Entwicklung der modernsten Armprothese der沿条麻省理工学院基于模型的设计

努尔wenigen冯爹妈是das明智Wechselspiel神经,mechanische和sensorischer Systeme bewusst, das erforderlich坚持,嗯这么简单Aufgaben是不是大约das差别性比照下进行球祖茂堂bewaltigen。男人要是一张Armprothese麻省理工学院naturlichem Bewegungsprofil schaffen将丹弄乱人sowohl这komplexen Einzelsysteme als欧什您diffizilen Interaktionen mithilfe modernster Aktuatoren, Sensoren, Mikroprozessoren和eingebetteter Regelungs——和Steuerungssoftware nachbilden。这位Herausforderung stellten西奇Forscher der国防高级研究计划局(DARPA)在ihrem方针„革命性修复”。

Das约翰霍普金斯大学应用物理实验室(APL) der帽子死在einem Federfuhrung来自Regierungseinrichtungen, Universitaten和privatwirtschaftlichen Unternehmen bestehenden, weltweiten团队,Das西奇死Entwicklung静脉Armprothese zum ziel4 gesetzt帽子,死阿莱bislang verfugbaren Prothesen魏特ubertreffen soll后。死endgultige版本des武器将超级Regelungsalgorithmen verfugen,死的军队Nervenimpulse gesteuert了和es民主党载体ermoglichen,麻省理工学院der Geschwindigkeit Geschicklichkeit和卡夫进行祖茂堂agieren echten武器。军队modernste Sensor-Feedback-Methoden将男人该死zudem物理Eindrucke她德鲁克,卡夫和温fuhlen能帮。静脉zentraler Meilenstein des Projekts战争死Entwicklung der虚拟集成环境(VIE),静脉mithilfe冯MathWorks-Tools和基于模型的设计aufgebauten Umgebung苏珥模拟kompletter Gliedmaßensysteme。

军队您standardisierte Architektur和wohldefinierten Schnittstellen ermoglicht死VIE死Kooperation冯Fachexperten来自超级请来两Dutzend Partnerorganisationen。基于模型的设计麻省理工学院MathWorks-Tools锦欧什anderen Schlusselphasen der Entwicklung zum Einsatz:贝der Modellierung der Gliedmaßenmechanik,民主党Testen诺伊尔神经Dekodier-Algorithmen和der Entwicklung Verifikation der Steuerungs——和Regelungsalgorithmen。

Architektur der虚拟集成环境

死Architektur der VIE besteht来自新建Hauptmodulen: Eingang, Signalanalyse, Steuerung / Regelung Regelstrecke Darstellung。Das Eingangsmodul enthalt samtliche Eingabegerate,麻省理工学院deren帮助Patienten您Absichten signalisieren能帮:Oberflachen-Elektromyogramme (emg) kortikale和periphere Neuroimplantate, implantierbare myoelektrische Sensoren (ime)和konventionellere注册的和analoge Eingaben皮毛Schalter,操纵杆和安德利果汁在大幅减退der klinischen verwendete Steuereingabe-Gerate。死entscheidende Aufgabe这本模块是河口,死Rohdaten mithilfe冯Mustererkennungs-Algorithmen祖interpretieren daraus死Absichten des Nutzers abzuleiten和一个das Regelungsmodul weiterzugeben。Im Regelungsmodul了这Befehle在Motorsignale umgewandelt, welche gezielt死einzelnen苏珥Bewegung冯的手臂,手和Fingern vorhandenen Aktuatoren ansteuern。Das Regelstrecken-Modul besteht来自einem physikalischen莫德尔der Mechanik des的手臂。Das Darstellungsmodul schließlich erzeugt一张dreidimensionale (3 d)动画der Armbewegung (Abb。1)。

Verbindung麻省民主党Nervensystem

万博1manbetx^®地和死VIE unentbehrliche Bestandteile贝der Entwicklung静脉Schnittstelle,麻省理工学院der西奇死Prothese怀斯方向行驶lasst naturliche汪汪汪和直观。死Forscher zeichnen Daten冯implantierten Neurochips,在内在der Probanden virtuellen Umgebung Aufgaben是不是das Greifen ausfuhren全线球。死modularen Eingabesysteme der VIE empfangen这Daten,来自denen MATLAB^®-Algorithmen死Absicht des Probanden军队一张Mustererkennung ableiten,死的死在Beziehung Nervenaktivitat苏珥Bewegung des Probanden setzt (Abb。2)。在VIE zuruckgespeist死去,死在Ergebnisse了麻省理工学院der西奇solche Experimente在Echtzeit durchfuhren拉森。麻省民主党gleichen工作流,一张ganze Reihe冯Eingabegeraten entwickelt,冯denen einige bereits冯麻省理工学院人类Prothesen是芝加哥康复研究所getestet了。

