Projets:Bionic mouse

Description du projet

Le but de ce projet est de réaliser une prothèse permettant à des utilisateurs dépourvus d'une main valide de pouvoir se servir d’une souris d’ordinateur.

Cette solution s'adapte au poignet universel commercialisé par l’entreprise Orthopus, et utilise les contractions musculaires de l’avant-bras comme de signaux de commande des clics de la souris.

Cahier des charges

Objectif : Contrôler le déplacement du curseur et des clics droit et gauche d'une souris d'ordinateur en utilisant les contractions musculaires de l'avant-bras comme signaux de commandes.

Pour qui : Pour toutes personnes désirant utiliser une souris d'ordinateur comme outil au bout d'un poignet universel recevant les signaux de contractions musculaires de l'avant-bras. Il faut au moins deux capteurs distincts, disposés de part et d'autre de l'avant-bras. Par la suite on parlera de la partie supérieure ou "haute", et de la partie inférieure ou "basse" de l'avant-bras.

Fonctions :

• Déplacement du curseur sur l'écran
• Clic gauche simple
• Clic gauche double
• Clic gauche triple
• Clic gauche maintenu
• Clic droit simple

Contraintes :

• Réalisable dans un FabLab
• La solution développée s’adapte sur le poignet universel
• La solution n’est pas exclusive, elle doit pouvoir se répliquer sur un maximum de souris

Combien :

Où : Au Humanlab, ou dans un Fablab proche de chez vous : Carte des Fablabs par Makery

Analyse de l'existant

Un projet similaire réalisé au Humanlab permet de contrôler un curseur d'ordinateur et de déclencher les clics de la souris à l'aide d'un joystick : le projet Dé'clic.

La différence est que le projet Dé'clic utilise un module HID (pour Human Interface Device) qui vient remplacer complètement la souris par le joystick alors que le projet Bionic Mouse transforme une souris classique d'ordinateur.

Equipe (Porteur de projet et contributeurs)

• Porteur de projet : Nico
• Contributeurs : Pierre M
• Animateur (coordinateur du projet)
• Fabmanager référent : Yo
• Responsable de documentation : Pierre M

Matériel nécessaire

• Emboiture d'avant-bras avec capteur EMG (ElectroMyoGramme) avec poignet universel et porte outil éléctrifié
• Souris d'ordinateur démontable, filaire ou non, de taille moyenne à grosse pour pouvoir y faire tenir tout l'électronique
• Carte Arduino Nano ou Mini pro 5V (et son adaptateur)
• Transistor 2N2222 x2
• Diode 1N4007 x1
• Circuit imprimé universel, suffisamment petit pour rentrer dans le boitier de la souris
• Fil électrique (coloré de préférence pour s'y retrouver plus facilement)
• Etain
• Roulement à billes 608zz x1
• Filament PLA ou ABS
• Colle forte

Outils nécessaires

• Tournevis de précision
• Fer à souder
• Pompe à dessouder
• Pince à dénuder
• Pince coupante
• Ordinateur avec le logiciel Arduino
• Carte Arduino Uno ou Nano
• Cable USB A-Mini USB (Nano et Mini) et USB A-USB B (Uno)
• Multimètre
• Dremel avec foret ~3mm
• Petite lime plate
• Imprimante 3D

Étapes de fabrication pas à pas

Pour cet exemple, on utilise une souris filaire NGS disponible ici, mais ces bidouilles sont reproductibles sur la plupart des souris.

1 - Démontage de la souris

La première étape est de repérer sur votre souris où est la petite vis qui maintient la souris entière. Elle peut être directement visible, cachée sous une étiquette, ou sous le capot des piles pour une souris bluetooth.

Cependant, il arrive que des souris ne soient pas démontables via une vis, je vous conseille donc de changer de souris pour vous éviter de forcer l'ouverture de la souris et de risquer de la casser.

2 - Retrait du circuit imprimé

Une fois la souris ouverte, il vous faut retirer le circuit imprimé afin d'accéder aux soudures de celui ci.

Faites attention à ne pas endommager les clips d'attache du circuit imprimé, par la suite on remettra le circuit à sa place et il faudra qu'il tienne en place pour que le système optique de la souris continue de fonctionner correctement.

