Twórz muzykę Muscle MIDI !: 7 kroków (ze zdjęciami)

2024 Autor: John Day | [email protected]. Ostatnio zmodyfikowany: 2024-01-30 11:31

Ilekroć twój układ nerwowy musi wykonać ruch, wysyła drobne sygnały elektryczne przez neurony, aby kontrolować twoje mięśnie. Technika elektromiografii (EMG) pozwala nam wzmacniać i mierzyć te sygnały elektryczne. Oprócz tego, że są użytecznym narzędziem klinicznym do diagnozowania różnych zaburzeń neurologicznych, zapisy EMG są ostatnio używane do kontrolowania urządzeń protetycznych.

W nadziei na lepsze zapoznanie się z technikami wzmacniania i nagrywania EMG, pomyślałem, że fajnie byłoby zbudować wzmacniacz EMG, który mógłbym następnie wykorzystać jako sygnał sterujący dla innego urządzenia. Zamiast sterować protezą ręki, postanowiłem włączyć moje zainteresowania do muzyki i wykorzystać sygnały EMG do sterowania urządzeniem MIDI. MIDI to skrót od Musical Instrument Digital Interface i jest standardowym protokołem do elektronicznego wysyłania i odbierania sygnałów muzycznych.

Wiedza podstawowa

Ta instrukcja obejmuje układanie płytek w obwodzie, lutowanie kilku przewodów, programowanie Arduino i łączenie z urządzeniem MIDI. Jeśli nie masz tego niezbędnego tła, polecam zapoznanie się z niektórymi klasami / instrukcjami poniżej:

Obwody

Arduino

MIDI

Uwaga dotycząca bezpieczeństwa

Ten projekt wymaga podłączenia się do obwodu elektrycznego. Podejmij wszelkie niezbędne środki ostrożności. Ten artykuł firmy Delsys zawiera rozdział dotyczący bezpieczeństwa elektrycznego, a także ogólny opis technik EMG. Będziemy zasilać nasz obwód z dwóch baterii 9V; w żadnym momencie twój obwód (zwłaszcza gdy jesteś do niego podłączony) nie powinien być podłączony do zasilania sieciowego ze ściany.

Krok 1: Przegląd projektu i lista części

Nasz projekt składa się z trzech głównych elementów:

1.) wzmacniacz EMG, 2.) Arduino i 3.) urządzenie MIDI.

1. Wzmacniacz EMG zbudujemy na płytce stykowej. Jeśli interesuje Cię bardziej dogłębne spojrzenie na naukę stojącą za wzmacniaczem EMG i bardziej szczegółowe instrukcje, jak zbudować własny, sprawdź mój wzmacniacz audio EMG Instructable.
2. Arduino będziemy zasilać tymi samymi bateriami 9V, które zasilają wzmacniacz EMG. Większość pracy z Arduino będzie po stronie oprogramowania.
3. Jako urządzenia MIDI używałem iPhone'a z systemem Garageband. Arduino wyśle standardowe sygnały MIDI przez standardowy kabel MIDI, więc każde urządzenie MIDI powinno działać zamiast iPhone'a.

Części

• (2x) LT1167 (wzmacniacz instrumentalny)
• (2x) LT1112 (lub dowolny podwójny układ wzmacniacza operacyjnego)
• (1x) LM386N (wzmacniacz audio)
• (5x) Elektrody powierzchniowe EMG (dwie na mięsień i jedna jako odniesienie) (Amazon)
• Arduino Uno (Amazonka)

• iPhone (lub dowolne urządzenie MIDI)

  Kabel przejściowy MIDI do iPhone'a (jeśli używasz iPhone'a) (Amazon)

• Różne rezystory, kondensatory i zworki
• Deska chlebowa (Amazonka)
• (2x) bateria 9V

Narzędzia

• Lutownica (Amazonka)
• Narzędzia do ściągania izolacji
• Rurki termokurczliwe
• Taśma elektryczna

Krok 2: Złóż wzmacniacz EMG

Aby uzyskać dokładniejszy samouczek dotyczący budowania wzmacniacza EMG, sprawdź mój wzmacniacz audio EMG Instructable.

Zbudujemy wzmacniacz EMG zdolny do wzmocnienia dwóch kanałów EMG. Użyjemy jednego wzmacniacza instrumentacyjnego LT1167 na kanał. Arkusz danych LT1167 zawiera schemat „Wzmacniacza impulsów nerwowych”, który będziemy śledzić w tym kroku.

Złóż obwód

Na płytce stykowej zmontuj dwie kopie wzmacniacza impulsów nerwowych pokazanego powyżej. Zdjęcia mojego zmontowanego obwodu powinny pomóc w osiągnięciu celu końcowego. Dodałem pasywne filtry dolnoprzepustowe 1. rzędu do wyjścia każdego mojego wzmacniacza, aby pomóc zredukować szum. Jeśli chcesz dodać je do swojego obwodu, użyłem rezystora 1 kΩ z kondensatorem 0,047 μF dla częstotliwości odcięcia około 2000 Hz.

Moc

Będziemy wyłączać obwód z dwóch baterii 9V. LT1167 potrzebuje +V i -V (ponieważ sygnał źródłowy EMG ma zarówno wartości dodatnie, jak i ujemne), więc połączymy pin minus na baterii +V z pinem plus na baterii -V. Minus na baterii -V staje się wartością -V. Używając dwóch baterii 9V, otrzymasz +V i -V równe odpowiednio +9 i -9 woltów.

Elektrody W następnym kroku opisano bardziej szczegółowo rozmieszczenie elektrod. Elektrodę odniesienia podłącza się do styku 1 jednego ze wzmacniaczy oprzyrządowania, a pary elektrod mięśniowych do styków 2 i 3 wzmacniaczy oprzyrządowania. Orientacja +/- elektrod nie ma znaczenia.

