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。
Johns Hopkins大学应用物理实验室（APL）领导全球团队，包括政府机构，大学和私营公司，该公司的使命是发展的假肢臂，远远超过今天的任何假肢。ARM的最终版本将具有由神经输入驱动的控制算法，使得佩戴者能够以真正的臂的速度，灵巧和力移动。高级感官反馈技术将使物理输入的感知，例如压力，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。凭借标准化的体系结构和定义良好的接口，VIE正在二十多个合作伙伴组织中实现领域专家之间的协作。
使用MathWorks工具的基于模型的设计用于开发的其他关键阶段，包括肢体力学建模、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体系结构由五个主要模块组成：输入、信号分析、控制、设备和表示。
输入模块包括患者可以用来发出意图信号的所有输入设备，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（IMEs）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。信号分析模块执行信号处理和滤波。更重要的是，该模块应用模式识别算法，解释原始输入信号，提取用户意图，并将该意图传达给控制模块。在控制模块中，这些命令映射到控制驱动肢体、手和手指的各个电机的电机信号。
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)。
与神经系统相互作用
万博1manbetx®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的输入设备，其中一些已经被芝加哥康复研究所的假肢肢体用户进行了测试。
建立实时原型控制器
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。万博1manbetx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组件万博1manbetx®，并将此代码部署到xPC目标™.
这种方法带来了许多优势。使用基于模型的设计和Simulink，我们建模了完整的系统万博1manbetx并模拟它以优化和验证设计。在提交特定的硬件平台之前，我们能够快速构建和测试虚拟原型系统。使用实时研讨会嵌入式编码器™，我们为处理器生成了特定于目标的代码。因为代码是从已经通过仿真进行安全测试和验证的Simulink系统模型中生成万博1manbetx的，所以没有手动编码步骤可以引入错误或计划计划的行为。因此，我们的置信度高度置信，模块化假肢将按预期和设计的。
物理建模和可视化
为了对我们的控制系统进行闭环仿真，我们开发了一个表示肢体系统惯性特性的设备模型。我们从SolidWorks中设计的肢体部件的CAD装配开始®由我们的合作伙伴。我们使用CAD组件在Simulink中自动生成与我们的控制系统相关的肢体的SimMechanics™模型。万博1manbetx
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
借助强大的虚拟系统框架，我们还能够为系统配置和培训创建一个有用且直观的临床环境。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）与志愿者进行测试会话。
临床医生在主机PC上与此应用程序进行交互，该应用程序与实时运行控制软件的XPC目标系统通信。第三个PC用于3D渲染和虚拟肢体的显示。在实际肢体的测试期间，我们可以在主题移动时相关和可视化控制信号。
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。
我们的许多伴侣机构使用vie作为测试床，因为他们继续改善其系统，我们希望继续作为一个平台，以便在未来几年的假肢和神经科学中进一步发展的平台。我们的团队建立了一个开发过程，我们可以用来快速组装从可重复使用的模型并在原型硬件上实现系统，而不仅适用于革命性的假肢项目，而且还用于相关计划。
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。
批准公开发布，分布无限。
在最后期限前模仿自然
开发一种机电系统，使自然运动进行复制，并在仅仅四年内为临床试验提供临床试验，需要在DARPA的任务中，需要在神经控制，感官输入，先进的力学和执行器和假体设计中突破。
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”。
我们将交付给DARPA的模块化假肢版本将具有27个自由度，以及感知温度、接触、压力和振动的能力。
