文摘

感觉运动训练系统,促进学习弹钢琴是开发和测试。系统包括三个单位进行沟通。第一单元包括两架钢琴:E-piano MIDI输出老师和声学或E-piano瞳孔。学生的钢琴酒吧提供LED照明被袭击的关键。第二单元是一个控制器之间的接口提供老师的钢琴,LED酒吧。第三单元由两副手套:一个老师和一个学生。老师手套集成压力传感器在每个指尖。学生的手套振动马达和led在每一个手指。老师的手套上的压力感觉传递给相应的手指在学生通过振动电机和led的手套,这样关键的学生知道哪个手指应该罢工。此外,两个OLED显示器显示注意由老师扮演的符号可以被附加到左右学生的手套。 Initially developed for people with cerebral palsy the sensorimotor system can support the learning also to all those with sensory, cognitive, and space perception impairments.

1。介绍

的困难当学习弹钢琴是众所周知的,经历了很多人在他们的童年或者青年。手指的协调,节奏的纪念活动,罢工的能力正确的键,尤其是音乐的破译一个抽象的文本笔记要求的任务。

对于运动障碍和学习障碍的人来说,这可能是近乎绝望的任务。特别是对患有脑瘫,学习演奏一种乐器是一个巨大的挑战。脑瘫是一种多重障碍,根据脑损伤的程度不仅是运动影响的大脑区域,而且认知和感觉障碍,干扰的空间知觉,身体形象和语言,有时存在癫痫(1]。

音乐疗法通常是提供机构对于精神和身体有残疾的人。它经常作为一个整体进行运动对奥尔夫乐器和Veeh-harps。其他工具,如鼓,三角形,和木琴,也愉快的使用和操作简单甚至对于运动障碍的人。这种疗法促进表达情感和提高沟通技巧,提高残疾人的自尊心(2]。

积极影响复苏的弹钢琴的手精细运动技能和神经可塑性变化的发展已报告获得患者脑损伤,特别是在中风患者(3- - - - - -6]。然而,演奏钢琴手的运动机能的影响或在启动脑损伤患者神经可塑性的变化发生在开发期间,脑瘫,已经很少在文献中解决。这是一个可能的因素常常共存的多重残疾限制学习的乐器。然而,弹钢琴对脑瘫患者尤其有利,因为钢琴不需要形成鲜明对比,例如,一个小提琴。此外,立即引人注目的钢琴键时,听觉反馈收到刺激病人正确自己的性能。

在报道7)普通钢琴课有助于改善手部运动技能与脑瘫儿童和青少年。此外,学习弹钢琴也可以产生变化,大脑网络连接(8]。然而,在这项研究观察几个困难。学习抽象的笔记是很困难的,因为学习障碍。认知缺陷导致阅读困难注意文本,以便按照笔记是困难的。Тhe分化的手指此外不足。手传感器能力经常被打扰,这是表示在使用不当的手指。此外,参与者在钢琴与空间定位的问题。帮助克服这些困难,促进独立训练的钢琴演奏的钢琴训练系统开发和在这里描述。

钢琴与点燃的钥匙已经商业化。这里音乐片段程序和构建到他们各自的键是照亮在玩。用户只有在规定罢工的关键序列。也有很多软件程序支持的学习弹钢琴。例如,钢琴键MIDI球员突出显示的颜色,而部分是在电脑上玩。这些钢琴学习工具仅提供一个视觉援助和不考虑困难认识和区分的手指,手眼协调能力的赤字,受损的空间定位和其他感觉运动障碍。此外,只有部分可以得知已经存储在钢琴或在互联网上提供MIDI文件的。

本文地址的技术开发一个灵活的钢琴训练系统旨在弥补上述缺陷。这个系统,最初为脑瘫的人开发的,也可以使用neurorehabilitation设置。此外,它可以支持的学习钢琴演奏在其他医疗条件,也包括感觉和认知障碍。