Faites également attention à ne pas perdre le prisme en plastique en dessous de la souris.

3 - Dessoudage (ou dessoudure?) des boutons poussoirs des clics de la souris

Repérez les boutons poussoirs correspondants aux clics gauche (en bleu) et droit (en rose) de la souris.

A l'aide d'un fer à souder et d'une pompe à dessouder, retirez ces boutons poussoirs du circuit imprimé.

Repérez également quelles pattes du bouton poussoir étaient soudées au circuit imprimé. Ce sont à ces endroits que l'on soudera deux fils par clic plus tard.

Si jamais les trois pattes du boutons poussoirs étaient soudées, vérifiez où se fait la fermeture du bouton poussoir à l'aide d'un multimètre réglé sur la fonction "bipeur". Demandez de l'aide à un fabmanager si vous ne savez pas comment faire.

4 - Choix et connexion de la carte Arduino

Vous pouvez choisir une carte Arduino Nano ou une Mini pro. La différence majeure est que la Mini n'a pas de connecteur USB pour téléverser le code, il faut donc utiliser un adaptateur (cf. Matériel nécessaire), souvent disponible dans les Fablabs. En revanche elle a l'avantage d'être plus petite et moins chère que la Nano. Le choix vous revient. Les soudures finales seront similaires.

Je recommande toutefois l'Arduino Nano car le code peut être amené à changer au cours de l'utilisation de la souris, notamment en ce qui concerne la vitesse de clic. Ainsi, avec une Nano, il est plus facile de modifier le code car il y a un connecteur USB alors que la manip sera plus difficile avec une Mini pro.

4.1 - Arduino Nano

La carte Arduino Nano se connecte à l'ordinateur via un câble USB-Mini USB.

4.2 - Arduino Mini Pro

La carte Arduino Mini Pro se connecte à l'ordinateur via un adaptateur lui même relié à l'ordinateur par un câble USB-Mini USB.

5 - Explication du code Arduino

Récupérez le code Arduino ci-dessous.

int V0 = 350;           // (1)** Max output value from the EMG captor for the upper part of the forearm
int V1 = 350;           // (2)** Same but for the lower part of the forearm
int upDuration = 280;   // (3)** Duration in milliseconds of an "up" contraction of the user
int downDuration = 200; // (4)** Same but for a "down" contraction 
int timerUp = 0;        // Timer for duration of the upper contraction
int timerDown = 0;      

void setup() {
  Serial.begin(9600);
  pinMode(A0, INPUT);   // Input from the EMG captor for the upper part of the forearm
  pinMode(A1, INPUT);   // Input from the EMG captor for the lower part of the forearm
  pinMode(2, OUTPUT);   // Output signal towards the left click
  pinMode(3, OUTPUT);   // Output signal towards the right click
}

void loop() {
  digitalWrite(2,LOW);  // Initialize the output signals to 0 to avoid persistent clicks between two loops.
  digitalWrite(3,LOW); 
  timerUp = 0; 
  timerDown = 0;
  while(upIsHold() and timerUp<4*upDuration){            // (5)* As long as the high contraction is maintained for at most 4*upDuration, 
    delay(10);                                           //      the timer is incremented by 10 ms.
    timerUp += 10;
  }
  while(downIsHold() and timerDown<3*downDuration){      // (6)* Same for the low contraction for a maximum of 3*upDuration
    delay(10);
    timerDown += 10;
  }
  if(timerUp>10 and timerUp<=upDuration){                // Simple left click
    digitalWrite(2,HIGH);
    delay(50);
    digitalWrite(2,LOW);    
  }
  else if(timerUp>upDuration and timerUp<=2*upDuration){ // Double click
    digitalWrite(2,HIGH);
    delay(50);
    digitalWrite(2,LOW);
    delay(50);
    digitalWrite(2,HIGH);
    delay(50);
    digitalWrite(2,LOW);   
  }
  else if(timerUp>2*upDuration){                         // Triple click
    digitalWrite(2,HIGH);
    delay(50);
    digitalWrite(2,LOW);
    delay(50);
    digitalWrite(2,HIGH);
    delay(50);
    digitalWrite(2,LOW);
    delay(50);
    digitalWrite(2,HIGH);
    delay(50);
    digitalWrite(2,LOW);    
  }
  if(timerDown>10 and timerDown<=downDuration){          // Right click
    digitalWrite(3,HIGH);
    delay(50);
    digitalWrite(3,LOW);     
  }
  else if(timerDown>downDuration){                       // Hold click
    do{
      digitalWrite(2,HIGH);
    }while(not(upIsHold()));
    digitalWrite(2, LOW);
  }
  // Serial.print(timerDown);  Commands to display the different contraction times, in order to adapt the code to each individual
  // Serial.print("    ");     
  // Serial.println(timerUp);
  // delay(80);
}
  
