Prototypowy, prosty miernik napięcia mięśni DIY

Oto mój projekt na konkurs.
Czujnik mierzący w pośredni sposób napięcie mięśni.

Budowa mechaniczna czujnika:
Chcąc mierzyć napięcie mięśni w ciele, lecz nie chcą kupować drogich czujników EMG wymyśliłem pewną alternatywę. Można mierzyć niewielkie zmiany kształtu mięśni znajdujących się pod skórą.
W tym celu użyłem przetwornika piezoelektrycznego. By zmniejszyć ilość zakłóceń i chronić kruchy przetwornik odizolowałem go od ciała. Od spodniej strony (tej, która jest wykonana z jednego kawałka metalu) nakleiłem cienką taśmę dwustronną, do której dokleiłem kawałek cienkiego poliwęglanu (<0,5mm) wystający poza krawędź przetwornika o około 2 mm. Następnie przylutowałem od drugiej strony dwa kabelki, jeden do blaszki drugi do metalowego pokrycia dysku ceramicznego. By wyrównać grubość poziomu lutu i środka czujnika użyłem taśmy dwustronnej montażowej (sztywna pianka o grubości 2 mm). Następnie przykleiłem drugi dysk z poliwęglanu do taśmy montażowej. Oba kable osłoniłem jedną rurką termokurczliwą z klejem, zwiększyła ona ich sztywność przy miejscu przylutowania. Następnie na cienkiej taśmie dwustronnej przykleiłem nad i pod przewodami 5 centymetrowe prostokąty wycięte z tego samego poliwęglanu co dyski. Następnie okleiłem razem te dwa prostokąty z kablami między nimi taśmą izolacyjną.

Dobór elementów pasywnych:
Przed podłączeniem czujnika i rozpoczęciem pomiarów chciałem zobaczyć jaki zakres napięć jest wytwarzany przez przetwornik piezo pod wpływem zniekształceń spieku ceramicznego. Podpiąłem kable wychodzące z czujnika do multimetru. Ustawiłem miernik w zakresie 1000V DC (największy zakres dostępny w moim urządzeniu), czujnik położyłem na biurku (ważne by leżał w czasie tego testu na równej powierzchni) i uderzałem w niego z całej siły przy pomocy nieostrzonego ołówka. Największe zarejestrowane napięcie to było aż 47V. Natomiast po zamontowaniu pod nadgarstkiem przy pomocy przeźroczystej taśmy, maksymalne rejestrowane napięcie spadło do około 12-15V.
Czujnik chciałem używać z Arduino Uno. Wejście analogowe może pracować z napięciem do 5V (do tej wartości interpretuje wyniki), a maksymalne napięcie, przy jakim przetwornik ADC nie zostaje uszkodzony to 20V. Jeden z kabli podpiąłem do masy w Arduino, a drugi do wejścia analogowego, między tymi wejściami dodałem rezystor podciągający 1Mohm. W efekcie otrzymywane przeze mnie wyniki na ekranie komputera mieściły się w zakresie pomiarowym.



Zastosowanie:
Używając jednego czujnika można sterować jakąś prostą funkcją. W moim wypadku mogłem włączać i wyłączać diodę LED ruchem nadgarstka. Mimo, że jest to prymitywne dobrze rokuje w przyszłości i pokazuje możliwości czujnika biomedycznego DIY. Zwiększając liczbę czujników można zwiększyć liczbę wykrywanych ruchów i dokładność ich rozpoznawania.

Przyszłość projektu:
Chcę wykonać odlew gipsowy przedramienia, który wykorzystam jako formę pod coś przypominające karwasz, wykonane z włókna szklanego i żywicy epoksydowej. W tym urządzeniu będę chciał rozmieścić minimum 10 przetworników piezo, co powinno zapewnić mi możliwość kontrolowania jakiegoś prostego ramienia robota.

Kod do Arduino:



EDIT 11.10.2017

Pierwsza duża zmiana.

