- 2022.05.29
- 新規作成
Bluetooth接続のポータブル筋電計を作ってみました
2022年現在、COVID-19（いわゆる新型コロナウイルス）の大流行で、 在宅勤務が多くなったせいか、「宅トレ」（自宅筋トレ）が大ブーム（？）。その宅トレの情報源といえば、youtubeなどの筋トレ動画ではないでしょうか。
最近のyoutubeなどを見ると、論文の引用があったり、科学的根拠をウリしている動画が人気だったりします。 たとえば、「腕立て伏せはワイドではなく肩幅ぐらいがよい」「安全に三角筋中部に効かせる角度はこれ」などです。
実際その通りにやってみるのですが、感覚的なものではどうにも分かりにくいのが筋トレです。 本当にその情報正しいの？自分で数値確かめてみたくなりませんか？
そこで登場するのが筋電計、いわゆるEMG(electromyography)です。
今回は、Bluetooth接続でリアルタイム表示＆記録出来るポータブル筋電計を作ってみました。
- 筋電電極：皮膚に取り付ける電極です。筋電パルスを取り込みます
- 信号増幅機：筋電電極からの微小パルスを増幅・検波して、DC波形に変換します
- 送信機：AD変換器で信号増幅器からの波形（最大４系統）を取り込み、Bluetoothで送信します
- 受信機：Bluetoothで信号受信し、グラフに表示したり、CSVに保存したりします。
信号増幅器の回路を紹介します。
fig.2：信号増幅器・回路図（クリックで全体表示）
- U1A:筋電電極のDCオフセット電圧をフィードバック制御する回路
- U2:計装アンプ。筋電電極からのパルスを差動増幅する
- U1B:75倍AC増幅回路
- U3A:DC成分除去回路
- U3B,U4A:全波整流および包絡線検波回路
- U4B:DC増幅回路
- U5:チャージポンプ（負電源回路）
回路設計の詳細は後述します。
結線はこんな感じです
fig.3：結線（クリックで拡大）
筋電電極は衣類用のボタンで接続しており、脱着可能です。
信号増幅機と送信機はステレオミニプラグで接続しており、電源、信号、GNDの３線です。
送信機と受信機は基本Bluetooth接続ですが、USBポートを使用した直接接続も可能です。
装着するとこんな感じ。パーツが脱落しないよう、バンドやサポーターで固定しています。
fig.4 ：センサーの装着
使用したパーツ：
- 筋電電極：Amazonで買った謎の電極
- 計装アンプ：LT1167
- OPアンプ：NJM4580DD ３個
- 半固定抵抗:20[kΩ]
- 負電源（チャージポンプ）:TJ7660
- ステレオミニプラグ
- ユニバーサル基板：秋月のCタイプ
- ターミナルブロック：2.54mm 3P
- M5Stick-C Plus
- その他、抵抗、コンデンサ、スイッチングダイオードなど
回路は、筋電電極以外はすべて秋月電子通商で揃えました。筐体は3Dプリンタで自作しています。
送信器側プログラム(GitHub)
受信器側プログラム ごめんなさいまだ整理中です（ダミーリンク）
送信部は電源ONで動作開始し、筋電センサーの信号を取り込み、Bluetoothで信号をEMGの信号を送信し続けます。
受信部はCOMM接続で待ち受け、筋電計の値（AD値）の数値表示、筋電図（グラフ）表示、CSV保存が出来ます。
受信部はPCのBluetooth接続および専用ソフトを使用するのがメインですが、 M5Stackを受信部とすることで、PCなしに筋電図表示をすることもできます。
UIおよび筋電図の表示例です
fig.5 ：腕立て伏せと、その筋電図
腕立て伏せの動作に応じて、上腕三頭筋と大胸筋が反応します。その他の筋肉もある程度反応するのが面白いですね。
fig.6 ：バーベルスクワットと、その筋電図
スクワットの動作に応じて、大腿四頭筋とハムストリングス/大殿筋が反応するはずなんですが、大腿四頭筋ばかり反応しています。
もうすこしハムストリングスに聞いてほしいのですが……。姿勢がよくないのかな？
fig.7 ：M5Stickによる筋電図表示