bool upIsHold(){   // Function to determine at the moment of the call whether there is a high contraction or not 
  bool upIsHold = 0;
  if((analogRead(A0)>0.6*V0)and(analogRead(A1)<0.6*V1)) upIsHold = 1;   // (7)* Threshold value for detecting high contraction,
  return upIsHold;                                                      //      here set at 60% of the max contraction value V0
}

bool downIsHold(){ // Same for a low contraction
  bool downIsHold = 0;
  if((analogRead(A1)>0.6*V1)and(analogRead(A0)<0.6*V0)) downIsHold = 1; // (8)*
  return downIsHold
} 

Ouvrez le fichier sur le logiciel Arduino de l'ordinateur. Si le logiciel n'est pas installé sur votre ordinateur, vous pouvez le télécharger ici et l'installer. (Le logiciel est gratuit rassurez vous (; )

Lisez attentivement les commentaires du code et repérez les endroits où les valeurs devront changer. Ces endroits sont repérés par * ou **. Les valeurs à changer necessairement sont repérées par **, celles notées * peuvent rester inchangées et relèvent d'un réglage encore plus fin des seuils de détection à modifier une fois la souris terminée.

Déclenchement des différents clics :

Avec ce code, on utilise les contractions des parties supérieures et inférieures de l'avant-bras et la durée de contraction pour réaliser les différents clics.

• Clic droit simple : il suffit de contracter la partie supérieure de l'avant-bras de façon brève, donc sans maintenir la contraction. Pour que la contraction soit reconnue comme un clic simple, il faut qu'elle dure au moins 10 ms (c'est très court rassurez vous) et moins de la valeur upDuration notée (3) (cf. plus loin).
• Double clic : il faut que la contraction haute dure entre upDuration et 2 fois upDuration.
• Triple clic : il faut que la contraction haute dure entre 2*upDuration et 4*upDuration.
• Clic gauche : il suffit de contracter la partie ingférieure de l'avant-bras de façon brève. La contraction doit durer au moins 10 ms et au plus la valeur downDuration.
• Clic droit maintenu : il faut que la contraction basse dure entre downDuration et 3*downDuration. Pour relacher le clic, il faut contracter de façon brève la partie haute de l'avant-bras. Faites attention à contracter brievement pour garder la sélection si jamais vous faites une sélection de texte avec le clic maintenu.

Intéressons nous maintenant aux valeurs notées **.

(1) et (2) sont les valeurs maximales atteintes par les signaux des EMG. La méthode de détermination de ces valeurs est détaillée à l'étape suivante.

(3) : C'est la durée d'une contraction de la partie haute de l'avant bras et elle dépend de chaque utilisateur. Plus cette valeur sera grande, plus il faudra maintenir la contraction longtemps pour déclencher les clics double et triple. Je vous conseille de mettre une valeur assez grande au début (300-400 ms) le temps de vous habituer aux déclenchements des clics. Une fois que vous êtes à l'aise avec les différentes durées de contraction, vous pourrez diminuer cette valeur jusqu'à 200-250 voire 150 ms. Cela vous permettra de gagner en rapidité. A noter que cette valeur n'influence que les clics double et triple, le clic gauche simple est déclenché dès qu'il y a une contraction haute.

(4) : C'est la même chose que (3) mais pour la partie inférieure de l'avant-bras. Les valeurs (3) et (4) ne sont pas forcément les mêmes et vous serez peut-être plus à l'aise avec l'une des deux contractions, c'est pour ça qu'il vous faut adapter ces valeurs à vos préférences. Idem, je vous conseille de commencer avec une valeur assez grande (300-400 ms) et de diminuer cette valeur quand vous serez à l'aise.

