Der bionische Clicker Mark I & II
概要
Ein Gerät wurde geschaffen, um die Elektromyographie-basierte Steuerung für ein Laienpublikum zu demonstrieren. Nach dem Erfolg des ersten Gerätes wurde ein zweites Gerät mit flexibler Funktionalität für Demonstrations- und Forschungszwecken. Dieses Protokoll beschreibt den Prozess des Aufbaus und beide Geräte kalibrieren.
Abstract
In diesem Manuskript präsentieren wir zwei “Bionic Clicker” Systeme, die erste entwickelt, um nachzuweisen, Elektromyographie (EMG) basierte Steuerungssysteme für pädagogische Zwecke und die zweite für Forschungszwecke. EMG basierte Steuerung Systeme elektrische Signale generiert durch Muskelaktivierung aufnehmen und verwenden Sie diese als Eingänge für Controller. EMG-Controller sind weit verbreitet in der Prothetik Kontrolle Gliedmaßen.
Die Marke ich (MK ich) Clicker erlaubt dem Träger, die Folie einer Präsentation ändern, indem Sie ihre Zeigefinger heben. Es baut auf einem Mikrocontroller und einem Biosignale Schild. Es generiert eine Menge Interesse von der Öffentlichkeit und Forschungsgemeinschaft.
Das Mark II (MK II) Gerät hier vorgestellten wurde entwickelt, um ein billiger, schlanker und mehr anpassbare System sein, das kann leicht geändert werden und EMG-Daten direkt übermitteln. Es wird gebaut, mit einer Wireless-fähig Mikrocontroller und ein Muskel-Sensor.
Introduction
Das Aspire Zentrum für Rehabilitation Engineering und Assistive Technologie untersucht Techniken anwendbar und übertragbar zwischen verschiedenen Domänen in verwandten Bereichen des Interesses, einschließlich aber nicht beschränkt auf, Schlaganfall, Muskeldystrophie, Amputation, die alternde Bevölkerung und Ausbildung von spezialisierten Fähigkeiten. Ein Bereich der Forschung, die das Zentrum beteiligt ist Neuroprothetik. Von den vielen Techniken verwendet für die Steuerung von Neuroprosthetic Waffen ist EMG eine der am häufigsten verwendeten Eingänge für die Kontrolle Systeme1,2,3,4,5,6. Dies ist in einem großen Teil durch seine einfache Bedienung und Erschwinglichkeit im Vergleich zu anderen Control Systeme7. Vor kurzem entwickelte 3D-gedruckten Prothesen wie Ada Hand nur 1.000 US-Dollar Kosten kann, bei der Verwendung dieser Art von Kontrolle8,9,10. Jedoch wenn Sie versuchen, solche Systeme in der Öffentlichkeit zu zeigen gibt es keinen einfachen Weg, dies zu tun ohne die Hilfe von einer Amputierten.
Um die Forschungsaktivitäten in diesem Bereich an die Öffentlichkeit zu sensibilisieren, wurde eine bionische Clicker Demo-Gerät entwickelt. Es ist sehr wichtig, objektbasierte Demonstration zu verwenden, da es Aufmerksamkeit und beschleunigt das Lernen und Verständnis für das Thema gelehrt wird,11. Unser Gerät hilft nicht nur, das Konzept der EMG zu lehren, sondern auch um das Wissen über die aktuelle Entwicklung der modernen Technologien zu erhöhen. Darüber hinaus begeistert es jüngere Studien in Bereichen von Wissenschaft, Technik und Mathematik (STEM) wählen.
Der bionische Clicker MK war ich mit leicht verfügbaren Teile, die bereits im Einsatz im Labor waren gemacht. Es bestand aus einem Mikrocontroller, ein Bio-Signale Schild12, Elektroden, eine Steuerkarte, eine drahtlose Kommunikations-Board und einer 9 V-Batterie. Das Gerät funktionierte durch die Aktivität der Abduktionsmuskel Indicis befindet sich zwischen dem Zeigefinger und dem Daumen aufnehmen. Es löst einen Diawechsel imitiert eine Tastatur und eine “richtige Keypress” senden, wenn ein vorgewählter Schwellenwert erreicht wurde. Die Steuerkarte für das manuelle Versenden von “rechts” und “Links” Tasten (Fortschritt Folien und Retreat-Folien) erlaubt und könnte auch verwendet werden, um die EMG-Eingabe zu überschreiben, wenn Dinge schief gegangen ist während einer live-Demonstration.