M5Stick C Plusにはバーグラフ表示が出来ます。バーグラフは、増幅回路のゲイン調整に便利です。表示ライブラリはM5GFXを使用しています。
M5Stackには筋電図が表示できます。表示ライブラリはM5GFXを使用ており、「M5Stackでスクロールグラフ M5GFX版」を筋電センサー値に置き換えて使用させていただいています。
「M5Stackでスクロールグラフ M5GFX版」（参考リンク）
M5Stackでスクロールグラフ(GitHub)（参考リンク）
１．センサー電極
AmazonでEMS用電極のコピー品を入手して使用しました。 端子が汎用的なボタンだったので、ボタンにワイヤーを取り付けて着脱可能にしています。
センサー部とのワイヤー長はノイズを考慮して約200[mm]と短めにしています。 500[mm]でも問題なく波形が出ていましたので、邪魔でなければもう少し長くしてもよいかもしれません。
EMSの電極としては、3端子で一つにまとまっているものでした。 しかし、分離したほうが感度が高いことが分かったため、ハサミで切断して使用しています。 電極内のゲルが導電性なので、繋がっていると電位差が測定しにくいためと考えられます。
２．信号増幅器
秋月で一番人気の計装アンプとして、LT1167を使用しました。360
計装アンプのデータシートに書いてある以下の回路を参考にしました。しかし、これがなかなかの曲者でした。
LT1167で差動増幅し、同相信号のGND形成にLT1112を使用している回路（図の左下）および、HPFと101倍AC増幅+LPFという構成です。
前者の同相GND形成は非常に良好に動作します。 筋電信号の測定にはどうしても同相GNDの問題がついて回り、適当に体にGNDを接続しておいてもうまく動作しません。 いろいろ試した結果、データシートにあるこの回路を利用しました。 計装アンプの同相入力電圧をそのままフィードバックする回路なので、心電計などには向かないかもしれません。
また、同相入力電流経路の問題も、他の回路を試した時には発生したのですが、 上記データシートの同相GND生成回路では異常は出ませんでした。フィードバック回路のほうに電流が流れるからですかね？
そして、後者のLT1112を使用する101倍アンプが曲者でした。
実際に回路を構成するときには、高価なLT1112(秋月価格540円）の代わりに4580DD（同、30円）を使用したのですが、 上記データシートのままLT11120->4580DDと置き換えると、まったく動作しません。
どうなってしまうかというと、4580DDの出力に数VのDC電圧が出てしまい、後段に繋げることができないです。 これは、入力オフセット電圧というOPアンプ特性のせいで、 入力オフセットが大きく、アンプ倍率が高ければ、出力に大きなDCオフセットが出てしまうという問題です。
データシート回路は101倍もしているので、 LT1112のような超低オフセットのOPアンプでしか動作しないような回路になっているんですね。 そのまま回路流用したかったら、同社のLT1112を買えと。商売がお上手なことで。
実際お金で解決してもいいのですが、くやしいので、75倍の反転増幅に変更し、 後段にDCオフセットを除去する回路を追加することで対処しました。 倍率は少し下がりましたが、後段のDC増幅で補えるので、問題ないでしょう。
次に流用して失敗したのが、下記の回路図の検波回路の部分です。
DIY Muscle Sensor / EMG Circuit for
a Microcontroller(参考リンク）
図のIC3AおよびIC3Bの部分がそれで、1N4148とOPアンプで構成されている全波整流のようなのですが、 このOPアンプの部分を4580DDに置き換えると、どうしても発振します。
いろいろいじってみたのですが、さっぱりわからないので、一般的な全波整流回路に変更しました。 ついでに、全波整流の最後のミキサー部にLPFを仕込んで、1石で包絡線検波を実現しています。 ごく一般的な回路のようです。
最後は、負電源回路です。TJ7660というチャージポンプICを使用しています
