Датчик ЭМГ (Электромиография): принцип работы и практические применения

Вы когда-нибудь задумывались, как можно управлять рукой робота для игровых приложений? Или, возможно, как измерить активацию мышц? Ключ к вашему любопытству кроется в датчике ЭМГ.

ЭМГ или электромиография критически важна для медицинских исследований и диагностики невромискулярных расстройств. Также изобретение мощных интегральных схем и микроконтроллеров принесло датчики ЭМГ в робототехнику, протезирование и другие управляющие приложения.

Однако ЭМГ остается дорогой и недоступной для многих инженеров и энтузиастов. К счастью, мы здесь, чтобы показать вам, как построить датчик ЭМГ для вашего следующего проекта.

Каковы области применения датчиков ЭМГ?

Основная цель датчика ЭМГ — измерение слабой электрической активности покоящихся и сокращающихся мышц движений рук. Например, измеряемые движения мышц — движение руки, сжатие кулака, щелчок пальцами и т.д.

Но это не стирает тот факт, что разные люди используют датчики ЭМГ для различных приложений.

Например, некоторые используют датчики ЭМГ для клинических и биомедицинских целей, таких как подключение протезов, невромискулярные заболевания и нарушения двигательного контроля. В то время как другие используют их для управляющих приложений, таких как робототехника, обнаружение движения и т.д.

Протез руки

Как работают датчики ЭМГ?

На самом деле, датчики ЭМГ измеряют то, что мы называем активностью ЭМГ. Эта активность относится к количеству сокращения, которое производят ваши мышцы, и количеству сокращающихся мышц. Датчик ЭМГ может измерять эту активность в микровольтах.

Также величина амплитуды напряжения, которую записывает датчик ЭМГ, зависит от силы сокращения мышц. Другими словами, чем сильнее сокращение мышц, тем больше мышц активируется, тем более высокая амплитуда напряжения генерируется.

Интересно, что размещение электродов рядом с группами мышц может помочь вам записать активность или сигналы ЭМГ. Когда мышцы активируются, это уменьшает длину мышцы и позволяет коже и электродам двигаться. В результате электроды записывают электрическую активность или сигналы активных мышечных волокон при сокращении.

Типы датчиков ЭМГ

Существует два основных типа датчиков ЭМГ: поверхностные датчики ЭМГ и вводимые датчики ЭМГ. Хотя это два разных датчика, они имеют похожие процедуры.

1. Вводимые датчики ЭМГ

Существует два типа вводимых датчиков ЭМГ: игольчатые датчики и тонконежные датчики. Давайте посмотрим на эти два датчика подробнее.

(i) Игольчатые датчики ЭМГ

Эти виды датчиков ЭМГ вы можете найти в основном в клинических процедурах для невромискулярных оценок.

Здесь у нас есть важный игольчатый кончик, который можно использовать как детектирующую поверхность. Как? Игла содержит изолированный провод в своей канюле, позволяя ему обнаруживать мышечную активность.

Игольчатые датчики ЭМГ

(ii) Тонконежные датчики

Как следует из названия, эти датчики — это провода, но они не обычные провода. Вместо этого эти тонконежные датчики имеют маленький диаметр, жесткие и неокисляющиеся с высоким уровнем изоляции.

Также у проводников-датчиков крайне тонкие конструкции, которые делают их легкими для имплантации и удаления из скелетных мышц. Лучшая часть в том, что эти датчики не так болезненны, как игольчатые.

2. Поверхностный датчик ЭМГ

Пока вводимый датчик ЭМГ — это инвазивная техника, поверхностный датчик ЭМГ не требует проникновения для обнаружения и записи активности/сигналов ЭМГ через поверхность кожи.

Поверхностные датчики ЭМГ

Эти датчики легко использовать, и вам не нужен строгий медицинский надзор и сертификация, как у их вводимых аналогов. Также поверхностные датчики ЭМГ в основном работают для управляющих приложений, спортивных медицинских оценок, двигательного поведения и невромискулярных записей.

