Un dispositivo fue creado para demostrar el control basado en la electromiografía a un público laico. Después del éxito del dispositivo inicial, un segundo dispositivo se hizo con una mayor flexibilidad en la funcionalidad para fines de investigación y demostración. Este protocolo describe el proceso de construcción y calibración de ambos dispositivos.
En este manuscrito, presentamos dos sistemas de ‘Bionic Clicker’, el primero diseñado para demostrar la electromiografía (EMG) basado en sistemas de control para propósitos educativos y la segunda para fines de investigación. Control de sistemas de recogida de señales eléctricas generadas por activación muscular y utilizan como insumos para controladores basado en EMG. Controladores de EMG son ampliamente utilizados en prótesis para extremidades de control.
La marca I (MK I) clicker permite al usuario cambiar la diapositiva de una presentación levantando su dedo índice. Está construido alrededor de un microcontrolador y un bio-señales escudo. Había generado mucho interés tanto del público y la comunidad de investigación.
El dispositivo de la marca II (MK II) presentado aquí fue diseñado para ser un sistema más barato, más elegante y más personalizable que puede ser fácilmente modificado y transmite directamente los datos de EMG. Se construye utilizando un microcontrolador capaz inalámbrico y un sensor de músculo.
El centro aspira para la ingeniería de rehabilitación y tecnología asistiva investiga técnicas que son aplicables y transferibles entre diferentes dominios relacionados con áreas de interés, incluyendo pero no limitado a, derrame cerebral, distrofia muscular, amputación, el envejecimiento de la población y formación de habilidades especializadas. Un área de investigación que el centro participa en es neuroprótesis. De las muchas técnicas que se utilizan para el control de armas neuroprosthetic, el EMG es una de las entradas más comunes para el control sistemas1,2,3,4,5,6. Esto es en gran parte debido a su facilidad de uso y precio asequible en comparación con otros sistemas de control7. Recientemente desarrollado prótesis 3D impreso como la mano de Ada puede costar sólo 1,000 USD al utilizar este tipo de control8,9,10. Sin embargo, al intentar demostrar estos sistemas al público hay ninguna manera fácil de hacerlo sin la ayuda de una persona amputada.
Para elevar la conciencia de las actividades de investigación en este campo a los miembros del público, se desarrolló un dispositivo de demo de bionic clicker. Es muy importante utilizar demostración basada en objetos, ya que atrae la atención y acelera el aprendizaje y la comprensión de la asignatura que imparte11. Nuestro dispositivo no sólo ayuda a enseñar el concepto de EMG sino también a aumentar el conocimiento del desarrollo actual de las tecnologías modernas. Por otra parte, inspira a las generaciones más jóvenes para elegir estudios dentro de las áreas de ciencia, tecnología, ingeniería y matemáticas (STEM).
El Bionic MK Clicker fui hecho con piezas fácilmente disponibles que ya estaban en uso en el laboratorio. Consistió en un microcontrolador, un escudo de bio-señales12, electrodos, un tablero de control, un tablero de comunicación inalámbrica y una batería de 9 V. El dispositivo funcionó por recoger la actividad de lo indicis músculo situado entre el dedo índice y el pulgar. Desencadena un cambio de diapositiva mediante el mímico un teclado y una tecla’ derecha’ cada vez que se alcanzó un umbral pre-seleccion. El tablero de control permitió el envío manual de teclas oprimidas ‘derecha’ e ‘izquierda’ (progreso diapositivas y diapositivas de retiro) y también podría utilizarse para reemplazar la entrada de EMG si fueron mal las cosas durante una demostración en vivo.
Como parte de la física médica y actividades de participación pública de Departamento de ingeniería biomédica, demostramos al Clicker Bionic a los miembros del público. Recibió una respuesta entusiasta del público y generó interés en el inicio de varias colaboraciones. Después del éxito del dispositivo inicial se diseñó una segunda versión del dispositivo.
La meta para el diseño de la segunda unidad era producir un aparato que era más barato, menos engorroso y más personalizable que el primer dispositivo. El propósito de este dispositivo era diseñar algo que podría modificarse fácilmente para proyectos estudiantiles y barato incorporar en los proyectos existentes. La principal ventaja de este dispositivo sobre otros disponibles1,2,3,4,5,6 es su facilidad de uso, tamaño pequeño y bajo costo. Aunque los dispositivos biónicos clicker no tenga la resolución de otros dispositivos de la investigación, tales como dispositivos de disparo, son más que suficiente. El MK II sería una base ideal para cualquier sistema que utilice un umbral EMG para activar un dispositivo, como un controlador de prótesis o dispositivo de ayuda.
El diseño se basa en un microcontrolador compatible con wireless y un sensor de músculo. También incluyó un 3,7 V 150 mAh polímero de litio, un tablero de control manual y un caso impreso en 3D. La figura 3 muestra un resumen de las diferencias entre los diseños. El diseño del MK II tiene la misma funcionalidad básica que el dispositivo original pero tiene significativamente más funcionalidad potencial para nuevas aplicaciones como monitoreo inalámbrico de EMG.
