สร้างเพลง MIDI ของกล้ามเนื้อ!: 7 ขั้นตอน (พร้อมรูปภาพ)

2024 ผู้เขียน: John Day | [email protected]. แก้ไขล่าสุด: 2024-01-30 13:06

เมื่อใดก็ตามที่ระบบประสาทของคุณต้องการเคลื่อนไหว มันจะส่งสัญญาณไฟฟ้าเล็กๆ ผ่านเซลล์ประสาทเพื่อควบคุมกล้ามเนื้อของคุณ เทคนิค electromyography (EMG) ช่วยให้เราสามารถขยายและวัดสัญญาณไฟฟ้าเหล่านี้ได้ นอกจากจะเป็นเครื่องมือทางคลินิกที่มีประโยชน์สำหรับการวินิจฉัยความผิดปกติทางระบบประสาทต่างๆ แล้ว การบันทึก EMG ยังถูกนำมาใช้ในการควบคุมอุปกรณ์เทียมอีกด้วย

ด้วยความหวังว่าจะคุ้นเคยกับการขยายเสียงและเทคนิคการบันทึกของ EMG มากขึ้น ฉันคิดว่าน่าจะสนุกที่จะสร้างแอมพลิฟายเออร์ EMG ที่ฉันสามารถใช้เป็นสัญญาณควบคุมสำหรับอุปกรณ์อื่นได้ แทนที่จะควบคุมแขนเทียม ฉันตัดสินใจที่จะรวมความสนใจของฉันเข้ากับดนตรี และใช้สัญญาณ EMG เพื่อควบคุมอุปกรณ์ MIDI MIDI ย่อมาจาก Musical Instrument Digital Interface และเป็นโปรโตคอลมาตรฐานสำหรับการส่งและรับสัญญาณดนตรีทางอิเล็กทรอนิกส์

ความรู้พื้นฐาน

คำแนะนำนี้รวมถึงการทำแผงวงจรทดลอง การบัดกรีสายไฟสองสามเส้น การเขียนโปรแกรม Arduino และการเชื่อมต่อกับอุปกรณ์ MIDI หากคุณไม่มีพื้นฐานที่จำเป็นนี้ เราขอแนะนำให้คุณดูคลาส / คำสั่งสอนบางส่วนด้านล่าง:

วงจร

Arduino

MIDI

หมายเหตุความปลอดภัย

โครงงานนี้เกี่ยวข้องกับการเชื่อมต่อตัวเองกับวงจรไฟฟ้า ใช้มาตรการป้องกันความปลอดภัยที่จำเป็นทั้งหมด เอกสารนี้จาก Delsys มีหัวข้อเกี่ยวกับความปลอดภัยทางไฟฟ้า ตลอดจนคำอธิบายที่เป็นประโยชน์ของเทคนิค EMG โดยทั่วไป เราจะปิดวงจรของเราด้วยแบตเตอรี่ 9V สองก้อน; วงจรของคุณ (โดยเฉพาะเมื่อคุณเชื่อมต่อกับมันด้วย) ไม่ควรเชื่อมต่อกับไฟ AC จากผนัง

ขั้นตอนที่ 1: ภาพรวมโครงการและรายการชิ้นส่วน

โครงการของเราประกอบด้วยสามองค์ประกอบหลัก:

1.) เครื่องขยายเสียง EMG 2.) Arduino และ 3.) อุปกรณ์ MIDI

1. เราจะสร้างแอมพลิฟายเออร์ EMG บนเขียงหั่นขนม หากคุณสนใจข้อมูลเชิงลึกเกี่ยวกับวิทยาศาสตร์เบื้องหลังแอมพลิฟายเออร์ EMG และขั้นตอนโดยละเอียดเพิ่มเติมเกี่ยวกับวิธีการสร้างแอมพลิฟายเออร์ของคุณเอง โปรดดูคำแนะนำเกี่ยวกับแอมพลิฟายเออร์ EMG ของฉัน
2. เราจะจ่ายไฟให้กับ Arduino จากแบตเตอรี่ 9V เดียวกันกับที่จ่ายไฟให้กับแอมป์ EMG งานส่วนใหญ่กับ Arduino จะอยู่ที่ด้านซอฟต์แวร์
3. ฉันใช้ iPhone ที่ใช้ Garageband เป็นอุปกรณ์ MIDI ของฉัน Arduino จะส่งสัญญาณ MIDI มาตรฐานผ่านสาย MIDI มาตรฐาน ดังนั้นอุปกรณ์ MIDI ควรทำงานแทน iPhone

