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突破設(shè)備協(xié)同壁壘，實(shí)時(shí)自適應(yīng)控制的外骨骼輔助康復(fù)集成系統(tǒng)的研發(fā)
突破設(shè)備協(xié)同壁壘！認(rèn)識(shí)一個(gè)實(shí)時(shí)自適應(yīng)控制的外骨骼輔助康復(fù)集成系統(tǒng)
背景
傳統(tǒng)儀器化步態(tài)分析系統(tǒng)（IGA）依托運(yùn)動(dòng)捕捉、測(cè)力、肌電傳感等技術(shù)，通過(guò)量化步態(tài)參數(shù)（如關(guān)節(jié)角度、地面反作用力、肌肉激活時(shí)序等），主要應(yīng)用于步態(tài)模擬和運(yùn)動(dòng)訓(xùn)練中。近年來(lái)，IGA系統(tǒng)已成為康復(fù)工程領(lǐng)域特別是機(jī)器人外骨骼康復(fù)的核心工具。IGA 系統(tǒng)通常包含運(yùn)動(dòng)捕捉相機(jī)、測(cè)力板、儀器化樓梯 / 步道和跑步機(jī)等設(shè)備，但這些設(shè)備由不同公司開(kāi)發(fā)，采用特定通信協(xié)議，系統(tǒng)集成時(shí)存在 “設(shè)備不兼容”、“數(shù)據(jù)不同步”和“指令傳輸延遲” 等問(wèn)題，這與智能康復(fù)設(shè)備要求的“實(shí)時(shí)自適應(yīng)控制”產(chǎn)生了差距。
為此，泰國(guó)維迪亞科學(xué)技術(shù)學(xué)院（VISTEC）的Poramate Manoonpong研究團(tuán)隊(duì)研制了一個(gè)具有實(shí)用的圖形用戶界面（GUI）的多儀器集成架構(gòu)，構(gòu)建成一個(gè)用于閉環(huán)機(jī)器人外骨骼輔助康復(fù)的多功能自動(dòng)化步態(tài)實(shí)驗(yàn)室系統(tǒng)（稱為 VISTEC-GAIT），旨在突破設(shè)備協(xié)同壁壘，提升外骨骼輔助康復(fù)的安全性與精準(zhǔn)性。
1. 系統(tǒng)核心架構(gòu)
VISTEC-GAIT采用 MQTT 協(xié)議作為主通信協(xié)議連接多數(shù)設(shè)備與 GUI，同時(shí)為外骨骼適配 CAN（外骨骼 - 移動(dòng)計(jì)算機(jī)）、ROS（數(shù)據(jù)交換）協(xié)議，解決 “多設(shè)備廠商專屬協(xié)議不兼容” 的痛點(diǎn)；通過(guò)調(diào)用各設(shè)備原生 API（如 Optitrack Motive API、Bertec API）實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)交互，避免設(shè)備無(wú)法接入統(tǒng)一系統(tǒng)的問(wèn)題。
基于Python Bindings for Qt (PyQt)的GUI提供統(tǒng)一控制入口，支持?jǐn)?shù)據(jù)預(yù)處理（即將各設(shè)備不同更新頻率轉(zhuǎn)換為用戶所需頻率、匹配時(shí)間戳），解決 “多設(shè)備更新頻率差異導(dǎo)致同步誤差” 的痛點(diǎn)，同時(shí)實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)記錄與指令發(fā)送，簡(jiǎn)化人工操作流程。
動(dòng)作捕捉系統(tǒng)(MOCAP)：含 10 臺(tái)紅外相機(jī)（8 臺(tái) Prime 17W 型和 2 臺(tái) PrimeX 22 型）和 2臺(tái) Optitrack公司的 RGB 相機(jī)（Prime color 型），進(jìn)行三維運(yùn)動(dòng)追蹤和記錄，進(jìn)而用于步態(tài)分析。運(yùn)動(dòng)相關(guān)信息通過(guò)附著在受試者身體上的標(biāo)記點(diǎn)位置獲取。追蹤數(shù)據(jù)會(huì)經(jīng)由 Optitrack Motive 的應(yīng)用程序接口（API）傳輸至GUI，數(shù)據(jù)更新頻率為 100 赫茲（Hz）。
