马达控制成功案例： 先进的信号处理技术大幅改善假肢功能

作者：Chris Clearman，德州仪器 C2000 应用产品部

几年前，所有上肢假肢都采用模拟控制，也就是说，用户完全要靠上肢肌肉运动来控制假肢。如果被截肢者不能完全使用上肢肌肉，那么就难以使用假肢，或者只能用假肢实现一小部分功能。

假肢的抓握力由单一的预定义力量大小决定，也就是说，举起重物和握鸡蛋、握小孩子手所用的力量是一样的。此外，传统的假肢只能同时控制三个部位，即肘、腕以及手。

不过，现在的新一代假肢采用基于信号处理的先进马达控制技术，大幅改善了假肢的功能。Liberating Technologies 公司推出的波士顿数字假肢产品 (Boston Digital Arm) 为被截肢者提供了可大幅提高灵活性和功能性的独特上肢假肢，这很大程度上要归功于德州仪器 (TI) 的 TMS320C2000? 数字信号控制器所具备的优化性能和集成功能。

通过充分利用基于数字信号处理器 (DSP) 的控制技术，波士顿数字上肢假肢产品使用户能够控制五个部位的运动，而其他的业界同类竞争方案只能控制三个部位。此外，该新型假肢还可实现史无前例的灵活性与可编程性，能够为用户提供优化的定制解决方案，从而使假肢更趋近于真正的手臂，其敏感度大为提高，抓握时还能使用不同的力量。

为假肢选择核心处理器

在 Liberating Technologies 开发波士顿数字假肢系统时，他们同时考虑采用了微控制器 (MCU) 与数字信号控制器。不过，这时的问题在于，传统的模拟系统只能提供三种运动方向，微控制器似乎很难超过这一数量。

Liberating Technology 公司总裁 Bill Hanson 指出：“我们希望实现尽可能多方向上的运动，我们坚信，只要新的功能一推出，被截肢者肯定会有需要的。我们认识到，我们需要采用高级信号处理技术来实现计划中的功能，因此我们选择了数字信号控制器。”

波士顿数字假肢系统采用 TI 的 Code Composer Studio? 集成开发环境 (IDE) 进行开发，用户上肢未受损伤的一块或多块肌肉生成的信号对假肢进行控制。TI 推出的运算放大器与仪表放大器能够检测、调节并放大肌肉生成的相关信号。然后 C2000 数字信号控制器则检测信号强度，将其与其他传感器的信号相对比，并决定用多大的电压来驱动肘部、腕部以及手部的马达。

数字信号控制器实现优化的马达控制

Liberating Technologies 的工程师采用控制器的 DSP 处理功能和马达控制外设生成多个脉宽调制(PWM) 输出，以便有效驱动三相无刷直接驱动 DC 马达，这些马达用于控制假肢的运动。基于 MCU 的解决方案需要两个 MCU 才能带动三个马达，而仅需一颗数字信号控制器就能驱动五个马达，若采用插件模块 (add-on module)，甚至还能驱动 9 部马达。

增加受控马达的数量，就意味着被截肢者相对于以前的技术方案而言能控制更多的假肢部位，此前的技术只能操作肘部、腕部和手部，而 Liberating Technologies 现在还能实现上肢肩部的机械运动，这样被截肢者就能在行走时自然摆臂，再也不会发生手臂尴尬地垂在身侧的情况了。

DSP 强大的处理功能使 Liberating Technologies 能转而采用三相马达，扭矩达到 10 尺磅，比采用MCU 技术的业界同类竞争解决方案的升举能力 (lifting power) 大三到四倍。我们通过改变PWM 模块的占空比来控制马达的电压，占空比则由 PID 模块来控制。这种方法能持续监视并调节定子电流，实现正确的操作速度，避免会导致用户发生定位故障的突入电流。

控制手的抓握力

控制器的可编程性是波士顿数字假肢系统的关键组成部分。数字信号控制器经过编程，可监控马达的耗电情况，并将相关信号反馈给控制器以实现闭环控制方案。如果马达达到预设的用电限度，那么就会降速，避免其消耗电池电量过快或者导致系统过热。

给假肢的供电也有限制，避免设备在执行握手和拿握鸡蛋等物品时用力过大。与许多其他假肢不同，波士顿数字假肢系统使用户能根据不同的任务控制并调节抓握力度。此外，有的假肢外表还采用仿真皮肤技术，成本约 5,000 至 8,000 美元。由于限制了假肢的用力，我们能大幅延长假肢表皮的使用寿命。

该公司此外还利用控制器的灵活性对假肢安装的不同设备（如手、钩子、夹子等）设置不同的功率限制，不同设备的力度存储在数字信号控制器的查询表中。Liberating Technologies 还就如何向使用者反馈假肢使用的力度检测不同的方法，帮助用户控制假肢的用力大小。目前，我们根据每次脉冲来限制电流的大小，由比较器根据可编程的输入级加以控制。今后可能的方法之一是根据用力大小反馈不同音量的声音指示。

使用者皮肤上安装的微型传感器可捕获肌肉收缩时生成的肌电信号。信号强度较低，这意味着信号易受环境噪声（如荧光灯产生的噪声）的干扰。DSP 具备的数字滤波执行功能使 Liberating Technologies 能够对可选的陷波滤波器进行轻松编程，其工作频率为 60 Hz，适用于美国假肢；但若工作频率为 50 Hz 时则适用于欧洲的假肢。将上述功能相集成，就意味着 Liberating Technologies 能够避免添加外部分立式组件，但如果采用模拟电子器件和微处理器而非 DSP 技术的话，那么就不得不需要外部组件的帮助了。

提供丰富的控制方案

上一代上肢假肢产品只能采用单一的控制方案，用户通过运动二头肌和三头肌来移动手臂。这种方法适用于大多数用户，但如果病人的上肢肌肉损坏，就不能使用这种假肢。波士顿数字假肢系统的突破性特点之一在于，控制器非常灵活，输入／输出 (I/O) 功能很强，能对设备进行多种控制方案的编程，这就意味着这种上肢假肢对患者的不同需要具有很强的适应性。

举例来说，采用 Liberating Technologies 产品的患者以前是电工，因为不小心碰到高压线而丢掉了双臂。医生给他肩膀、肘部、腕部以及手部断裂的神经做了处理，连接到大胸肌。这样，如果患者的大脑发送“活动肘部”或“转动腕部”信号，那么他的大胸肌就会反应。Liberating Technologies 对波士顿数字假肢进行编程，使其能够响应于胸部肌肉的运动，从而使马达进行适当的运动。自数字假肢推出以来，该公司已经推出了 36 种控制方案，而且仍在不断增加新的控制方案。

数字信号控制器的嵌入式闪存存储器和现场可再编程性使 Liberating Technologies 能用新软件不断更新并定制波士顿数字假肢。现在，患者可购买预编程的通用系统，经过远程再编程，该系统可采用 Liberating Technologies 的任何控制方案。

Hanson 指出：“患者可不断试用不同的控制方案，直至找到较合适的为止。我们只需坐在办公室里监视患者手臂发出的信号，即时进行调节即可，从而获得较佳的控制方案。较近，我们为两肩部位截肢的患者推出了一种带有语音指令的系统，这种系统是史无前例的，非常之灵活。”

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