Czujnik EMG - zmiennik wzmacniacza pomiarowego INA106

[PierwiastekZdwa]

Witam, zainteresował mnie temat elektromiografii i wykorzystywania tej dziedziny do sterowania różnymi urządzeniami. Znalazłem gotowe moduły ale problemem są ich wysokie ceny. Znalazłem na internecie projekt takiego modułu DIY:

Pytanie brzmi, czy mogę zastosować tutaj inny wzmacniacz pomiarowy? Wykorzystany tutaj INA106 jest dostępny w niewielu miejscach i kosztuje około 50 zł. Na jednym z for widziałem jak ktoś pisał, że prawdopodobnie można go zamienić ale temat urwał się bez podania przykładowych zamienników bo autor nie pokazał układu który budował.

Pozdrawiam

[marek1707]

Jeśli temat Cię interesuje, to przede wszystkim poczytaj o bezpieczeństwie użytkowania. Zastanów się jak zapewnisz, że po podłączeniu elektrod do siebie (lub innego ochotnika) nie zabijesz go upływnościami z zasilacza sieciowego poprzez nieizolowane interfejsy komputerowe. Takie zabawy są fajne i wyglądają nieźle tylko na papierze. Budowanie podobnych układów bez żadnej refleksji i gruntownej wiedzy może prowadzić do poważnych wypadków. Eksperymenty na ludziach dawno zostały zakazane.

Zamiennik? A jakich parametrów oczekujesz, bo przecież idealnie tego samego nie znajdziesz. Jakie tu są zasilania? Co jest dla Ciebie głównym parametrem, który chciałbyś utrzymać? Na jakim poziomie? Jakie tu masz wzmocnienie? Jakie pasmo? itd To tylko kilka pytań kontrolnych żeby się upewnić czy rozumiesz ten schemat. I najważniejsze: gdzie wprowadzisz izolację galwaniczną od "pacjenta" i jak to zrobisz, bo tu tego nie widać.

[PierwiastekZdwa]

Uświadomiłeś mnie, że tak naprawdę nic nie wiem. Daleko mi do dokładnego rozumienia tego schematu, wiem tylko, że układ ma za zadnie maksymalnie wzmocnić odczytaną zmianę napięcia mięśni i podać ją na wyjście. W planach miałem podpięcie tego do Arduino i odczyt zmian napięcia wejściowego. Autor schematu zasila to symetrycznie z dwóch baterii 9V. Cóż, w związku z moją niewiedzą po prostu sięgnę po gotowe moduły 😉

[marek1707]

Zanim cokolwiek kupisz, upewnij się, że te "gotowe moduły" są w pełni izolowane. Skóra na palcach jest stosunkowo gruba, wytrzymuje dużo i nawet nie boli tak bardzo, ale reszta (nie licząc pięt) jest sporo delikatniejsza. Nie powierzysz chyba swojego życia lub zdrowia izolacji w nieznanym, chińskim zasilaczu komputerowym i swoim butom izolującym (lub nie) od podłogi, prawda?

Na początek możesz zmierzyć multimetrem napięcie między masą/obudową Twojego komputera a najbliższym kaloryferem, kranem itp uziemioną rzeczą. I nie rób tego językiem..

[Polecacz 101]

Produkcja i montaż PCB - wybierz sprawdzone PCBWay!
   • Darmowe płytki dla studentów i projektów non-profit
   • Tylko 5$ za 10 prototypów PCB w 24 godziny
   • Usługa projektowania PCB na zlecenie
   • Montaż PCB od 30$ + bezpłatna dostawa i szablony
   • Darmowe narzędzie do podglądu plików Gerber
Zobacz również » Film z fabryki PCBWay

[PierwiastekZdwa]

Czyli nawet tych gotowych modułów typu MyoWare nie można być pewnym? Mógłbyś dokładnie napisać jak wygląda zagrożenie? Ja to rozumiem tak, że czy sam zbuduję czy kupię gotowy moduł będzie on zasilany napięciem bezpiecznym pochodzącym z baterii, więc tutaj raczej nie ma problemu pojawienia się czegokolwiek zagrażającemu życiu. Skoro chcę to podłączyć pod Arduino, czyli w łatwy sposób testować, będę podłączony pod komputer przez port USB. Komputer ma bezpośredni kontakt z napięciem sieciowym. Pomiar napięcia między obudową mojego komputera a uziemieniem ma wykluczyć to, że masa komputera ma potencjał którego nie powinna mieć. Ponieważ masy wszystkich układów będą połączone, w przypadku gdy masa komputera posiada jakiś potencjał pojawi się on również na module pomiarowym. Jedna z elektrod na ciele jest elektrodą odniesienia połączona z masą, więc będzie miała bezpośredni kontakt z ciałem i warunkach gdy nie jestem odizolowany od podłoża przez moje ciało popłynie prąd. Izolacja galwaniczna zapewniałaby, że to co jest po stronie komputera tam pozostanie. Jeżeli chodzi o ten temat to pierwsze co mi przyszło do głowy to skorzystanie z optoizolacji. Moje rozumowanie jest poprawne?