帶測(cè)力板的分帶跑步機(jī)：跑步機(jī)配備了兩塊Bertec 公司的并列式測(cè)力板，用于步態(tài)訓(xùn)練和分析，每塊測(cè)力板可實(shí)現(xiàn)6 個(gè)維度(Fx，F(xiàn)y，F(xiàn)z，Mx，My，Mz)的載荷測(cè)量。跑步機(jī)支持獨(dú)立調(diào)節(jié)每條跑帶的速度和傾斜角度（可模擬上坡與下坡行走場(chǎng)景），通過(guò) Bertec 的API 以1000Hz 的更新頻率來(lái)控制參數(shù)和收集反饋信息。同時(shí)跑步機(jī)以1000Hz的更新頻率經(jīng) Optitrack Motive 的 API獲取載荷測(cè)量數(shù)據(jù)。GUI可以同步記錄 15 路反饋信號(hào)，并實(shí)時(shí)發(fā)送指令對(duì)跑步機(jī)進(jìn)行控制。
帶測(cè)力板的儀表樓梯：儀表化三級(jí)樓梯用于開(kāi)展爬樓梯期間的步態(tài)分析，每級(jí)樓梯配備一塊bertect測(cè)力板，每塊測(cè)力板同樣支持6個(gè)維度載荷量。測(cè)力板與 Optitrack Motive 的 API 相連，以 1000Hz 的更新頻率傳輸數(shù)據(jù)。
由于該 API 除了對(duì)接動(dòng)作捕捉（MOCAP）系統(tǒng)外，還可同時(shí)集成最多四臺(tái)外部設(shè)備，所以，VISTEC-GAIT中，共使用了兩臺(tái)跑步機(jī)測(cè)力板和兩臺(tái)樓梯測(cè)力板，通過(guò)GUI可記錄共計(jì) 12 路臺(tái)階的力 / 力矩反饋數(shù)據(jù)。
下肢機(jī)器人外骨骼：采用Technaid 公司的可移動(dòng)外骨骼設(shè)備（Exo-H3 ），該設(shè)備配備6 個(gè)主動(dòng)可控關(guān)節(jié)(兩個(gè)髖關(guān)節(jié)、兩個(gè)膝關(guān)節(jié)和兩個(gè)踝關(guān)節(jié))和 14 個(gè)傳感器(兩個(gè)足部接觸傳感器、六個(gè)電機(jī)角度傳感器和六個(gè)電機(jī)扭矩傳感器)。
外骨骼搭載有底層微控制器，可通過(guò)位置控制或扭矩控制方式驅(qū)動(dòng)電機(jī)。配備一臺(tái)移動(dòng)計(jì)算機(jī)，將所有外骨骼反饋信號(hào)無(wú)線傳輸至 GUI進(jìn)行數(shù)據(jù)交換，同時(shí)接收跑步機(jī)的速度和角度信息反饋，以中層控制實(shí)時(shí)自動(dòng)調(diào)整外骨骼運(yùn)動(dòng)狀態(tài)。
驗(yàn)證結(jié)果
研究人員通過(guò)測(cè)試，驗(yàn)證了VISTEC-GAIT的有效性和功能性。演示視頻見(jiàn)文末，實(shí)時(shí)記錄數(shù)據(jù)見(jiàn)圖 3。圖中呈現(xiàn)了閉環(huán)外骨骼步態(tài)輔助實(shí)驗(yàn)的多個(gè)階段數(shù)據(jù)（含坐站轉(zhuǎn)換、爬樓梯、正常行走、不同速度下的跑步機(jī)行走等場(chǎng)景）。結(jié)果顯示，外骨骼能輔助受試者完成多種活動(dòng)，且能根據(jù)操作員設(shè)定的跑步機(jī)速度變化自動(dòng)適配步態(tài)模式。
VISTEC-GAIT通過(guò)閉環(huán)外骨骼步態(tài)輔助，成功實(shí)現(xiàn)了多種不同頻率設(shè)備間的同步通信。系統(tǒng)以 MQTT 協(xié)議和 API 的靈活性相結(jié)合為核心優(yōu)勢(shì)，高效管理數(shù)據(jù)同步，支持設(shè)備間無(wú)縫協(xié)作，且能輕松添加或移除設(shè)備，降低了對(duì)操作員的要求并保障了安全性。未來(lái)，研究人員將進(jìn)一步整合肌電（EMG）和腦電（EEG）設(shè)備，實(shí)現(xiàn)基于人類意圖預(yù)測(cè)和運(yùn)動(dòng)預(yù)測(cè)分析的高級(jí)步態(tài)輔助康復(fù)系統(tǒng)。
