即插即用模塊設計呼喚創(chuàng )新

　　幾年前，所有上肢假肢都采用模擬控制，也就是說(shuō)，用戶(hù)完全要靠上肢肌肉運動(dòng)來(lái)控制假肢。如果被截肢者不能完全使用上肢肌肉，那么就難以使用假肢，或者只能用假肢實(shí)現一小部分功能。

　　假肢的抓握力由單一的預定義力量大小決定，也就是說(shuō)，舉起重物和握雞蛋、握小孩子手所用的力量是一樣的。此外，傳統的假肢只能同時(shí)控制三個(gè)部位，即肘、腕以及手。

　　不過(guò)，現在的新一代假肢采用基于信號處理的先進(jìn)馬達控制技術(shù)，大幅改善了假肢的功能。Liberating Technologies 公司推出的波士頓數字假肢產(chǎn)品 (Boston Digital Arm) 為被截肢者提供了可大幅提高靈活性和功能性的獨特上肢假肢，這很大程度上要歸功于德州儀器 (TI) 的 TMS320C2000™ 數字信號控制器所具備的優(yōu)化性能和集成功能。

　　通過(guò)充分利用基于數字信號處理器 (DSP) 的控制技術(shù)，波士頓數字上肢假肢產(chǎn)品使用戶(hù)能夠控制五個(gè)部位的運動(dòng)，而其他的業(yè)界同類(lèi)競爭方案只能控制三個(gè)部位。此外，該新型假肢還可實(shí)現史無(wú)前例的靈活性與可編程性，能夠為用戶(hù)提供優(yōu)化的定制解決方案，從而使假肢更趨近于真正的手臂，其敏感度大為提高，抓握時(shí)還能使用不同的力量。

　　為假肢選擇核心處理器

　　在 Liberating Technologies 開(kāi)發(fā)波士頓數字假肢系統時(shí)，他們同時(shí)考慮采用了微控制器 (MCU) 與數字信號控制器。不過(guò)，這時(shí)的問(wèn)題在于，傳統的模擬系統只能提供三種運動(dòng)方向，微控制器似乎很難超過(guò)這一數量。

　　Liberating Technology 公司總裁 Bill Hanson 指出：“我們希望實(shí)現盡可能多方向上的運動(dòng)，我們堅信，只要新的功能一推出，被截肢者肯定會(huì )有需要的。我們認識到，我們需要采用高級信號處理技術(shù)來(lái)實(shí)現計劃中的功能，因此我們選擇了數字信號控制器。”

　　波士頓數字假肢系統采用 TI 的 Code Composer Studio™ 集成開(kāi)發(fā)環(huán)境 (IDE) 進(jìn)行開(kāi)發(fā)，用戶(hù)上肢未受損傷的一塊或多塊肌肉生成的信號對假肢進(jìn)行控制。TI 推出的運算放大器與儀表放大器能夠檢測、調節并放大肌肉生成的相關(guān)信號。然后 C2000 數字信號控制器則檢測信號強度，將其與其他傳感器的信號相對比，并決定用多大的電壓來(lái)驅動(dòng)肘部、腕部以及手部的馬達。

　　數字信號控制器實(shí)現優(yōu)化的馬達控制

　　Liberating Technologies 的工程師采用控制器的 DSP 處理功能和馬達控制外設生成多個(gè)脈寬調制(PWM) 輸出，以便有效驅動(dòng)三相無(wú)刷直接驅動(dòng) DC 馬達，這些馬達用于控制假肢的運動(dòng)?；?MCU 的解決方案需要兩個(gè) MCU 才能帶動(dòng)三個(gè)馬達，而僅需一顆數字信號控制器就能驅動(dòng)五個(gè)馬達，若采用插件模塊 (add-on module)，甚至還能驅動(dòng) 9 部馬達。

　　增加受控馬達的數量，就意味著(zhù)被截肢者相對于以前的技術(shù)方案而言能控制更多的假肢部位，此前的技術(shù)只能操作肘部、腕部和手部，而 Liberating Technologies 現在還能實(shí)現上肢肩部的機械運動(dòng)，這樣被截肢者就能在行走時(shí)自然擺臂，再也不會(huì )發(fā)生手臂尷尬地垂在身側的情況了。

　　DSP 強大的處理功能使 Liberating Technologies 能轉而采用三相馬達，扭矩達到 10 尺磅，比采用MCU 技術(shù)的業(yè)界同類(lèi)競爭解決方案的升舉能力 (lifting power) 大三到四倍。我們通過(guò)改變PWM 模塊的占空比來(lái)控制馬達的電壓，占空比則由 PID 模塊來(lái)控制。這種方法能持續監視并調節定子電流，實(shí)現正確的操作速度，避免會(huì )導致用戶(hù)發(fā)生定位故障的突入電流。

