构建一个双通道肌电图游戏控制器

[导读]在这个项目中，你将构建一个双通道肌电图(EMG)游戏控制器，将前臂肌肉活动转换为键盘输入。通过使用DIY神经科学套件Pro，系统能够检测双前臂的肌肉收缩，并将其映射到不同的键盘按键，从而让你能够自然地操控和驾驶赛车游戏。

想象一下，无需触碰键盘或手柄，仅靠肌肉动作就能操控一款赛车游戏。

在这个项目中，你将构建一个双通道肌电图(EMG)游戏控制器，将前臂肌肉活动转换为键盘输入。通过使用DIY神经科学套件Pro，系统能够检测双前臂的肌肉收缩，并将其映射到不同的键盘按键，从而让你能够自然地操控和驾驶赛车游戏。

控制器识别四种不同的操作：

•右前臂屈曲 → 向右转(D)

•左前臂屈曲 → 向左转(A)

•先同时弯曲双前臂 → 激活前进模式(W)

•下一个同步弯曲 → 切换反向模式(S)

无需手动按键，你的肌肉便成为控制器，展示了生物信号如何被用于创建直观的人机交互(HCI)项目。

注意：本项目由安基特·迪隆制作。

什么是肌电图(EMG)?

肌电图(EMG)是一种用于测量骨骼肌在收缩时产生的电活动的技术。

每当大脑发出信号使肌肉运动时，微弱的电信号会通过运动神经元传递。肌电图传感器可捕捉这些信号，从而使计算机和嵌入式系统能够检测到肌肉活动。

EMG技术广泛应用于：

•假肢控制

•人机交互(HCI)

•手势识别

•机器人技术

•康复研究

•生物医学工程教育

在本项目中，我们使用肌电图信号来替代传统的键盘控制，通过肌肉动作实现操作。

该项目创建了一个双通道肌电图采集系统。

•通道1记录右前臂的肌肉活动。

•通道2记录左前臂的肌肉活动。

Arduino持续处理两个EMG通道，并将肌肉收缩转换为控制赛车游戏的键盘事件。

硬件组装

第一步 – 安装 Muscle BioAmp Shield

将Stack the Muscle BioAmp Shield牢固地安装到Arduino UNO R4上。

第二步 – 连接 BioAmp EXG 胶囊

使用随附的STEMMA数据线，将BioAmp EXG Pill连接到Muscle BioAmp Shield上的A2端口。

第三步 – 连接电极电缆

将一根BioAmp线缆连接到BioAmp EXG Pill，另一根连接到Muscle BioAmp Shield的JST接口上。

准备肌电图记录

良好的电极接触对于获得清晰的肌电图信号至关重要。

将NuPrep皮肤准备凝胶涂抹于每个电极位置，以去除死皮细胞并降低皮肤阻抗。随后，使用酒精棉片或湿巾清洁该区域，再安装电极。

电极放置：

对于第一通道(右前臂)

•正极(+)：右前臂

•负极(−)：右前臂

•参考电极：右掌背面

对于第二频道(左前臂)

•正极(+)：左前臂

•负极(−)：左前臂

•参考电极：左手掌背面

该配置可分别采集每只前臂的肌电信号，从而独立检测左右两侧肌肉的收缩情况。

上传代码：

1. 复制 GitHub 仓库中的代码。

2. 打开Arduino IDE

3. 安装 Arduino UNO R4 板件包：

工具 → 板子 → 板子管理器 → 搜索“Arduino UNO R4 板子” → 安装最新版本。

注意：如果在安装过程中出现任何安装或权限弹窗，请点击“确定”、“安装”或“允许”以继续安装。

4. 创建一个新草图：

转到“文件”→“新建草图”。

5. 移除默认代码：

按 Ctrl + A 选择所有现有代码，然后按 Ctrl + V 拷贝并粘贴。

6. 使用USB线将Arduino板连接到笔记本电脑。

7.选择棋盘：

转到工具 → 板子。

选择 Arduino UNO R4 Minima。

8.选择正确的端口：

转到工具 → 端口。

选择与您的Arduino板对应的端口。

(如果找不到端口，请断开Arduino，然后重新连接)

9.上传代码：

点击 Arduino IDE 中的上传按钮(→)。

请等待上传过程成功完成。

上传完成后，Arduino 就可以运行程序了。

重要提示：为获得最佳信号采集效果，请确保笔记本电脑未连接充电器，并与任何交流电器保持至少5米的距离。

现在测试代码：

1. 打开任意文本编辑器，例如记事本。

2. 弯曲右前臂 → 键 'd' 应按一次。

3. 弯曲左前臂 → 按键 'a' 应按一次。

4. 将双臂同时弯曲(第一次)→ 应连续输入字母“w”。

5. 将双臂同时弯曲(第二次)→ 应连续输入字母“s”。

如果检测不准确，您可能需要根据自身肌肉力量调整阈值。

校准：

按照以下步骤进行校准：

•打开Arduino代码，找到以下这一行：

•取消注释该行，使其变为：

•将修改后的代码上传到Arduino。

•在 Arduino IDE 中打开串口监视器。

•多次弯曲左前臂肌肉，同时观察串行监视器显示的数值，并记录在强力收缩过程中达到的最大峰值值。

•接下来，多次收缩右侧前臂肌肉，并记录该通道的最大峰值值。

•通过取每个通道测得的峰值值的约60%至70%来计算阈值。

•将新计算出的值更新到代码中的阈值。

•再次取消注释校准行：

•将更新后的代码上传到Arduino。

•测试游戏中的控制功能。如有需要，请重复校准过程。

•微调阈值，直到实现可靠的肌肉检测。

测试控制器：

在启动赛车游戏之前，请确认控制器是否正确生成键盘输入。

•打开一个文本编辑器，例如记事本。

•执行以下肌肉动作并观察结果：

•弯曲右前臂 → 按下 D 键一次。

•弯曲左前臂 → 按下 A 键一次。

•同时弯曲双前臂(第一次)→ 持续按下 W 键(前进模式)。

•同时弯曲双前臂(第二次)→ 持续按下 S 键(反向模式)。

如果输出与预期的键盘输入匹配，控制器即可开始游戏。

结论：

这只是一个演示，向您展示如何将两种传感器(BioAmp EXG Pill 和 Muscle BioAmp Shield)结合使用，构建一个双通道的EXG采集系统并进行游戏。在本项目中，我们使用BioAmp EXG Pill来记录肌电图信号，但它也可用于记录其他生物电位信号，例如心电图、眼电图和体表电位等。