突破設備協同壁壘，實時自適應控制的外骨骼輔助康復集成系統的研發
突破設備協同壁壘！認識一個實時自適應控制的外骨骼輔助康復集成系統
背景
傳統儀器化步態分析系統（IGA）依托運動捕捉、測力、肌電傳感等技術，通過量化步態參數（如關節角度、地面反作用力、肌肉激活時序等），主要應用于步態模擬和運動訓練中。近年來，IGA系統已成為康復工程領域特別是機器人外骨骼康復的核心工具。IGA 系統通常包含運動捕捉相機、測力板、儀器化樓梯 / 步道和跑步機等設備，但這些設備由不同公司開發，采用特定通信協議，系統集成時存在 “設備不兼容”、“數據不同步”和“指令傳輸延遲” 等問題，這與智能康復設備要求的“實時自適應控制”產生了差距。
為此，泰國維迪亞科學技術學院（VISTEC）的Poramate Manoonpong研究團隊研制了一個具有實用的圖形用戶界面（GUI）的多儀器集成架構，構建成一個用于閉環機器人外骨骼輔助康復的多功能自動化步態實驗室系統（稱為 VISTEC-GAIT），旨在突破設備協同壁壘，提升外骨骼輔助康復的安全性與精準性。
1. 系統核心架構
VISTEC-GAIT采用 MQTT 協議作為主通信協議連接多數設備與 GUI，同時為外骨骼適配 CAN（外骨骼 - 移動計算機）、ROS（數據交換）協議，解決 “多設備廠商專屬協議不兼容” 的痛點；通過調用各設備原生 API（如 Optitrack Motive API、Bertec API）實現數據交互，避免設備無法接入統一系統的問題。
基于Python Bindings for Qt (PyQt)的GUI提供統一控制入口，支持數據預處理（即將各設備不同更新頻率轉換為用戶所需頻率、匹配時間戳），解決 “多設備更新頻率差異導致同步誤差” 的痛點，同時實現實時數據記錄與指令發送，簡化人工操作流程。
動作捕捉系統(MOCAP)：含 10 臺紅外相機（8 臺 Prime 17W 型和 2 臺 PrimeX 22 型）和 2臺 Optitrack公司的 RGB 相機（Prime color 型），進行三維運動追蹤和記錄，進而用于步態分析。運動相關信息通過附著在受試者身體上的標記點位置獲取。追蹤數據會經由 Optitrack Motive 的應用程序接口（API）傳輸至GUI，數據更新頻率為 100 赫茲（Hz）。
帶測力板的分帶跑步機：跑步機配備了兩塊Bertec 公司的并列式測力板，用于步態訓練和分析，每塊測力板可實現6 個維度(Fx，Fy，Fz，Mx，My，Mz)的載荷測量。跑步機支持獨立調節每條跑帶的速度和傾斜角度（可模擬上坡與下坡行走場景），通過 Bertec 的API 以1000Hz 的更新頻率來控制參數和收集反饋信息。同時跑步機以1000Hz的更新頻率經 Optitrack Motive 的 API獲取載荷測量數據。GUI可以同步記錄 15 路反饋信號，并實時發送指令對跑步機進行控制。
帶測力板的儀表樓梯：儀表化三級樓梯用于開展爬樓梯期間的步態分析，每級樓梯配備一塊bertect測力板，每塊測力板同樣支持6個維度載荷量。測力板與 Optitrack Motive 的 API 相連，以 1000Hz 的更新頻率傳輸數據。
由于該 API 除了對接動作捕捉（MOCAP）系統外，還可同時集成最多四臺外部設備，所以，VISTEC-GAIT中，共使用了兩臺跑步機測力板和兩臺樓梯測力板，通過GUI可記錄共計 12 路臺階的力 / 力矩反饋數據。
下肢機器人外骨骼：采用Technaid 公司的可移動外骨骼設備（Exo-H3 ），該設備配備6 個主動可控關節(兩個髖關節、兩個膝關節和兩個踝關節)和 14 個傳感器(兩個足部接觸傳感器、六個電機角度傳感器和六個電機扭矩傳感器)。
外骨骼搭載有底層微控制器，可通過位置控制或扭矩控制方式驅動電機。配備一臺移動計算機，將所有外骨骼反饋信號無線傳輸至 GUI進行數據交換，同時接收跑步機的速度和角度信息反饋，以中層控制實時自動調整外骨骼運動狀態。
驗證結果
研究人員通過測試，驗證了VISTEC-GAIT的有效性和功能性。演示視頻見文末，實時記錄數據見圖 3。圖中呈現了閉環外骨骼步態輔助實驗的多個階段數據（含坐站轉換、爬樓梯、正常行走、不同速度下的跑步機行走等場景）。結果顯示，外骨骼能輔助受試者完成多種活動，且能根據操作員設定的跑步機速度變化自動適配步態模式。
VISTEC-GAIT通過閉環外骨骼步態輔助，成功實現了多種不同頻率設備間的同步通信。系統以 MQTT 協議和 API 的靈活性相結合為核心優勢，高效管理數據同步，支持設備間無縫協作，且能輕松添加或移除設備，降低了對操作員的要求并保障了安全性。未來，研究人員將進一步整合肌電（EMG）和腦電（EEG）設備，實現基于人類意圖預測和運動預測分析的高級步態輔助康復系統。
原文信息鏈接
N. Sricom, W. Ketrungsri, C. Akkawutvanich, and P. Manoonpong, "VISTEC-GAIT: A Versatile Automated Gait Lab System for Closed-loop Robotic Exoskeleton Assisted Rehabilitation," in Proceedings of the 2024 IEEE/SICE International Symposium on System Integration (SII), Ha Long, Vietnam, 2024, DOI:10.1109/SII58957.2024.10417608.