2。系统的技术说明

钢琴系统包括三个单位,相互通信(参见图1)。第一单元包括老师的钢琴,学生的钢琴,LED酒吧。第二单元是一个控制器两架钢琴之间提供一个接口。第三单元由两副手套,一个老师和另一个学生。执行的目的是转移指法老师以及学生钢琴键的顺序播放。

2.1。单元1:钢琴,酒吧

老师的钢琴是一个与88年E-piano键和MIDI乐器数字接口输出。学生的钢琴声或E-piano 88还钥匙。领导栏放置到学生的钢琴键盘键的使用。

当一个关键了MIDI命令组成的3个字节发送到控制器。第一个字节包含状态命令(注意了,注意了)和MIDI渠道。第二个字节描述了注意和第三个关键是袭击的力量。这些信息描述完全当按钮被按下和释放。

钥匙由老师提出了学生通过LED条放在学生的钢琴。酒吧由88 WS2812b排列与键盘(参见图的大小2)。内置的LED灯是RGB LED驱动电路。他们串联连接,这样一个数据行所有发光二极管是充分的。led放在白色的钢琴的键在黑键红色而有绿色。红/绿组合更容易区分乍一看哪种类型的关键是使用。通过使用一个适当的组合的红色,绿色和蓝色的强度值(从0到255),任何颜色可以选择。每个钢琴键照只有一个点状的方式(见图2(一个)),这样就很容易识别的关键,应了。酒吧由七段,每个八度,可以彼此连接,通过电磁铁保持一致的接近。这使得酒吧酒吧的设计是为了方便运输;它可以分为部分,然后折叠在一起(图2 (b))。

2.2。单元2:控制单元

解释了酒吧的MIDI命令和控制通过控制单元。主要成分是Arduino兆2560单片机有4个UART(通用异步接收发送器)为串行通信接口(见图1)。其中一个接口连接通过一个光耦合器的MIDI输出老师的钢琴。接收到的数据解读,然后转换成一个信号来控制LED条放在学生的钢琴。NeoPixel Adafruit图书馆行业用于Arduino和LED酒吧之间的沟通。只需要一个数字输出控制任意数量的led。设置为每个单独的发送,通过一个电阻,通过数字输入的第一个系列的领导。相反的顺序(即信息被发送。,last LED first) and transferred from one component to the next. Since every single LED has its own built-in drive circuit no additional hardware is necessary to control the LEDs.

控制单元也可以同时驱动6酒吧,这将允许信号从老师的钢琴同时传送到6种不同钢琴;也就是说,它将允许组织课程。

2.3。单元三:手套

特殊的手套已经发展为老师和学生。老师手套有集成压力传感器位于每个指尖。瞳孔手套有振动电机和LED在每一个手指。老师的压力传感器产生的信号转移到学生手套手套(振动电机和相应的手指的LED灯),这样的学生是知情的手指应该应用的关键。

每个老师手套是一个紧身薄皮手套(图3)。传感器FSR 400(连接)被纳入手套的指尖。这些传感器显示减少阻力,从10多不到10 kΩMΩ卸载,以增加力量应用于传感器的表面。他们连接在系列150 kΩ电阻器。压力传感器和电阻分压器的电阻变化的传感器可以测量。传感器连接到Xbee系列1的数字输入模块(数码网络国际),允许其他模块的无线通信。

模块是由一个移动电源组和配置,传播美国的压力传感器来第二个模块每10毫秒。第二模块位于振动马达和led瞳孔的手套。学生的手套是由常见的自行车手套。这些指尖自由,因此不妨碍钢琴演奏。每个手指的手套有一个振动马达和一个领导所激活的Xbee模块。力传感器应用于老师的手套学生Xbee的数字输出模块设置为“高”状态,激活相应的领导和振动马达。

