Crea musica MIDI muscolare!: 7 passaggi (con immagini)

2024 Autore: John Day | [email protected]. Ultima modifica: 2024-01-30 10:03

Ogni volta che il tuo sistema nervoso ha bisogno di fare un movimento, invia piccoli segnali elettrici attraverso i neuroni per controllare i tuoi muscoli. La tecnica dell'elettromiografia (EMG) ci permette di amplificare e misurare questi segnali elettrici. Oltre ad essere un utile strumento clinico per la diagnosi di diversi disturbi neurologici, le registrazioni EMG sono state utilizzate più recentemente per controllare i dispositivi protesici.

Nella speranza di acquisire maggiore familiarità con l'amplificazione EMG e le tecniche di registrazione, ho pensato che sarebbe stato divertente costruire un amplificatore EMG che avrei potuto utilizzare come segnale di controllo per un dispositivo diverso. Piuttosto che controllare un braccio protesico, ho deciso di incorporare i miei interessi nella musica e ho usato i segnali EMG per controllare un dispositivo MIDI. MIDI è l'acronimo di Musical Instrument Digital Interface ed è il protocollo standard per l'invio e la ricezione elettronica di segnali musicali.

Conoscenze di base

Questo Instructable include il breadboarding di un circuito, la saldatura di alcuni fili, la programmazione di un Arduino e l'interfacciamento con un dispositivo MIDI. Se non hai parte di questo background necessario, ti consiglio di controllare alcune delle classi / Instructables di seguito:

circuiti

Arduino

MIDI

Nota di sicurezza

Questo progetto prevede il collegamento a un circuito elettrico. Prendere tutte le precauzioni di sicurezza necessarie. Questo articolo di Delsys contiene una sezione sulla sicurezza elettrica e un'utile descrizione delle tecniche EMG in generale. Alimenteremo il nostro circuito con due batterie da 9 V; in nessun momento il tuo circuito (soprattutto quando sei collegato anche ad esso) deve essere collegato all'alimentazione CA dalla parete.

Passaggio 1: panoramica del progetto ed elenco delle parti

Il nostro progetto è composto da tre componenti principali:

Il 1.) amplificatore EMG, 2.) l'Arduino e 3.) il dispositivo MIDI.

1. Costruiremo l'amplificatore EMG su una breadboard. Se sei interessato a uno sguardo più approfondito sulla scienza dietro l'amplificatore EMG e passaggi più dettagliati su come costruirne uno tuo, dai un'occhiata al mio amplificatore audio EMG Instructable.
2. Alimenteremo Arduino con le stesse batterie da 9V che alimentano l'amplificatore EMG. La maggior parte del lavoro con Arduino sarà sul lato software.
3. Ho usato un iPhone con Garageband come dispositivo MIDI. L'Arduino invierà segnali MIDI standard su un cavo MIDI standard, quindi qualsiasi dispositivo MIDI dovrebbe funzionare al posto dell'iPhone.

Parti

• (2x) LT1167 (amplificatore per strumenti)
• (2x) LT1112 (o qualsiasi chip con doppio amplificatore operazionale)
• (1x) LM386N (amplificatore audio)
• (5x) Elettrodi EMG di superficie (due per muscolo e uno per riferimento) (Amazon)
• Arduino Uno (Amazon)

• iPhone (o qualsiasi dispositivo MIDI)

  Cavo adattatore da MIDI a iPhone (se si utilizza un iPhone) (Amazon)

• Vari resistori, condensatori e ponticelli
• Tagliere (Amazon)
• (2x) batteria da 9V

Utensili

• Saldatore (Amazon)
• Spelafili
• Guaina termorestringente
• Nastro elettrico

Passaggio 2: assemblare l'amplificatore EMG

Per un tutorial più approfondito su come costruire l'amplificatore EMG, dai un'occhiata al mio amplificatore audio EMG Instructable.

Costruiremo un amplificatore EMG in grado di amplificare due canali EMG. Useremo un amplificatore per strumentazione LT1167 per canale. La scheda tecnica LT1167 contiene in modo utile uno schema per un "amplificatore di impulsi nervosi", che seguiremo in questo passaggio.

Assemblare il circuito

Sulla breadboard, assemblare due copie dell'amplificatore di impulsi nervosi mostrato sopra. Le immagini del mio circuito assemblato dovrebbero aiutarti a guidarti verso l'obiettivo finale. Ho aggiunto filtri passa-basso passivi del primo ordine all'uscita di ciascuno dei miei amplificatori per aiutare a ridurre il rumore. Se desideri aggiungerli al tuo circuito, ho usato un resistore da 1 kΩ con un condensatore da 0,047 μF per una frequenza di taglio di circa 2.000 Hz.

Potenza

Alimenteremo il circuito di due batterie da 9V. L'LT1167 necessita di un +V e -V (perché il segnale della sorgente EMG ha valori sia positivi che negativi), quindi collegheremo il pin negativo sulla batteria +V al pin positivo sulla batteria -V. Il pin negativo sulla batteria -V diventa il valore -V. Quando usi due batterie da 9 V, ti ritroverai con +V e -V uguali rispettivamente a +9 e -9 volt.

ElettrodiIl passaggio successivo riguarda il posizionamento degli elettrodi in modo più dettagliato. L'elettrodo di riferimento si collega al pin 1 di uno degli amplificatori per strumentazione e le coppie di elettrodi muscolari si collegano ai pin 2 e 3 degli amplificatori per strumentazione. L'orientamento +/- degli elettrodi non ha importanza.