　　控制手的抓握力

　　控制器的可編程性是波士頓數字假肢系統的關(guān)鍵組成部分。數字信號控制器經(jīng)過(guò)編程，可監控馬達的耗電情況，并將相關(guān)信號反饋給控制器以實(shí)現閉環(huán)控制方案。如果馬達達到預設的用電限度，那么就會(huì )降速，避免其消耗電池電量過(guò)快或者導致系統過(guò)熱。

　　給假肢的供電也有限制，避免設備在執行握手和拿握雞蛋等物品時(shí)用力過(guò)大。與許多其他假肢不同，波士頓數字假肢系統使用戶(hù)能根據不同的任務(wù)控制并調節抓握力度。此外，有的假肢外表還采用仿真皮膚技術(shù)，成本約 5,000 至 8,000 美元。由于限制了假肢的用力，我們能大幅延長(cháng)假肢表皮的使用壽命。

　　該公司此外還利用控制器的靈活性對假肢安裝的不同設備(如手、鉤子、夾子等)設置不同的功率限制，不同設備的力度存儲在數字信號控制器的查詢(xún)表中。Liberating Technologies 還就如何向使用者反饋假肢使用的力度檢測不同的方法，幫助用戶(hù)控制假肢的用力大小。目前，我們根據每次脈沖來(lái)限制電流的大小，由比較器根據可編程的輸入級加以控制。今后可能的方法之一是根據用力大小反饋不同音量的聲音指示。

　　使用者皮膚上安裝的微型傳感器可捕獲肌肉收縮時(shí)生成的肌電信號。信號強度較低，這意味著(zhù)信號易受環(huán)境噪聲(如熒光燈產(chǎn)生的噪聲)的干擾。DSP 具備的數字濾波執行功能使 Liberating Technologies 能夠對可選的陷波濾波器進(jìn)行輕松編程，其工作頻率為 60 Hz，適用于美國假肢;但若工作頻率為 50 Hz 時(shí)則適用于歐洲的假肢。將上述功能相集成，就意味著(zhù) Liberating Technologies 能夠避免添加外部分立式組件，但如果采用模擬電子器件和微處理器而非 DSP 技術(shù)的話(huà)，那么就不得不需要外部組件的幫助了。

　　提供豐富的控制方案

　　上一代上肢假肢產(chǎn)品只能采用單一的控制方案，用戶(hù)通過(guò)運動(dòng)二頭肌和三頭肌來(lái)移動(dòng)手臂。這種方法適用于大多數用戶(hù)，但如果病人的上肢肌肉損壞，就不能使用這種假肢。波士頓數字假肢系統的突破性特點(diǎn)之一在于，控制器非常靈活，輸入/輸出 (I/O) 功能很強，能對設備進(jìn)行多種控制方案的編程，這就意味著(zhù)這種上肢假肢對患者的不同需要具有很強的適應性。

　　舉例來(lái)說(shuō)，采用 Liberating Technologies 產(chǎn)品的患者以前是電工，因為不小心碰到高壓線(xiàn)而丟掉了雙臂。醫生給他肩膀、肘部、腕部以及手部斷裂的神經(jīng)做了處理，連接到大胸肌。這樣，如果患者的大腦發(fā)送“活動(dòng)肘部”或“轉動(dòng)腕部”信號，那么他的大胸肌就會(huì )反應。Liberating Technologies 對波士頓數字假肢進(jìn)行編程，使其能夠響應于胸部肌肉的運動(dòng)，從而使馬達進(jìn)行適當的運動(dòng)。自數字假肢推出以來(lái)，該公司已經(jīng)推出了 36 種控制方案，而且仍在不斷增加新的控制方案。

　　數字信號控制器的嵌入式閃存存儲器和現場(chǎng)可再編程性使 Liberating Technologies 能用新軟件不斷更新并定制波士頓數字假肢?，F在，患者可購買(mǎi)預編程的通用系統，經(jīng)過(guò)遠程再編程，該系統可采用 Liberating Technologies 的任何控制方案。

　　Hanson 指出：“患者可不斷試用不同的控制方案，直至找到最合適的為止。我們只需坐在辦公室里監視患者手臂發(fā)出的信號，即時(shí)進(jìn)行調節即可，從而獲得最佳的控制方案。最近，我們?yōu)閮杉绮课唤刂幕颊咄瞥隽艘环N帶有語(yǔ)音指令的系統，這種系統是史無(wú)前例的，非常之靈活。”