https://ieeexplore.ieee.org/document/10417608
研究團隊介紹
本研究由泰國維迪亞科學技術學院（VISTEC）的機器人與康復工程方向團隊完成。本文通訊作者Poramate Manoonpong 同時任職于南丹麥大學（SDU），長期從事機器人控制、生物啟發式機器人、康復外骨骼系統研究，是國際機器人與康復工程領域的資深學者。該實驗在泰國VISTEC開展。
關于維拓啟創
維拓啟創（北京）信息技術有限公司成立于2006年，是一家專注于腦科學、康復工程、人因工程、心理學、體育科學等領域的科研解決方案供應商。公司與國內外多所大學、研究機構、企業長期保持合作關系，致力于將優質的產品、先進的技術和服務帶給各個領域的科研工作者，為用戶提供有競爭力的方案和服務，協助用戶的科研工作，持續提升使用體驗。
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背景
傳統儀器化步態分析系統（IGA）依托運動捕捉、測力、肌電傳感等技術，通過量化步態參數（如關節角度、地面反作用力、肌肉激活時序等），主要應用于步態模擬和運動訓練中。近年來，IGA系統已成為康復工程領域特別是機器人外骨骼康復的核心工具。IGA 系統通常包含運動捕捉相機、測力板、儀器化樓梯 / 步道和跑步機等設備，但這些設備由不同公司開發，采用特定通信協議，系統集成時存在 “設備不兼容”、“數據不同步”和“指令傳輸延遲” 等問題，這與智能康復設備要求的“實時自適應控制”產生了差距。
為此，泰國維迪亞科學技術學院（VISTEC）的Poramate Manoonpong研究團隊研制了一個具有實用的圖形用戶界面（GUI）的多儀器集成架構，構建成一個用于閉環機器人外骨骼輔助康復的多功能自動化步態實驗室系統（稱為 VISTEC-GAIT），旨在突破設備協同壁壘，提升外骨骼輔助康復的安全性與精準性。
圖1. 文章信息
系統介紹 1. 系統核心架構
VISTEC-GAIT采用 MQTT 協議作為主通信協議連接多數設備與 GUI，同時為外骨骼適配 CAN（外骨骼 - 移動計算機）、ROS（數據交換）協議，解決 “多設備廠商專屬協議不兼容” 的痛點；通過調用各設備原生 API（如 Optitrack Motive API、Bertec API）實現數據交互，避免設備無法接入統一系統的問題。
基于Python Bindings for Qt (PyQt)的GUI提供統一控制入口，支持數據預處理（即將各設備不同更新頻率轉換為用戶所需頻率、匹配時間戳），解決 “多設備更新頻率差異導致同步誤差” 的痛點，同時實現實時數據記錄與指令發送，簡化人工操作流程。
圖2. VISTEC-GAIT的多儀器集成架構
2. 系統詳情動作捕捉系統(MOCAP)：含 10 臺紅外相機（8 臺 Prime 17W 型和 2 臺 PrimeX 22 型）和 2臺 Optitrack公司的 RGB 相機（Prime color 型），進行三維運動追蹤和記錄，進而用于步態分析。運動相關信息通過附著在受試者身體上的標記點位置獲取。追蹤數據會經由 Optitrack Motive 的應用程序接口（API）傳輸至GUI，數據更新頻率為 100 赫茲（Hz）。
帶測力板的分帶跑步機：跑步機配備了兩塊Bertec 公司的并列式測力板，用于步態訓練和分析，每塊測力板可實現6 個維度(Fx，Fy，Fz，Mx，My，Mz)的載荷測量。跑步機支持獨立調節每條跑帶的速度和傾斜角度（可模擬上坡與下坡行走場景），通過 Bertec 的API 以1000Hz 的更新頻率來控制參數和收集反饋信息。同時跑步機以1000Hz的更新頻率經 Optitrack Motive 的 API獲取載荷測量數據。GUI可以同步記錄 15 路反饋信號，并實時發送指令對跑步機進行控制。