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(tuán)隊(duì)介紹
本研究由泰國(guó)維迪亞科學(xué)技術(shù)學(xué)院（VISTEC）的機(jī)器人與康復(fù)工程方向團(tuán)隊(duì)完成。本文通訊作者Poramate Manoonpong 同時(shí)任職于南丹麥大學(xué)（SDU），長(zhǎng)期從事機(jī)器人控制、生物啟發(fā)式機(jī)器人、康復(fù)外骨骼系統(tǒng)研究，是國(guó)際機(jī)器人與康復(fù)工程領(lǐng)域的資深學(xué)者。該實(shí)驗(yàn)在泰國(guó)VISTEC開(kāi)展。
關(guān)于維拓啟創(chuàng)
維拓啟創(chuàng)（北京）信息技術(shù)有限公司成立于2006年，是一家專注于腦科學(xué)、康復(fù)工程、人因工程、心理學(xué)、體育科學(xué)等領(lǐng)域的科研解決方案供應(yīng)商。公司與國(guó)內(nèi)外多所大學(xué)、研究機(jī)構(gòu)、企業(yè)長(zhǎng)期保持合作關(guān)系，致力于將優(yōu)質(zhì)的產(chǎn)品、先進(jìn)的技術(shù)和服務(wù)帶給各個(gè)領(lǐng)域的科研工作者，為用戶提供有競(jìng)爭(zhēng)力的方案和服務(wù)，協(xié)助用戶的科研工作，持續(xù)提升使用體驗(yàn)。
相關(guān)產(chǎn)品
背景
傳統(tǒng)儀器化步態(tài)分析系統(tǒng)（IGA）依托運(yùn)動(dòng)捕捉、測(cè)力、肌電傳感等技術(shù)，通過(guò)量化步態(tài)參數(shù)（如關(guān)節(jié)角度、地面反作用力、肌肉激活時(shí)序等），主要應(yīng)用于步態(tài)模擬和運(yùn)動(dòng)訓(xùn)練中。近年來(lái)，IGA系統(tǒng)已成為康復(fù)工程領(lǐng)域特別是機(jī)器人外骨骼康復(fù)的核心工具。IGA 系統(tǒng)通常包含運(yùn)動(dòng)捕捉相機(jī)、測(cè)力板、儀器化樓梯 / 步道和跑步機(jī)等設(shè)備，但這些設(shè)備由不同公司開(kāi)發(fā)，采用特定通信協(xié)議，系統(tǒng)集成時(shí)存在 “設(shè)備不兼容”、“數(shù)據(jù)不同步”和“指令傳輸延遲” 等問(wèn)題，這與智能康復(fù)設(shè)備要求的“實(shí)時(shí)自適應(yīng)控制”產(chǎn)生了差距。
為此，泰國(guó)維迪亞科學(xué)技術(shù)學(xué)院（VISTEC）的Poramate Manoonpong研究團(tuán)隊(duì)研制了一個(gè)具有實(shí)用的圖形用戶界面（GUI）的多儀器集成架構(gòu)，構(gòu)建成一個(gè)用于閉環(huán)機(jī)器人外骨骼輔助康復(fù)的多功能自動(dòng)化步態(tài)實(shí)驗(yàn)室系統(tǒng)（稱為 VISTEC-GAIT），旨在突破設(shè)備協(xié)同壁壘，提升外骨骼輔助康復(fù)的安全性與精準(zhǔn)性。
圖1. 文章信息
系統(tǒng)介紹 1. 系統(tǒng)核心架構(gòu)
VISTEC-GAIT采用 MQTT 協(xié)議作為主通信協(xié)議連接多數(shù)設(shè)備與 GUI，同時(shí)為外骨骼適配 CAN（外骨骼 - 移動(dòng)計(jì)算機(jī)）、ROS（數(shù)據(jù)交換）協(xié)議，解決 “多設(shè)備廠商專屬協(xié)議不兼容” 的痛點(diǎn)；通過(guò)調(diào)用各設(shè)備原生 API（如 Optitrack Motive API、Bertec API）實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)交互，避免設(shè)備無(wú)法接入統(tǒng)一系統(tǒng)的問(wèn)題。
