Maak Muscle MIDI Music! 7 stappen (met afbeeldingen)

2024 Auteur: John Day | [email protected]. Laatst gewijzigd: 2024-01-30 11:17

Wanneer je zenuwstelsel een beweging moet maken, stuurt het kleine elektrische signalen door neuronen om je spieren te controleren. De techniek van elektromyografie (EMG) stelt ons in staat om deze elektrische signalen te versterken en te meten. Naast het feit dat het een nuttig klinisch hulpmiddel is voor het diagnosticeren van verschillende neurologische aandoeningen, zijn EMG-opnames recentelijk gebruikt om prothetische apparaten te besturen.

In de hoop meer vertrouwd te raken met EMG-versterking en opnametechnieken, dacht ik dat het leuk zou zijn om een EMG-versterker te bouwen die ik dan als stuursignaal voor een ander apparaat zou kunnen gebruiken. In plaats van een prothetische arm te besturen, besloot ik mijn interesses in muziek te integreren en de EMG-signalen te gebruiken om een MIDI-apparaat te besturen. MIDI staat voor Musical Instrument Digital Interface en is het standaardprotocol voor het elektronisch verzenden en ontvangen van muzieksignalen.

Achtergrond kennis

Deze Instructable omvat breadboarding een circuit, een paar draden solderen, een Arduino programmeren en interfacen met een MIDI-apparaat. Als je niet over deze noodzakelijke achtergrond beschikt, raad ik je aan enkele van de onderstaande klassen / Instructables te bekijken:

Circuits

Arduino

MIDI

Veiligheidsopmerking:

Dit project houdt in dat je jezelf aansluit op een elektrisch circuit. Neem alle nodige veiligheidsmaatregelen. Dit artikel van Delsys bevat een sectie over elektrische veiligheid en een nuttige beschrijving van EMG-technieken in het algemeen. We zullen ons circuit van stroom voorzien met twee 9V-batterijen; op geen enkel moment mag uw circuit (vooral als u er ook op bent aangesloten) worden aangesloten op wisselstroom van de muur.

Stap 1: Projectoverzicht en onderdelenlijst

Ons project bestaat uit drie hoofdcomponenten:

De 1.) EMG-versterker, 2.) de Arduino en 3.) het MIDI-apparaat.

1. We bouwen de EMG-versterker op een breadboard. Als je geïnteresseerd bent in een meer diepgaande kijk op de wetenschap achter de EMG-versterker en meer gedetailleerde stappen over hoe je je eigen versterker kunt bouwen, bekijk dan mijn EMG-audioversterker Instructable.
2. We voeden de Arduino met dezelfde 9V-batterijen die de EMG-versterker van stroom voorzien. Het meeste werk met de Arduino zal aan de softwarekant zijn.
3. Ik gebruikte een iPhone met Garageband als mijn MIDI-apparaat. De Arduino stuurt standaard MIDI-signalen via een standaard MIDI-kabel, dus elk MIDI-apparaat zou moeten werken in plaats van de iPhone.

Onderdelen

• (2x) LT1167 (instrumentatieversterker)
• (2x) LT1112 (of een dubbele op-amp-chip)
• (1x) LM386N (audioversterker)
• (5x) Oppervlakte-EMG-elektroden (twee per spier en één ter referentie) (Amazon)
• Arduino Uno (Amazon)

• iPhone (of een ander MIDI-apparaat)

  MIDI-naar-iPhone-adapterkabel (bij gebruik van een iPhone) (Amazon)

• Verschillende weerstanden, condensatoren en jumperdraden
• Breadboard (Amazone)
• (2x) 9V batterij

Gereedschap

• Soldeerbout (Amazon)
• Draadstrippers
• Krimpkous
• Elektrische tape

Stap 2: Monteer de EMG-versterker

Voor een meer grondige zelfstudie over het bouwen van de EMG-versterker, bekijk mijn EMG-audioversterker Instructable.

We bouwen een EMG-versterker die twee EMG-kanalen kan versterken. We gebruiken één LT1167 instrumentatieversterker per kanaal. De LT1167-datasheet bevat handig een schema voor een "zenuwimpulsversterker", die we in deze stap zullen volgen.

Monteer de schakeling

Monteer op het breadboard twee exemplaren van de hierboven getoonde zenuwimpulsversterker. De foto's van mijn samengestelde circuit zouden je naar het einddoel moeten helpen. Ik heb passieve laagdoorlaatfilters van de eerste orde toegevoegd aan de uitgang van al mijn versterkers om ruis te verminderen. Als je ze aan je circuit wilt toevoegen, heb ik een weerstand van 1 kΩ met een condensator van 0,047 μF gebruikt voor een afsnijfrequentie van ongeveer 2.000 Hz.

Stroom

We zullen het circuit van twee 9V-batterijen voorzien. De LT1167 heeft een +V en -V nodig (omdat het EMG-bronsignaal zowel positieve als negatieve waarden heeft), dus we verbinden de min-pin op de +V-batterij met de plus-pin op de -V-batterij. De min-pin op de -V-batterij wordt de -V-waarde. Als je twee 9V-batterijen gebruikt, krijg je +V en -V die respectievelijk gelijk zijn aan +9 en -9 volt.

ElektrodenDe volgende stap behandelt de plaatsing van de elektroden in meer detail. De referentie-elektrode wordt aangesloten op pin 1 van een van de instrumentatieversterkers en de spierelektrodeparen worden aangesloten op pinnen 2 en 3 op de instrumentatieversterkers. De +/- oriëntatie van de elektroden doet er niet toe.

