突破设备协同壁垒，实时自适应控制的外骨骼辅助康复集成系统的研发
2025-11-28 来源:本站 点击次数:124
突破设备协同壁垒！认识一个实时自适应控制的外骨骼辅助康复集成系统
背景
传统仪器化步态分析系统（IGA）依托运动捕捉、测力、肌电传感等技术，通过量化步态参数（如关节角度、地面反作用力、肌肉激活时序等），主要应用于步态模拟和运动训练中。近年来，IGA系统已成为康复工程领域特别是机器人外骨骼康复的核心工具。IGA 系统通常包含运动捕捉相机、测力板、仪器化楼梯 / 步道和跑步机等设备，但这些设备由不同公司开发，采用特定通信协议，系统集成时存在 “设备不兼容”、“数据不同步”和“指令传输延迟” 等问题，这与智能康复设备要求的“实时自适应控制”产生了差距。
为此，泰国维迪亚科学技术学院（VISTEC）的Poramate Manoonpong研究团队研制了一个具有实用的图形用户界面（GUI）的多仪器集成架构，构建成一个用于闭环机器人外骨骼辅助康复的多功能自动化步态实验室系统（称为 VISTEC-GAIT），旨在突破设备协同壁垒，提升外骨骼辅助康复的安全性与精准性。
1. 系统核心架构
VISTEC-GAIT采用 MQTT 协议作为主通信协议连接多数设备与 GUI，同时为外骨骼适配 CAN（外骨骼 - 移动计算机）、ROS（数据交换）协议，解决 “多设备厂商专属协议不兼容” 的痛点；通过调用各设备原生 API（如 Optitrack Motive API、Bertec API）实现数据交互，避免设备无法接入统一系统的问题。
基于Python Bindings for Qt (PyQt)的GUI提供统一控制入口，支持数据预处理（即将各设备不同更新频率转换为用户所需频率、匹配时间戳），解决 “多设备更新频率差异导致同步误差” 的痛点，同时实现实时数据记录与指令发送，简化人工操作流程。
动作捕捉系统(MOCAP)：含 10 台红外相机（8 台 Prime 17W 型和 2 台 PrimeX 22 型）和 2台 Optitrack公司的 RGB 相机（Prime color 型），进行三维运动追踪和记录，进而用于步态分析。运动相关信息通过附着在受试者身体上的标记点位置获取。追踪数据会经由 Optitrack Motive 的应用程序接口（API）传输至GUI，数据更新频率为 100 赫兹（Hz）。
带测力板的分带跑步机：跑步机配备了两块Bertec 公司的并列式测力板，用于步态训练和分析，每块测力板可实现6 个维度(Fx，Fy，Fz，Mx，My，Mz)的载荷测量。跑步机支持独立调节每条跑带的速度和倾斜角度（可模拟上坡与下坡行走场景），通过 Bertec 的API 以1000Hz 的更新频率来控制参数和收集反馈信息。同时跑步机以1000Hz的更新频率经 Optitrack Motive 的 API获取载荷测量数据。GUI可以同步记录 15 路反馈信号，并实时发送指令对跑步机进行控制。
带测力板的仪表楼梯：仪表化三级楼梯用于开展爬楼梯期间的步态分析，每级楼梯配备一块bertect测力板，每块测力板同样支持6个维度载荷量。测力板与 Optitrack Motive 的 API 相连，以 1000Hz 的更新频率传输数据。
由于该 API 除了对接动作捕捉（MOCAP）系统外，还可同时集成最多四台外部设备，所以，VISTEC-GAIT中，共使用了两台跑步机测力板和两台楼梯测力板，通过GUI可记录共计 12 路台阶的力 / 力矩反馈数据。
下肢机器人外骨骼：采用Technaid 公司的可移动外骨骼设备（Exo-H3 ），该设备配备6 个主动可控关节(两个髋关节、两个膝关节和两个踝关节)和 14 个传感器(两个足部接触传感器、六个电机角度传感器和六个电机扭矩传感器)。
外骨骼搭载有底层微控制器，可通过位置控制或扭矩控制方式驱动电机。配备一台移动计算机，将所有外骨骼反馈信号无线传输至 GUI进行数据交换，同时接收跑步机的速度和角度信息反馈，以中层控制实时自动调整外骨骼运动状态。