基于Python Bindings for Qt (PyQt)的GUI提供統(tǒng)一控制入口，支持?jǐn)?shù)據(jù)預(yù)處理（即將各設(shè)備不同更新頻率轉(zhuǎn)換為用戶所需頻率、匹配時(shí)間戳），解決 “多設(shè)備更新頻率差異導(dǎo)致同步誤差” 的痛點(diǎn)，同時(shí)實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)記錄與指令發(fā)送，簡(jiǎn)化人工操作流程。
圖2. VISTEC-GAIT的多儀器集成架構(gòu)
2. 系統(tǒng)詳情動(dòng)作捕捉系統(tǒng)(MOCAP)：含 10 臺(tái)紅外相機(jī)（8 臺(tái) Prime 17W 型和 2 臺(tái) PrimeX 22 型）和 2臺(tái) Optitrack公司的 RGB 相機(jī)（Prime color 型），進(jìn)行三維運(yùn)動(dòng)追蹤和記錄，進(jìn)而用于步態(tài)分析。運(yùn)動(dòng)相關(guān)信息通過(guò)附著在受試者身體上的標(biāo)記點(diǎn)位置獲取。追蹤數(shù)據(jù)會(huì)經(jīng)由 Optitrack Motive 的應(yīng)用程序接口（API）傳輸至GUI，數(shù)據(jù)更新頻率為 100 赫茲（Hz）。
帶測(cè)力板的分帶跑步機(jī)：跑步機(jī)配備了兩塊Bertec 公司的并列式測(cè)力板，用于步態(tài)訓(xùn)練和分析，每塊測(cè)力板可實(shí)現(xiàn)6 個(gè)維度(Fx，F(xiàn)y，F(xiàn)z，Mx，My，Mz)的載荷測(cè)量。跑步機(jī)支持獨(dú)立調(diào)節(jié)每條跑帶的速度和傾斜角度（可模擬上坡與下坡行走場(chǎng)景），通過(guò) Bertec 的API 以1000Hz 的更新頻率來(lái)控制參數(shù)和收集反饋信息。同時(shí)跑步機(jī)以1000Hz的更新頻率經(jīng) Optitrack Motive 的 API獲取載荷測(cè)量數(shù)據(jù)。GUI可以同步記錄 15 路反饋信號(hào)，并實(shí)時(shí)發(fā)送指令對(duì)跑步機(jī)進(jìn)行控制。
帶測(cè)力板的儀表樓梯：儀表化三級(jí)樓梯用于開(kāi)展爬樓梯期間的步態(tài)分析，每級(jí)樓梯配備一塊bertect測(cè)力板，每塊測(cè)力板同樣支持6個(gè)維度載荷量。測(cè)力板與 Optitrack Motive 的 API 相連，以 1000Hz 的更新頻率傳輸數(shù)據(jù)。
由于該 API 除了對(duì)接動(dòng)作捕捉（MOCAP）系統(tǒng)外，還可同時(shí)集成最多四臺(tái)外部設(shè)備，所以，VISTEC-GAIT中，共使用了兩臺(tái)跑步機(jī)測(cè)力板和兩臺(tái)樓梯測(cè)力板，通過(guò)GUI可記錄共計(jì) 12 路臺(tái)階的力 / 力矩反饋數(shù)據(jù)。
下肢機(jī)器人外骨骼：采用Technaid 公司的可移動(dòng)外骨骼設(shè)備（Exo-H3 ），該設(shè)備配備6 個(gè)主動(dòng)可控關(guān)節(jié)(兩個(gè)髖關(guān)節(jié)、兩個(gè)膝關(guān)節(jié)和兩個(gè)踝關(guān)節(jié))和 14 個(gè)傳感器(兩個(gè)足部接觸傳感器、六個(gè)電機(jī)角度傳感器和六個(gè)電機(jī)扭矩傳感器)。
外骨骼搭載有底層微控制器，可通過(guò)位置控制或扭矩控制方式驅(qū)動(dòng)電機(jī)。配備一臺(tái)移動(dòng)計(jì)算機(jī)，將所有外骨骼反饋信號(hào)無(wú)線傳輸至 GUI進(jìn)行數(shù)據(jù)交換，同時(shí)接收跑步機(jī)的速度和角度信息反饋，以中層控制實(shí)時(shí)自動(dòng)調(diào)整外骨骼運(yùn)動(dòng)狀態(tài)。