La saturación de la MK II cuando se utilizan en los indicis abductor es menos de un problema que puede aparecer. Cuidadosa colocación de los electrodos y correcto ganancia ajuste deja de ser un problema cuando el dispositivo se utiliza como un clicker. A menos que el interesado en registrar con precisión la actividad de los índices de abductor, esto es poco probable que sea un problema en absoluto. Sobresaturación no se ha visto en cualquier otro músculo, después de establecer la ganancia. Los falsos negativos con el MK II son debido a la dificultad de seleccionar el valor apropiado al usar los indicis de abductor. Con músculos más grandes la diferencia entre la magnitud de la activación del músculo no útil y útil tensado del músculo es mayor, lo que permite la selección de un punto umbral que está más lejos de los falsos positivos y falsos negativos puntos. En las manos particularmente pequeñas lo indicis del músculo puede ser demasiado pequeño para los electrodos a colocarse correctamente (aunque con electrodos más pequeños esto potencialmente podría ser resuelto).
Duración de la batería considerablemente más larga para el MK II es útil para una variedad de razones. En primer lugar, el MK I dispositivo comenzó a actuar erráticamente después de 45 minutos de uso, por lo que no se puede utilizar para más demostraciones. En segundo lugar con duración de varias horas, el MK II se puede considerar como un entrada para un dispositivo útil de control, y con sólo un pequeño aumento en el tamaño físico de la batería, podría ser utilizado como un dispositivo de vigilancia durante todo el día. El microcontrolador sin hilos tiene 6 entradas analógicas y entradas digitales 13; Esto significa que el dispositivo puede aceptar señales de múltiples sensores de músculo para crear un dispositivo con más grados de libertad en las entradas de control. Cabe señalar que el sensor del músculo podría ser reemplazado por cualquier biosensor con una salida analógica para crear un dispositivo que utiliza otras señales biológicas como la entrada. El código del aparato puede modificarse fácilmente para cambiar su funcionalidad. Cambios en el software y el hardware del dispositivo permiten simple y variadas modificaciones al dispositivo.
Una limitación del dispositivo actual es que la salida de EMG no se pueden enviar inalámbricamente a una alta velocidad de datos esto puede sobrecargar el búfer de microcontrolador inalámbrico. Otra limitación es que la técnica utiliza los índices de abductor como entrada, y como el músculo es muy pequeño, el espaciado de los electrodos en la mano casi se superponen; Si alguien tiene las manos especialmente pequeñas, puede ser imposible colocar los electrodos correctamente sobre este músculo.
El dispositivo tiene varias ventajas sobre los dispositivos más costosos cuando se trata de flexibilidad posibles proyectos de investigación. Es bajo costo: el aparato cuesta 80 USD y otros canales de EMG sólo cuestan 35 USD, lo que es ideal para pequeñas o proyectos de los estudiantes. Es fácil de personalizar el software puede ser fácilmente editado y cambiaron las entradas de otro hardware. Tiene un tamaño pequeño, por lo que una persona que lo usa no es necesario llevar equipos pesados o voluminosos. También aparece como un teclado inalámbrico con otros dispositivos, por lo que se puede integrar fácilmente con cualquier dispositivo inalámbrico compatible. El dispositivo ya se ha incorporado en un dispositivo de asistencia que se publicará en el futuro cercano.
Debido al tamaño y facilidad de personalización de la MK II, ya se está considerando para su incorporación a diversos proyectos de investigación como un módulo inalámbrico de EMG y como un mecanismo de disparo inalámbrico. También se utiliza como fundamento de una de las sesiones de laboratorio en el curso del estudiante maestro. La mejora principal que nos gustaría realizar en el dispositivo es para aumentar la velocidad de transmisión inalámbrica; el objetivo es lograr 10 Hz, y si esto se hará a través de hardware o software debe todavía ser determinado.
Los pasos más críticos dentro del protocolo son pasos 2.6 y 2.7: la selección del valor umbral de gatillo. En el paso 2.6, especial atención debe prestarse al movimiento de los cables de la EMG, ya que pueden actuar como antena y generar artefactos de movimiento; sin embargo, si estos se mantienen fijos esto no es un problema. En el paso 2.7, si el valor seleccionado es demasiado alto, esto produce falsos negativos. Si este valor es demasiado bajo, esto resulta en falsos positivos. En el caso de los indicis del abductor, es muy difícil encontrar un valor que no lleva a la ocasional falso negativo, aunque con los músculos más grandes esto no parece ser un problema. Si encontrar el valor correcto es todavía un problema, se puede corregir la ganancia estableciendo el valor mínimo y aumentando hasta que una gran diferencia entre activación y activación no es vista a través de la lectura de la serie, con los valores está por debajo del punto de saturación.
En general el MK II es una mejora considerable sobre el MK como un dispositivo de investigación posibles, aunque porque el MK I tiene un fuerte impacto visual, es probable que todavía utiliza eventos de participación pública en el futuro.
The authors have nothing to disclose.
El proyecto es financiado por la ingeniería y ciencias físicas investigación Consejo EPSRC (EP/K503745/1), Instituto Nacional de investigación de la salud (NIHR) centro de investigación biomédica (BRC) (BRC272/HI/JG/101440) y UCL cambiar los fabricantes.
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 |