验证结果
研究人员通过测试，验证了VISTEC-GAIT的有效性和功能性。演示视频见文末，实时记录数据见图 3。图中呈现了闭环外骨骼步态辅助实验的多个阶段数据（含坐站转换、爬楼梯、正常行走、不同速度下的跑步机行走等场景）。结果显示，外骨骼能辅助受试者完成多种活动，且能根据操作员设定的跑步机速度变化自动适配步态模式。
VISTEC-GAIT通过闭环外骨骼步态辅助，成功实现了多种不同频率设备间的同步通信。系统以 MQTT 协议和 API 的灵活性相结合为核心优势，高效管理数据同步，支持设备间无缝协作，且能轻松添加或移除设备，降低了对操作员的要求并保障了安全性。未来，研究人员将进一步整合肌电（EMG）和脑电（EEG）设备，实现基于人类意图预测和运动预测分析的高级步态辅助康复系统。
原文信息链接
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
研究团队介绍
本研究由泰国维迪亚科学技术学院（VISTEC）的机器人与康复工程方向团队完成。本文通讯作者Poramate Manoonpong 同时任职于南丹麦大学（SDU），长期从事机器人控制、生物启发式机器人、康复外骨骼系统研究，是国际机器人与康复工程领域的资深学者。该实验在泰国VISTEC开展。
关于维拓启创
维拓启创（北京）信息技术有限公司成立于2006年，是一家专注于脑科学、康复工程、人因工程、心理学、体育科学等领域的科研解决方案供应商。公司与国内外多所大学、研究机构、企业长期保持合作关系，致力于将优质的产品、先进的技术和服务带给各个领域的科研工作者，为用户提供有竞争力的方案和服务，协助用户的科研工作，持续提升使用体验。
相关产品
背景
传统仪器化步态分析系统（IGA）依托运动捕捉、测力、肌电传感等技术，通过量化步态参数（如关节角度、地面反作用力、肌肉激活时序等），主要应用于步态模拟和运动训练中。近年来，IGA系统已成为康复工程领域特别是机器人外骨骼康复的核心工具。IGA 系统通常包含运动捕捉相机、测力板、仪器化楼梯 / 步道和跑步机等设备，但这些设备由不同公司开发，采用特定通信协议，系统集成时存在 “设备不兼容”、“数据不同步”和“指令传输延迟” 等问题，这与智能康复设备要求的“实时自适应控制”产生了差距。
为此，泰国维迪亚科学技术学院（VISTEC）的Poramate Manoonpong研究团队研制了一个具有实用的图形用户界面（GUI）的多仪器集成架构，构建成一个用于闭环机器人外骨骼辅助康复的多功能自动化步态实验室系统（称为 VISTEC-GAIT），旨在突破设备协同壁垒，提升外骨骼辅助康复的安全性与精准性。
图1. 文章信息
系统介绍 1. 系统核心架构
VISTEC-GAIT采用 MQTT 协议作为主通信协议连接多数设备与 GUI，同时为外骨骼适配 CAN（外骨骼 - 移动计算机）、ROS（数据交换）协议，解决 “多设备厂商专属协议不兼容” 的痛点；通过调用各设备原生 API（如 Optitrack Motive API、Bertec API）实现数据交互，避免设备无法接入统一系统的问题。
基于Python Bindings for Qt (PyQt)的GUI提供统一控制入口，支持数据预处理（即将各设备不同更新频率转换为用户所需频率、匹配时间戳），解决 “多设备更新频率差异导致同步误差” 的痛点，同时实现实时数据记录与指令发送，简化人工操作流程。
图2. VISTEC-GAIT的多仪器集成架构
2. 系统详情动作捕捉系统(MOCAP)：含 10 台红外相机（8 台 Prime 17W 型和 2 台 PrimeX 22 型）和 2台 Optitrack公司的 RGB 相机（Prime color 型），进行三维运动追踪和记录，进而用于步态分析。运动相关信息通过附着在受试者身体上的标记点位置获取。追踪数据会经由 Optitrack Motive 的应用程序接口（API）传输至GUI，数据更新频率为 100 赫兹（Hz）。
