作者：Chris Clearman，德州儀器 C2000 應用產品部
幾年前，所有上肢假肢都采用模擬控制，也就是說，用戶完全要靠上肢肌肉運動來控制假肢。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，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控制三個部位，即肘、腕以及手。
不過，現在的新一代假肢采用基于信號處理的先進馬達控制技術，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化性能和集成功能。
通過充分利用基于數字信號處理器 (DSP) 的控制技術，波士頓數字上肢假肢產品使用戶能夠控制五個部位的運動，而其他的業界同類競爭方案只能控制三個部位。此外，該新型假肢還可實現史無前例的靈活性與可編程性，能夠為用戶提供優化的定制解決方案，從而使假肢更趨近于真正的手臂，其敏感度大為提高，抓握時還能使用不同的力量。
為假肢選擇核心處理器
在 Liberating Technologies 開發波士頓數字假肢系統時，他們同時考慮采用了微控制器 (MCU) 與數字信號控制器。不過，這時的問題在于，傳統的模擬系統只能提供三種運動方向，微控制器似乎很難超過這一數量。
Liberating Technology 公司總裁 Bill Hanson 指出：“我們希望實現盡可能多方向上的運動，我們堅信，只要新的功能一推出，被截肢者肯定會有需要的。我們認識到，我們需要采用高級信號處理技術來實現計劃中的功能，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? 集成開發環境 (IDE) 進行開發，用戶上肢未受損傷的一塊或多塊肌肉生成的信號對假肢進行控制。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驅動肘部、腕部以及手部的馬達。
數字信號控制器實現優化的馬達控制
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脈寬調制(PWM) 輸出，以便有效驅動三相無刷直接驅動 DC 馬達，這些馬達用于控制假肢的運動。基于 MCU 的解決方案需要兩個 MCU 才能帶動三個馬達，而僅需一顆數字信號控制器就能驅動五個馬達，若采用插件模塊 (add-on module)，甚至還能驅動 9 部馬達。
增加受控馬達的數量，就意味著被截肢者相對于以前的技術方案而言能控制更多的假肢部位，此前的技術只能操作肘部、腕部和手部，而 Liberating Technologies 現在還能實現上肢肩部的機械運動，這樣被截肢者就能在行走時自然擺臂，再也不會發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 技術的業界同類競爭解決方案的升舉能力 (lifting power) 大三到四倍。我們通過改變PWM 模塊的占空比來控制馬達的電壓，占空比則由 PID 模塊來控制。這種方法能持續監視并調節定子電流，實現正確的操作速度，避免會導致用戶發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鍵組成部分。數字信號控制器經過編程，可監控馬達的耗電情況，并將相關信號反饋給控制器以實現閉環控制方案。如果馬達達到預設的用電限度，那么就會降速，避免其消耗電池電量過快或者導致系統過熱。
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用力過大。與許多其他假肢不同，波士頓數字假肢系統使用戶能根據不同的任務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，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，幫助用戶控制假肢的用力大小。目前，我們根據每次脈沖來限制電流的大小，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生成的肌電信號。信號強度較低，這意味著信號易受環境噪聲（如熒光燈產生的噪聲）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 技術的話，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
上一代上肢假肢產品只能采用單一的控制方案，用戶通過運動二頭肌和三頭肌來移動手臂。這種方法適用于大多數用戶，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，能對設備進行多種控制方案的編程，這就意味著這種上肢假肢對患者的不同需要具有很強的適應性。
舉例來說，采用 Liberating Technologies 產品的患者以前是電工，因為不小心碰到高壓線而丟掉了雙臂。醫生給他肩膀、肘部、腕部以及手部斷裂的神經做了處理，連接到大胸肌。這樣，如果患者的大腦發送“活動肘部”或“轉動腕部”信號，那么他的大胸肌就會反應。Liberating Technologies 對波士頓數字假肢進行編程，使其能夠響應于胸部肌肉的運動，從而使馬達進行適當的運動。自數字假肢推出以來，該公司已經推出了 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。現在，患者可購買預編程的通用系統，經過遠程再編程，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出的信號，即時進行調節即可，從而獲得最佳的控制方案。最近，我們為兩肩部位截肢的患者推出了一種帶有語音指令的系統，這種系統是史無前例的，非常之靈活。”