利用基于模型的设计开发世界上最先进的假肢臂

我们很少有人意识到，要完成像捡球这样简单的任务，神经、机械和感觉系统之间需要复杂的相互作用。为了创造一个能够自然运动的义肢，有必要模仿这些复杂的系统，以及它们之间复杂的相互作用，使用尖端的执行器、传感器、微处理器和嵌入式控制软件。这就是我们在启动国防高级研究计划局(DARPA)假肢革新计划时所面临的挑战。

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目前任何假肢的假肢。最终版本的手臂将拥有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、灵巧和力量移动。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。

一个关键的项目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正在实现二十多个合作伙伴组织的领域专家之间的协作。

使用MathWorks工具的基于模型的设计被用于开发的其他关键阶段，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。

虚拟集成环境体系结构

VIE架构由五个主要模块组成:输入、信号分析、控制、工厂和表示。

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(emg)、皮层和周围神经植入物、植入式肌电传感器(IMESs)以及用于开关、操纵杆和临床医生使用的其他控制源的更传统的数字和模拟输入。信号分析模块负责信号处理和滤波。更重要的是，这个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，并将该意图传达给控件模块。在控制模块中，这些命令被映射到控制驱动肢体、手和手指的单个电机的电机信号。

植物模块由肢体力学的物理模型组成。Presentation模块生成手臂运动的三维渲染(图1)。

与神经系统连接

金宝app^®VIE对于开发神经系统接口至关重要，可以自然直观地控制假肢系统。研究人员记录来自植入神经设备的数据，同时受试者在虚拟环境中执行任务，如伸手拿球。VIE模块化输入系统接收这些数据，并通过MATLAB^®算法通过使用模式识别将神经活动与受试者的运动相关联来解码受试者的意图(图2)。结果被集成回VIE中，在那里可以实时运行实验。

同样的工作流程已经被用于开发各种输入设备，其中一些已经在芝加哥康复研究所由假肢用户进行测试。

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中开发各个算法，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，我们生成了完整系统的代码，包括Simulink和嵌入式MATLAB组件，以及实时车间金宝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，对设计进行优化和验证。我们能够在投入特定硬件平台之前快速构建和测试虚拟原型系统。使用Real-Time Workshop Embedded Coder™，我们为处理器生成了特定于目标的代码。由于代码是由经过安全测试和仿真验证的Simulink系统模型生成的，因此没金宝app有可能引入错误或计划外行为的手工编码步骤。因此，我们有高度的信心，模块化假肢将执行预期和设计。

物理建模与可视化

为了对我们的控制系统进行闭环模拟，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组装开始^®我们的合作伙伴。我们使用CAD组件自动生成连接到Simulink控制系统的肢体SimMechanics™模型。金宝app

最后，我们将植物模型与南加州大学开发的Java™3D渲染引擎连接起来，以显示在模拟环境中移动的虚拟肢体。

临床应用

有了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)管理志愿者受试者的测试会话。

临床医生在一台与运行控制软件的xPC目标系统实时通信的主机PC上与该应用程序交互。第三台PC机用于虚拟肢体的3D渲染和显示。在对实际肢体进行测试时，我们可以在受试者移动时关联并可视化控制信号。

展望未来

通过基于模型的设计，革命性义肢团队已经提前交付了Proto 1、Proto 2和VIE的第一个版本。目前，我们正在开发模块化假肢的详细设计，我们将向DARPA交付该版本。

我们的许多合作机构都将VIE作为不断改进系统的测试平台，我们预计VIE在未来几年将继续作为假肢和神经科学进一步发展的平台。我们的团队已经建立了一个开发流程，我们可以使用该流程从可重复使用的模型快速组装系统，并在原型硬件上实现，不仅适用于“革命性假肢”项目，也适用于相关项目。

当我们面对建立一个模拟自然运动的机电系统的挑战时，我们努力匹配我们的志愿者受试者和截肢者每天所表现出的毅力和承诺。

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