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2025 Autor: John Day | [email protected]. Última modificação: 2025-01-13 06:58
Sempre que seu sistema nervoso precisa fazer um movimento, ele envia minúsculos sinais elétricos através dos neurônios para controlar seus músculos. A técnica da eletromiografia (EMG) nos permite amplificar e medir esses sinais elétricos. Além de ser uma ferramenta clínica útil para diagnosticar diferentes distúrbios neurológicos, os registros EMG têm sido usados mais recentemente para controlar dispositivos protéticos.
Na esperança de me familiarizar mais com as técnicas de amplificação e gravação de EMG, achei que seria divertido construir um amplificador de EMG que eu pudesse usar como sinal de controle para um dispositivo diferente. Em vez de controlar uma prótese de braço, decidi incorporar meus interesses na música e usar os sinais EMG para controlar um dispositivo MIDI. MIDI significa Musical Instrument Digital Interface e é o protocolo padrão para enviar e receber sinais musicais eletronicamente.
Conhecimento prévio
Este Instructable inclui a montagem de um circuito, soldagem de alguns fios, programação de um Arduino e interface com um dispositivo MIDI. Se você não tem esse conhecimento necessário, recomendo conferir algumas das classes / Instructables abaixo:
Circuitos
Arduino
MIDI
Nota de Segurança
Este projeto envolve conectar-se a um circuito elétrico. Tome todas as precauções de segurança necessárias. Este artigo da Delsys possui uma seção sobre segurança elétrica, bem como uma descrição útil das técnicas EMG em geral. Estaremos desligando nosso circuito com duas baterias de 9V; em nenhum momento o seu circuito (especialmente quando você está conectado a ele) deve ser conectado à alimentação CA da parede.
Etapa 1: Visão geral do projeto e lista de peças
Nosso projeto é composto por três componentes principais:
O 1.) amplificador EMG, 2.) o Arduino e 3.) o dispositivo MIDI.
- Vamos construir o amplificador EMG em uma placa de ensaio. Se você estiver interessado em uma análise mais aprofundada da ciência por trás do amplificador EMG e em etapas mais detalhadas sobre como construir o seu próprio, dê uma olhada em meu amplificador de áudio EMG Instructable.
- Vamos alimentar o Arduino com as mesmas baterias de 9 V que alimentam o amplificador EMG. A maior parte do trabalho com o Arduino será no lado do software.
- Usei um iPhone com o Garageband como meu dispositivo MIDI. O Arduino enviará sinais MIDI padrão por um cabo MIDI padrão, portanto, qualquer dispositivo MIDI deve funcionar no lugar do iPhone.
Peças
- (2x) LT1167 (amplificador de instrumentação)
- (2x) LT1112 (ou qualquer chip dual op-amp)
- (1x) LM386N (amplificador de áudio)
- (5x) Eletrodos de EMG de superfície (dois por músculo e um para referência) (Amazon)
- Arduino Uno (Amazon)
-
iPhone (ou qualquer dispositivo MIDI)
MIDI para cabo adaptador de iPhone (se estiver usando um iPhone) (Amazon)
- Vários resistores, capacitores e fios de jumper
- Breadboard (Amazon)
- (2x) bateria de 9V
Ferramentas
- Ferro de soldar (Amazon)
- Decapantes de arame
- Tubulação termorretrátil
- Fita isolante
Etapa 2: montar o amplificador EMG
Para um tutorial mais completo sobre como construir o amplificador EMG, verifique meu amplificador de áudio EMG Instructable.
Vamos construir um amplificador EMG capaz de amplificar dois canais EMG. Usaremos um amplificador de instrumentação LT1167 por canal. A ficha técnica do LT1167 contém, de forma útil, um esquema para um "Amplificador de impulso nervoso", que seguiremos nesta etapa.
Monte o circuito
Na placa de ensaio, monte duas cópias do amplificador de impulso nervoso mostrado acima. As fotos do meu circuito montado devem ajudar a guiá-lo em direção ao objetivo final. Eu adicionei filtros passa-baixa passivos de 1ª ordem à saída de cada um dos meus amplificadores para ajudar a reduzir o ruído. Se você quiser adicioná-los ao seu circuito, usei um resistor de 1 kΩ com um capacitor de 0,047 μF para uma frequência de corte de aproximadamente 2.000 Hz.
Poder
Estaremos desligando o circuito de duas baterias de 9V. O LT1167 precisa de + V e -V (porque o sinal da fonte EMG tem valores positivos e negativos), então conectaremos o pino negativo da bateria + V ao pino positivo da bateria -V. O pino negativo na bateria -V torna-se o valor -V. Ao usar duas baterias de 9 V, você acabará com + V e -V sendo iguais a +9 e -9 volts, respectivamente.
Eletrodos A próxima etapa cobre a colocação do eletrodo em mais detalhes. O eletrodo de referência se conecta ao pino 1 de um dos amplificadores de instrumentação e os pares de eletrodos musculares se conectam aos pinos 2 e 3 dos amplificadores de instrumentação. A orientação +/- dos eletrodos não importa.
