MUSCLE CONTROLJanuary 19, 2016

OVERVIEWThis tutorial will guide you through the process

of using Electromyography (EMG) muscle

sensors to control the Ada hand.

This tutorial is for:

Hand: Ada V1.0

Circuit Board: Almond V1.2

Firmware: Artichoke V1.0

You will need:

Ada hand with Almond circuit board,

running Artichoke V1.0 firmware

12V DC power supply

Micro USB cable

Computer running Arduino IDE

Soldering iron + solder

2 x Muscle Sensor V3 (or similar)

SIGN UP

Sign up for updates! *

Join our developer

community!

SIGN UP

ADA V1.0 ASSEMBLYINSTRUCTIONS

ARTICHOKE V1.0FIRMWARE USERGUIDE

Jan 26, 2016

Jan 19, 2016

HOME ABOUT BLOG SHOP DEVELOPER CONTACT US

2 x Sensor cables

5 x Sticky electrode pads

2 x 9V batteries

2 x 9V battery snaps

1 x 4 Pole 3.5mm headphone jack

(IMPORTANT, must be 4 Pole)

30cm Red wire

30cm Black wire

SENSORSElectromyography (EMG) sensors are used to

detect the electrical potential of your

muscles. A signal is picked up from a surface

electrode, placed on your skin, the signal is

then passed through a series of amplifiers and

filters to produce a 'clean' signal. The resulting

'clean' signal is within the usable range of a

microcontroller, so can be fed into an Analogue

to Digital Converter (ADC), where the

magnitude of the signal represents the

magnitude of the muscle activation, i.e. the

greater the signal magnitude, the harder the

muscle is tensing.

CONSTRUCTING THESENSOR

EMG sensors are becoming more widely

available; this tutorial involves the modification

and use of the Muscle Sensor V3 boards from

Advancer Technologies, however this tutorial

will also briefly cover the use of their new

MyoWare boards as well.

MUSCLE CONTROLJan 19, 2016

The first step is to

attach the battery

snaps to the Muscle

Sensor V3 boards.

1. Solder the negative (black) wire from the first

battery snap and the positive (red) wire of the

second battery snap, to the GND pad of the

Muscle Sensor V3 board

2. Solder the positive

(red) wire of the first

battery snap to the

'+Vs' pad on the

Muscle Sensor V3 board

3. Solder the negative (black) wire of the

second battery snap to the '-Vs' pad on the

Muscle Sensor V3 board

You should now have the first battery snap

connected between '+Vs' and GND, and the

other battery snap between GND and '-Vs'

4. Solder a 10cm

wire between the

'+Vs' pad on the first

Muscle Sensor V3

board to the '+Vs'

pad on the second Muscle Sensor V3 board

5. Solder a 10cm wire between the GND pad

on the first Muscle Sensor V3 board to the GND

pad on the second Muscle Sensor V3 board

6. Solder a 10cm w ire between the '-Vs' pad on

the first Muscle Sensor V3 board to the '-Vs'

pad on the second Muscle Sensor V3 board

The next step is to

attach the Muscle

Sensor V3 boards to

the headphone jack.

1. Solder the

GND pad on the second Muscle Sensor

V3 board to the GND connection on the

headphone jack

2. Solder a wire from the SIG connection on

the first Muscle Sensor V3 board to the

first signal pin (SCL/ADC6/RX) of the

headphone jack

3. Solder a wire from the SIG connection on

the second Muscle Sensor V3 board to

the second signal pin (SDA/ADC7/TX) of

the headphone jack

4. DO NOT CONNECT 5V as this may

damage the board

The EMG sensors should now be ready for us

to plug into the headphone jack on the Ada

hand, but first we need to connect the

electrodes.

POSITIONING THEELECTRODES

Each sensor board requires three electrodes to

attach to the skin; 2 electrodes used for the

muscle signal (red + blue) and a 3rd electrode

used for a body/ground reference (black).

However, when working with 2 channels we

are able to discard one of the body/ground

reference electrodes (black). The 5 remaining

electrodes should be placed on the forearm as

seen below.

1. Press each of the sticky electrode pads

into the electrode sensors

2. Peel off the paper backing of each sticky

electrode and apply to the skin in the

locations shown in the image below

3. The muscle signal electrodes (red + blue)

for each channel should be placed on

the area of the forearm with the greatest

muscle mass, with at least 2cm between

them

4. The body/ground reference (black)

electrode should be placed on an area of

the body without much muscle mass,

such as the elbow

Forearm electrode placement

Note that the sticky electrodes are single use

only, and the quality of the signal degrades

greatly after they are removed and reapplied. 

FIRMWAREThe Artichoke firmware allows the Ada hand to

be controlled via muscle signals using EMG

sensors. The muscle signals are fed into the

ADC of the Almond board via the headphone

jack. Muscle mode is disabled by default, but

standard muscle control can be enabled by

entering the serial command 'M1', once enabled

this mode will stay enabled (even after a power

cycle) until it is disabled using 'M0'.

Once standard muscle mode is enabled, the

hand will take a sample of 150 muscle values

(takes 200ms), which it uses to generate the

initial baseline values for your muscles, called

the noise floor. This noise floor is the default

value of your muscles when they are not active,

and changes depending on a wide range of

factors, such as electrode placement, skin

contact due to sweat/hairs etc. Once

generated, we use this noise floor as the

baseline reading of your muscles and it is

recalculated constantly whilst the muscle is not

activated (a noise floor can be generated

manually by entering 'N').

