الفرس بيونيك الاحتفال الأول والثاني
Summary
وكان إنشاء جهاز لإظهار التحكم الكهربائي المستندة إلى جمهور العلمانيين. بعد نجاح الجهاز الأولية، قدم جهاز ثاني مع قدر أكبر من المرونة في الأداء الوظيفي لأغراض البحوث ومظاهره. ويصف هذا البروتوكول عملية بناء ومعايرة الأجهزة على حد سواء.
Abstract
في هذه المخطوطة، نقدم نظامان ‘”بيونيك الفرس”‘، الأولى تهدف إلى إظهار الكهربائي (EMG) على أساس نظم المراقبة للأغراض التعليمية، والثانية لأغراض البحث. فريق الإدارة البيئية القائمة على مراقبة أنظمة التقاط الإشارات الكهربائية التي تم إنشاؤها بواسطة تنشيط العضلات واستخدام هذه كمدخلات لوحدات التحكم. وحدات التحكم بفريق الإدارة البيئية تستخدم على نطاق واسع في الأطراف الاصطناعية لمراقبة أطرافه.
العلامة أنا (MK أنا) الفرس يسمح حينها تغيير الشريحة في العرض التقديمي عن طريق رفع السبابة بهم. أنه يتمحور حول بيو-إشارات ومتحكم الدرع. أنها ولدت الكثير من الاهتمام من الجمهور والأوساط البحثية.
الجهاز مارك الثاني (MK II) المقدمة هنا قد صمم ليكون نظاما أرخص وأكثر أناقة وأكثر للتخصيص التي يمكن تعديلها بسهولة ومباشرة إرسال البيانات بفريق الإدارة البيئية. أنها بنيت باستخدام متحكم قادرة على لاسلكية، وجهاز استشعار العضلات.
Introduction
ويحقق “المركز يطمح” لهندسة إعادة التأهيل والتقنيات التقنيات المطبقة وقابلة للتحويل بين المجالات المختلفة في المجالات ذات الصلة للاهتمام، بما في ذلك سبيل المثال لا الحصر، السكتة الدماغية، ضمور العضلات، البتر، وشيخوخة السكان والتدريب للمهارات المتخصصة. أحد مجالات البحوث التي تشارك المركز في نيوروبروسثيسيس. العديد من التقنيات المستخدمة للسيطرة على الأسلحة نيوروبروسثيتيك، فريق الإدارة البيئية أحد المدخلات الأكثر شيوعاً لنظم التحكم1،3،2،4،،من56. وهذا في جزء كبير بسبب السهولة الاستخدام والقدرة على تحمل التكاليف بالمقارنة مع أنظمة التحكم الأخرى7. وضعت مؤخرا طباعة 3D الأجهزة التعويضية مثل اليد أدا يمكن أن يكلف 1000 دولار أمريكي فقط عند استخدام هذا النوع من المراقبة8،،من910. ومع ذلك، عند محاولة لإثبات مثل هذه النظم للجمهور هناك لا توجد طريقة سهلة للقيام بذلك دون المساعدة من مبتوري الأطراف.
لزيادة الوعي بأنشطة البحوث في هذا المجال لأفراد الجمهور، وضعت جهاز تجريبي الفرس بيونيك. من المهم جداً لاستخدام الكائن مقرها المظاهرة كما أنه يجذب الانتباه ويسرع بالتعلم والفهم لهذا الموضوع يجري تدريسها11. لدينا جهاز لا يساعد فقط تعليم مفهوم فريق الإدارة البيئية ولكن أيضا لزيادة المعرفة بالتطور الحالي للتكنولوجيات الحديثة. وعلاوة على ذلك، وهي تلهم الأجيال الشابة لاختيار الدراسات في مجالات العلوم والتكنولوجيا، والهندسة والرياضيات (الجذعية).
MK الفرس بيونيك تم باستخدام أجزاء متاحة بالفعل في استخدامها داخل المختبر. تألفت من متحكم و درع البيولوجي-إشارات12، أقطاب، لوحة تحكم، لوحة اتصالات لاسلكية وبطارية الخامس 9. الجهاز يعمل عن طريق التقاط نشاط عضلة إينديسيس مبعدة الواقعة بين السبابة والإبهام. فإنه بتشغيل تغيير شريحة بمحاكاة لوحة مفاتيح وإرسال ضغطه مفتاح ‘حق’ كلما تم التوصل إلى عتبة المختارة. مجلس المراقبة يسمح لإرسال دليل keypresses ‘اليمين’ و ‘اليسار’ (الشرائح التقدم والتراجع شرائح)، ويمكن أيضا استخدامها لتجاوز فريق الإدارة البيئية بالإدخال إذا سارت الأمور على خطأ أثناء مظاهرة حية.
