利用基于模型的设计开发世界上最先进的假肢手臂

我们很少有人意识到，要完成像捡球这样简单的任务，神经系统、机械系统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假肢，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，使用先进的执行器、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)革新假肢项目时所面临的挑战。

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，其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，使佩戴者能够以真正手臂的速度、灵巧和力量移动。先进的感官反馈技术将使人们能够感知物理输入，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实现了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、设备和表示。

输入模块包括所有的输入设备，患者可以使用其信号意图，包括表面肌电图(emg)，皮质和周围神经植入物，植入式肌电传感器(IMESs)和更传统的数字和模拟输入开关，操纵杆，和临床医生使用的其他控制源。信号分析模块负责信号处理和滤波。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，并将该意图传递给Controls模块。在Controls模块中，这些命令被映射到控制驱动肢体、手和手指的单个马达的电机信号。

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

动态仿真模块^®和VIE对于开发神经系统接口至关重要，使假肢系统能够自然和直观地控制。当受试者在虚拟环境中执行诸如伸手拿球等任务时，研究人员从植入的神经设备中记录数据。VIE模块化输入系统接收这些数据，MATLAB^®算法通过使用模式识别来将神经活动与受试者的运动联系起来，从而解码受试者的意图(图2)。结果被集成回VIE中，在VIE中可以实时运行实验。

同样的工作流程被用于开发各种类型的输入设备，其中一些已经在芝加哥康复研究所的假肢用户中进行了测试。

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中开发各个算法，然后作为功能块集成到系统的Simulink模型中。为了创建控制系统的实时原型，我们用real-time Workshop为整个系统生成了代码，包括Simulink和嵌入式MATLAB组件^®，并将此代码部署到xPC Target™。

这种方法有许多优点。利用基于模型的设计(Model-Based Design)和Simulink对整个系统进行建模和仿真，对设计进行优化和验证。在投入到特定的硬件平台之前，我们能够快速构建和测试一个虚拟原型系统。使用Real-Time Workshop Embedded Coder™，我们为处理器生成了特定于目标的代码。因为代码是由经过安全测试和仿真验证的Simulink系统模型生成的，所以没有手工编码步骤会引入错误或计划外行为。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。我们从在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中的控制系统相链接的肢体的SimMechanics™模型。

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，以显示在模拟环境中移动的虚拟肢体。

临床应用

鉴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管理志愿者受试者的测试会话(图3)。

临床医生在与运行实时控制软件的xPC目标系统通信的主机PC上与该应用程序进行交互。第三台PC机用于虚拟肢体的3D渲染和显示。在实际的肢体测试中，我们可以关联和可视化控制信号，而主体在移动。

展望未来

通过基于模型的设计，革命修复团队提前交付了Proto 1、Proto 2和VIE的第一版。目前我们正在开发模块化假肢的详细设计，这个版本我们将提交给DARPA。

我们的许多合作机构将VIE作为他们继续改进系统的测试平台，我们预计VIE将在未来几年继续作为假肢和神经科学领域进一步发展的平台。我们的团队已经建立了一个开发过程，我们可以使用它从可重用的模型快速组装系统，并在原型硬件上实现，不仅用于革命假肢项目，也用于相关的程序。

当我们面对建立一个模拟自然运动的机电一体化系统的挑战时，我们努力与我们的志愿者和截肢者每天表现出的毅力和承诺相匹配。

批准公开发行，不限次数发行。