Machen Sie Muskel-MIDI-Musik! - Gunook

2024 Autor: John Day | [email protected]. Zuletzt bearbeitet: 2024-01-30 07:19

Immer wenn Ihr Nervensystem eine Bewegung ausführen muss, sendet es winzige elektrische Signale durch Neuronen, um Ihre Muskeln zu steuern. Die Technik der Elektromyographie (EMG) ermöglicht es uns, diese elektrischen Signale zu verstärken und zu messen. EMG-Aufzeichnungen sind nicht nur ein nützliches klinisches Werkzeug zur Diagnose verschiedener neurologischer Störungen, sondern werden in jüngerer Zeit auch zur Steuerung von Prothesen verwendet.

In der Hoffnung, mit EMG-Verstärkungs- und Aufnahmetechniken vertrauter zu werden, dachte ich, es würde mir Spaß machen, einen EMG-Verstärker zu bauen, den ich dann als Steuersignal für ein anderes Gerät verwenden könnte. Anstatt eine Armprothese zu steuern, beschloss ich, mein Interesse an Musik zu integrieren und nutzte die EMG-Signale, um ein MIDI-Gerät zu steuern. MIDI steht für Musical Instrument Digital Interface und ist das Standardprotokoll zum elektronischen Senden und Empfangen von Musiksignalen.

Hintergrundwissen

Dieses Instructable umfasst das Stecken einer Schaltung, das Löten einiger Drähte, das Programmieren eines Arduino und die Anbindung an ein MIDI-Gerät. Wenn Sie nicht über diesen notwendigen Hintergrund verfügen, empfehle ich Ihnen, einige der folgenden Klassen / Instructables zu überprüfen:

Schaltungen

Arduino

MIDI

Sicherheitshinweis

Dieses Projekt beinhaltet den Anschluss an einen Stromkreis. Treffen Sie alle notwendigen Sicherheitsvorkehrungen. Dieses Papier von Delsys enthält einen Abschnitt über elektrische Sicherheit sowie eine nützliche Beschreibung von EMG-Techniken im Allgemeinen. Wir werden unseren Stromkreis mit zwei 9-V-Batterien versorgen; Zu keinem Zeitpunkt sollte Ihr Stromkreis (insbesondere, wenn Sie auch daran angeschlossen sind) an eine Wechselstromquelle von der Wand angeschlossen werden.

Schritt 1: Projektübersicht und Teileliste

Unser Projekt besteht aus drei Hauptkomponenten:

Der 1.) EMG-Verstärker, 2.) der Arduino und 3.) das MIDI-Gerät.

1. Wir bauen den EMG-Verstärker auf einem Steckbrett. Wenn Sie an einem tieferen Einblick in die Wissenschaft hinter dem EMG-Verstärker und detaillierteren Schritten zum Bau Ihres eigenen interessiert sind, sehen Sie sich meine EMG-Audioverstärker-Anleitung an.
2. Wir werden den Arduino mit den gleichen 9-V-Batterien versorgen, die den EMG-Verstärker mit Strom versorgen. Die meiste Arbeit mit dem Arduino wird auf der Softwareseite sein.
3. Ich habe ein iPhone mit Garageband als MIDI-Gerät verwendet. Der Arduino sendet Standard-MIDI-Signale über ein Standard-MIDI-Kabel, sodass jedes MIDI-Gerät anstelle des iPhones funktionieren sollte.

Teile

• (2x) LT1167 (Instrumentenverstärker)
• (2x) LT1112 (oder jeder Dual-Op-Amp-Chip)
• (1x) LM386N (Audioverstärker)
• (5x) Oberflächen-EMG-Elektroden (zwei pro Muskel und eine als Referenz) (Amazon)
• Arduino Uno (Amazon)

• iPhone (oder ein beliebiges MIDI-Gerät)

  MIDI-zu-iPhone-Adapterkabel (bei Verwendung eines iPhones) (Amazon)

• Verschiedene Widerstände, Kondensatoren und Überbrückungsdrähte
• Steckbrett (Amazon)
• (2x) 9V Batterie

Werkzeuge

• Lötkolben (Amazon)
• Abisolierzangen
• Schrumpfschlauch
• Isolierband

Schritt 2: Zusammenbau des EMG-Verstärkers

Ein ausführlicheres Tutorial zum Bau des EMG-Verstärkers finden Sie in meinem EMG-Audioverstärker Instructable.

