mép trong của mỗi cẳng tay, song song với chiều dài của cơ và cách nhau khoảng 2 cm. Đặt điện cực so sánh trên phần xương của một trong những khuỷu tay của bạn, cách xa các điện cực trên cơ.
Các cặp dây xoắn
Bạn cũng sẽ muốn xoắn dây trên các cặp điện cực của mình như hình trên. Ngoài việc dọn dẹp đống lộn xộn xung quanh mạch điện của bạn, các cặp dây xoắn còn giúp giảm nhiễu điện do các điện cực thu vào. Bằng cách luân phiên vị trí của các dây qua lại, bất kỳ nhiễu điện từ bên ngoài nào (ví dụ: 60 Hz từ nguồn điện lưới) sẽ ảnh hưởng đến các dây một lượng bằng nhau. Sau đó bộ khuếch đại vi sai sẽ loại bỏ tín hiệu nhiễu chung này.
Bước 4: Bộ khuếch đại âm thanh (tùy chọn)
Nếu bạn muốn nghe tín hiệu EMG thô (không có bất kỳ MIDI nào), bạn có thể thêm bộ khuếch đại âm thanh vào mạch EMG của mình. Sử dụng một chip khuếch đại âm thanh LM386N và các điện trở và tụ điện cần thiết để lắp ráp mạch điện như hình trên. Video trên minh họa tín hiệu EMG thô (tốt, có một số bộ lọc trong mạch, nhưng chủ yếu là thô) tín hiệu EMG phát ra âm thanh như thế nào.
Mặc dù bước này không cần thiết để kích hoạt tín hiệu MIDI, nhưng tôi khuyên bạn nên thử. Nghe tín hiệu EMG có thể là một kỹ thuật rất hữu ích để khắc phục sự cố và gỡ lỗi hệ thống của bạn. Ví dụ: nếu có nhiễu 60 Hz mạnh từ nguồn điện lưới, bạn sẽ có thể nghe thấy nó dễ dàng hơn nhiều so với việc bạn có thể phát hiện ra khi lấy mẫu tín hiệu bằng Arduino của mình.
Âm thanh trong video của tôi bị cắt một chút, nhưng đó là một ví dụ khá hay về tín hiệu EMG sạch sẽ phát ra như thế nào.
Bước 5: Chuẩn bị các thành phần MIDI
Để gửi tín hiệu MIDI từ Arduino đến thiết bị MIDI, chúng ta cần hàn một trong các giắc cắm MIDI cái. Bạn nên xem Hướng dẫn đầu tiên của tôi để có hướng dẫn kỹ lưỡng hơn về cách thiết lập MIDI trên Arduino.
Dưới đây là các bước:
- Hàn điện trở 220 Ω vào chân 4 của đầu nối MIDI.
- Hàn một dây 10 cm từ điện trở đến đầu nối Tx trên Arduino.
- Hàn một dây dài 10 cm vào chân 2 và kết nối nó với mặt đất trên Arduino.
- Hàn một dây dài 10 cm vào chân 5 và kết nối nó với 5V trên Arduino.
Sau khi bạn đã lắp ráp bộ khuếch đại EMG và chuẩn bị cáp MIDI với iPhone, hãy sử dụng hai dây jumper để gửi đầu ra của bộ khuếch đại thiết bị đến các chân A4 và A5 trên Arduino.
Bước 6: Viết mã Arduino
Đường dẫn cơ bản cho mã Arduino như sau:
- Đo mức ồn cơ bản cho cả hai kênh EMG
- Liên tục lặp lại, đo điện áp của từng kênh EMG
- Nếu kênh EMG kiểm soát cường độ nốt nhạc vượt qua ngưỡng, hãy kích hoạt nốt MIDI trên
- Sử dụng tín hiệu từ kênh EMG khác để điều chỉnh cao độ của nốt nhạc
Tôi khuyến khích bạn thử viết mã Arduino của riêng bạn để xử lý tín hiệu EMG. Tôi biết chắc rằng có một kế hoạch kiểm soát tốt hơn những gì tôi đã cùng nhau thảo luận! Nếu bạn muốn bắt đầu với mã của tôi, vui lòng tải xuống tại đây. Bạn có thể kiểm tra kho lưu trữ GitHub của tôi để xem nhiều lần lặp lại mã của tôi trong khi tôi đang làm việc trong dự án.
Bước 7: Kết hợp tất cả lại với nhau
Nếu tất cả đã diễn ra theo đúng kế hoạch, bạn sẽ có thể điều khiển thiết bị MIDI của mình bằng cách sử dụng tín hiệu từ cơ của chính bạn. Khá thú vị! Một khi bạn có dự án hoạt động, bạn có thể chơi với các sơ đồ điều khiển khác nhau và khám phá các âm thanh MIDI khác nhau.
Hãy cho tôi biết nếu bạn cố gắng tạo một trong những thiết bị MIDI do EMG điều khiển! Tôi rất muốn biết nó diễn ra như thế nào và rất sẵn lòng trợ giúp mọi câu hỏi phát sinh trong quá trình này. Chúc may mắn!
Giải nhì cuộc thi Cảm biến năm 2017