อะไหล่

• (2x) LT1167 (เครื่องขยายเสียงเครื่องดนตรี)
• (2x) LT1112 (หรือชิปออปแอมป์คู่)
• (1x) LM386N (เครื่องขยายเสียง)
• (5x) อิเล็กโทรด EMG พื้นผิว (สองชิ้นต่อกล้ามเนื้อและอีกหนึ่งชิ้นสำหรับอ้างอิง) (Amazon)
• Arduino Uno (อเมซอน)

• iPhone (หรืออุปกรณ์ MIDI ใด ๆ)

  สายแปลง MIDI เป็น iPhone (หากใช้ iPhone) (Amazon)

• ตัวต้านทาน ตัวเก็บประจุ และสายจัมเปอร์ต่างๆ
• เขียงหั่นขนม (อเมซอน)
• (2x) แบตเตอรี่ 9V

เครื่องมือ

• หัวแร้ง (อเมซอน)
• เครื่องปอกสายไฟ
• ท่อหดความร้อน
• เทปพันสายไฟ

ขั้นตอนที่ 2: ประกอบ EMG Amplifier

สำหรับบทช่วยสอนที่ละเอียดยิ่งขึ้นเกี่ยวกับวิธีสร้างแอมพลิฟายเออร์ EMG ให้ดูคำแนะนำเกี่ยวกับแอมป์เสียง EMG ของฉัน

เราจะสร้างเครื่องขยายเสียง EMG ที่สามารถขยายช่อง EMG ได้สองช่อง เราจะใช้แอมป์วัด LT1167 หนึ่งแอมป์ต่อช่องสัญญาณ แผ่นข้อมูล LT1167 มีแผนผังที่เป็นประโยชน์สำหรับ "Nerve Impulse Amplifier" ซึ่งเราจะปฏิบัติตามในขั้นตอนนี้

ประกอบวงจร

บนเขียงหั่นขนม ให้ประกอบเครื่องขยายสัญญาณประสาทสองชุดที่แสดงด้านบน รูปภาพของวงจรที่ประกอบขึ้นของฉันจะช่วยนำทางคุณไปสู่เป้าหมายสุดท้าย ฉันเพิ่มฟิลเตอร์กรองความถี่ต่ำอันดับ 1 แบบพาสซีฟไปยังเอาต์พุตของแอมพลิฟายเออร์แต่ละตัวของฉันเพื่อช่วยลดสัญญาณรบกวน หากคุณต้องการเพิ่มลงในวงจรของคุณ ฉันใช้ตัวต้านทาน 1 kΩ ที่มีตัวเก็บประจุ 0.047 μF สำหรับความถี่ตัดที่ประมาณ 2, 000 Hz

พลัง

เราจะปิดวงจรของแบตเตอรี่ 9V สองก้อน LT1167 ต้องการ +V และ -V (เนื่องจากสัญญาณแหล่ง EMG มีทั้งค่าบวกและค่าลบ) ดังนั้นเราจะเชื่อมต่อพินลบบนแบตเตอรี่ +V กับพินบวกบนแบตเตอรี่ -V หมุดลบบนแบตเตอรี่ -V จะกลายเป็นค่า -V เมื่อใช้แบตเตอรี่ 9V สองก้อน คุณจะลงเอยด้วย +V และ -V เท่ากับ +9 และ -9 โวลต์ตามลำดับ

อิเล็กโทรดขั้นตอนต่อไปจะครอบคลุมตำแหน่งอิเล็กโทรดโดยละเอียดยิ่งขึ้น อิเล็กโทรดอ้างอิงเสียบเข้ากับพิน 1 ของแอมป์เครื่องมือวัดตัวใดตัวหนึ่ง และคู่อิเล็กโทรดของกล้ามเนื้อจะเสียบเข้ากับพิน 2 และ 3 บนแอมป์เครื่องมือวัด การวางแนว +/- ของอิเล็กโทรดไม่สำคัญ