Wir bauen einen EMG-Verstärker, der zwei EMG-Kanäle verstärken kann. Wir verwenden einen LT1167 Instrumentenverstärker pro Kanal. Das Datenblatt des LT1167 enthält hilfreicherweise einen Schaltplan für einen "Nerve Impulse Amplifier", dem wir in diesem Schritt folgen werden.

Bauen Sie die Schaltung zusammen

Montieren Sie auf dem Steckbrett zwei Kopien des oben gezeigten Nervenimpulsverstärkers. Die Bilder meiner zusammengebauten Schaltung sollen Ihnen helfen, das Endziel zu erreichen. Ich habe dem Ausgang jedes meiner Verstärker passive Tiefpassfilter 1. Ordnung hinzugefügt, um das Rauschen zu reduzieren. Wenn Sie sie zu Ihrer Schaltung hinzufügen möchten, habe ich einen 1-kΩ-Widerstand mit einem 0,047-μF-Kondensator für eine Grenzfrequenz von etwa 2.000 Hz verwendet.

Leistung

Wir werden den Stromkreis mit zwei 9-V-Batterien versorgen. Der LT1167 benötigt +V und -V (da das EMG-Quellsignal sowohl positive als auch negative Werte hat), also verbinden wir den Minus-Pin der +V-Batterie mit dem Plus-Pin der -V-Batterie. Der Minus-Pin der -V-Batterie wird zum -V-Wert. Wenn Sie zwei 9-V-Batterien verwenden, sind +V und -V gleich +9 bzw. -9 Volt.

ElektrodenDer nächste Schritt behandelt die Elektrodenplatzierung ausführlicher. Die Referenzelektrode wird an Pin 1 eines der Instrumentenverstärker angeschlossen, und die Muskelelektrodenpaare werden an Pin 2 und 3 der Instrumentenverstärker angeschlossen. Die +/- Ausrichtung der Elektroden spielt keine Rolle.

Hinweis: Wenn Ihre Schaltung nicht funktioniert, haben Sie wahrscheinlich etwas falsch gemacht! Eine gute Technik, um einen Fehler in einer Schaltung zu finden, besteht darin, den Schaltplan für die Schaltung, die Sie tatsächlich auf Ihrem Steckbrett zusammengebaut haben, zu zeichnen und mit dem ursprünglichen Schaltplan zu vergleichen. Dabei kann es sein, dass Sie einen Fehler finden (wie ich es so oft getan habe).

Schritt 3: Bereiten Sie die Elektroden vor

Wie ich oben erwähnt habe, benötigen wir für dieses Projekt insgesamt fünf Elektroden. EMG-Aufzeichnungen werden mit einem Differenzverstärker durchgeführt, d. h. wir verstärken die Differenz zwischen zwei Referenzpunkten am Muskel. Das bedeutet, dass wir zwei Elektroden pro Muskel benötigen. Darüber hinaus benötigen wir eine einzige Referenz für die zu messende Muskelaktivität. Hier ist ein Link zu einigen Oberflächen-EMG-Elektroden, die bei Amazon verkauft werden. Der genaue Elektrodentyp ist für unsere Zwecke nicht so wichtig.

Wie auf dem Bild oben gezeigt, platzieren Sie zwei Elektroden an der Innenkante jedes Unterarms, parallel zur Länge des Muskels und im Abstand von etwa 2 cm. Platzieren Sie die Referenzelektrode auf dem knöchernen Teil eines Ihrer Ellbogen, weg von den Elektroden an den Muskeln.

Verdrillte Adernpaare

Sie sollten auch die Drähte an Ihren Elektrodenpaaren wie oben gezeigt verdrillen. Verdrillte Adernpaare helfen nicht nur, das Chaos um Ihren Stromkreis herum zu beseitigen, sondern helfen auch, das von den Elektroden aufgenommene elektrische Rauschen zu reduzieren. Durch Hin- und Herwechseln der Position der Drähte wirken sich alle externen elektromagnetischen Störungen (z. B. 60 Hz vom Netz) in gleichem Maße auf die Drähte aus. Der Differenzverstärker entfernt dann dieses gemeinsame Rauschsignal.

