Make Muscle MIDI Music!: 7 kroků (s obrázky)

2024 Autor: John Day | [email protected]. Naposledy změněno: 2024-01-30 08:22

Kdykoli váš nervový systém potřebuje provést pohyb, vysílá drobné elektrické signály přes neurony, aby ovládal vaše svaly. Technika elektromyografie (EMG) nám umožňuje tyto elektrické signály zesílit a změřit. Kromě toho, že jsou záznamy EMG užitečným klinickým nástrojem pro diagnostiku různých neurologických poruch, jsou v poslední době používány také k ovládání protetických zařízení.

V naději, že se blíže seznámím s technikami zesílení a záznamu EMG, jsem si myslel, že by bylo zábavné postavit zesilovač EMG, který bych pak mohl použít jako řídicí signál pro jiné zařízení. Místo ovládání protetické paže jsem se rozhodl začlenit své zájmy do hudby a pomocí signálů EMG ovládat MIDI zařízení. MIDI je zkratka pro Musical Instrument Digital Interface a je standardním protokolem pro elektronické odesílání a přijímání hudebních signálů.

Znalosti na pozadí

Tento instruktážní program zahrnuje zapojení obvodu, pájení několika vodičů, programování Arduina a propojení se zařízením MIDI. Pokud nemáte některé z těchto nezbytných znalostí, doporučuji se podívat na některé z níže uvedených tříd / instrukcí:

Obvody

Arduino

MIDI

Bezpečnostní poznámka

Tento projekt zahrnuje připojení se k elektrickému obvodu. Proveďte všechna nezbytná bezpečnostní opatření. Tento dokument od společnosti Delsys obsahuje část o elektrické bezpečnosti a obecně užitečný popis technik EMG. Budeme napájet náš obvod ze dvou 9V baterií; v žádném okamžiku by váš obvod (zvláště když jste k němu také připojeni) neměl být připojen ke střídavému napájení ze zdi.

Krok 1: Přehled projektu a seznam dílů

Náš projekt se skládá ze tří hlavních komponent:

1.) EMG zesilovač, 2.) Arduino a 3.) MIDI zařízení.

1. Postavíme zesilovač EMG na prkénko. Pokud vás zajímá hlubší pohled na vědu za zesilovačem EMG a podrobnější kroky, jak si vytvořit vlastní, podívejte se na můj zvukový zesilovač EMG Instructable.
2. Napájíme Arduino ze stejných 9V baterií, které napájí zesilovač EMG. Většina práce s Arduinem bude po softwarové stránce.
3. Jako MIDI zařízení jsem použil iPhone se systémem Garageband. Arduino bude vysílat standardní MIDI signály přes standardní MIDI kabel, takže místo iPhone by mělo fungovat jakékoli MIDI zařízení.

Díly

• (2x) LT1167 (přístrojový zesilovač)
• (2x) LT1112 (nebo jakýkoli dvojitý čip op-amp)
• (1x) LM386N (audio zesilovač)
• (5x) Povrchové EMG elektrody (dvě na sval a jedna pro referenci) (Amazon)
• Arduino Uno (Amazon)

• iPhone (nebo jakékoli MIDI zařízení)

  Kabel adaptéru MIDI na iPhone (pokud používáte iPhone) (Amazon)

• Různé odpory, kondenzátory a propojovací vodiče
• Breadboard (Amazon)
• (2x) 9V baterie

Nástroje

• Páječka (Amazon)
• Odstraňovače drátů
• Smršťovací bužírky
• Elektrická páska

Krok 2: Sestavte zesilovač EMG

Podrobnější návod, jak postavit zesilovač EMG, najdete v mém zvukovém zesilovači EMG Instructable.

Postavíme zesilovač EMG schopný zesílit dva kanály EMG. Na kanál použijeme jeden přístrojový zesilovač LT1167. Datový list LT1167 užitečně obsahuje schéma „Nerve Impulse Amplifier“, kterým se budeme v tomto kroku řídit.

Sestavte obvod

Na prkénku sestavte dvě kopie výše uvedeného zesilovače nervových vzruchů. Obrázky mého sestaveného obvodu by vám měly pomoci vést ke konečnému cíli. Na výstup každého mého zesilovače jsem přidal pasivní nízkoprůchodové filtry 1. řádu, abych pomohl snížit šum. Pokud byste je chtěli přidat do svého obvodu, použil jsem odpor 1 kΩ s kondenzátorem 0,047 μF pro mezní frekvenci přibližně 2 000 Hz.

Napájení

Budeme napájet obvod ze dvou 9V baterií. LT1167 potřebuje +V a -V (protože zdrojový signál EMG má kladné i záporné hodnoty), takže připojíme záporný kolík na +V baterii k plusovému pinu na -V baterii. Mínusový kolík na baterii -V se stane hodnotou -V. Při použití dvou 9V baterií skončíte s +V a -V rovnými +9 a -9 voltů.

Elektrody Další krok popisuje umístění elektrod podrobněji. Referenční elektroda se zapojí do kolíku 1 jednoho z přístrojových zesilovačů a páry svalových elektrod se zapojí do kolíků 2 a 3 na přístrojových zesilovačích. Na orientaci +/- elektrod nezáleží.