学生的手套设计如下。所有分立电子元件,如发光二极管、振动马达,和硅胶Xbee模块嵌入在一个单位(见图4)。硅提供了弹性稳定性好,也因此,电子插件可以被附加到任何大小的手套。为了增加单个发光二极管的能见度可以发现之前嵌入硅酮。在这种情况下,有机玻璃磁盘被用作抵御伤害。或者,可以使用透明的硅胶。手套上的电子插件是固定使用磁铁或提前紧固件。

2.4。附加功能

以下额外的功能和额外的模块可以添加/使用上面描述的感觉运动系统。

2.4.1。注意显示

两个显示器显示字母notes扮演的老师可以连接到控制单元。1.3^”128×64像素Adafruit Industries OLED显示器的使用。他们是由一个控制SSD1306驱动芯片使用SPI(串行外围接口)通信控制单元。MIDI数据收到老师的钢琴是用来识别的关键。例如,如果教师扮演注意C,字母“C”出现在显示(图5(一个))。一个显示是连接到合适的手套和另一个向左手套的学生。

2.4.2。“Single-Piano”模式

替代期间使用两架钢琴课是老师和学生的座位在一个钢琴。在这个“single-piano”模式的学生座位的老师和领导的酒吧灯光的钥匙由老师扮演一个八度以上(图5 (b))。这种“single-piano”模式可以通过一个开关打开控制单元。“single-piano”模式使学生和老师同时玩钢琴。这邻近的优点,老师可以干涉学生的玩。

2.4.3。记录一段音乐培训

也有选择老师的录音演奏繁殖。为此,控制单元包含一个Xbee模块接收数据的指法老师(见图6)。这个模块连接到Arduino。notes传输通过MIDI输出如上所述。Arduino包含USB-to-TTL串行接口芯片16 u2,允许通过USB接口与计算机通信。Arduino的数据传输处理程序编写的虚拟仪器。通用I / O接口软件签证2015年国家仪器硬件和软件之间的接口。接收到的数据可以存储在本地计算机。播放保存的注意序列和指法现在运行在相反的顺序由驱动LED酒吧和瞳孔手套。程序可以运行在个人电脑和Windows平板电脑。这额外的特性使得钢琴培训可能没有老师。

3所示。系统的实验测试

系统的功效在支持的学习弹钢琴测试实验四个脑瘫患者和8个健康的人。两个双边腿影响脑瘫患者;一个单边脑瘫病人,一个病人运动失调的脑瘫。10笔记的任务是复制两个序列由钢琴老师。第一个序列是没有系统的帮助。第二个序列的帮助下提出了系统。在这两种情况下,病人自己复制序列的三倍。系统只是用于演示。序列都是由老师打了三次。

个人业绩的脑瘫给出数据7(一)- - - - - -7 (d)。错误的数量和试验数是描述,对序列表示与系统(红色线和符号),没有(蓝线和符号)。对他们来说,错误的数量(即。,wrong note played) decreased from the first to the third trial, when using the system. When the system was not used, the number of errors remained approximately constant. Furthermore, the outcome in the final trial when the system was used was always better than when the system was not used.

相同的任务是由健康的参与者。显然,这个任务太容易因为几乎没有错误当玩或不系统。

4所示。讨论

脑瘫患者有多重残疾取决于地区受到脑损伤的程度。除了运动障碍、感觉运动、学习,注意力可以不同程度的存在。

钢琴培训系统开发支持残疾人学弹钢琴,即使没有背景知识的笔记和尽管手指的感觉能力。弹钢琴可以看作一种康复治疗,因为它促进运动功能。改善手精细运动功能后学习弹钢琴已经报道(7]。另外提出的系统的目标是为了弥补感官赤字。这是一个很好的古典脑瘫的治疗项目,这主要是针对提高运动技能站立和行走和预防关节挛缩。