หมายเหตุ: หากวงจรของคุณไม่ทำงาน คุณอาจทำอะไรผิด! เทคนิคที่ดีในการค้นหาข้อผิดพลาดในวงจรคือการวาดแผนผังสำหรับวงจรที่คุณประกอบจริงบนเขียงหั่นขนมและเปรียบเทียบกับแผนผังดั้งเดิม ในกระบวนการนั้น คุณอาจพบข้อผิดพลาด (เหมือนที่ฉันเคยทำมาหลายครั้ง)

ขั้นตอนที่ 3: เตรียมอิเล็กโทรด

ดังที่ได้กล่าวไว้ข้างต้น เราจำเป็นต้องมีอิเล็กโทรดทั้งหมดห้าขั้วสำหรับโครงการนี้ การบันทึก EMG ดำเนินการโดยใช้ดิฟเฟอเรนเชียลแอมพลิฟายเออร์ ซึ่งหมายความว่าเรากำลังขยายความแตกต่างระหว่างจุดอ้างอิงสองจุดบนกล้ามเนื้อ ซึ่งหมายความว่าเราต้องการอิเล็กโทรดสองขั้วต่อกล้ามเนื้อ นอกจากนี้ เราจำเป็นต้องมีการอ้างอิงเดียวสำหรับกิจกรรมของกล้ามเนื้อที่จะวัดด้วยความเคารพ นี่คือลิงค์ไปยังอิเล็กโทรด EMG แบบพื้นผิวที่ขายใน Amazon อิเล็กโทรดชนิดที่แน่นอนไม่สำคัญสำหรับจุดประสงค์ของเรามากเกินไป

ดังที่ฉันได้แสดงไว้ในภาพด้านบน ให้วางอิเล็กโทรดสองอันที่ขอบด้านในของปลายแขนแต่ละข้าง ขนานกับความยาวของกล้ามเนื้อและคั่นด้วยประมาณ 2 ซม. วางอิเล็กโทรดอ้างอิงบนส่วนกระดูกของข้อศอกข้างหนึ่งของคุณ ห่างจากอิเล็กโทรดบนกล้ามเนื้อ

คู่สายบิด

คุณจะต้องบิดสายไฟของคู่อิเล็กโทรดของคุณดังที่แสดงไว้ด้านบน นอกเหนือจากการทำความสะอาดวงจรของคุณแล้ว สายคู่บิดเกลียวยังช่วยลดสัญญาณรบกวนทางไฟฟ้าที่อิเล็กโทรดรับเข้ามา โดยการสลับตำแหน่งของสายไฟไปมา การรบกวนทางแม่เหล็กไฟฟ้าภายนอกใดๆ (เช่น 60 Hz จากแหล่งจ่ายไฟหลัก) จะส่งผลต่อสายไฟในปริมาณที่เท่ากัน แอมพลิฟายเออร์ดิฟเฟอเรนเชียลจะลบสัญญาณรบกวนทั่วไปนี้ออก

ขั้นตอนที่ 4: เครื่องขยายเสียง (อุปกรณ์เสริม)

หากคุณสนใจที่จะฟังสัญญาณ EMG แบบดิบ (ไม่มี MIDI) คุณสามารถเพิ่มเครื่องขยายเสียงในวงจร EMG ของคุณได้ ใช้ชิปเครื่องขยายเสียง LM386N และตัวต้านทานและตัวเก็บประจุที่จำเป็นเพื่อประกอบวงจรที่แสดงด้านบน วิดีโอด้านบนแสดงให้เห็นว่าสัญญาณ EMG แบบดิบ (มีตัวกรองอยู่ในวงจร แต่ส่วนใหญ่เป็นสัญญาณดิบ)

แม้ว่าขั้นตอนนี้ไม่จำเป็นสำหรับการทริกเกอร์สัญญาณ MIDI ฉันขอแนะนำให้คุณลองทำดู การฟังสัญญาณ EMG อาจเป็นเทคนิคที่มีประโยชน์มากสำหรับการแก้ไขปัญหาและดีบักระบบของคุณ ตัวอย่างเช่น หากมีสัญญาณรบกวน 60 Hz จากแหล่งจ่ายไฟหลัก คุณจะสามารถได้ยินได้ง่ายกว่าที่คุณจะตรวจจับได้เมื่อสุ่มตัวอย่างสัญญาณด้วย Arduino ของคุณ