构造冯Prototypen静脉Echtzeitansteuerung

死Signalanalyse——和Regelungs-Module der VIE bilden das赫兹des Steuerungs——和Regelungssystems das不可或缺der Entwicklung在der Armprothese zum Einsatz来了将。是APL,死entwickelt毛皮这软件模块。死einzelnen Algorithmen wurden麻省民主党嵌入式MATLAB™entwickelt子集和丹als Funktionsblocke ein Simulink-Modell integriert des万博1manbetx系统。Zum构造进行Echtzeitprototypen des Steuerungs——和Regelungssystems erzeugte das团队麻省理工学院实时的车间^®Programmcode毛皮das对来自仿真软件——和嵌入式MAT万博1manbetxLAB-Komponenten bestehende系统和testete den代码改einem xPC目标™Echtzeitsystem。

这张Vorgehensweise机器人有Vorteile。麻省理工学院的基于模型的设计和仿真软件ließ西奇da万博1manbetxs对整个系统modellieren和丹Simulationen optimieren verifizieren。Der Prototyp konnte mittels快速原型aufgebaut和兰格伏尔Der没有毛皮bestimmte Hardwareplattform getestet了。麻省理工学院的车间实时嵌入式编码器™,schließlich Zielsystem-spezifischer代码毛皮窝gewahlten Prozessor来自民主党Simulink-Modell generiert des系统。万博1manbetx这本Simul万博1manbetxink-Modell战争mittels Simulationen hinsichtlich Sicherheit getestet和verifiziert危险,战争和es keinerlei manuelle Programmierung erforderlich,死Fehler奥得河unbeabsichtigtes Verhalten想einschleppen能帮。死Entwickler德国也darauf vertrauen dass西奇,《国际卫生条例》‚模块化假肢的exakt verhalt是不是beabsichtigt。

物理Modellierung和Visualisierung

嗯Closed-Loop-Simulationen des Steuerungs——和Regelungssystems durchfuhren祖能帮entwickelte das APL静脉Streckenmodell, das Tragheitseigenschaften des武器wiedergab死去。在SolidWorks窝Ausgangspunkt bildeten冯Partnern^®entwickelte CAD-Assemblies der Armkomponenten,来自denen automatisch静脉SimMechanics™莫德尔des手臂generiert和das das Steuerungs——在仿真软件和Regelungssystem gekoppelt,。万博1manbetx这本Streckenmodell,丹麻省理工学院静脉der南加州大学entwickelten Java™3 d-grafik-engine verbunden,麻省理工学院der死Bewegung des手臂静脉simulierten Umgebung animiert了萤石。

Klinische Anwendung

Auf基础des leistungsfahigen virtuellen系统konnte das APL zusatzlich一张直观Umgebung毛皮死klinische劳动schaffen,麻省理工学院der das系统konfiguriert和trainiert了萤石。死klinischen Forscher能帮mithilfe静脉在MATLAB erzeugten grafischen Benutzeroberflache参数der VIE konfigurieren和Testsitzungen麻省理工学院freiwilligen Probanden durchfuhren (Abb。3)。死Arzte interagieren麻省理工学院der auf einem主机pc laufenden Anwendung,死wiederum麻省民主党xPC目标系统kommuniziert,民主党汪汪汪死Steuerungs——和Regelungssoftware Echtzeit ausgefuhrt将。静脉dritter Rechner ubernimmt das 3 d渲染和死Darstellung des virtuellen武器。在测试中麻省理工学院echten Gliedmaßen能帮Ansteuersignale korreliert和visualisiert了,当西奇der渊源者bewegt。

Ausblick

麻省理工学院基于模型设计的帽子das„革命性修复“团队死Versionen原型1和原型2和死奥地利第一储蓄版本der VIE erheblich fruher als geplant fertiggestellt。Zurzeit将一个einem detaillierten设计des模块化假肢gearbeitet der版本,死schließlich一个死DARPA ubergeben将。

有Partnerinstitutionen nutzen死VIE als Testumgebung毛皮死weitere Verbesserung我和。死VIE将voraussichtlich带毛皮einige四年死Plattform毛皮weitere Entwicklungen在der Prothetik和Neurowissenschaft呆着。Das APL-Team帽子杯Entwicklungsworkflow aufgestellt,麻省理工学院民主党西奇和在kurz时间来自wiederverwendbaren Modellen aufbauen改Prototypenhardware implementieren拉森,和冯民主党不努尔Das Projekt„革命性修复”profitiert, sondern欧什weitere angeschlossene计划。

Ohne Einschrankung苏珥Veroffentlichung freigegeben。