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）是领先的全球团队，包括政府机构，大学和私营公司，其使命是开发远远超过当今任何假肢提供假肢。臂的最终版本将具有通过神经的投入，使佩戴者的速度，灵巧移动驱动控制算法，和一个真正的手臂用力。高级感觉反馈技术将使物理输入，诸如压力，力和温度的感知。
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。
虚拟一体化环境体系结构
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)。
与神经系统的接口
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。
相同的工作流程已被用于开发各种，其中一些已经被假肢用户在芝加哥康复研究所测试的输入设备。
构建实时控制器原型
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™。
这种做法带来了许多好处。使用基于模型的设计与仿真，我们模拟的完整体系，并模拟它来优金宝app化和验证设计。我们能够承诺一个特定的硬件平台之前，迅速建立和测试虚拟样机系统。具有实时车间嵌入式编码™我们生成目标特定的代码为我们的处理器。因为代码是从Simulink的系统模型已经经过安全测试，并通过仿真验证产生金宝app的，没有手工编码步骤可能引入错误或意外行为。因此，我们有高度的信心，按照预期和设计的模块化假肢将执行。
物理建模与可视化
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®通过我们的合作伙伴。我们使用CAD装配自动生成链接到我们在Simulink控制系统肢体的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。
临床医生与主机电脑，通过xPC目标系统进行通信运行实时控制软件对这个应用程序进行交互。第三PC用于3D渲染和虚拟肢体的显示。在实际肢体测试中，我们可以关联和可视化控制信号而被摄物体移动。
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。
我们的许多合作伙伴机构使用VIE作为一个试验台，因为他们不断提高自己的系统，我们可以想象VIE继续作为假肢和神经科学进一步发展的平台，为今后几年。我们的团队已经建立了一个发展的过程，我们可以使用快速装配可重复使用的模型系统和原型硬件实现，不仅为彻底变革假肢项目，但相关方案，以及。
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。
获准公开发行，散发无限。
在最后期限前模仿自然
开发一个复制的自然运动的机电一体化系统，并在短短四年时间准备它的临床试验，由DARPA的授权，需要在神经控制，感官输入，先进的机械和执行器，以及假体的设计突破。
当今最先进的假臂通常只有三个活动自由度:肘部弯曲/伸展、手腕旋转和握力打开/关闭。我们的第一个原型Proto 1增加了5个自由度，包括肩部的两个活动自由度(弯曲/伸展和内/外旋转)、手腕弯曲/伸展和额外的握手。为了模仿自然运动，我们需要超越《proto1》的进步。
Proto 2是作为机电式概念验证而开发的，具有超过22度的自由度，包括肩部(外展/内收)、手腕(桡骨/关节偏移)和手指的独立关节。手也可以被指挥成多个高度功能协调的“抓握”。
模块化假肢——我们将交付给darpa的版本——将有27个自由度，以及感知温度、接触、压力和振动的能力。