كجزء من “الفيزياء الطبية” والهندسة الطبية الحيوية إدارة أنشطة المشاركة العامة، أثبتنا “الفرس بيونيك” لأفراد الجمهور. أنه تلقي استجابة قوية من الجمهور وأثارت الاهتمام في بدء تعاون عدة. بعد نجاح الجهاز الأولى تم تصميم نسخة ثانية من الجهاز.
وكان الهدف بالنسبة لتصميم الجهاز الثاني لإنتاج جهاز الذي كان أقل تكلفة وأقل تعقيداً وأكثر للتخصيص من الجهاز الأول. وكان الغرض من هذا الجهاز لتصميم شيء التي يمكن تعديلها بسهولة لمشاريع الطلاب وستدمج ثمن بخس في المشاريع القائمة. والميزة الرئيسية لهذا الجهاز على الآخرين المتاحة1،2،3،4،،من56 هو السهولة استخدام، وصغر حجمها، ومنخفضة التكلفة. على الرغم من أن الأجهزة الفرس بيونيك قد لا يكون القرار لأجهزة البحث الأخرى، مثل المشغل، وهم أكثر من جيدة بما فيه الكفاية. عضو الكنيست الثاني سيكون أساس مثالي لأي نظام يستخدم حد فريق الإدارة البيئية لتحريك جهاز، مثل وحدة تحكم الأطراف الاصطناعية أو الأجهزة المساعدة.
واستند التصميم حول متحكم قادرة على لاسلكي وجهاز استشعار العضلات. وشملت أيضا 3.7 V 150 ماه بطارية ليثيوم بوليمر بطارية ولوحة تحكم يدوي وحالة طباعة 3D. ويبين الشكل 3 لمحة عامة عن الفروق بين التصاميم. تصميم عضو الكنيست الثاني نفس الوظائف الأساسية كالجهاز الأصلي ولكن إلى حد كبير المزيد من الوظائف المحتملة للتطبيقات الجديدة مثل اللاسلكية رصد فريق الإدارة البيئية.
Protocol
Representative Results
Discussion
تشبع عضو الكنيست الثاني عند استخدامها في إينديسيس المختطف أقل من قضية من أنها تظهر أول أيار/مايو. الحرص على اكتساب وضع أقطاب كهربائية والصحيح يتوقف الإعداد هذا من كونها قضية عند استخدام الجهاز كالفرس. ما لم تكن مهتمة بدقة تسجيل النشاط الأرقام القياسية المختطف، وهذا من غير المحتمل أن تكون هناك مشكلة على الإطلاق. قد شهدت لا التشبع المفرط على أي عضلة أخرى بعد أن تم تعيين المكسب. السلبيات كاذبة مع عضو الكنيست الثاني نظراً لصعوبة تحديد قيمة العتبة الصحيحة عند استخدام إينديسيس الخاطف. مع العضلات أكبر الفرق بين حجم التنشيط غير هادفة العضلات وتوتير هادفة للعضلات أكبر، مما يسمح لاختيار نقطة العتبة التي أبعد عن كل من الإيجابية الكاذبة والسلبية الكاذبة النقاط. على الأيدي الصغيرة لا سيما عضلة إينديسيس مبعدة قد تكون صغيرة جداً لأقطاب توضع بشكل صحيح (على الرغم من أن مع أصغر رفائد هذا يمكن أن يحتمل أن يكون حلها).
عمر البطارية أطول لعضو الكنيست الثاني مفيدة لمجموعة متنوعة من الأسباب. أولاً، عضو الكنيست أنا الجهاز بدأ العمل متقطعة بعد 45 دقيقة استخدام، حيث لا يمكن استخدامه للمظاهرات أطول. وثانيا مع عمر بطارية ساعة متعددة، يمكن اعتبار عضو الكنيست الثاني كعنصر تحكم الإدخال لجهاز مفيدة، ومع سوى زيادة ضئيلة في حجم الضرب البدني، يمكن استخدامه كجهاز رصد طوال يوم. متحكم دقيق اللاسلكية قد المدخلات التماثلية 6 و 13 من المدخلات الرقمية؛ وهذا يعني أن الجهاز يمكنه أن يقبل إشارات من أجهزة استشعار العضلات متعددة لإنشاء جهاز مع درجات الحرية أكثر في عناصر التحكم. كما تجدر الإشارة إلى أن أجهزة الاستشعار العضلات يمكن الاستعاضة عن أي بيوسينسور بإنتاجها تناظرية إنشاء جهاز يستخدم الإشارات البيولوجية الأخرى كالإدخال. يمكن أيضا تعديل التعليمات البرمجية للجهاز بسهولة لتغيير وظيفتها. إدخال تغييرات على البرامج والأجهزة للجهاز تسمح بإجراء تعديلات بسيطة ومتنوعة للجهاز.
