使用基于模型的设计开发世界上最先进的假肢手臂

我们中很少有人意识到，在执行捡球这样简单的任务时，神经系统、机械系统和感觉系统之间存在着复杂的相互作用。为了制造能够自然运动的假肢，有必要使用尖端的驱动器、传感器、微处理器和嵌入式控制软件来模拟这些复杂的系统，以及它们之间复杂的交互作用。这就是我们在国防高级研究计划局(DARPA)义肢改革项目中所面临的挑战。

约翰·霍普金斯大学应用物理实验室(APL)领导着一个包括政府机构、大学和私人公司在内的全球团队，他们的使命是开发一种远远超过当今任何假肢的假肢。最终版本的假肢将配备由神经输入驱动的控制算法，使佩戴者能够以真实手臂的速度、灵活性和力量移动。先进的感官反馈技术将能够感知物理输入，如压力、力和温度。

项目的一个重要里程碑是虚拟集成环境(VIE)的开发，这是一个使用MathWorks工具和基于模型的设计构建的完整的肢体系统仿真环境。通过标准化的体系结构和定义良好的接口，VIE支持二十多个合作伙伴组织的领域专家之间的协作。

在开发的其他关键阶段使用了MathWorks工具进行基于模型的设计，包括建模肢体力学、测试新的神经解码算法，以及开发和验证控制算法。

虚拟集成环境架构

VIE架构由五个主要模块组成:输入模块、信号分析模块、控制模块、Plant模块和Presentation模块。

输入模块包括患者可以用来表达其意图的所有输入设备，包括表面肌电图(EMGs)、皮层和周围神经植入物、植入式肌电传感器(IMESs)以及临床医生使用的开关、操纵杆和其他控制源的更传统的数字和模拟输入。信号分析模块完成信号处理和滤波。更重要的是，该模块应用模式识别算法来解释原始输入信号，以提取用户的意图，并将该意图传达给Controls模块。在Controls模块中，这些命令被映射到运动信号，这些信号控制着驱动肢体、手和手指的单个马达。

Plant模块包括肢体力学的物理模型。Presentation模块生成手臂运动的三维(3D)渲染图(图1)。

与神经系统连接

金宝app^®VIE对于开发神经系统接口，使假肢系统能够自然和直观地控制至关重要。研究人员记录了受试者在虚拟环境中执行任务(如伸手去拿球)时植入的神经设备的数据。VIE模块输入系统接收这些数据，并与MATLAB进行交互^®算法通过使用模式识别来解码受试者的意图，将神经活动与受试者的运动关联起来(图2)。结果被集成到VIE中，在VIE中可以实时进行实验。

同样的工作流程也被用于开发各种输入设备，其中一些设备已经在芝加哥康复研究所的假肢使用者那里进行了测试。

构建实时原型控制器

VIE的信号分析和控制模块构成了控制系统的核心，最终将部署在假肢臂上。在APL，我们为这些模块开发了软件。使用嵌入式MATLAB™子集在MATLAB中开发了单独的算法，然后作为功能块集成到系统的Simulink模型中。金宝app为了创建控制系统的实时原型，我们使用real-time Workshop生成了完整系统的代码，包括Simulink和嵌入式MATLAB组件金宝app^®，并将此代码部署到xPC Target™。

这种方法带来了许多好处。利用基于模型的设计和Simulink对整个系统进行建模和仿金宝app真，以优化和验证设计。在投入到特定的硬件平台之前，我们能够快速构建并测试一个虚拟原型系统。通过Real-Time Workshop Embedded Coder™，我们为处理器生成特定于目标的代码。因为代码是从经过安全测试和仿真验证的Simulink系统模型生成的，所以不金宝app存在可能引入错误或计划外行为的手工编码步骤。因此，我们有一个高度的信心，模块化假肢将执行预期和设计。

物理建模和可视化

为了对我们的控制系统进行闭环仿真，我们开发了一个代表肢体系统惯性特性的植物模型。我们从SolidWorks中设计的肢体组件的CAD装配开始^®我们的合作伙伴。我们使用CAD组件自动生成与我们在Simulink中的控制系统相连接的肢体的SimMechanics™模型。金宝app

最后，我们将植物模型链接到南加州大学开发的Java™3D渲染引擎，以显示虚拟肢体在模拟环境中的移动。

临床应用

基于强大的虚拟系统框架，我们也能够为系统配置和培训创建一个有用和直观的临床环境。临床医生可以在VIE中配置参数，并使用我们在MATLAB中创建的GUI(图3)与志愿者受试者管理测试会话。

临床医生在一台主机上与该应用程序进行交互，该主机与实时运行控制软件的xPC Target系统进行通信。第三台PC用于虚拟肢体的三维渲染和显示。在对实际肢体的测试中，我们可以在受试者移动时关联和可视化控制信号。

展望未来

使用基于模型的设计，革命性的假肢团队已经交付了Proto 1, Proto 2，和第一个版本的VIE提前计划。目前，我们正在开发模块化假肢的详细设计，这个版本我们将交付给美国国防部高级研究计划局。

我们的许多合作机构将VIE作为一个测试平台，以继续改进他们的系统。我们预计，未来几年，VIE将继续作为一个平台，进一步发展假肢和神经科学。我们的团队已经建立了一个开发过程，我们可以使用可重用模型快速组装系统，并在原型硬件上实现，不仅为革命性的假肢项目，而且为相关项目。

当我们面对建立一个机械电子系统来模拟自然运动的挑战时，我们努力匹配我们的志愿者和截肢人群每天展示的毅力和承诺。

批准公开发行，无限发行。