通过领导的酒吧,照亮钢琴键,系统为学生提供了关键的信息,必须达成。钢琴与照明钥匙目前可以在市场上买到。然而只要有点燃的键盘是不足以弥补感觉运动和认知障碍,可以出现在许多脑瘫患者。在这里描述的感觉运动系统照明的点状的领导酒吧的设计允许容易分化的关键,尤其是在相邻的键。也有利的黑白键的光照射的不同的颜色。此外,LED酒吧适用于任何常规声学钢琴;它可以分解为舒适的交通工具,很容易再次重组。商用钢琴包含数量有限的钢琴训练,这可能不是适合有多重残疾的人。钢琴的感觉运动系统允许描述音乐作品选择适合学生学习的具体限制和需求,被老师打了。许多MIDI-Player计算机程序提供学习艾滋病通过可视化的计算机屏幕上的键盘尺寸小一点而导致酒吧这里强调真正的钢琴上的按键。

MIDI球员或照亮钢琴键盘还没有配备翻译。描述的系统可以包含一个集成的翻译要注意使学生看到小型显示器被放在笔记的手套。这可以帮助学习抽象的笔记。

促进学习演奏钢琴的想法传输电信号的手指学生提出,例如,在[9]。系统中发展,振动信号被使用,因为他们可以很容易被患有脑瘫和包括治疗组件。与脑瘫儿童和成人经常受损感官知觉的手指。的治疗方法来改善身体意识通过振动被描述在文献[10- - - - - -12]。全身振动板,例如,伽利略,越来越被测试在脑瘫13,14]。促进个人的感知手指和减少痉挛状态,感觉反馈训练,加上振动刺激最近提出(15]。7例脑瘫患者的手指刺激使用小型振动电机集成在一只手的手指手套。学生的手套在培训系统使用一个类似的原则。额外的振动电机,发光二极管放置在每一个手指的手套。手套帮助识别手指指示通过振动和LED灯的手指在钢琴键了。

通常它需要很多小时的实践和经验获得适当的预测指法。后者是传播通过老师通过玩序列在钢琴虽然穿着特殊的手套,压力传感器在手指的技巧。这些允许指法的记录,然后通过LED显示和/或通过振动转移到学生的手指,这样学生接收到合适位置的手,可以播放音乐轻松。录音的指法是容易的老师,因为他只需要戴上手套。老师用这项技术可以实时浏览学生的课,或者另一个选择,通过记录他的钢琴演奏平板电脑/电脑通过控制单元。学生可以在家练习和重复记录的指法以他自己的速度的帮助下振动马达和发光二极管。自主研发的软件允许而且调整振动的速度和时机和LED显示屏,这样学生就可以在不同的速度重复这首歌根据自己的个人需要。

系统的有效性在支持笔记的学习简单的序列进行了测试实验在一个小样本的脑瘫患者和健康的参与者。(即改善。,reduction of the number of errors) could only be observed in the first group. This is a positive outcome since this is the target group for the sensorimotor system proposed. Evidence for support of learning in healthy participants, if possible, may require the use of longer sequences or for longer periods of time. The results presented provide preliminary evidence for the benefits the system can deliver. Further evidence remains nevertheless necessary to confirm the system as therapeutic option in rehabilitation programs for people with sensorimotor disabilities.

通过补偿感觉赤字和学习障碍的影响,这架钢琴系统可能支持和鼓励残疾人学习弹钢琴,这种方式导致他们的包容。它还提供了一种新的治疗方法,包括肌肉运动的感觉,注意技巧。

5。结论

本工作描述小说钢琴培训体系,旨在帮助人们感觉运动和认知障碍学会弹钢琴。赤字的补偿是实现主要是通过振动和视觉信息的学生。包括以下选项:(我)培训(个人或集体)在单独的钢琴老师。(2)培训和老师在一个钢琴。(3)培训没有老师使用记录弹钢琴的老师。(iv)注意翻译训练。

相互竞争的利益

作者宣称没有利益冲突。

确认

工作部分是由德国研究协会(脱硫、项目LA 2670/3-1) Buhl-Strohmaier基金会Friede Springer基金会Gips-Schule基金会Wurth基金会Zeidler研究基金会,卡西欧欧洲。