Nota: Se o seu circuito não está funcionando, provavelmente você fez algo errado! Uma boa técnica para encontrar um erro em um circuito é desenhar o esquema do circuito que você realmente montou em sua placa de ensaio e compará-lo ao esquema original. Nesse processo, você pode encontrar um erro (como eu fiz muitas vezes).
Etapa 3: Prepare os eletrodos
Como mencionei acima, precisaremos de um total de cinco eletrodos para este projeto. As gravações EMG são realizadas com um amplificador diferencial, o que significa que estamos ampliando a diferença entre dois pontos de referência no músculo. Isso significa que precisaremos de dois eletrodos por músculo. Além disso, precisamos de uma única referência para a atividade muscular a ser medida em relação a. Aqui está um link para alguns eletrodos de EMG de superfície vendidos na Amazon. O tipo exato de eletrodo não é muito importante para nossos objetivos.
Como mostrei na imagem acima, coloque dois eletrodos na borda interna de cada antebraço, paralelos ao comprimento do músculo e separados por cerca de 2 cm. Coloque o eletrodo de referência na parte óssea de um de seus cotovelos, longe dos eletrodos nos músculos.
Pares de fios trançados
Você também vai querer torcer os fios em seus pares de eletrodos, conforme mostrado acima. Além de limpar a bagunça em torno do circuito, os pares de fios trançados ajudam a reduzir o ruído elétrico captado pelos eletrodos. Ao alternar a posição dos fios para frente e para trás, qualquer interferência eletromagnética externa (por exemplo, 60 Hz da rede) afetará os fios em igual quantidade. O amplificador diferencial irá então remover este sinal de ruído comum.
Etapa 4: amplificador de áudio (opcional)
Se você estiver interessado em ouvir o sinal EMG bruto (sem qualquer MIDI), você pode adicionar um amplificador de áudio ao seu circuito EMG. Use um chip amplificador de áudio LM386N e os resistores e capacitores necessários para montar o circuito mostrado acima. O vídeo acima demonstra como soa um sinal EMG bruto (bem, existem alguns filtros no circuito, mas é principalmente bruto).
Embora essa etapa não seja necessária para acionar os sinais MIDI, sugiro que você tente. Ouvir o sinal EMG pode ser uma técnica muito útil para solucionar problemas e depurar seu sistema. Por exemplo, se houver uma forte interferência de 60 Hz da rede elétrica, você poderá ouvi-la com muito mais facilidade do que seria capaz de detectá-la durante a amostragem do sinal com seu Arduino.
O áudio do meu vídeo está cortando um pouco, mas é um exemplo bastante decente de como um sinal EMG limpo deve soar.
Etapa 5: preparar os componentes MIDI
Para enviar o sinal MIDI do Arduino para o dispositivo MIDI, precisamos soldar um dos conectores MIDI fêmeas. Você deve verificar meu primeiro Instructable para um tutorial mais completo sobre como configurar MIDI no Arduino.
Aqui estão as etapas:
- Solde um resistor de 220 Ω no pino 4 do conector MIDI.
- Solde um fio de 10 cm do resistor ao conector Tx no Arduino.
- Solde um fio de 10 cm de comprimento no pino 2 e conecte-o ao aterramento no Arduino.
- Solde um fio de 10 cm de comprimento no pino 5 e conecte-o a 5 V no Arduino.
Depois de montar o amplificador EMG e preparar o cabo MIDI para iPhone, use dois fios jumper para enviar as saídas dos amplificadores de instrumentação para os pinos A4 e A5 no Arduino.
Etapa 6: escrever o código do Arduino
O pipeline básico para o código do Arduino é o seguinte:
- Meça o nível de ruído da linha de base para ambos os canais EMG
- Loop continuamente, medindo a tensão de cada canal EMG
- Se o canal EMG que controla a intensidade da nota ultrapassar o limite, acione uma nota MIDI em
- Use o sinal do outro canal EMG para modular o tom da nota
Eu o encorajo a tentar escrever seu próprio código Arduino para processar os sinais EMG. Eu sei com certeza que existe um esquema de controle melhor do que aquele que eu construí! Se você quiser começar com meu código, fique à vontade para baixá-lo aqui. Você pode verificar meu repositório GitHub para ver as várias iterações do meu código enquanto eu estava trabalhando no projeto.
Etapa 7: Junte tudo
Se tudo tiver ocorrido de acordo com o planejado, você poderá controlar seu dispositivo MIDI usando o sinal de seus próprios músculos. Muito emocionante! Depois de ter o projeto funcionando, você pode brincar com diferentes esquemas de controle e explorar diferentes sons MIDI.
Avise-me se você tentar fazer um de seus próprios dispositivos MIDI controlados por EMG! Eu adoraria saber como vai e ficaria feliz em ajudar com qualquer dúvida que surgir ao longo do caminho. Boa sorte!
Segundo Prêmio no Concurso de Sensores 2017