Создавайте Muscle MIDI Music !: 7 шагов (с изображениями)

2024 Автор: John Day | [email protected]. Последнее изменение: 2024-01-30 11:52

Всякий раз, когда вашей нервной системе нужно сделать движение, она посылает через нейроны крошечные электрические сигналы для управления вашими мышцами. Техника электромиографии (ЭМГ) позволяет нам усиливать и измерять эти электрические сигналы. Помимо того, что записи ЭМГ являются полезным клиническим инструментом для диагностики различных неврологических расстройств, в последнее время используются для контроля протезных устройств.

В надежде ближе познакомиться с методами усиления и записи ЭМГ я подумал, что было бы интересно создать усилитель ЭМГ, который затем можно было бы использовать в качестве управляющего сигнала для другого устройства. Вместо того, чтобы управлять протезом руки, я решил включить свои интересы в музыку и использовал сигналы EMG для управления устройством MIDI. MIDI означает цифровой интерфейс музыкальных инструментов и является стандартным протоколом для отправки и приема музыкальных сигналов в электронном виде.

Жизненный опыт

Эта инструкция включает в себя макет схемы, пайку нескольких проводов, программирование Arduino и взаимодействие с устройством MIDI. Если у вас нет этого необходимого фона, я рекомендую проверить некоторые из классов / инструкций ниже:

Схемы

Ардуино

MIDI

Примечание по безопасности

Этот проект действительно предполагает подключение к электрической цепи. Примите все необходимые меры безопасности. В этом документе от Delsys есть раздел, посвященный электробезопасности, а также полезное описание методов ЭМГ в целом. Мы будем питать нашу схему от двух батарей по 9 В; Ни в коем случае нельзя подключать вашу цепь (особенно когда вы к ней тоже) к источнику переменного тока от стены.

Шаг 1: Обзор проекта и список деталей

Наш проект состоит из трех основных компонентов:

1.) усилитель EMG, 2.) Arduino и 3.) MIDI-устройство.

1. Построим усилитель ЭМГ на макетной плате. Если вас интересует более глубокий взгляд на науку, лежащую в основе усилителя EMG, и более подробные инструкции по созданию собственного усилителя, ознакомьтесь с моим аудиоусилителем EMG Instructable.
2. Мы будем питать Arduino от тех же 9-вольтовых батарей, которые питают усилитель EMG. Большая часть работы с Arduino будет связана с программным обеспечением.
3. В качестве MIDI-устройства я использовал iPhone с запущенной программой Garageband. Arduino будет отправлять стандартные MIDI-сигналы по стандартному MIDI-кабелю, поэтому любое MIDI-устройство должно работать вместо iPhone.

Запчасти

• (2x) LT1167 (инструментальный усилитель)
• (2x) LT1112 (или любой чип с двумя операционными усилителями)
• (1x) LM386N (усилитель звука)
• (5x) Поверхностные электроды ЭМГ (два на мышцу и один для справки) (Amazon)
• Arduino Uno (Amazon)

• iPhone (или любое MIDI-устройство)

  Кабель-переходник с MIDI на iPhone (при использовании iPhone) (Amazon)

• Различные резисторы, конденсаторы и перемычки
• Макетная плата (Amazon)
• (2x) батарея 9 В

Инструменты

• Паяльник (Amazon)
• Инструмент для зачистки проводов
• Термоусадочные трубки
• Электроизоляционная лента

Шаг 2: соберите усилитель ЭМГ

Чтобы получить более подробное руководство по созданию усилителя EMG, ознакомьтесь с моим аудиоусилителем EMG Instructable.

Мы построим усилитель ЭМГ, способный усилить два канала ЭМГ. Мы будем использовать по одному инструментальному усилителю LT1167 на канал. Техническое описание LT1167 содержит схему «усилителя нервных импульсов», которому мы будем следовать на этом этапе.

Соберите схему

На макете соберите две копии усилителя нервного импульса, показанного выше. Фотографии моей собранной схемы должны помочь вам достичь конечной цели. Я добавил пассивные фильтры нижних частот 1-го порядка на выход каждого из моих усилителей, чтобы уменьшить шум. Если вы хотите добавить их в свою схему, я использовал резистор 1 кОм с конденсатором 0,047 мкФ для частоты среза примерно 2000 Гц.

Власть

Мы будем питать схему от двух батарей по 9 В. LT1167 нуждается в + V и -V (потому что сигнал источника EMG имеет как положительные, так и отрицательные значения), поэтому мы подключим минусовой вывод на батарее + V к плюсовому выводу на батарее -V. Вывод «минус» на батарее -V становится значением -V. При использовании двух батарей 9 В вы получите + V и -V, равные +9 и -9 вольт соответственно.

Электроды На следующем шаге более подробно рассматривается размещение электродов. Электрод сравнения подключается к контакту 1 одного из инструментальных усилителей, а пары мышечных электродов подключаются к контактам 2 и 3 инструментальных усилителей. +/- ориентация электродов не имеет значения.