เสียงในวิดีโอของฉันมีการตัดบิตเล็กน้อย แต่เป็นตัวอย่างที่ดีทีเดียวว่าสัญญาณ EMG ที่สะอาดควรมีเสียงเป็นอย่างไร

ขั้นตอนที่ 5: เตรียมส่วนประกอบ MIDI

ในการส่งสัญญาณ MIDI จาก Arduino ไปยังอุปกรณ์ MIDI เราจำเป็นต้องบัดกรีแจ็ค MIDI ตัวเมียตัวใดตัวหนึ่ง คุณควรตรวจสอบ Instructable แรกของฉันสำหรับบทช่วยสอนที่ละเอียดยิ่งขึ้นเกี่ยวกับการตั้งค่า MIDI บน Arduino

นี่คือขั้นตอน:

1. บัดกรีตัวต้านทาน 220 Ω กับพิน 4 ของขั้วต่อ MIDI
2. บัดกรีลวด 10 ซม. จากตัวต้านทานไปยังขั้วต่อ Tx บน Arduino
3. บัดกรีลวดยาว 10 ซม. เข้ากับพิน 2 และเชื่อมต่อกับกราวด์บน Arduino
4. บัดกรีลวดยาว 10 ซม. เข้ากับพิน 5 และเชื่อมต่อกับ 5V บน Arduino

เมื่อคุณประกอบแอมพลิฟายเออร์ EMG และเตรียมสาย MIDI กับ iPhone แล้ว ให้ใช้สายจัมเปอร์สองเส้นเพื่อส่งเอาต์พุตของแอมพลิฟายเออร์เครื่องมือวัดไปที่พิน A4 และ A5 บน Arduino

ขั้นตอนที่ 6: เขียนรหัส Arduino

ไปป์ไลน์พื้นฐานสำหรับโค้ด Arduino มีดังนี้:

1. วัดระดับเสียงพื้นฐานสำหรับทั้งสองช่อง EMG
2. วนซ้ำต่อเนื่อง วัดแรงดันไฟแต่ละช่อง EMG
3. หากช่อง EMG ที่ควบคุมความเข้มของโน้ตข้ามเกณฑ์ ให้เปิดใช้โน้ต MIDI บน
4. ใช้สัญญาณจากช่อง EMG อื่นเพื่อปรับระดับเสียงของโน้ต

ฉันแนะนำให้คุณลองเขียนโค้ด Arduino ของคุณเองเพื่อประมวลผลสัญญาณ EMG ฉันรู้แน่นอนว่ามีรูปแบบการควบคุมที่ดีกว่าสิ่งที่ฉันทำร่วมกัน! หากคุณต้องการเริ่มต้นด้วยรหัสของฉัน โปรดดาวน์โหลดได้ที่นี่ คุณสามารถตรวจสอบที่เก็บ GitHub ของฉันเพื่อดูการทำซ้ำต่างๆ ของรหัสของฉันในขณะที่ฉันทำงานในโครงการ

ขั้นตอนที่ 7: รวมทุกอย่างเข้าด้วยกัน

หากทุกอย่างเป็นไปตามแผน คุณควรจะสามารถควบคุมอุปกรณ์ MIDI ของคุณได้โดยใช้สัญญาณจากกล้ามเนื้อของคุณเอง ค่อนข้างน่าตื่นเต้น! เมื่อคุณให้โปรเจ็กต์ทำงานแล้ว คุณสามารถลองเล่นกับแผนการควบคุมต่างๆ และสำรวจเสียง MIDI ต่างๆ ได้

แจ้งให้เราทราบหากคุณพยายามสร้างอุปกรณ์ MIDI ที่ควบคุมด้วย EMG ของคุณเอง! ฉันชอบที่จะได้ยินว่ามันเป็นอย่างไรและยินดีที่จะช่วยตอบคำถามที่เกิดขึ้นระหว่างทาง ขอให้โชคดี!

รางวัลรองชนะเลิศในการประกวด Sensors Contest 2017