The threshold value is generated by adding a

specified sensitivity value to the noise floor, if

the current muscle signal is greater than the

threshold value, the muscle is determined as

activated. The sensitivity value can be set via

serial by entering the command 'U###', where

# is a number between 0 - 1023.

With the EMG sensors connected to your

muscles and plugged into the hand, if you

enable muscle mode (M1), you can view a live

update of the values by entering the command

'M3'. This should continuously print out muscle

data in the following format;

M0 = 178 T0 = 369 N0 = 169 A0 = 0 M1

= 200 T1 = 384 N1 = 184 A1 = 0 DIR

None

M# - raw muscle signal

T# - calculated threshold (noise floor +

sensitivity value)

N# - noise floor

A# - whether the muscle is determined to

be active (0 = inactive, 1 = active)

DIR - calculated direction of the

combined muscle signal (open, close,

none)

With your muscles relaxed, both A0 and A1

should be 0, showing that the muscles are

determined to be inactive. If any of them is

detected as active, even when the muscle is

relaxed, try increasing the sensitivity value by

entering 'U###', where # is the new

value, typically between 100 - 300, where the

lower the number relates to an increase in

sensitivity.

MUSCLE

CONTROL METHODSOnce you have confirmed the EMG sensors are

working and wired correctly, you can start to

control the hand using your muscles. 

The image on the right shows how the two

hand motions you should perform to activate

the inside and outside forearm muscles with

the least amount of effort.

If you find that the hand is responding to the

opposite command (i.e. you perform an open

movement and the hand closes) switching the

electrode sensor wires between the two

Muscle Sensor Boards.

STANDARD MUSCLECONTROL

The default control mode is standard muscle

control; the hand will either open or close,

depending on which of the muscles is tensed.

For example, when the outer forearm muscle is

tensed, the hand should open, and when the

inner forearm muscle is tensed, the hand

should close. 

If the hand is open, and you hold the open

forearm muscle for 700ms, the hand should

cycle to the next grip pattern, you should then

be able to open and close as normal in this grip

pattern. The possible grip patterns are listed in

order below.

1. Fist - all fingers and thumb move

2. Palm - all fingers move, thumb stays

open

3. Thumbs up - all fingers stay closed,

thumb moves

4. Point - all fingers remain closed, only the

index finger moves

5. Pinch - all fingers remain open, only the

thumb and index move

6. Tripod - ring and pinky remain open,

index middle and thumb move

To enable this control mode, enter 'M1' over

serial, this method will also stay enabled after a

power cycle, unless it is disabled by entering

'M0'.

POSITIONAL MUSCLECONTROL

Positional muscle control is designed to

achieve finer control of the hand when using

muscle sensors, this mode also more closely

reflects how a robotic prosthetic hand is

controlled. The hand only moves when a

muscle is tensed, and the speed of movement

is proportional to the size of the muscle

activation/how much the muscle is tensed. This

means that you can move the hand slowly by

tensing gently and you can move the hand

quickly when tensing more firmly. To enable

this control mode, enter 'M2' over serial, this

method will also stay enabled after a power

cycle, unless it is disabled by entering 'M0'. For

this mode you may need to decrease the

sensitivity to allow for the 'gentle' tenses to be

picked up by the hand.

EXTRA

I2C MUSCLE SENSORS

An alternative solution for muscle sensing is to

use an I2C ADC. Instead of passing the raw

analogue signals down through a long cable to

the ADC on the Almond board, which could

result in an increase in noise, an I2C ADC could

be located as close as possible to the

muscles/EMG sensor. This would result in a

shorter cable length between the output of the

EMG sensors and the ADC, thus reducing the

chance of noise.

Artichoke is designed to use both analogue

(default) and I2C muscle sensors, in particular

the AD7995, a 4 channel 10-bit I2C ADC.

The library can be found at

www.github.com/Open-

Bionics/Arduino_Libraries, titled 'I2C_ADC.h'.

Once downloaded and installed, it can be

enabled within Artichoke by navigating to

'Globals.h'  and uncommenting the following;

//#define USE_I2C_ADC

Uncommenting this line changes the muscle

controller to perform an ADC2.read( )

0 Likes

← Artichoke V1.0

Firmware User Guide

(I2C_ADC) instead of an analogRead( ), enables

the I2C_ADC to be initialised and pulls the ADC

pins high to configure I2C lines, as discussed

below.

IMPORTANT NOTE ABOUTI2C

The 2 data lines passed through the

headphone port on the Almond board are

connected to both I2C pins and analogue pins

(through a 10k resistor). If the headphone port is

being used for analogue data (e.g. muscle

sensors), you should not initialise I2C. When

using I2C, the analogue pins need to be pulled

high to act as the pull ups for the I2C lines.

pinMode(A6,OUTPUT);

pinMode(A7,OUTPUT);

digitalWrite(A6,HIGH);

digitalWrite(A7,HIGH);

Share

Home 

About 

Blog 

Shop

Downloads 

The Team 

Contact Us

Investment

Opportunities 

Developer Community 

Tutorials 

Forum

To contact us e-mail

hello@openbionics.com

(c) Open Bionics 2016