Особенности

Датчик ЭМГ имеет мощные особенности, делающие его полезным для медицинских и контрольных проектов. Вот некоторые особенности стандартного датчика ЭМГ:

• Датчик ЭМГ совместим с Grove.
• У него напряжение питания 3.3В - 5В.
• Датчик ЭМГ также имеет кабельные выводы длиной 1000 мм.
• Вы также получаете шесть одноразовых поверхностных электродов.
• Датчик имеет разъем 3.5 мм.
• Не требуется дополнительное питание.
• Поддерживает платформы Arduino и Raspberry Pi.

Схема датчика ЭМГ с Arduino

Arduino и ЭМГ

Хотя Myoware имеет один из лучших датчиков ЭМГ, мы не можем отрицать, что он довольно дорог. К счастью, есть более дешевые альтернативы, такие как Grove-EMG Detector, который мы будем использовать для этой схемы. У него похожие особенности, и вы можете легко интегрировать его с микроконтроллером.

Вот что вам понадобится для этого проекта.

• Плата Arduino

3D-иллюстрация платы Arduino

• Grove-base shield
• Grove-LED bar
• Grove-EMG датчик (идет с необходимыми кабелями для соединений)

Аппаратная конфигурация

Вот как подключить ваш Grove-EMG детектор к вашему Arduino, чтобы сделать схему датчика ЭМГ:

1-й шаг: Соедините ваш Grove-base shield с вашей платой Arduino.

2-й шаг: Затем соедините вашу Grove-LED плату с портом D8 на вашем Grove-base shield.

3-й шаг: Теперь подключите ваш Grove-EMG датчик к порту A0 вашего base shield.

4-й шаг: Наконец, подключите ваши электроды к вашему датчику ЭМГ и разместите их на вашей предпочтительной группе мышц. Убедитесь, что вы сохраняете некоторое расстояние между вашими электродами.

Программная конфигурация

После настройки вашего оборудования вам нужно будет уладить вещи в программной области.

Вот что вам нужно сделать:

Шаг 1: Сначала скачайте код Arduino для этого проекта здесь, затем скопируйте и вставьте его в ваш Arduino Uno.

Шаг 2: Наконец, загрузите код и протестируйте вашу схему датчика ЭМГ.

Как протестировать

После загрузки вашего кода он начинает инициализацию. Действительно, процесс должен занять максимум пять секунд. В этот процесс LED-полоса должна пойти вниз от 10 до 0.

Когда LED-полоса выключена, начните двигаться, чтобы протестировать вашу схему. Вы должны увидеть, как эта полоса поднимается и опускается, когда вы двигаете рукой соответствующим образом.

В чем разница между ЭКГ, ЭЭГ, ЭМГ и ЭОГ?

ЭКГ, ЭОГ, ЭМГ и ЭЭГ измеряют какую-то форму человеческой активности. Например, ЭКГ (электрокардиограмма) определяет активность сердца, измеряя электроды на ногах, торсе и руках.

С другой стороны, ЭЭГ (электроэнцефалограмма) отслеживает активность мозга с электродами на лбу. В противовес, ЭМГ (электромиограмма) измеряет мышечную активность, а ЭОГ (электроокулограмма) измеряет движение глаз.

Сколько стоят датчики ЭМГ?

Популярный датчик мышц MyoWare может стоить до $39.95. Однако более доступный Grove-EMG детектор, который мы использовали в этом уроке, стоит всего $3.50.

Заключительные слова

Датчики ЭМГ — важные устройства в медицинской сфере, так как они помогают врачам достигать различных биомедицинских приложений. Такие приложения включают диагностику нервных и мышечных расстройств, инструменты медицинских исследований и управление протезами.

Помимо медицинских применений, датчики ЭМГ также пригодятся в управлении роботами. Например, вы можете использовать датчики ЭМГ как управляющий сигнал для движения роботов на основе ваших конкретных потребностей.

Роботизированная рука

Это лишь некоторые из вещей, которых вы можете достичь с ЭМГ. Интересно, что эта статья показывает вам более доступный способ доступа к ЭМГ для ваших инженерных проектов.

Так что, у вас есть еще вопросы? Не стесняйтесь обращаться к нам, и мы будем рады помочь.