Zwiększyłem liczbę czujników do trzech. Zamiast taśmą, zamocowałem je szeroką na 4 centymetry gumą z rzepami na końcach (sam to uszyłem).
DSC_00..JPG Download (1.6 MB)
Następnie wykonując ruchy ręki (zaciskanie pięści, stukanie palcami, zginanie i prostowanie w łokciu) patrzyłem na przebiegi wykresów zmiany napięcia dla poszczególnych czujników. Zapisywałem +/- najwyższą wartość napięcia dla danego ruchu i czujnika w tabeli. Ostatecznie zaprogramowałem rozpoznawanie 2 ruchów:
-zaciskania pięści
-prostowanie ręki (zwykłe, bo wyróżniałem jeszcze szybki wyprost)
te dwa ruchy wykazały największą powtarzalność.

Program rozpoznaje je z wysoką skutecznością 80-90%. Nie myli ich ze sobą zwykle, a nie wykrywa że ruch został wykonany. Można to prawdopodobnie zoptymalizować liczbą powtórzeń pętli for na początku loopa w kodzie arduino.
Pętla ta pozwala wykryć piki napięcia z czujników, które są przesunięte w czasie dla różnych mięśni.

Film z działania:


Film ze zbliżeniem na czujniki:


Kod arduino dla 3 czujników i 2 ruchów:

Dla czujnika liczy się tylko zmiana nacisku na spiek ceramiczny w przetworniku, ale z poziomu oprogramowania (u mnie w Arduino) można by to obejść, jeśli by zacząć od rozluźnionego mięśnia i dodać zmienną przechowującą stan mięśnia (bool) to pod warunkiem, że przy uruchomieniu czujnika mamy luźny mięsień to po napięciu (czyli zmianie napięcia na ADC powyżej zadanej wartości) zmienna przyjmie wartość True, następnie po ponownym przekroczeniu tej wartości zmieni się w False (czyli rozluźniony) i dopiero druga zmiana voltów powyżej zadanej wartości byłaby liczona jako ponowne napięcie.

Drugim rozwiązaniem, bardziej eleganckim, jest użycie wielu czujników w tym "karwaszu", o którym pisałem, chciałbym potem dane ze wszystkich czujników zrzucić na komputer (na przykład po 100 razy wykonuję ten sam ruch, zapisuję wartości napięć ze wszystkich czujników w czasie jak go wykonywałem), a następnie albo opracowuję je ręcznie, albo przepuszczam przez wirtualną sieć neuronową, która sama uczy się rozpoznawać określone ruchy.

W tytule nie bez powodu dałem słowo "prototypowy", bo zdaje sobie sprawę, że dużo pracy przede mną, ale obecnie mam problem z wykonaniem odlewu przedramienia i od poniedziałku z czasem, bo zaczynam studia.

P.S. Bardzo dobre spostrzeżenie uczyniłeś swoją drogą.
Edit. Zwróciłem uwagę na Pana wiek, więc się poprawiam:
"P.S. Bardzo dobre spostrzeżenie uczynił Pan swoją drogą."

Co to za rodzaj/symbol czujnika? Czy to jest coś podobnego do membrany piezzo?

Jakiej aplikacji użyłeś do narysowania graficznego schematu połączeń?

Filmy można osadzić w poście z użyciem https://filmy.elektroda.pl

To jest po prostu membrana piezo. Zwykła, ba nawet z odzysku z sygnalizatora brań.

Do zrobienia schematu użyłem aplikacji Fritzing.

Dziękuję za informacje o tym jak osadzać filmy.

Obejściem problemu z odczytem samych zmian byłoby użycie elementu wagi, wystarczy mierzyć dwie rezystancje.

Zapraszam do lektury EDITa

P.S. Nagrywam w pionie, bo inaczej nie potrafię lewą ręką.

Dział techniczny forum naprawił filmy