帶測力板的儀表樓梯：儀表化三級樓梯用于開展爬樓梯期間的步態分析，每級樓梯配備一塊bertect測力板，每塊測力板同樣支持6個維度載荷量。測力板與 Optitrack Motive 的 API 相連，以 1000Hz 的更新頻率傳輸數據。
由于該 API 除了對接動作捕捉（MOCAP）系統外，還可同時集成最多四臺外部設備，所以，VISTEC-GAIT中，共使用了兩臺跑步機測力板和兩臺樓梯測力板，通過GUI可記錄共計 12 路臺階的力 / 力矩反饋數據。
下肢機器人外骨骼：采用Technaid 公司的可移動外骨骼設備（Exo-H3 ），該設備配備6 個主動可控關節(兩個髖關節、兩個膝關節和兩個踝關節)和 14 個傳感器(兩個足部接觸傳感器、六個電機角度傳感器和六個電機扭矩傳感器)。
外骨骼搭載有底層微控制器，可通過位置控制或扭矩控制方式驅動電機。配備一臺移動計算機，將所有外骨骼反饋信號無線傳輸至 GUI進行數據交換，同時接收跑步機的速度和角度信息反饋，以中層控制實時自動調整外骨骼運動狀態。
驗證結果
研究人員通過測試，驗證了VISTEC-GAIT的有效性和功能性。演示視頻見文末，實時記錄數據見圖 3。圖中呈現了閉環外骨骼步態輔助實驗的多個階段數據（含坐站轉換、爬樓梯、正常行走、不同速度下的跑步機行走等場景）。結果顯示，外骨骼能輔助受試者完成多種活動，且能根據操作員設定的跑步機速度變化自動適配步態模式。
圖3. 閉環外骨骼步態輔助過程中的實時數據：在分帶跑步機上行走時，系統集成軟件會將操作員設定的速度指令 [分別于 73.52 秒（速度 1）、93.43 秒（速度 2）和 115.5 秒（速度1）時發送] 傳輸至跑步機。隨后，跑步機的實際速度會被發送至GUI，外骨骼據此自動適配步態。紫色和黃色高亮區域內，每個步態周期的平均時長分別約為 4.5 秒和 2.8 秒
結論 VISTEC-GAIT通過閉環外骨骼步態輔助，成功實現了多種不同頻率設備間的同步通信。系統以 MQTT 協議和 API 的靈活性相結合為核心優勢，高效管理數據同步，支持設備間無縫協作，且能輕松添加或移除設備，降低了對操作員的要求并保障了安全性。未來，研究人員將進一步整合肌電（EMG）和腦電（EEG）設備，實現基于人類意圖預測和運動預測分析的高級步態輔助康復系統。
原文信息鏈接
N. Sricom, W. Ketrungsri, C. Akkawutvanich, and P. Manoonpong, "VISTEC-GAIT: A Versatile Automated Gait Lab System for Closed-loop Robotic Exoskeleton Assisted Rehabilitation," in Proceedings of the 2024 IEEE/SICE International Symposium on System Integration (SII), Ha Long, Vietnam, 2024, DOI:10.1109/SII58957.2024.10417608.
https://ieeexplore.ieee.org/document/10417608
研究團隊介紹
本研究由泰國維迪亞科學技術學院（VISTEC）的機器人與康復工程方向團隊完成。本文通訊作者Poramate Manoonpong 同時任職于南丹麥大學（SDU），長期從事機器人控制、生物啟發式機器人、康復外骨骼系統研究，是國際機器人與康復工程領域的資深學者。該實驗在泰國VISTEC開展。
關于維拓啟創
維拓啟創（北京）信息技術有限公司成立于2006年，是一家專注于腦科學、康復工程、人因工程、心理學、體育科學等領域的科研解決方案供應商。公司與國內外多所大學、研究機構、企業長期保持合作關系，致力于將優質的產品、先進的技術和服務帶給各個領域的科研工作者，為用戶提供有競爭力的方案和服務，協助用戶的科研工作，持續提升使用體驗。
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