[marek1707]

Dokładnie tak. Zasilacze komputerowe spełniają tylko podstawowe normy bezpieczeństwa użytkowania i w żaden sposób nie zapewniają ochrony w aplikacjach "związanych" bezpośrednio z ciałem człowieka. Już samo to, że upływności między stroną pierwotną a wtórną rzędu 1mA są OK pokazuje, że nawet przy poprawnie wykonanej instalacji elektrycznej budynku może popłynąć prąd (od masy do ziemi przez Ciebie) od którego tężeją mięśnie. Jeżeli doliczysz do tego brak bolca uziemiającego lub zdarzające się podłączanie go do przypadkowej linii N lub L i/lub zasilacze wtyczkowe losowo włączane do gniazdka (a zwykle mają kondensator przeciwzakłóceniowy od wyjścia DC do któregoś pinu wtyczki) to już widzisz, że pełna izolacja galwaniczna jest po prostu koniecznością.

Najprościej zrobić to w najwęższym miejscu, czyli np. na złączu USB lub RS232/UART. Możesz też całość cyfrówki oprzeć na masie komputera a izolować interfejs procesora do przetwornika ADC (też zwykle szeregowy np. SPI). Możesz także użyć izolatorów analogowych i barierę ustawić między wyjściami wzmacniaczy poszczególnych kanałów a wejściami ADC.

W każdym przypadku, oprócz transferu informacji musisz wysłać w przeciwną stronę zasilanie. Najprościej gdy masz 5V->5V, takich izolowanych przetwornic jest mnóstwo. W przypadku bariery gdzieś wewnątrz, musisz poszukać takiej która spełnia wymagania konkretnej aplikacji.

Oczywiście w działce przetwornic masz pełne spektrum - taniochę, która zwykle działa:

https://www.tme.eu/pl/details/spu03l-05/przetworniki-dcdc/mean-well/

i sporo droższe klocki spełniające wymogi norm medycznych:

https://www.tme.eu/pl/details/thi3-0511/przetworniki-dcdc/traco-power/thi-3-0511/

No ale to jak wszędzie.

Być może najłatwiej całość zasilać z akumulatorka. Kilka baterii odradzam. Z jednego źródła robisz wtedy wszystkie potrzebne napięcia a pomiar jego poziomu dostarczy jasnej informacji o możliwym czasie pracy. Nie zastanawiasz się wtedy czy ta bateria jest OK a ta druga to już zdechła, a trzeciej ktoś nie włożył. Do ładowania trzeba taki akumulator wyjmować, bo inaczej to ładowarka sieciowa powinna spełniać wyśrubowany standard. Na szczęście do popularnych ogniw 18650 ładowarki zewnętrzne są stosunkowo tanie i łatwo dostępne.

https://www.bto.pl/produkt/59118/ladowarka-xtar-mc2-1865026650

[PierwiastekZdwa]

W każdym przypadku, oprócz transferu informacji musisz wysłać w przeciwną stronę zasilanie. Najprościej gdy masz 5V->5V, takich izolowanych przetwornic jest mnóstwo. W przypadku bariery gdzieś wewnątrz, musisz poszukać takiej która spełnia wymagania konkretnej aplikacji.

Przyznam szczerze, że nie do końca to rozumiem.

Załóżmy, że chciałbym izolować wyjście wzmacniacza z układu w pierwszym poście. Na razie nie rozmyślam nad jakimś optymalnym zasilaniem i powiedzmy, że jest to zasilanie symetryczne z dwóch baterii 9V. Na wyjściu napięcie będzie się zmieniało proporcjonalnie do zmian napięcia mięśni od 0 do 9V (chyba, że źle to rozumiem). Do tego wyjścia podpinam stronę nadawczą transoptora z dobranym rezystorem dla przypadku pojawienia się maksymalnego napięcia. Druga strona transoptora kolektorem podpięta jest do +5V z Arduino, natomiast emiter przez rezystor 10k podłączony jest do masy. Wejście ADC odczytuje napięcie na tym rezystorze. Myślę chociaż trochę poprawnie?

[Elvis]

PierwiastekZdwa, to co chcesz zrobić należałoby zakwalifikować jako urządzenie medyczne. Oczywiście jeśli robisz to dla siebie, nie musisz spełniać wszystkich norm - ale z jakiegoś powodu te normy zostały wymyślone. Co więcej precyzują one maksymalne prądy, które mogą być dostarczane do ciała (pacjenta) i są one znacznie mniejsze niż wywołane napięciem 18V, które tutaj chcesz stosować.