Im Rahmen der medizinische Physik und biomedizinische Technik Abteilung öffentliches Engagement Aktivitäten haben wir die Bionic Clicker an Mitglieder der Öffentlichkeit gezeigt. Es erhielt ein begeistertes Echo aus dem Publikum und stieß auf Interesse bei der Gründung mehrere Kooperationen. Nach dem Erfolg des ersten Gerätes wurde eine zweite Version des Geräts entwickelt.
Ziel für die Gestaltung des zweiten Gerätes war es, ein Gerät zu produzieren, die billiger, weniger umständlich und mehr anpassbare als das erste Gerät war. Der Zweck dieser Einrichtung war, etwas zu entwerfen, das könnte leicht geändert werden, für studentische Projekte und billig in bestehende Projekte eingebunden werden. Der Hauptvorteil dieses Gerätes gegenüber anderen ist verfügbar1,2,3,4,5,6 seiner Benutzerfreundlichkeit verwenden, geringe Größe und geringe Kosten. Obwohl die bionische Clicker-Geräte möglicherweise nicht über die Auflösung der anderen Forschung Geräte, z. B. Trigger Geräte, sind sie mehr als gut genug. Der MK II wäre eine ideale Grundlage für jedes System, das eine EMG-Schwelle verwendet, um ein Gerät, z. B. eine prothetische Controller oder ein Hilfsgerät auslösen.
Das Design basierte auf einem Wireless-fähigen Mikrocontroller und einem Muskel-Sensor. Es gehörte auch ein 3,7 V 150 mAh Lithium-Polymer-Akku, eine manuelle Steuerung und ein 3D-gedruckten Gehäuse. Abbildung 3 zeigt einen Überblick über die Unterschiede zwischen den Designs. Das MK II-Design hat die gleichen Grundfunktionen wie das ursprüngliche Gerät aber deutlich mehr potentielle Funktionalität für neue Anwendungen wie die drahtlose Überwachung der EMG.
Protocol
Representative Results
Discussion
Die Sättigung des MK II auf die Entführer Indicis ist weniger ein Problem als es zunächst den Anschein. Sorgfältige Platzierung der Elektroden und richtig profitieren, wenn Einstellung hält dies ein Problem sein, wenn das Gerät als ein Clicker verwendet wird. Es sei denn, Sie interessieren sich für genaue Aufzeichnung der Entführer Indizes, dürfte dies ein Problem sein. Keine Übersättigung hat auf jeder andere Muskel gesehen worden, nachdem die Verstärkung eingestellt haben. Die falsche negative mit dem MK II sind aufgrund der Schwierigkeiten bei der Auswahl des richtigen Schwellenwerts bei der Entführer Indicis Verwendung. Mit größeren Muskeln ist der Unterschied zwischen dem Ausmaß der nicht-zielgerichtete Aktivierung des Muskels und gezielte Anspannung des Muskels größer, so dass für die Auswahl eines Punktes der Schwelle, die weiter von der falsch-positiven und falsch-negativen Punkte. Auf besonders kleine Hände Indicis Abduktionsmuskel möglicherweise zu klein für die Elektroden korrekt platziert werden (wenn auch mit kleineren Elektroden dies möglicherweise gelöst werden konnte).
Die wesentlich längere Lebensdauer der Batterie für den MK II eignet sich für eine Vielzahl von Gründen. Erstens der MK ich Gerät begann unregelmäßig nach 45 Minuten, zu handeln, so kann es zu längeren Demonstrationen verwendet werden. Zweitens mit einer mehrstündigen Akkulaufzeit der MK II als Steuereingang für ein nützliches Gerät angesehen werden kann, und mit nur einem kleinen Anstieg physischen Batteriegröße, könnte es als eine ganztägige Überwachungsgerät verwendet werden. Die drahtlose Mikrocontroller hat 6 analoge Eingänge und 13 digitale Eingänge; Dies bedeutet, dass das Gerät Signale von mehreren Muskeln Sensoren erstelle ich ein Gerät mit mehr Freiheitsgrade bei der Steuereingänge akzeptieren könnte. Anzumerken ist, dass der Muskel-Sensor ersetzt werden könnte, indem jede Biosensor mit einem Analogausgang ein Gerät erstellen, die andere biologische Signale als Eingabe verwendet. Der Code des Geräts kann auch leicht geändert werden, um seine Funktionalität zu ändern. Änderungen an der Software und Hardware des Gerätes ermöglichen einfache und vielfältige Veränderungen am Gerät.