Le détail des valeurs notées * est à retrouver à l'étape Aller plus loin.

6 - Détermination des valeurs V0 et V1

Les valeurs seuils peuvent changer d'un utilisateur à l'autre, il faut donc vérifier quelles valeurs sont transmises par vos capteurs EMG jusqu'au bout du poignet universel. Repérez ces 4 fils :

• Vbatt (fil rouge souvent) : c'est la tension d'alimentation de la batterie de vos capteurs EMG
• GND (pour Ground) (fil noir souvent) : c'est la masse de vos capteurs EMG
• Signal EMG 1 : c'est le signal de votre premier capteur EMG
• Signal EMG 2 : idem pour le deuxième capteur

Munissez vous d'une carte Arduino Uno ou Nano (il faut qu'elle puisse se connecter directement à l'ordinateur) et faites les branchements ci-dessous avec le poignet. A noter que pour ce circuit on ne se servira pas du fil Vbatt du poignet.

Branchez la carte Arduino à l'ordinateur puis recopiez le code ci-dessous dans le logiciel Arduino. Vérifiez bien qu'il n'y a pas d'erreur dans le code en cliquant sur l'icône en haut à gauche.

  void setup() {
    pinMode(A0, INPUT); // Entrée du capteur de la contraction haute / High contraction sensor input
    pinMode(A1, INPUT); // Entrée du capteur de la contraction basse / Low contraction sensor input
    Serial.begin(9600);
  }

  void loop() {
    Serial.print(analogRead(A0));   // Colonne de gauche / Left column
    Serial.print("     ");
    Serial.println(analogRead(A1)); // Colonne de droite / Right column
    delay(200);
  }

S'il n'y a pas d'erreur, allez dans Outils>Type de carte, et vérifiez que le type correspond bien à la carte branchée. Sélectionnez aussi le port de votre ordinateur correspondant et finalement, téléverser le code.

Ouvrez le moniteur série dans Outils>Moniteur Série (raccourci clavier Ctrl + Shift + M).

Si tout s'est bien passé, vous devriez voir défiler deux colonnes de valeurs : ce sont les valeurs des capteurs EMG transmises en direct par le poignet jusqu'à la carte Arduino. L'idée est de contracter la partie haute ou basse de l'avant-bras et de repérer les changements de valeurs.

Au repos, les valeurs affichées varient peu et tournent normalement autour de 0.

Maintenant, si vous simulez une levée de la main et contractez la partie haute de l'avant-bras (entrée A0), les valeurs affichées doivent augmenter pour la colonne de gauche, jusqu'à une valeur max V0. Pour être sûr de bien déterminer V0, faites plusieurs mesures en reproduisant ce mouvement de levée de la main, et faites une moyenne des différents maximums. Ainsi, vous avez déterminé la valeur V0! Notez cette valeur, on en aura besoin plus tard.

Attention : Il est important de bien différencier les câbles des contractions haute et basse. Si ce sont bien les valeurs de la colonne de gauche qui varient pour une contraction de la partie haute de l'avant-bras, alors les branchements sont corrects et vous pouvez noter quel fil correspond à quelle contraction. Si en revanche ce sont les valeurs de la colonne de droite qui augmentent lors de la contraction de la partie haute de l'avant-bras, c'est tout simplement qu'il faut inverser les câbles d'entrées de l'Arduino : le câble branché en A0 doit en fait être branché sur A1, et inversement. Une fois le changement fait, notez que le fil branché en A0 correspond à la contraction haute.

De la même manière, déterminez la valeur V1 avec cette fois une contraction de la partie basse de l'avant-bras.

7 - Modification du code Arduino de l'étape 5

De retour sur ce code, vous pouvez désormais remplacez les constantes V0 et V1 par les valeurs déterminées à l'étape 6.

Pour ce qui est des constantes upDuration et downDuration, je vous conseille de les mettre toutes les deux à 450 pour l'instant.

Une fois toutes les modifications faites, vérifiez encore une fois qu'il n'y a pas d'erreur dans le code et finalement téléversez le sur votre carte Arduino Nano ou Mini.