带测力板的分带跑步机：跑步机配备了两块Bertec 公司的并列式测力板，用于步态训练和分析，每块测力板可实现6 个维度(Fx，Fy，Fz，Mx，My，Mz)的载荷测量。跑步机支持独立调节每条跑带的速度和倾斜角度（可模拟上坡与下坡行走场景），通过 Bertec 的API 以1000Hz 的更新频率来控制参数和收集反馈信息。同时跑步机以1000Hz的更新频率经 Optitrack Motive 的 API获取载荷测量数据。GUI可以同步记录 15 路反馈信号，并实时发送指令对跑步机进行控制。
带测力板的仪表楼梯：仪表化三级楼梯用于开展爬楼梯期间的步态分析，每级楼梯配备一块bertect测力板，每块测力板同样支持6个维度载荷量。测力板与 Optitrack Motive 的 API 相连，以 1000Hz 的更新频率传输数据。
由于该 API 除了对接动作捕捉（MOCAP）系统外，还可同时集成最多四台外部设备，所以，VISTEC-GAIT中，共使用了两台跑步机测力板和两台楼梯测力板，通过GUI可记录共计 12 路台阶的力 / 力矩反馈数据。
下肢机器人外骨骼：采用Technaid 公司的可移动外骨骼设备（Exo-H3 ），该设备配备6 个主动可控关节(两个髋关节、两个膝关节和两个踝关节)和 14 个传感器(两个足部接触传感器、六个电机角度传感器和六个电机扭矩传感器)。
外骨骼搭载有底层微控制器，可通过位置控制或扭矩控制方式驱动电机。配备一台移动计算机，将所有外骨骼反馈信号无线传输至 GUI进行数据交换，同时接收跑步机的速度和角度信息反馈，以中层控制实时自动调整外骨骼运动状态。
验证结果
研究人员通过测试，验证了VISTEC-GAIT的有效性和功能性。演示视频见文末，实时记录数据见图 3。图中呈现了闭环外骨骼步态辅助实验的多个阶段数据（含坐站转换、爬楼梯、正常行走、不同速度下的跑步机行走等场景）。结果显示，外骨骼能辅助受试者完成多种活动，且能根据操作员设定的跑步机速度变化自动适配步态模式。
图3. 闭环外骨骼步态辅助过程中的实时数据：在分带跑步机上行走时，系统集成软件会将操作员设定的速度指令 [分别于 73.52 秒（速度 1）、93.43 秒（速度 2）和 115.5 秒（速度1）时发送] 传输至跑步机。随后，跑步机的实际速度会被发送至GUI，外骨骼据此自动适配步态。紫色和黄色高亮区域内，每个步态周期的平均时长分别约为 4.5 秒和 2.8 秒
结论 VISTEC-GAIT通过闭环外骨骼步态辅助，成功实现了多种不同频率设备间的同步通信。系统以 MQTT 协议和 API 的灵活性相结合为核心优势，高效管理数据同步，支持设备间无缝协作，且能轻松添加或移除设备，降低了对操作员的要求并保障了安全性。未来，研究人员将进一步整合肌电（EMG）和脑电（EEG）设备，实现基于人类意图预测和运动预测分析的高级步态辅助康复系统。
原文信息链接
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
研究团队介绍
本研究由泰国维迪亚科学技术学院（VISTEC）的机器人与康复工程方向团队完成。本文通讯作者Poramate Manoonpong 同时任职于南丹麦大学（SDU），长期从事机器人控制、生物启发式机器人、康复外骨骼系统研究，是国际机器人与康复工程领域的资深学者。该实验在泰国VISTEC开展。
关于维拓启创
维拓启创（北京）信息技术有限公司成立于2006年，是一家专注于脑科学、康复工程、人因工程、心理学、体育科学等领域的科研解决方案供应商。公司与国内外多所大学、研究机构、企业长期保持合作关系，致力于将优质的产品、先进的技术和服务带给各个领域的科研工作者，为用户提供有竞争力的方案和服务，协助用户的科研工作，持续提升使用体验。
相关产品
相关文章
更多 >