作者：Chris Clearman，德州儀器 C2000 應(yīng)用產(chǎn)品部

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(yùn)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(xiàn)一小部分功能。

假肢的抓握力由單一的預(yù)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(tǒng)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(xiàn)在的新一代假肢采用基于信號(hào)處理的先進(jìn)馬達(dá)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(shù)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(dú)特上肢假肢，這很大程度上要?dú)w功于德州儀器 (TI) 的 TMS320C2000? 數(shù)字信號(hào)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(shù)字信號(hào)處理器 (DSP) 的控制技術(shù)，波士頓數(shù)字上肢假肢產(chǎn)品使用戶(hù)能夠控制五個(gè)部位的運(yùn)動(dòng)，而其他的業(yè)界同類(lèi)競(jìng)爭(zhēng)方案只能控制三個(gè)部位。此外，該新型假肢還可實(shí)現(xiàn)史無(wú)前例的靈活性與可編程性，能夠?yàn)橛脩?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(shù)字假肢系統(tǒng)時(shí)，他們同時(shí)考慮采用了微控制器 (MCU) 與數(shù)字信號(hào)控制器。不過(guò)，這時(shí)的問(wèn)題在于，傳統(tǒng)的模擬系統(tǒng)只能提供三種運(yùn)動(dòng)方向，微控制器似乎很難超過(guò)這一數(shù)量。

Liberating Technology 公司總裁 Bill Hanson 指出：“我們希望實(shí)現(xiàn)盡可能多方向上的運(yùn)動(dòng)，我們堅(jiān)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(rèn)識(shí)到，我們需要采用高級(jí)信號(hào)處理技術(shù)來(lái)實(shí)現(xiàn)計(jì)劃中的功能，因此我們選擇了數(shù)字信號(hào)控制器。”

波士頓數(shù)字假肢系統(tǒng)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(hào)對(duì)假肢進(jìn)行控制。TI 推出的運(yùn)算放大器與儀表放大器能夠檢測(cè)、調(diào)節(jié)并放大肌肉生成的相關(guān)信號(hào)。然后 C2000 數(shù)字信號(hào)控制器則檢測(cè)信號(hào)強(qiáng)度，將其與其他傳感器的信號(hào)相對(duì)比，并決定用多大的電壓來(lái)驅(qū)動(dòng)肘部、腕部以及手部的馬達(dá)。

數(shù)字信號(hào)控制器實(shí)現(xiàn)優(yōu)化的馬達(dá)控制

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

增加受控馬達(dá)的數(shù)量，就意味著被截肢者相對(duì)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(xiàn)在還能實(shí)現(xiàn)上肢肩部的機(jī)械運(yùn)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(cè)的情況了。

DSP 強(qiáng)大的處理功能使 Liberating Technologies 能轉(zhuǎn)而采用三相馬達(dá)，扭矩達(dá)到 10 尺磅，比采用MCU 技術(shù)的業(yè)界同類(lèi)競(jìng)爭(zhēng)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(dá)的電壓，占空比則由 PID 模塊來(lái)控制。這種方法能持續(xù)監(jiān)視并調(diào)節(jié)定子電流，實(shí)現(xiàn)正確的操作速度，避免會(huì)導(dǎo)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(shù)字假肢系統(tǒng)的關(guān)鍵組成部分。數(shù)字信號(hào)控制器經(jīng)過(guò)編程，可監(jiān)控馬達(dá)的耗電情況，并將相關(guān)信號(hào)反饋給控制器以實(shí)現(xiàn)閉環(huán)控制方案。如果馬達(dá)達(dá)到預(yù)設(shè)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(dǎo)致系統(tǒng)過(guò)熱。

給假肢的供電也有限制，避免設(shè)備在執(zhí)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(shù)字假肢系統(tǒng)使用戶(hù)能根據(jù)不同的任務(wù)控制并調(diào)節(jié)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(zhǎng)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(duì)假肢安裝的不同設(shè)備（如手、鉤子、夾子等）設(shè)置不同的功率限制，不同設(shè)備的力度存儲(chǔ)在數(shù)字信號(hào)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(cè)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(jù)每次脈沖來(lái)限制電流的大小，由比較器根據(jù)可編程的輸入級(jí)加以控制。今后可能的方法之一是根據(jù)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(hào)。信號(hào)強(qiáng)度較低，這意味著信號(hào)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(shù)字濾波執(zhí)行功能使 Liberating Technologies 能夠?qū)蛇x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(guó)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 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(yùn)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(shù)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(shù)字假肢系統(tǒng)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(qiáng)，能對(duì)設(shè)備進(jìn)行多種控制方案的編程，這就意味著這種上肢假肢對(duì)患者的不同需要具有很強(qiáng)的適應(yīng)性。

舉例來(lái)說(shuō)，采用 Liberating Technologies 產(chǎn)品的患者以前是電工，因?yàn)椴恍⌒呐龅礁邏壕€(xiàn)而丟掉了雙臂。醫(yī)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(zhuǎn)動(dòng)腕部”信號(hào)，那么他的大胸肌就會(huì)反應(yīng)。Liberating Technologies 對(duì)波士頓數(shù)字假肢進(jìn)行編程，使其能夠響應(yīng)于胸部肌肉的運(yùn)動(dòng)，從而使馬達(dá)進(jìn)行適當(dāng)?shù)倪\(yùn)動(dòng)。自數(shù)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(shù)字信號(hào)控制器的嵌入式閃存存儲(chǔ)器和現(xiàn)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(shù)字假肢?，F(xiàn)在，患者可購(gòu)買(mǎi)預(yù)編程的通用系統(tǒng)，經(jīng)過(guò)遠(yuǎn)程再編程，該系統(tǒng)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(jiān)視患者手臂發(fā)出的信號(hào)，即時(shí)進(jìn)行調(diào)節(jié)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(tǒng)，這種系統(tǒng)是史無(wú)前例的，非常之靈活。”