驗(yàn)證結(jié)果
研究人員通過(guò)測(cè)試，驗(yàn)證了VISTEC-GAIT的有效性和功能性。演示視頻見(jiàn)文末，實(shí)時(shí)記錄數(shù)據(jù)見(jiàn)圖 3。圖中呈現(xiàn)了閉環(huán)外骨骼步態(tài)輔助實(shí)驗(yàn)的多個(gè)階段數(shù)據(jù)（含坐站轉(zhuǎn)換、爬樓梯、正常行走、不同速度下的跑步機(jī)行走等場(chǎng)景）。結(jié)果顯示，外骨骼能輔助受試者完成多種活動(dòng)，且能根據(jù)操作員設(shè)定的跑步機(jī)速度變化自動(dòng)適配步態(tài)模式。
圖3. 閉環(huán)外骨骼步態(tài)輔助過(guò)程中的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)：在分帶跑步機(jī)上行走時(shí)，系統(tǒng)集成軟件會(huì)將操作員設(shè)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(shí)發(fā)送] 傳輸至跑步機(jī)。隨后，跑步機(jī)的實(shí)際速度會(huì)被發(fā)送至GUI，外骨骼據(jù)此自動(dòng)適配步態(tài)。紫色和黃色高亮區(qū)域內(nèi)，每個(gè)步態(tài)周期的平均時(shí)長(zhǎng)分別約為 4.5 秒和 2.8 秒
結(jié)論 VISTEC-GAIT通過(guò)閉環(huán)外骨骼步態(tài)輔助，成功實(shí)現(xiàn)了多種不同頻率設(shè)備間的同步通信。系統(tǒng)以 MQTT 協(xié)議和 API 的靈活性相結(jié)合為核心優(yōu)勢(shì)，高效管理數(shù)據(jù)同步，支持設(shè)備間無(wú)縫協(xié)作，且能輕松添加或移除設(shè)備，降低了對(duì)操作員的要求并保障了安全性。未來(lái)，研究人員將進(jìn)一步整合肌電（EMG）和腦電（EEG）設(shè)備，實(shí)現(xiàn)基于人類意圖預(yù)測(cè)和運(yùn)動(dòng)預(yù)測(cè)分析的高級(jí)步態(tài)輔助康復(fù)系統(tǒng)。
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(tuán)隊(duì)介紹
本研究由泰國(guó)維迪亞科學(xué)技術(shù)學(xué)院（VISTEC）的機(jī)器人與康復(fù)工程方向團(tuán)隊(duì)完成。本文通訊作者Poramate Manoonpong 同時(shí)任職于南丹麥大學(xué)（SDU），長(zhǎng)期從事機(jī)器人控制、生物啟發(fā)式機(jī)器人、康復(fù)外骨骼系統(tǒng)研究，是國(guó)際機(jī)器人與康復(fù)工程領(lǐng)域的資深學(xué)者。該實(shí)驗(yàn)在泰國(guó)VISTEC開(kāi)展。
關(guān)于維拓啟創(chuàng)
維拓啟創(chuàng)（北京）信息技術(shù)有限公司成立于2006年，是一家專注于腦科學(xué)、康復(fù)工程、人因工程、心理學(xué)、體育科學(xué)等領(lǐng)域的科研解決方案供應(yīng)商。公司與國(guó)內(nèi)外多所大學(xué)、研究機(jī)構(gòu)、企業(yè)長(zhǎng)期保持合作關(guān)系，致力于將優(yōu)質(zhì)的產(chǎn)品、先進(jìn)的技術(shù)和服務(wù)帶給各個(gè)領(lǐng)域的科研工作者，為用戶提供有競(jìng)爭(zhēng)力的方案和服務(wù)，協(xié)助用戶的科研工作，持續(xù)提升使用體驗(yàn)。
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