开发世界上最先进的假肢使用基于模型的设计

很少有人意识到神经之间的复杂的相互作用,机械,感官系统需要执行一项任务简单捡球。创建一个假肢能够自然的运动,需要模拟这些复杂的系统,以及它们之间的复杂的相互作用,利用尖端的致动器、传感器、微处理器和嵌入式控制软件。这是我们面临的挑战,当我们开始了美国国防高级研究计划局(DARPA)革命性修复程序。

约翰霍普金斯大学应用物理实验室(APL)领导一个全球团队包括政府机构,大学,和私人公司的任务是开发一个假肢,远远超过任何假今天可用。手臂的最终版本将会控制算法由神经输入,使佩戴者移动的速度,灵活性,和一个真正的力量的手臂。先进的感觉反馈技术将使身体的感觉输入,如压力、力量,和温度。

关键项目里程碑是虚拟集成的开发环境(VIE),一个完整的肢体系统模拟环境使用MathWorks构建工具和基于模型的设计。标准化的架构和定义良好的接口,竞争中实现协作领域专家在20多个伙伴组织。

基于模型的设计与MathWorks工具用于其他包括肢体力学建模的关键阶段,测试新的神经解码算法,开发和验证控制算法。

虚拟集成环境架构

VIE结构由五个主要模块:输入,信号分析,控制,工厂,和表示。

输入模块包括信号的所有输入设备,病人可以使用他们的意图,包括表面肌电图(emg)、皮质和周围神经移植,移植肌传感器(ime)和更传统的数字和模拟的输入开关、操纵杆、和其他控制源由临床医师使用。信号分析模块执行信号处理和过滤。更重要的是,这个模块应用模式识别算法解释原始输入信号中提取用户的意图并传达意图的控制模块。在控制模块中,这些命令映射到电机信号,控制个人汽车开动肢体,手,手指。

植物模块由一个肢体的力学物理模型。表示模块产生一个三维(3 d)呈现手臂的运动(图1)。

与神经系统

万博1manbetx^®和竞争是必要的神经系统开发一个接口,允许自然和直观的控制假肢的系统。研究人员记录数据从神经装置植入物而受试者执行任务,如达到虚拟环境的一个球。VIE模块化输入系统接收这些数据,和MATLAB^®算法解码主题的意图通过使用模式识别与神经活动与主体的运动(图2)。结果集成回竞争,在实验可以实时运行。

同样的工作流程已经用于开发各种各样的输入设备,其中一些已经被假肢测试用户在芝加哥康复研究所。

建立实时原型控制器

竞争形式的信号分析和控制模块的核心控制系统最终将部署在假肢。在APL,我们开发的软件模块。各个算法在MATLAB使用嵌入式开发的MATLAB™子集,然后集成到一个系统的仿真软件模型作为功能块。万博1manbetx创建一个实时控制系统的原型,我们生成的代码的完整的系统,包括MATLAB仿真软件和嵌入式组件,实时的车间万博1manbetx^®这段代码和部署xPC目标™。

这种方法给城市带来了许多优势。使用基于模型的设计和仿真软件,我们完整的系统建模和模拟优化万博1manbetx和验证设计。我们能够快速构建和测试虚拟样机系统之前到一个特定的硬件平台。车间的实时嵌入式编码器™我们针对性的代码生成处理器。因为从仿真软件系统代码生成模型的安全测试表明,通过仿真验证,没有手动步骤,万博1manbetx可以引入错误或意外的行为。因此,我们有一个高度的信心,即模块化假肢将如期执行和设计。

物理建模和可视化

执行控制系统的闭环仿真,我们开发了一个植物模型表示系统惯性特性的肢体。我们开始与CAD设计SolidWorks肢体的组装组件^®我们的合作伙伴。我们使用CAD程序集自动生成一个SimMechanics™的肢体模型与控制系统仿真软件。万博1manbetx

最后,我们联系工厂模型的Java™开发的3 d渲染引擎南加州大学给一个虚拟肢体移动在一个模拟的环境。

临床应用

考虑到强大的虚拟系统框架,我们也能够创建一个有用的和直观的临床环境系统配置和培训。临床医生可以配置参数在竞争和管理测试会话与志愿受试者使用GUI,我们创建了MATLAB(图3)。

临床医生与这个应用程序在主机PC与xPC目标系统运行实时控制软件。第三个电脑是用于3 d渲染和显示的虚拟肢体。在测试中实际的肢体,我们能把和可视化控制信号而移动。

展望未来

使用基于模型的设计,革命性修复团队了原型1,原型2,提前VIE的第一个版本。目前我们正在开发一个模块化假肢的详细设计,我们将提供美国国防部高级研究计划局的版本。

我们的许多伙伴机构使用VIE作为一个测试床上继续完善自己的系统,我们设想VIE继续作为一个平台假肢和神经科学的进一步发展。我们的团队建立了一个发展过程,我们可以使用它来快速组装系统可重用模型和原型硬件上实现,不仅革命性修复项目相关的项目。

我们迎接挑战构建一个机电整合系统模拟自然的运动,我们努力与坚持和承诺,我们志愿者主题和截肢人群每天演示。

批准公开发行、销售无限的。