Nota: se il tuo circuito non funziona, probabilmente hai sbagliato qualcosa! Una buona tecnica per trovare un errore in un circuito è disegnare lo schema del circuito che hai effettivamente assemblato sulla breadboard e confrontarlo con lo schema originale. In quel processo potresti trovare un errore (come ho fatto molte volte).

Passaggio 3: preparare gli elettrodi

Come ho detto sopra, avremo bisogno di un totale di cinque elettrodi per questo progetto. Le registrazioni EMG sono condotte con un amplificatore differenziale, il che significa che stiamo amplificando la differenza tra due punti di riferimento sul muscolo. Questo significa che avremo bisogno di due elettrodi per muscolo. Inoltre, abbiamo bisogno di un unico riferimento per misurare l'attività muscolare rispetto a. Ecco un collegamento ad alcuni elettrodi EMG di superficie venduti su Amazon. Il tipo esatto di elettrodo non è molto importante per i nostri scopi.

Come ho mostrato nell'immagine sopra, posiziona due elettrodi sul bordo interno di ciascun avambraccio, paralleli alla lunghezza del muscolo e separati di circa 2 cm. Posizionare l'elettrodo di riferimento sulla parte ossea di uno dei gomiti, lontano dagli elettrodi sui muscoli.

coppie di fili intrecciati

Dovrai anche attorcigliare i fili sulle coppie di elettrodi come mostrato sopra. Oltre a ripulire il disordine intorno al circuito, i doppini intrecciati aiutano a ridurre il rumore elettrico raccolto dagli elettrodi. Alternando la posizione dei fili avanti e indietro, qualsiasi interferenza elettromagnetica esterna (ad es. 60 Hz dalla rete) influenzerà i fili in egual misura. L'amplificatore differenziale rimuoverà quindi questo segnale di rumore comune.

Passaggio 4: amplificatore audio (opzionale)

Se sei interessato ad ascoltare il segnale EMG grezzo (senza alcun MIDI) puoi aggiungere un amplificatore audio al tuo circuito EMG. Utilizzare un chip amplificatore audio LM386N e i resistori e i condensatori necessari per assemblare il circuito mostrato sopra. Il video sopra mostra come suona un segnale EMG grezzo (beh, ci sono alcuni filtri nel circuito, ma è per lo più grezzo).

Sebbene questo passaggio non sia necessario per attivare i segnali MIDI, ti suggerisco di provarlo. L'ascolto del segnale EMG può essere una tecnica molto utile per la risoluzione dei problemi e il debug del sistema. Ad esempio, se c'è una forte interferenza a 60 Hz dall'alimentazione di rete, sarai in grado di ascoltarla molto più facilmente di quanto non saresti in grado di rilevarla durante il campionamento del segnale con il tuo Arduino.

L'audio nel mio video è leggermente distorto, ma è un esempio abbastanza decente di come dovrebbe suonare un segnale EMG pulito.

Passaggio 5: preparare i componenti MIDI

Per inviare il segnale MIDI da Arduino al dispositivo MIDI, dobbiamo saldare uno dei jack MIDI femminili. Dovresti dare un'occhiata al mio primo Instructable per un tutorial più approfondito sulla configurazione del MIDI su Arduino.

Ecco i passaggi:

1. Saldare una resistenza da 220 al pin 4 del connettore MIDI.
2. Saldare un filo di 10 cm dalla resistenza al connettore Tx sull'Arduino.
3. Saldare un filo lungo 10 cm al pin 2 e collegarlo a massa sull'Arduino.
4. Saldare un filo lungo 10 cm al pin 5 e collegarlo a 5V su Arduino.

Una volta assemblato l'amplificatore EMG e preparato il cavo da MIDI a iPhone, usa due cavi jumper per inviare le uscite degli amplificatori per strumentazione ai pin A4 e A5 dell'Arduino.

Passaggio 6: scrivi il codice Arduino

La pipeline di base per il codice Arduino è la seguente:

1. Misurare il livello di rumore della linea di base per entrambi i canali EMG
2. Loop continuamente, misurando la tensione di ciascun canale EMG
3. Se il canale EMG che controlla l'intensità della nota supera la soglia, attiva una nota MIDI su
4. Usa il segnale dall'altro canale EMG per modulare l'altezza della nota

Ti incoraggio a provare a scrivere il tuo codice Arduino per elaborare i segnali EMG. So per certo che c'è uno schema di controllo migliore là fuori di quello che ho messo insieme! Se vuoi iniziare con il mio codice, sentiti libero di scaricarlo qui. Puoi controllare il mio repository GitHub per vedere le varie iterazioni del mio codice mentre lavoravo al progetto.

Passaggio 7: metti tutto insieme

Se tutto è andato secondo i piani, dovresti essere in grado di controllare il tuo dispositivo MIDI utilizzando il segnale dei tuoi muscoli. Abbastanza eccitante! Una volta che il progetto è in funzione, puoi giocare con diversi schemi di controllo ed esplorare diversi suoni MIDI.

Fammi sapere se provi a creare uno dei tuoi dispositivi MIDI controllati da EMG! Mi piacerebbe sapere come va e sarei felice di aiutare con qualsiasi domanda che sorge lungo la strada. Buona fortuna!

Secondo Premio al Concorso Sensori 2017