Verarbeitung von myoelektrischen Signalen zur Steuerung eines Roboterarms

Verarbeitung von myoelektrischen Signalen zur Steuerung eines Roboterarms

Ziel dieser Arbeit war die Realisierung eines von Muskelkontraktionen gesteuerten Roboterarms. Als Grundlage diente dazu die Diplomarbeit von Christoph Böhm mit dem Thema "Verarbeitung von myoelektrischen Signalen". Er erarbeitete wichtige Teilschritte zur Ansteuerung des Roboterarms. Die Weiterentwicklung soll dazu Dienen neue Erkenntnisse und Möglichkeiten in der Prothesentechnik zu sammeln. Die Verwendung von myoelektrischen Signalen zur Ansteuerung von Handprothesen ist kein neuer Ansatz. Bei der Elektromyographie werden Spannungen im Muskel gemessen. Liegt eine Muskelkontraktion vor, kann dies mit Elektroden gemessen werden. Es gibt verschiedene Arten von Elektroden. Die hier verwendeten sind Hautoberächensensoren. Sie sind Teil eines EMG-Messsystems der Firma Delsys. Daran
werden vier Sensoren angeschlossen, um die Signale von verschieden Armmuskeln zu erfassen. In der genannten Diplomarbeit wurde ein Programm entwickelt, welches die Muskelsignale auf verschiedene Methoden berechnet. Dies ist notwendig um die Signalwerte einordnen und sie für die Ansteuerung verwenden zu können. Damit wurde auch bewiesen, dass der verwendete Mikrocontroller für die Verarbeitung der Daten geeignet ist.

In dieser Diplomarbeit stand ein fünfgliedriger Roboteram inklusive eines Greifers zur Verfügung. Die Steuerung erfolgte über ein Phytec Board. Der hier integrierte Mikrocontroller ist der XC161CJ von Inneon. Das Programm wurde mit der Programmiersprache C in der Entwicklungsumgebung µVision von Keil geschrieben. Als erstes wurde die Ansteuerung des Roboterarms über einen Servocontroller implementiert. Im weiteren Verlauf wurden die Muskelsignale integriert. Diese wurden von dem EMG-Messsystem geliefert. Um das analoge Signal mit dem Mikrocontroller verarbeiten zu können, muss es über einen AD-Wandler eingelesen werden. Bevor dies möglich war, musste eine Platine entwickelt werden, die das Signal so anpasste, dass es an den Mikrocontroller angelegt werden durfte. Das EMG-Signal hat eine Spannung im Millivoltbereich. Ein Teil des EMG-Messystems ist ein Verstärker. Er liefert das Signal in einem Bereich von maximal 5V. Da keine negativen Spannungen an den Eingang des AD-Wandlers angelegt werden dürfen, muss das Signal mit einem Oset versehen werden. Eine entsprechende Schaltung wurde entwickelt. Auf dieser Schaltung wurde auch die Spannungsversorgung der einzelnen Komponenten integriert, um das System unabhängig von mehreren Spannungsgeneratoren zu machen. Nachdem die Muskelsignale eingelesen werden konnten, wurde eine Berechnungsmethode implementiert. Über die Root Mean Square-Berechnung werden die Daten zusammengefasst und abgespeichert. In einer Funktion werden die Werte analysiert und mit einem Grenzwert verglichen. Es wird entschieden, ob eine Muskelkontraktion vorliegt. Daraufhin werden die Funktionen des Servocontrollers aufgerufen, um die entsprechenden Servomotoren anzusprechen. Die Kommunikation ndet über die serielle Schnittstelle statt. Über ein LC-Display und eine serielle Verbindung zu einem PC ndet eine Datenausgabe statt. Hier sollen die Werte, mit denen gearbeitet wird, angezeigt werden. Damit lieÿen sich Fehler lokalisieren und die Programmierung wurde erleichtert.