واحد الحد من الجهاز كما هو عليه حاليا أن إخراج فريق الإدارة البيئية لا يمكن إرسال لاسلكياً بمعدل بيانات عالية كهذا يمكن التحميل الزائد المخزن المؤقت متحكم اللاسلكية. قيد آخر هو أن الأسلوب الذي يستخدم مؤشرات الخاطف كالمدخل، وكما عضلة صغيرة جداً، تتداخل مع المباعدة بين الأقطاب من جهة تقريبا؛ إذا كان شخص ما لديه الأيدي الصغيرة خاصة، فإنه قد يكون من المستحيل وضع أقطاب كهربائية بشكل صحيح على هذه العضلة.
الجهاز له العديد من المزايا عبر الأجهزة أغلى عندما يتعلق الأمر بالمرونة في مشاريع البحوث المحتملة. أنها منخفضة التكلفة: الجهاز تكلفته 80 دولار وقنوات إضافية بفريق الإدارة البيئية فقط التكلفة 35 دولاراً، مما يجعله مثاليا لأصغر أو مشاريع الطلاب. فمن السهل لتخصيص والبرمجيات يمكن تحريرها بسهولة وتغيير المدخلات للأجهزة الأخرى. فقد صغير حجم، ذلك شخص ارتداء الحجاب لا يحتاج إلى حمل معدات ثقيلة أو ضخمة. ويبدو أيضا كلوحة مفاتيح لاسلكية للأجهزة الأخرى، حيث أنها يمكن أن تكون متكاملة بسهولة مع أي جهاز لاسلكي متوافق. وقد أدمج الجهاز فعلا في جهاز المعينة التي ستنشر في المستقبل القريب.
نظراً لحجم وسهولة للتخصيص من عضو الكنيست الثاني، فإنه يجري يعتبر بالفعل لإدماجها في العديد من المشاريع البحثية كوحدة نمطية لاسلكية لفريق الإدارة البيئية وآلية الزناد لاسلكية. كما أنه يستخدم كأساس لإحدى دورات مختبر في المسار الرئيسي للطالب. تحسين الرئيسية نود أن تجعل الجهاز لزيادة معدل الإرسال اللاسلكي؛ والهدف تحقيق 10 هرتز، وما إذا كان سيتم ذلك عن طريق الأجهزة أو البرامج لم يتحدد.
الخطوات الأكثر أهمية ضمن البروتوكول خطوات 2.6 و 2.7: اختيار “قيمة العتبة الزناد”. في الخطوة 2، 6، ينبغي إيلاء اهتمام خاص بدفعها إلى الحركة الكابلات فريق الإدارة البيئية، حيث أنها تعمل كهوائي وتوليد التحف الحركة؛ ومع ذلك، إذا كان يتم الاحتفاظ هذه ثابتة وهذا ليس مسألة. في خطوة 2.7، إذا كانت القيمة المحددة عالية جداً، وهذا يؤدي في السلبيات الكاذبة. إذا كانت هذه القيمة منخفضة جداً، وهذا يؤدي في إيجابيات كاذبة. في حالة إينديسيس المبعدة، من الصعب جداً العثور على قيمة التي تؤدي إلى سلبية كاذبة أحياناً، على الرغم من أن مع أكبر العضلات هذا لا يبدو أن قضية. إذا كان البحث عن القيمة الصحيحة لا يزال مشكلة، يمكن تصحيح الكسب بتعيينها إلى قيمة الحد الأدنى وزيادة عليه حتى يعتبر فرق كبير بين عدم تفعيل وتنشيط عن طريق قراءات المسلسل، مع قيم البقاء دون نقطة التشبع.
عموما عضو الكنيست الثاني تحسنا كبيرا على عضو الكنيست الأول كجهاز بحوث محتملة، على الرغم من أن سبب MK أنا له تأثير مرئي أقوى، فمن المحتمل أن تكون لا تزال تستخدم مشاركة الجمهور في المستقبل الأحداث.
Disclosures
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
ويمول المشروع الهندسية و EPSRC مجلس بحوث العلوم الفيزيائية (الجيش الشعبي/K503745/1)، والمعهد الوطني للبحوث الصحية (NIHR) البحوث الطبية الحيوية مركز (BRC) (BRC272/مرحبا/ديسك/101440) و UCL تغيير صناع.
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 |
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. , (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. , (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. , (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. , (2014).
- Chatterjee, H. J., Hannan, L. . Engaging the senses: object-based learning in higher education. , (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). , (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)