Uwaga: Jeśli Twój obwód nie działa, prawdopodobnie zrobiłeś coś złego! Dobrą techniką wyszukiwania błędu w obwodzie jest narysowanie schematu obwodu, który faktycznie zmontowałeś na płytce prototypowej i porównanie go z oryginalnym schematem. W tym procesie możesz znaleźć błąd (jak to robiłem wiele razy).

Krok 3: Przygotuj elektrody

Jak wspomniałem powyżej, do tego projektu będziemy potrzebować w sumie pięciu elektrod. Nagrania EMG prowadzone są za pomocą wzmacniacza różnicowego, co oznacza, że wzmacniamy różnicę między dwoma punktami odniesienia na mięśniu. Oznacza to, że będziemy potrzebować dwóch elektrod na mięsień. Dodatkowo potrzebujemy pojedynczego odniesienia do pomiaru aktywności mięśni. Oto link do niektórych elektrod powierzchniowych EMG sprzedawanych na Amazon. Dokładny rodzaj elektrody nie jest dla nas zbyt ważny.

Jak pokazałem na powyższym obrazku, umieść dwie elektrody na wewnętrznej krawędzi każdego przedramienia, równolegle do długości mięśnia i oddalone od siebie o około 2 cm. Umieść elektrodę referencyjną na kostnej części jednego z łokci, z dala od elektrod na mięśniach.

Skręcone pary przewodów

Będziesz także chciał skręcić przewody na parach elektrod, jak pokazano powyżej. Oprócz sprzątania bałaganu wokół obwodu, skręcone pary przewodów pomagają zredukować szum elektryczny wychwytywany przez elektrody. Zmieniając położenie przewodów w przód i w tył, wszelkie zewnętrzne zakłócenia elektromagnetyczne (np. 60 Hz z sieci) będą wpływać na przewody w równym stopniu. Wzmacniacz różnicowy usunie wtedy ten wspólny sygnał szumu.

Krok 4: Wzmacniacz audio (opcjonalny)

Jeśli interesuje Cię słuchanie surowego sygnału EMG (bez żadnego MIDI), możesz dodać wzmacniacz audio do obwodu EMG. Użyj układu wzmacniacza audio LM386N oraz niezbędnych rezystorów i kondensatorów, aby zmontować pokazany powyżej obwód. Powyższy film pokazuje, jak brzmi surowy (no cóż, w obwodzie jest kilka filtrów, ale w większości jest to surowy) sygnał EMG.

Chociaż ten krok nie jest konieczny do wyzwalania sygnałów MIDI, sugeruję, abyś go spróbował. Słuchanie sygnału EMG może być bardzo pomocną techniką rozwiązywania problemów i debugowania systemu. Na przykład, jeśli wystąpią silne zakłócenia 60 Hz z zasilania sieciowego, będziesz w stanie je usłyszeć znacznie łatwiej niż podczas próbkowania sygnału za pomocą Arduino.

Dźwięk w moim filmie jest nieco przycinany, ale jest to całkiem przyzwoity przykład tego, jak powinien brzmieć czysty sygnał EMG.

Krok 5: Przygotuj komponenty MIDI

W celu przesłania sygnału MIDI z Arduino do urządzenia MIDI należy przylutować jedno z żeńskich gniazd MIDI. Powinieneś sprawdzić mój pierwszy Instructable, aby uzyskać dokładniejszy samouczek dotyczący konfigurowania MIDI na Arduino.

Oto kroki:

1. Przylutuj rezystor 220 Ω do pinu 4 złącza MIDI.
2. Przylutuj przewód 10 cm od rezystora do złącza Tx w Arduino.
3. Przylutuj przewód o długości 10 cm do pinu 2 i podłącz go do masy w Arduino.
4. Przylutuj przewód o długości 10 cm do pinu 5 i podłącz go do 5V na Arduino.

Po złożeniu wzmacniacza EMG i przygotowaniu kabla MIDI do iPhone'a użyj dwóch przewodów połączeniowych, aby wysłać wyjścia wzmacniaczy oprzyrządowania do pinów A4 i A5 w Arduino.

Krok 6: Napisz kod Arduino

Podstawowy potok dla kodu Arduino wygląda następująco:

1. Zmierz bazowy poziom szumów dla obu kanałów EMG
2. Zapętlaj w sposób ciągły, mierząc napięcie każdego kanału EMG
3. Jeśli kanał EMG kontrolujący intensywność nuty przekroczy próg, włącz nutę MIDI
4. Użyj sygnału z innego kanału EMG, aby modulować wysokość nuty

Zachęcam do spróbowania napisania własnego kodu Arduino do przetwarzania sygnałów EMG. Wiem na pewno, że istnieje lepszy schemat kontroli niż ten, który ułożyłem razem! Jeśli chcesz zacząć od mojego kodu, pobierz go tutaj. Możesz sprawdzić moje repozytorium GitHub, aby zobaczyć różne iteracje mojego kodu podczas pracy nad projektem.

Krok 7: Połącz wszystko razem

Jeśli wszystko poszło zgodnie z planem, powinieneś być w stanie sterować urządzeniem MIDI za pomocą sygnału z własnych mięśni. Całkiem ekscytujące! Gdy projekt już działa, możesz bawić się różnymi schematami sterowania i odkrywać różne dźwięki MIDI.

Daj mi znać, jeśli spróbujesz stworzyć własne urządzenie MIDI sterowane EMG! Chciałbym usłyszeć, jak to idzie i chętnie odpowiem na wszelkie pytania, które pojawią się po drodze. Powodzenia!

II nagroda w konkursie Sensors 2017