Примечание: если ваша схема не работает, вы, вероятно, сделали что-то не так! Хороший способ найти ошибку в схеме - это нарисовать схему схемы, которую вы фактически собрали на своей макетной плате, и сравнить ее с исходной схемой. В этом процессе вы можете обнаружить ошибку (как я делал много раз).

Шаг 3: подготовьте электроды

Как я уже упоминал выше, для этого проекта нам понадобится всего пять электродов. Запись ЭМГ проводится с помощью дифференциального усилителя, что означает, что мы усиливаем разницу между двумя точками отсчета на мышце. Это означает, что нам понадобится два электрода на каждую мышцу. Кроме того, нам нужен единый эталон для измерения мышечной активности. Вот ссылка на некоторые электроды для поверхностной ЭМГ, продаваемые на Amazon. Для наших целей не так важен точный тип электрода.

Как я показал на картинке выше, поместите два электрода на внутренний край каждого предплечья, параллельно длине мышцы и на расстоянии примерно 2 см друг от друга. Поместите электрод сравнения на костную часть одного из локтей, подальше от электродов на мышцах.

Скрученные пары проводов

Вы также захотите скрутить провода на парах электродов, как показано выше. Скрученные пары проводов не только убирают беспорядок вокруг вашей схемы, но и помогают уменьшить электрический шум, улавливаемый электродами. Изменяя положение проводов вперед и назад, любые внешние электромагнитные помехи (например, 60 Гц от сети) будут влиять на провода в равной степени. Затем дифференциальный усилитель удалит этот общий шумовой сигнал.

Шаг 4: усилитель звука (необязательно)

Если вы заинтересованы в прослушивании необработанного сигнала EMG (без MIDI), вы можете добавить аудиоусилитель в свою схему EMG. Используйте микросхему звукового усилителя LM386N и необходимые резисторы и конденсаторы для сборки схемы, показанной выше. Видео выше демонстрирует, как звучит необработанный (ну, в схеме есть несколько фильтров, но в основном это необработанный) сигнал ЭМГ.

Хотя этот шаг не является обязательным для запуска MIDI-сигналов, я рекомендую вам попробовать его. Прослушивание сигнала ЭМГ может быть очень полезным методом поиска и устранения неисправностей в вашей системе. Например, если есть сильные помехи от сети с частотой 60 Гц, вы сможете услышать их намного легче, чем обнаружить их при выборке сигнала с помощью Arduino.

Звук в моем видео немного обрезается, но это довольно приличный пример того, как должен звучать чистый сигнал ЭМГ.

Шаг 5: Подготовьте MIDI-компоненты

Чтобы отправить MIDI-сигнал от Arduino на MIDI-устройство, нам нужно припаять один из гнезд MIDI-разъемов. Вам следует ознакомиться с моим первым Instructable, чтобы получить более подробное руководство по настройке MIDI на Arduino.

Вот шаги:

1. Припаяйте резистор 220 Ом к контакту 4 разъема MIDI.
2. Припаяйте 10-сантиметровый провод от резистора к разъему Tx на Arduino.
3. Припаяйте провод длиной 10 см к контакту 2 и подключите его к земле на Arduino.
4. Припаяйте провод длиной 10 см к контакту 5 и подключите его к 5V на Arduino.

После того, как вы собрали усилитель EMG и подготовили кабель MIDI к iPhone, используйте две перемычки, чтобы направить выходы инструментальных усилителей на контакты A4 и A5 на Arduino.

Шаг 6: напишите код Arduino

Базовый конвейер для кода Arduino выглядит следующим образом:

1. Измерьте базовый уровень шума для обоих каналов ЭМГ.
2. Цикл непрерывно, измеряя напряжение каждого канала ЭМГ
3. Если канал EMG, контролирующий интенсивность ноты, пересекает пороговое значение, активируйте MIDI-ноту на
4. Используйте сигнал из другого канала ЭМГ для модуляции высоты ноты.

Я рекомендую вам попробовать написать свой собственный код Arduino для обработки сигналов EMG. Я точно знаю, что существует лучшая схема контроля, чем та, которую я сколотил! Если вы хотите начать с моего кода, скачайте его здесь. Вы можете проверить мой репозиторий GitHub, чтобы увидеть различные итерации моего кода, пока я работал над проектом.

Шаг 7. Соберите все вместе

Если все прошло по плану, вы сможете управлять своим MIDI-устройством, используя сигнал собственных мышц. Довольно интересно! После того, как ваш проект заработал, вы можете поиграть с различными схемами управления и изучить различные звуки MIDI.

Сообщите мне, если вы попытаетесь создать одно из своих собственных MIDI-устройств, управляемых EMG! Я хотел бы услышать, как это происходит, и был бы рад помочь с любыми вопросами, которые возникнут в процессе. Удачи!

Вторая премия в конкурсе датчиков 2017