我们几个都知道作为简单的执行任务，捡了球所需的神经，机械和感觉系统之间复杂的相互作用。以产生能够自然运动的假肢，有必要模仿这些复杂的系统，以及它们之间的复杂的相互作用，使用尖端的致动器，传感器，微处理器，和嵌入式控制软件。那是当我们踏上了美国国防部高级研究计划局（DARPA）革命化假肢程序我们面临的挑战。
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当今任何假肢的假肢。最终版本的假肢将配备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、灵活性和力量移动。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），使用MathWorks工具和基于模型的设计建立了一个完整的肢体系统仿真环境的发展。随着标准化的架构和定义良好的接口，将VIE在二十多个合作组织使领域专家之间的合作。
基于模型的设计与MathWorks工具用于开发的其他关键阶段 - 包括模拟肢体力学，测试新的神经解码算法，以及开发和验证控制算法。
虚拟集成环境架构
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于信号的所有输入装置，包括曲面肌电图（EMG），皮质和周围神经植入物，可植入的肌电传感器（膜式）和用于开关，操纵杆等的更多传统数字和模拟输入临床医生使用的控制来源。信号分析模块执行信号处理和过滤。更重要的是，该模块适用模式识别算法，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，这些命令映射到控制致动肢体，手和手指的单个电机的电动机信号。
该工厂模块由肢体力学的物理模型组成。演示模块产生手臂运动的三维（3D）渲染（图1）。
与神经系统的接口
万博1manbetx®并且VIE对于开发神经系统的界面至关重要，这允许对假肢系统的自然和直观控制进行自然和直观。研究人员从神经设备植入物中记录数据，而受试者执行任务，例如在虚拟环境中达到球。VIE模块化输入系统接收此数据和MATLAB®算法解码所述受试者的意图通过使用模式识别来关联神经活动与对象的运动（图2）。结果重新集成到VIE，在这里实验可以实时地运行。
同样的工作流程也被用于开发各种输入设备，其中一些设备已经在芝加哥康复研究所的假肢使用者那里进行了测试。
构建实时原型控制器
VIE的信号分析和控制模块形成了控制系统的心脏，最终将部署在假体臂中。在APL，我们开发了这些模块的软件。使用嵌入式MATLAB™子集在MATLAB中开发了个别算法，然后集成到系统的SIMULINK模型中作为功能块。万博1manbetx要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Embedded Matlab组件，具有实时研讨会万博1manbetx®，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，并模拟它来优万博1manbetx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万博1manbetx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。万博1manbetx
最后，我们链接的工厂模式，在南加州大学开发的，以显示虚拟肢体在模拟环境中移动的Java™3D渲染引擎。
临床应用
鉴于强大的虚拟系统的框架，我们还能够创建系统配置和培训的一种实用，直观的临床环境。临床医生可以配置在VIE参数和使用图形用户界面，我们在MATLAB创建（图3）志愿受试者管理测试阶段。
临床医生在一台主机上与该应用程序进行交互，该主机与实时运行控制软件的xPC Target系统进行通信。第三台PC用于虚拟肢体的三维渲染和显示。在对实际肢体的测试中，我们可以在受试者移动时关联和可视化控制信号。
展望未来
使用基于模型的设计，革命化假肢团队提供原1，原2和进度的VIE提前的第一个版本。目前，我们正在开发模块化假肢，我们将提供给DARPA的版本进行了详细的设计过程。
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。
正如我们符合建立模仿自然运动的机电系统的挑战，我们努力使我们的志愿者主题和截肢人口每天都在争执和截肢人口的斗争。
批准公开发行，无限发行。
在截止日期模仿自然
按照美国国防部高级研究计划局(DARPA)的要求，开发一种机械电子系统，复制自然运动，并在短短4年内为临床试验做准备，这需要在神经控制、感觉输入、高级机械和驱动器以及假肢设计方面取得突破。
今天最先进的假肢臂通常只有三个活跃的自由度：肘部弯曲/延伸，手腕旋转，握住打开/关闭。PROTO 1，我们的第一个原型，增加了五个更多的自由度，包括肩部（屈曲/延伸和内部/外旋转）的两个活跃的自由度，手腕屈曲/延伸和额外的手柄。为了模拟自然运动，我们需要远远超出ProTO 1的进步。
作为一种机电概念的机电证明的原型2具有超过22度的自由度，包括肩部（绑架/收缩），手腕（径向/非偏振）和独立关节的额外的侧面运动手指。手也可以被命令到多个高度功能协调的“掌握”中。
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。