8 - Montage du circuit électronique

Comme mentionné précédemment, je vous conseille d'utiliser une carte Arduino Nano pour votre première version de votre souris. En effet, les valeurs upDuration et downDuration ne sont pas fixées et il sera plus simple de téléverser un nouveau code dans la carte Arduino Nano que dans la Mini pro, en laissant le connecteur accessible une fois le montage fait.

Si vous êtes sur de vos valeurs, vous pourrez finalement refaire une deuxième version de votre souris d'ordinateur avec une Mini pro, cette fois sans accès direct à la carte.

Maintenant place à l'électronique !

Le but va être de réaliser le circuit électronique ci-dessous.

Faites attention à bien connecter le capteur EMG de la partie supérieure de l'avant-bras au pin A0 de la carte Arduino, comme pour le circuit de l'étape 6. De même, le capteur inférieur doit être connecté au pin A1 de la carte Arduino.

Ensuite, pour faire les connexions, utilisez les plaques de circuits imprimés. Essayez au maximum de réduire la taille de la plaque utilisée. Vous n'aurez besoin que de deux morceaux : un pour les deux transistors et un autre pour la diode.

Ci-dessous un exemple des soudures que j'ai réalisé pour les transistors.

Pour ce qui concerne les 4 fils du porte-outil électrifié, je vous conseille de prendre 4 nouveaux fils, d'une vingtaine de centimètres, que vous connectez à la carte Arduino Nano. Vous les souderez aux câbles du porte-outil à la fin, après avoir vérifié que tout fonctionne bien. Ci-dessous les soudures des 4 fils de sortie, ainsi que la diode. Faites attention au sens de la diode !

9 - Trous et fixation souris/porte-outil

Avant de rentrer le circuit dans le boitier de la souris, il faut percer quelques trous.

Un premier trou sur le coté du boitier servira à accéder au connecteur mini USB de la carte Arduino Nano. Il vous faut donc marquer l'endroit où vous comptez placer la carte et y percer un trou de la taille du connecteur, à l'aide d'une Dremel et d'un petit foret.

Le deuxième trou, situé à l'arrière du boitier, servira à faire passer les 4 fils de sortie à connecter aux 4 fils du porte-outil.

Le dernier trou m'a servi pour la fixation au porte-outil et dépend donc de la méthode que vous choisissez pour cette fixation.

Pour ce qui est de la fixation entre la souris et le porte-outil du poignet universel, l'idée est de la concevoir en deux parties reliées par un roulement à billes. Pourquoi faire un roulement à billes ? Parce que dans la pratique, sans roulement, il sera difficile de bouger l'avant-bras sans en même temps lever la souris de la table !

La première partie viendra recevoir le roulement à billes et devra être fixée sur le porte-outil électrifié du poignet universel. Pour la fixer, vous pourrez soit percer le porte-outil et visser la pièce, soit coller la pièce sur le porte-outil avec de la colle forte, en vous assurant que la pièce tienne bien. C'est le fichier Fixation Outter part.stl.

La deuxième partie sera à clipser dans le roulement et devra être fixé au boitier de la souris. Cela dépendra donc de votre souris et de comment vous préférez fixer la pièce. Pour vous donner un exemple, j'ai choisi de percer le boitier de la souris sur 15 mm de large et 4 mm de haut, afin d'y glisser la deuxième pièce que j'aurai modéliser sous Fusion 360. Au final, j'ai réalisé la deuxième pièce Fixation Inner part.stl que j'ai imprimé.

A gauche la pièce Outter part avec le roulement à billes. A droite la pièce Inner part.

Après avoir vérifié que la pièce Inner part rentrait bien dans le trou percé du boitier de la souris, j'ai assemblé le tout.

Vous pouvez choisir la même méthode de fixation ou trouver un autre moyen, quoiqu'il en soit le fichier Fusion 360 est à votre disposition dans le dossier compressé Fixation Bionic mouse.zip. Les fichiers sont déja à l'échelle pour convenir au roulement à billes donc faites attention à ne pas changer la taille des solides.

Fichiers

• File:Fixation Outter part.stl
• File:Fixation Inner part.stl
• File:Fixation Bionic mouse.zip