大容量コンデンサが必要な回路で、データシートの回路は1[uF]を使用していますが、 リップル除去および電圧確保には、より大容量が必要のようです。 このため100uFに変更して使用しています。
３．送信器
AD回路とカラーLCDとBluetoothを内臓している小型モジュールということで、 M5Stick C Plusを使用しました。
AD回路はそのまま値を読み取るとリニアリティーが微妙らしいのですが、 とりあえず完成させるためそのまま読み取っています。そのうち補正したいです。
カラーLCDはM5GFXを使用してバーグラフ表示しています。 ちらつかずにバーグラフ表示できるのがいいですね。
画面OFF機能もつけたので、内臓電池で30分以上もちます。外部電池接続もありです。
通信にはBluetoothはSPPを使用しています。 SPPが簡単すぎて、何も考えずにシリアルデータ通信のコードを流用できるのがいいですね。 注意点としては、あまりにも高頻度でSPPに送信すると、データが途切れたりフリーズしたりするみたいです。 現状は50ms間隔にしています。もう少し高速にできるようですが、AD返還前にLPFを強烈にかけていますので、この程度で十分です。
増幅器と送信器の間はステレオミニプラグのオーディオケーブルで接続しています。 同軸構造になっているので、ノイズには強いはずです。 しかし、ステレオミニプラグを着脱するとM5Stick C Plusがフリーズするという問題があります。 着脱時に端子間ショートしているのでしょうか？？ 対策がわからなかったので、接続してから電源投入（運用で回避）しています。
４．受信器(PC)
BluetoothのSPPを利用し、リアルタイム筋電図および筋電信号の瞬時値を表示します。データ取得後、CSVに出力して解析することもできます。
特に苦戦したところもないのですが、これもひとえにScottPlotのおかげでして、 フォームを用意して、データを流し込むという、ごく単純なコードでリアルタイム筋電図が表示できました。
心残りがあるとすれば、筋電図の縦軸を見やすくすることでしょうか。 筋電図は、測定する部位によって出力電位が異なるため必ずしも100%フルにAD値を使うとは限りません。 このため、縦軸の最大値を100%固定にしてしまうと、大殿筋など反応しにくい部位で表示が見にくくなってしまいます。
ScottPlotはデータのMAXにあわせて縦軸を自動変更してくれる機能もあるのですが、 これですと、こんどはMAXがリアルタイムに変わってしまい、 トレーニングの姿勢変更した場合などに、時系列比較をするのが面倒です。
結局、測定開始からMAX値を保持し続けるという仕組みに落ち着きましたが、 もっと選択肢があったかもしれません。
各種論文など見ると、各センサーを取り付けている筋肉の、 最大緊張状態をMAXとして表示したりすることもあるみたいですね。なるほどです。
５．受信器(M5Stack)
PCのかわりに筋電図を表示することできます。前述のとおり、リアルタイムにスクロールするグラフが特徴です。
実際使用してみて思ったですが、 センサーの確認には送信機側のバーグラフで十分ですし、 スクロールグラフより分解グラフのほうが見やすいのですが、M5Stackでは画面が小さすぎて微妙です。 筋電図がカラフルにスクロール表示されるため、恰好はいいのですけれどもね。
M5StackはSDカードを使用できるので、ポータブルでデータを記録するにはいいかもしれません。
６．筐体
各筐体は3Dプリンタで作成しました。 使用したユニバーサル基板が「秋月のC基板」でして、同基板がピッタリ収まるサイズに設計しています。 3Dプリンタは穴位置までぴったりしたケースが作成できるので、完成度が高く見える気がします。 いい時代になったものです。
７．次に向けて筋電計がなんとか実現できましたので、次は心電計にステップアップかな？ そのうち脳波計なんてものにも挑戦してみたいです。＜終＞
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