Realizujte ovládání protetické ruky na vývojové desce FRDM-K64F. K ovládání využijte EMG signál ze svalů na předloktí. K získání signálů sestrojte vhodný zesilovač a výstup přiveďte na AD převodníky. Vyhodnocení pohybu zobrazte na PC vhodnou animací.

V moderních protézách se kromě lehčích a robustnějších materiálů hlavně ve formě karbonových vláken setkáváme stále častěji i s elektronikou. Myoelektrické protézy fungují na principu kontinuálního měření tzv. elektromyogramu (EMG), signálu, který vzniká ve svalu když se mění jeho konformace. Signál se snímá povrchovými elektrodami a když překročí danou mez, protéza se aktivuje. V roce 2013 se vyvinula první protéza ovládná čistě vůlí a permanentně upevněna na kost.

Vstupní signály jsou snímany na šesti místech těla, vždy kladná, záporná a referenční svorka (3 elektrody pro biceps a 3 pro předloktí). To dovoluje získat a vyhodnotit dva druhy pohybu. Jako předzesilovače slouží dvě měřící jednotky MP-35 od firmy Biopac. Zesílené nefiltrované signály jsou přivedeny na analogové vstupy procesoru. V procesoru se EMG signály vzorkují frekvencí 1 kHz. Filtrace je realizována pomocí IIR filtrů. Výsledné vyhodnocení je posíláno přes sériovou linku do PC, kde jsou míry zvednutí a otočení ruky zobrazeny v čase.

Umístění elektrod lze názorně vidět na obr. 1. Snímané signály jsou v rozsahu od -1,5 po 1,5 mV. Jsou přivedeny na vstupní kanál měřící jednotky MP-35, ta je zesílí 2000-krát, takže na výstupu se pohybují hodnoty od -3V až 3V, které se přivedou na vstupy AD převodníku procesoru FRDM-K35F, kanály A0 a A5 a na osciloskop pro vizualizaci. Měřící jednotka má pouze jeden analogový výstupní kanál, takže bylo potřeba využít dvě jednotky, jedna pro snímání signálu z bicepsu, druhá z předloktí. K jednotkám je dodáván software Student Lab, kde ve verzi Pro lze libovolně nastavit zesílení i filtraci vstupních dat. Měřená data jsou zobrazována na počítači.

Specifikace použitého procesoru je možné najít například zde: https://developer.mbed.org/platforms/FRDM-K64F/

  Obr. 1: Umístění elektrod

  Obr. 2: Ukázka elektrody

  Obr. 3: Měřící jednotka

  Obr. 4: Vývojový kit s FRDM-K64F 

  Obr. 5: Pracovní plocha     

  Obr. 6: Ukázka naměřeného EMG signálu    

Filtrace obou EMG signálů je realizována pomocí IIR charakteristice založené na Butterworth pásmové propusti s mezními frekvencemi 20 a 50 Hz. Čtení i filtrování je po jednom vzorku v každé iteraci smyčky ve které je nastaven wait na 1 ms čímž je určena vzorkovací frekvece. Neni to tedy přesně 1 kHz, ale vzhledem k jednoduchosti příkazů ve smyčce dostatečně blízko této hodnotě.

  Obr. 7: Přenosová charakteristika filtru

Při spuštění programu má uživatel 8 vteřin na provedení jednoho nebo více reprezentativních přitažení předloktí k rameni. Po načtení dat proběhne výpočet obálky signálu, v okně 100 vzorků se počítá průměrná hodnota horní poloviny hodnot v okně. K této hodnotě obálky se přičte 1 a umocní na druhou (1 se přičte aby při umocnění všechny hodnoty vzrostly). Okno se posune o 1 vzorek a iterace se opakuje. Program dále vyhodnotí práh jako 25% hodnot obálky, podle kterého pozná, zda uživatel přitahuje ruku či nikoliv.

//########################################################
//## ucici phase emg4 - biceps 8 vterin ... cca 4 flexy ##
//########################################################
led = 1;                //zhasnuti led
led2 =1;
led3 = 1;
pc.baud(115200);        //nastaveni baudrate
 
for(int i=0;i<(N);i++){          //ulozeni hodnoty do vzorek, filtrace a abs. hodnota
    vzorek[0] = ain.read_u16();
    nProcessedSamples = filter1_filterBlock( filter, vzorek, outputBuffer, inputBufferSize ); 
    emg4abs[i]=abs(outputBuffer[0]);
    wait(0.001f);                //fvz = 1kHz
}
led = 0;                //roznuti cervene led        
 
for(int i=0;i<N-M;i++){ //smycka pro vypocet obalky emg4 ucici faze
    for(int j=0;j<M;j++){
        Maktual[j]=emg4abs[i+j];  //nacteni do okna M vzorku (default 100)
    }
    qsort(Maktual,M,sizeof(float),compare); //serazeni od nejmensiho vzorku v okne po nejvetsi
    for(int j=(M/2);j<M;j++){               
        sum4=sum4+Maktual[j];    //secteni hornich defaultne 50 vzorku okna
    }
    emg4obal[i]=sum4/(M/2);      //vydeleni poctem defaultne 50 vzorku okna
    sum4=0;                      //tj. prumerna hodnota horni poloviny hodnot okna tvori obalku
}
 
for (int j=0;j<N-M;j++){
    emg4obal[j]=emg4obal[j]+1;                  //pricteni 1 pro omezeni hodnot mensich nez 1
    emg4obal[j]=emg4obal[j]*emg4obal[j];        //umocneni obalky (vsechny hodnoty se tak zvysi ptze jsou vetsi nez 1)
}
qsort(emg4obal,N-M,sizeof(float),compare);      //serazeni od min po max
 
meze2=0;                                        //inicializace meze pro biceps
for(int j=20;j<220;j++){                        //vyber 20. az 220. maxima
    maxs1[j-20]=emg4obal[(N-M)-(1*j)-1];        //a ulozeni do maxs1
    meze2=meze2+(maxs1[j-20]);                  //suma 200 submaxim
}      
meze2=meze2/200/4;      //podeleni poctem maxim a snizeni na ctvrtinu = definice prahu