Opmerking: als je circuit niet werkt, heb je waarschijnlijk iets verkeerd gedaan! Een goede techniek om een fout in een circuit te vinden, is door het schema te tekenen van het circuit dat u daadwerkelijk op uw breadboard hebt samengesteld en dit te vergelijken met het originele schema. In dat proces kun je een fout vinden (zoals ik vaak heb gedaan).

Stap 3: Bereid de elektroden voor

Zoals ik hierboven al zei, hebben we in totaal vijf elektroden nodig voor dit project. EMG-opnames worden uitgevoerd met een differentiële versterker, wat betekent dat we het verschil tussen twee referentiepunten op de spier versterken. Dit betekent dat we twee elektroden per spier nodig hebben. Bovendien hebben we een enkele referentie nodig voor de spieractiviteit die moet worden gemeten met betrekking tot. Hier is een link naar enkele oppervlakte-EMG-elektroden die op Amazon worden verkocht. Het exacte type elektrode is niet zo belangrijk voor onze doeleinden.

Zoals ik in de bovenstaande afbeelding heb laten zien, plaats je twee elektroden aan de binnenrand van elke onderarm, evenwijdig aan de lengte van de spier en ongeveer 2 cm van elkaar verwijderd. Plaats de referentie-elektrode op het benige deel van een van uw ellebogen, weg van de elektroden op de spieren.

Getwiste draadparen

U zult ook de draden op uw elektrodenparen willen verdraaien zoals hierboven weergegeven. Naast het opruimen van de rotzooi rond uw circuit, helpen getwiste draadparen bij het verminderen van elektrische ruis die door de elektroden wordt opgepikt. Door de positie van de draden heen en weer te wisselen, zal elke externe elektromagnetische interferentie (bijv. 60 Hz van het lichtnet) de draden in gelijke mate beïnvloeden. De differentiële versterker zal dan dit gemeenschappelijke ruissignaal verwijderen.

Stap 4: Audioversterker (optioneel)

Als u geïnteresseerd bent in het luisteren naar het onbewerkte EMG-signaal (zonder MIDI), kunt u een audioversterker aan uw EMG-circuit toevoegen. Gebruik een LM386N audioversterkerchip en de benodigde weerstanden en condensatoren om het hierboven getoonde circuit te monteren. De video hierboven laat zien hoe een onbewerkt (nou ja, er zijn enkele filters in het circuit, maar het is meestal onbewerkt) EMG-signaal.

Hoewel deze stap niet nodig is om de MIDI-signalen te triggeren, raad ik je aan het toch te proberen. Luisteren naar het EMG-signaal kan een zeer nuttige techniek zijn voor het oplossen van problemen en het debuggen van uw systeem. Als er bijvoorbeeld een sterke 60 Hz-interferentie is van het lichtnet, zul je het veel gemakkelijker kunnen horen dan dat je het zou kunnen detecteren wanneer je het signaal met je Arduino bemonstert.

De audio in mijn video hapert een beetje, maar het is een behoorlijk goed voorbeeld van hoe een schoon EMG-signaal zou moeten klinken.

Stap 5: Bereid de MIDI-componenten voor

Om het MIDI-signaal van de Arduino naar het MIDI-apparaat te sturen, moeten we een van de vrouwelijke MIDI-aansluitingen solderen. Je zou mijn eerste Instructable moeten bekijken voor een meer grondige tutorial over het instellen van MIDI op Arduino.

Dit zijn de stappen:

1. Soldeer een weerstand van 220 op pin 4 van de MIDI-connector.
2. Soldeer een draad van 10 cm van de weerstand naar de Tx-connector op de Arduino.
3. Soldeer een 10 cm lange draad aan pin 2 en verbind deze met aarde op de Arduino.
4. Soldeer een 10 cm lange draad aan pin 5 en sluit deze aan op 5V op de Arduino.

Nadat je de EMG-versterker hebt geassembleerd en de MIDI-naar-iPhone-kabel hebt voorbereid, gebruik je twee jumperdraden om de uitgangen van de instrumentatieversterkers naar pinnen A4 en A5 op de Arduino te sturen.

Stap 6: Schrijf de Arduino-code

De basispijplijn voor de Arduino-code is als volgt:

1. Meet het basislijnruisniveau voor beide EMG-kanalen
2. Loop continu door en meet de spanning van elk EMG-kanaal
3. Als het EMG-kanaal dat de nootintensiteit bestuurt de drempel overschrijdt, activeer dan een MIDI-noot aan
4. Gebruik het signaal van het andere EMG-kanaal om de toonhoogte van de noot te moduleren

Ik moedig je aan om te proberen je eigen Arduino-code te schrijven om de EMG-signalen te verwerken. Ik weet zeker dat er een beter controleschema is dan wat ik in elkaar heb geflanst! Als je toch met mijn code wilt beginnen, download hem dan hier. Je kunt mijn GitHub-repository bekijken om de verschillende iteraties van mijn code te zien terwijl ik aan het project werkte.

Stap 7: Zet het allemaal bij elkaar

Als alles volgens plan is gegaan, zou je je MIDI-apparaat moeten kunnen besturen met behulp van het signaal van je eigen spieren. Best spannend! Als het project eenmaal werkt, kun je spelen met verschillende besturingsschema's en verschillende MIDI-geluiden verkennen.

Laat het me weten als je een van je eigen EMG-gestuurde MIDI-apparaten probeert te maken! Ik hoor graag hoe het gaat en help je graag verder met eventuele vragen die je onderweg tegenkomt. Veel geluk!

Tweede prijs in de Sensors Contest 2017