Proponuję zacząć od czegoś mniej hardcore-owego niż podłączanie się do samodzielnie skonstruowanej aparatury. Nabierz trochę doświadczenia, poznaj lepiej elektronikę i wtedy wróć do elektroniki medycznej. Ale teraz może lepiej nie pisz i nie zadawaj takich pytań na forum - samo odpowiadanie na nie może być potraktowane jako zachęcanie do podejmowania czynności, które zagrażają życiu lub zdrowiu.

[marek1707]

Cóż, wybrałeś najtrudniejsze rozwiązanie.

Nie, tak nie prześlesz poprawnie sygnału analogowego. Oczywiście jest prawie linowa zależność prądu diody wejściowej od prądu kolektora tranzystora, ale nie masz liniowej zależności prądu diody od napięcia wyjściowego wzmacniacza. Takie rzeczy robi się na izolatorach wyposażonych w dwie fotodiody oświetlane tą samą diodą IR:

https://www.tme.eu/pl/Document/87c28525a9248b65d352fd220b9a7c2a/LOC117.pdf

Fotodiody są bardziej liniowe, ale pomysł polega na czymś innym. Jedna fotodioda wysyła sygnał - tradycyjnie - na stronę wtórną, ale ta druga jest "nasza" i korzystamy z niej po stronie pierwotnej. Jest ona wyprowadzona na tę samą stronę co dioda świecąca po to, by bariera izolacji byłą zawsze w poprzek obudowy scalaka. Po stronie pierwotnej budujesz teraz posty układ (jeden wzmacniacz operacyjny), który tak steruje prądem diody IR by sygnał z "pierwotnej" fotodiody kompensował sygnał "główny", który chcesz przenieść. Ponieważ obie fotodiody są praktycznie identyczne to masz pewność, że sygnał z fotodiody "wtórnej" będzie taki sam i łatwo odtworzysz sygnał pierwotny (znowu wzmacniacz operacyjny).

Jednak moim zdaniem źle wybrałeś. O wiele łatwiej (w sensie koncepcyjnym) zrobisz izolację na interfejsach cyfrowych.

Tak, dobrze rozumiesz. Tutaj na wyjściu dostajesz napięcie unipolarne dodatnie względem masy, bo trzy pierwsze wzmacniacze zakończone są prostownikiem, po którym jest już tylko filtr/integrator i lekkie wzmocnienie, które to w sumie odwracają fazę o 360°. Napięcie to będzie proporcjonalne do amplitudy sygnału AC widzianego przez pierwszy wzmacniacz. Jeśli odpowiednio podłączysz elektrody, być może będzie to miało jakąś korelację z fizycznym napięciem któregoś mięśnia.

Wzmacniacz pomiarowy nie polaryzuje swoich wejść więc do pacjenta nie doprowadzamy 18V. Normalnie jest tam 0mV a wzmacniacz "widzi" tylko napięcie różnicowe z niezłym tłumieniem zakłóceń wspólnych, np. napięć galwanicznych ze styków metali czy wszędobylskich zakłóceń 50/100Hz. Ponieważ jednak w wyniku jakiegoś przepięcia itp mogłaby się zdarzyć awaria wejść tego scalaka (chociaż 18V przez nieuszkodzoną skórę raczej nie jest to groźne), wejścia należy wyposażyć w rezystory wysokoomowe odporne na napięcia kV, filtr ESD i przeciwzakłóceniowy RF itd.. To spowoduje, że konfiguracja samego wzmacniacza będzie musiała by być inna. No ale to już głębokie zmiany. Moim zdaniem to co jest, po wprowadzeniu izolacji daje już jakieś szanse na samodzielne eksperymenty i zachowując środki ostrożności taki układ bym na sobie wytestował. Nie znaczy to jednak, że biorę jakokąkolwiek odpowiedzialność za jego działanie lub szkody wyrządzone i nie polecam jego budowy nikomu.

W uproszczonej wersji, skoro sygnał wyjściowy jest stałonapięciowy, możesz budować tylko to co na schemacie. Przy zasilaniu tego z dwóch baterii i izolacji od wszelkich komputerów i zasilaczy sieciowych możesz podłączyć do wyjścia zwykły multimetr i poeksperymentować z miejscami naklejania elektrod oraz napinaniem mięśni. To mogą być całkiem ciekawe próby w ogóle bez użycia komputera.

[PierwiastekZdwa]

Bardzo dziękuję za tak rozbudowane odpowiedzi 😉 Na początek chyba jednak zamówię gotowy układ o nazwie "DFRobot Gravity - analogowy czujnik EMG" a dla bezpieczeństwa dodam izolator portu USB (będzie również przydatny gdybym zdecydował się coś zbudować). Powinienem szukać jakiegoś konkretnego modelu tego izolatora? Widziałem, że dostępne w Polsce układy kosztujące np. 135 zł to te same układy, które na aliexpress można kupić za 40 zł 😃