Schritt 4: Audioverstärker (optional)

Wenn Sie das rohe EMG-Signal (ohne MIDI) hören möchten, können Sie Ihrer EMG-Schaltung einen Audioverstärker hinzufügen. Verwenden Sie einen LM386N-Audioverstärkerchip und die erforderlichen Widerstände und Kondensatoren, um die oben gezeigte Schaltung zusammenzubauen. Das obige Video zeigt, wie ein rohes (nun, es gibt einige Filter in der Schaltung, aber es ist hauptsächlich roh) EMG-Signal klingt.

Obwohl dieser Schritt zum Triggern der MIDI-Signale nicht erforderlich ist, schlage ich vor, dass Sie es versuchen. Das Abhören des EMG-Signals kann eine sehr hilfreiche Technik für die Fehlerbehebung und das Debuggen Ihres Systems sein. Wenn beispielsweise eine starke 60-Hz-Störung durch das Stromnetz vorliegt, können Sie sie viel leichter hören, als Sie sie beim Abtasten des Signals mit Ihrem Arduino erkennen könnten.

Der Ton in meinem Video schneidet etwas ab, aber es ist ein ziemlich anständiges Beispiel dafür, wie ein sauberes EMG-Signal klingen sollte.

Schritt 5: Bereiten Sie die MIDI-Komponenten vor

Um ein MIDI-Signal vom Arduino an das MIDI-Gerät zu senden, müssen wir eine der weiblichen MIDI-Buchsen verlöten. Sie sollten sich mein erstes Instructable ansehen, um ein gründlicheres Tutorial zum Einrichten von MIDI auf Arduino zu erhalten.

Hier sind die Schritte:

1. Löten Sie einen 220 Ω Widerstand an Pin 4 des MIDI-Anschlusses.
2. Löten Sie einen 10 cm langen Draht vom Widerstand zum Tx-Anschluss des Arduino.
3. Löten Sie einen 10 cm langen Draht an Pin 2 und verbinden Sie ihn mit Masse am Arduino.
4. Löten Sie ein 10 cm langes Kabel an Pin 5 und verbinden Sie es mit 5V am Arduino.

Nachdem Sie den EMG-Verstärker zusammengebaut und das MIDI-zu-iPhone-Kabel vorbereitet haben, verwenden Sie zwei Überbrückungsdrähte, um die Ausgänge der Instrumentenverstärker an die Pins A4 und A5 des Arduino zu senden.

Schritt 6: Schreiben Sie den Arduino-Code

Die grundlegende Pipeline für den Arduino-Code lautet wie folgt:

1. Messen Sie den Grundlinienrauschpegel für beide EMG-Kanäle
2. Kontinuierliche Schleife, Messung der Spannung jedes EMG-Kanals
3. Wenn der EMG-Kanal, der die Notenintensität steuert, den Schwellenwert überschreitet, triggern Sie eine MIDI-Note auf
4. Verwenden Sie das Signal des anderen EMG-Kanals, um die Tonhöhe der Note zu modulieren

Ich ermutige Sie, Ihren eigenen Arduino-Code zu schreiben, um die EMG-Signale zu verarbeiten. Ich weiß mit Sicherheit, dass es da draußen ein besseres Kontrollschema gibt als das, was ich zusammengeschustert habe! Wenn Sie mit meinem Code beginnen möchten, können Sie ihn hier herunterladen. Sie können sich mein GitHub-Repository ansehen, um die verschiedenen Iterationen meines Codes zu sehen, während ich an dem Projekt arbeitete.

Schritt 7: Setzen Sie alles zusammen

Wenn alles nach Plan gelaufen ist, sollten Sie Ihr MIDI-Gerät mit dem Signal Ihrer eigenen Muskeln steuern können. Ziemlich aufregend! Sobald das Projekt funktioniert, können Sie mit verschiedenen Steuerungsschemata herumspielen und verschiedene MIDI-Sounds erkunden.

Lassen Sie es mich wissen, wenn Sie versuchen, eines Ihrer eigenen EMG-gesteuerten MIDI-Geräte zu bauen! Ich würde gerne hören, wie es läuft und helfe gerne bei allen Fragen, die auf dem Weg aufkommen. Viel Glück!

Zweiter Preis beim Sensors Contest 2017