Design Development and Validation of an Agonist Antagonist Pair sEMG Flexible PCB
Creators: name: Μαντιού, Βασιλική Δημητρίου
Publisher: name: Aristotle University of Thessaloniki
Year: 2024
Subjects: Επιφανειακή ηλεκτρομυογραφία
Αγωνιστές – Ανταγωνιστές μύες
Βιο-αισθητήρες
Surface Electromyography
Wearables
Biosensors

description: The purpose of this thesis is to present the design and simulation of a surface electromyography (s-EMG) sensor. The goal is to create a novel muscle activity monitoring system that can monitor the coordinated activity of agonist-antagonist muscle pairs, with potential applications in distributed computing systems. In addition, a validation procedure for s-EMG sensors is also pursued, based on insights from existing research in the field. In the rapidly evolving domain of wearable technology and soft robotics, this thesis addresses the need for efficient, low-cost surface electromyography (s-EMG) sensors that can be applied in neurorehabilitation and prosthetics. This research begins with a thorough analysis of muscle anatomy and EMG signal generation, emphasizing the challenges in capturing signals with high accuracy. A novel flexible printed circuit board (PCB) tailored for the sensor is developed, optimizing signal capture and skin adherence. The Blue-pill microcontroller is programmed to record EMG data and to analyze the agonist-antagonist dynamics and deduce the direction of hand movement. The thesis evaluates the designed sensor against commercial equivalents, underscoring its enhanced signal-to-noise ratio, input impedance, and energy efficiency. The sensor outputs raw, rectified, and enveloped signals. Furthermore, validation techniques are methodically analyzed, culminating in a systematic framework to ensure the sensor's accuracy and reliability. As a result of this work, a new surface electromyography sensor was designed and simulated, which will be printed into a flexible board. At the same time, signal processing software was developed to monitor agonist-competitor muscles. In addition, a validation procedure for similar sensors based on previous research is described.
description: Ο σκοπός της παρούσα εργασίας είναι να παρουσιάσει τη σχεδίαση και την προσομοίωση ενός αισθητήρα επιφανειακής ηλεκτρομυογραφίας (s-EMG). Στόχος είναι η δημιουργία ενός εξελιγμένου συστήματος παρακολούθησης της μυϊκής δραστηριότητας που θα μπορεί να αξιολογεί τη συντονισμένη δραστηριότητα ζευγών αγωνιστών-ανταγωνιστών μυών, με πιθανές εφαρμογές σε κατανεμημένα υπολογιστικά συστήματα. Επιπλέον, επιδιώκεται η ανάπτυξη μιας διαδικασίας επικύρωσης για αισθητήρες s-EMG, με βάση τις γνώσεις από την υπάρχουσα έρευνα στον τομέα. Στον ταχέως εξελισσόμενο τομέα της τεχνολογίας των φορετών συσκευών (wearables) και των εύκαμπτων ρομποτικών συστημάτων (soft robotics), η παρούσα εργασία πραγματεύεται την κάλυψη της ανάγκης για αποτελεσματικούς, χαμηλού κόστους αισθητήρες επιφανειακής ηλεκτρομυογραφίας (s-EMG) που μπορούν να εφαρμοστούν στον τομέα της νευροαποκατάστασης και των προσθετικών μελών. Η έρευνα αυτή ξεκινά με μια ανάλυση της ανατομίας των μυών και της παραγωγής του σήματος ηλεκτρομυογραφίας, δίνοντας έμφαση στις προκλήσεις για τη καταγραφή σημάτων με υψηλή ακρίβεια. Για τον αισθητήρα σχεδιάστηκε μια εύκαμπτη πλακέτα τυπωμένου κυκλώματος (PCB) για την βελτιστοποίηση του σήματος και την καλύτερη εφαρμογή στο δέρμα. Ο μικρο-ελεγκτής Blue-pill προγραμματίζεται για την καταγραφή δεδομένων EMG, την ανάλυση της δυναμικής μεταξύ αγωνιστών-ανταγωνιστών μυών και την εξαγωγή συμπερασμάτων για την κατεύθυνση της κίνησης του χεριού. Η εργασία αξιολογεί τον αισθητήρα που σχεδιάστηκε σε σύγκριση με αντίστοιχους που κυκλοφορούν στο εμπόριο, υπογραμμίζοντας τον βελτιωμένο λόγο σήματος προς θόρυβο, την αντίσταση εισόδου και την ενεργειακή αποδοτικότητα. Ο αισθητήρας έχει τρείς εξόδους: ακατέργαστο σήμα, ανορθωμένο σήμα και την περιβάλλουσα του σήματος. Επιπλέον, αναλύονται μεθοδικά οι τεχνικές επικύρωσης, οι οποίες καταλήγουν σε ένα συστηματικό πλαίσιο για τη διασφάλιση της ακρίβειας και της αξιοπιστίας του αισθητήρα. Ως αποτέλεσμα της εργασίας, σχεδιάστηκε και προσομοιώθηκε ένας νέος αισθητήρας επιφανειακής ηλεκτρομυογραφίας, ο οποίος θα τυπωθεί σε μια εύκαμπτη πλακέτα. Ταυτόχρονα, αναπτύχθηκε λογισμικό επεξεργασίας σήματος για την παρακολούθηση αγωνιστών - ανταγωνιστών μυών. Επιπλέον, περιγράφεται μια διαδικασία επικύρωσης ανάλογων αισθητήρων βασισμένη σε προηγούμενες έρευνες.