Poznámka: Pokud váš obvod nefunguje, pravděpodobně jste udělali něco špatně! Dobrou technikou pro nalezení chyby v obvodu je nakreslit schéma pro obvod, který jste ve skutečnosti sestavili na prkénku, a porovnat jej s původním schématem. V tomto procesu můžete najít chybu (jako jsem to udělal mnohokrát).

Krok 3: Připravte elektrody

Jak jsem zmínil výše, pro tento projekt budeme potřebovat celkem pět elektrod. Záznamy EMG se provádějí pomocí diferenciálního zesilovače, což znamená, že zesilujeme rozdíl mezi dvěma referenčními body ve svalu. To znamená, že na jeden sval budeme potřebovat dvě elektrody. Kromě toho potřebujeme jedinou referenci pro měření svalové aktivity s ohledem na. Zde je odkaz na některé povrchové EMG elektrody prodávané na Amazonu. Přesný typ elektrody není pro naše účely příliš důležitý.

Jak jsem ukázal na obrázku výše, umístěte dvě elektrody na vnitřní okraj každého předloktí, rovnoběžně s délkou svalu a oddělené asi 2 cm. Umístěte referenční elektrodu na kostnatou část jednoho z vašich loktů, daleko od elektrod na svalech.

Zkroucené páry drátů

Budete také chtít zkroutit dráty na párech elektrod, jak je uvedeno výše. Kromě úklidu nepořádku kolem vašeho obvodu pomáhají kroucené páry vodičů snížit elektrický šum zachycený elektrodami. Střídáním polohy vodičů tam a zpět ovlivní jakékoli vnější elektromagnetické rušení (např. 60 Hz ze sítě) na vodiče stejné množství. Diferenční zesilovač pak odstraní tento běžný šumový signál.

Krok 4: Zesilovač zvuku (volitelný)

Pokud máte zájem poslouchat surový signál EMG (bez MIDI), můžete do svého obvodu EMG přidat zvukový zesilovač. K sestavení výše uvedeného obvodu použijte čip zesilovače zvuku LM386N a potřebné odpory a kondenzátory. Výše uvedené video ukazuje, jak zní surový (dobře, v obvodu jsou nějaké filtry, ale většinou je to surový) signál EMG.

I když tento krok není nutný pro spouštění MIDI signálů, doporučuji to zkusit. Poslech signálu EMG může být velmi užitečnou technikou pro odstraňování problémů a ladění systému. Pokud například dojde k silnému rušení 60 Hz ze sítě, uslyšíte to mnohem snáze, než byste to dokázali detekovat při vzorkování signálu pomocí Arduina.

Zvuk v mém videu se trochu ořezává, ale je to docela slušný příklad toho, jak by měl znít čistý signál EMG.

Krok 5: Připravte MIDI komponenty

Abychom mohli posílat MIDI signál z Arduina do MIDI zařízení, musíme připájet jeden ze samičích MIDI konektorů. Měli byste se podívat na můj první Instructable, kde najdete důkladnější návod k nastavení MIDI na Arduinu.

Zde jsou kroky:

1. Na kolík 4 MIDI konektoru připájejte rezistor 220 Ω.
2. Pájejte 10 cm vodič od rezistoru ke konektoru Tx na Arduinu.
3. Na kolík 2 připájejte 10 cm dlouhý vodič a připojte jej k zemi na Arduinu.
4. Na kolík 5 připájejte 10 cm dlouhý vodič a připojte jej k 5V na Arduinu.

Jakmile sestavíte zesilovač EMG a připravíte kabel MIDI k iPhone, použijte dva propojovací vodiče k odeslání výstupů zesilovačů instrumentace na piny A4 a A5 na Arduinu.

Krok 6: Napište kód Arduino

Základní potrubí pro kód Arduino je následující:

1. Změřte základní úroveň hluku pro oba kanály EMG
2. Smyčka nepřetržitě měří napětí každého EMG kanálu
3. Pokud kanál EMG ovládající intenzitu noty překročí práh, aktivujte MIDI notu
4. Pomocí signálu z druhého kanálu EMG upravte výšku tónu

Doporučuji vám zkusit napsat vlastní kód Arduino pro zpracování signálů EMG. Vím jistě, že existuje lepší schéma ovládání než to, co jsem dláždil dohromady! Pokud chcete začít s mým kódem, můžete si jej stáhnout zde. Když jsem pracoval na projektu, můžete se podívat do mého úložiště GitHub a zobrazit různé iterace mého kódu.

Krok 7: Dejte to všechno dohromady

Pokud vše proběhlo podle plánu, měli byste být schopni ovládat své MIDI zařízení pomocí signálu z vlastních svalů. Docela vzrušující! Jakmile projekt funguje, můžete si hrát s různými schématy ovládání a zkoumat různé zvuky MIDI.

Dejte mi vědět, pokud se pokusíte vytvořit jedno z vlastních MIDI zařízení ovládaných EMG! Rád bych slyšel, jak to probíhá, a rád bych pomohl s jakýmikoli otázkami, které se během cesty objeví. Hodně štěstí!

Druhá cena v soutěži Sensors Contest 2017