Eine Einschränkung des Gerätes wie es derzeit aussieht, ist, dass die EMG-Ausgabe mit einer hohen Datenrate drahtlos gesendet werden kann, wie dies den drahtlosen Mikrocontroller-Puffer überlasten kann. Eine weitere Einschränkung ist, dass die Technik die Entführer-Indizes als Eingabe verwendet, und da der Muskel sehr klein ist, der Abstand der Elektroden auf der Seite fast überschneiden; Wenn jemand besonders kleine Hände hat, kann es unmöglich, die Elektroden korrekt über dieses Muskels zu legen sein.
Das Gerät hat mehrere Vorteile gegenüber den teureren Geräten, wenn es um Flexibilität bei der möglichen Forschungsprojekte geht. Es ist low Cost: das Gerät kostet 80 USD und EMG Zusatzkanäle kostet nur 35 US-Dollar, wodurch es ideal für kleinere oder studentische Projekte. Es ist einfach anzupassen, die Software kann leicht bearbeitet werden und die Eingänge für andere Hardware geändert. Es hat eine kleine Größe, also eine Person trägt es nicht musst schwere oder sperrige Ausrüstung tragen. Es wird auch als eine drahtlose Tastatur mit anderen Geräten, sodass es einfach mit jedem kompatiblen drahtlosen Gerät integriert werden kann. Das Gerät wurde bereits in einem Hilfsgerät aufgenommen, die in der nahen Zukunft veröffentlicht werden.
Aufgrund der Größe und Leichtigkeit der Anpassung des MK II ist es bereits für den Einbau in mehreren Forschungsprojekten als eine EMG-Funkmodul und als drahtlose Auslösemechanismus angesehen. Es dient auch als Grundlage für eine der Lab Sessions auf ein Meisterschüler. Die wichtigste Verbesserung möchten wir am Gerät vorzunehmen ist, die drahtlose Übertragungsrate zu erhöhen; Ziel ist es, 10 Hz zu erreichen, und ob dies durch Hardware oder Software durchgeführt werden wird ist noch nicht bestimmt werden.
Die wichtigsten Schritte im Rahmen des Protokolls sind Schritte 2.6 und 2.7: die Auswahl des Schwellenwertes Trigger. Besondere Aufmerksamkeit muss Schritt 2.6 die Bewegung der EMG-Kabel geschenkt werden, da diese als Antenne fungieren können und Bewegungsartefakte zu generieren; Wenn diese stationär gehalten werden, ist dies jedoch kein Problem. Im Schritt 2.7 Wenn der ausgewählte Wert zu hoch ist, dadurch falsche negative. Wenn dieser Wert zu niedrig ist, führt dies zu Fehlalarmen. Im Falle der Entführer Indicis ist es sehr schwierig, einen Wert, der nicht zu den gelegentlichen falsch negativ führt zu finden, obwohl dies mit größeren Muskeln nicht erscheint ein Problem sein. Wenn Suche nach den richtigen Wert noch ein Problem ist, kann der Gewinn korrigiert werden, indem es auf den minimalen Wert und erhöht, bis ein großer Unterschied zwischen Aktivierung und Freischaltung durch das serielle auslesen mit den Werten, die unter dem Gesichtspunkt gesehen ist Sättigung.
Insgesamt der MK II ist eine erhebliche Verbesserung gegenüber der MK ich als potentielle Forschung Gerät, obwohl da der MK I hat eine stärkere visuelle Wirkung, ist es wahrscheinlich immer noch gebrauchten künftig öffentliches Engagement Veranstaltungen.
開示
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
Das Projekt wird gefördert durch das Engineering und Physical Sciences Research Council EPSRC (EP/K503745/1), National Institute for Health Research (NIHR) Biomedical Research Centre (BRC) (BRC272/HI/JG/101440) und das UCL ändern Entscheidungsträger.
Materials
| 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 7×25 |
| 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 7×9 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 |
参考文献
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