具动态干扰与生理回馈的姿势稳定度评量及训练装置

摘要

本发明是提供一种具动态干扰与生理回馈的姿势稳定度评量及训练装置，主要装置由计算机过程控制的伺服马达控制模块、连杆装置所构成的机构模块、测量实时重心及足底压力分布的负荷测量模块、程控接口、马达控制箱、位置传感器、计算机、及其它平衡台硬体架构所组成。平衡台的机构模块由数组连杆、活动平板、球臼形支撑承座、气垫及其它支架构成；活动平台四端点设有负荷传感器以计算实时重心坐标，球臼座内设置有位置传感器可侦测实时活动平板的方位坐标。活动平板下方设有气压充气模块以控制开始运动时的活动平板稳定度；待受测者站在活动平板中心站稳后，气垫立刻放气致不会影响活动平板的运动。

说明书

技术领域

本发明涉及一种姿势稳定度评量及训练装置，特别涉及一种具动态干扰与生理、生物回馈的姿势稳定度评量及训练装置。

背景技术

人类的平衡控制发展始于婴儿期，在婴儿身上可发现，当姿势受到干扰时，肢体就会有反射性的反应，惟平衡能力随着人体老化或器官伤害使身体平衡的反射机制慢慢迟滞使肌肉触发延后、感觉能力变差、灵敏性降低，以及依性别不同产生的差异等因素造成平衡能力降低；例如脑性麻痹与中风患者由于脑细胞受到伤害或发生病变引起神经骨骼肌肉运动机能的障碍，因此动作控制及感觉运功的失能，神经元受损导致肌力的过张或无力致平衡能力降低。因此，因神经或骨骼肌肉系统的动态和静态平衡障碍者，可藉由动态平衡干扰及运动神经控制的训练提高或改善其平衡能力，而此装置同时能评估其承受外在及自体干扰平衡能力，是为激发本案发明人的发明动机所在。

目前有关恢复平衡能力的评估与训练大部分还是使用临床量表评估方法，这些方法虽然使用方便，但是使用者须要经过特殊训练，且须具备相当程度的经验，才可保证评估结果的可信度。一般医院或是复健中心有一些操作简单、方便测得数据的平衡评估机器，但因为都是国外进口，所以价格昂贵，且维修不易加上这些国外进口的机器已是多年前的产物，有些功能已不能满足某些临床研究者的需求。国内近年来也有学者致力于这类机具的研发与改良，希望能做出实用又低价位的评估与训练的机器。已研发的动态平衡评估及训练系统都有相同的特征。它们都有一个可动的平台，且平台是由某种动力源带动，它们都可以测量到重心轨迹(CEntEr of PrEssurE，COP)的变化。

这里介绍三台此类型的机器：

一、ChattEcx BaLancE SystEm，制造或研发单位：ChattEcx BaLancESystEm；Chattanooga Group，Inc.，TN，USA特征：

1.测量COP的力传感器为可动式，如此可让受测者调整到自己想要或适合自己的站姿。

2.测试平台的高度低(约20cm)使受测者方便上下平台，且不会让受测者有惧高的心理作用。

3.平台可稳定慢速的转动和移动。

缺点：

1.平台只提供前后方向的摆动和移动。

2.平台摆动的角度和移动的幅度是固定的。

3.只有一调速旋扭以百分比的方式调速，较不精准。

二、台湾成功大学医学工程研究所研发的仪器的平衡台：洪怡宏(1998)特征：

1.有一头戴式显示器，增加受测者在虚拟场景的真实性。

2.使用一整块测力板，可求得更精准的COP。

3.平台可以任何角度旋转(±24度内)。

缺点：

1.平台只有前后方向的转动。

2.无完整、安全的悬吊保护系统。

三、台湾长庚大学机械研究所研发的平衡台，：李明义、连永昌(1997)特征：

1.平台可做前后左右的摆动。

2.平台上尚有一履带，可作同时做步行及倾斜的评估及训练。

3.压力测量是使用自行研发的穿戴式足压传感器可程序化COP。

缺点：

1.平台太高了，近乎一个人的身高了，会让人有惧高的心理。

2.穿戴式足底压力传感器过于简略，无法呈现确实足压。

根据上述学者已研发的仪器缺失，本发明为自行研发一套动态平衡评估及训练系统，提供除了COP以外的测量参数如两脚承重比以探讨身体重量的转移，足底压力分布及压力中心轨迹以探讨肌肉与神经控制的协同能力及平衡策略。本发明同时提供[寓复健于娱乐]的新概念让使用者经由机台前的显示器所示的计算机游戏来带动身体的自体平衡训练。本发明可让临床评估者能有更方便、安全和精确的评估仪器。

发明内容

本发明的目的在于提供一种具动态干扰与生理回馈的姿势稳定度评量及训练装置。

依本发明的一种具动态干扰与生理回馈的姿势稳定度评量及训练装置，主要装置由计算机过程控制的伺服马达控制模块、连杆装置所构成的机构模块、测量实时重心及足底压力分布的负荷测量模块、程控接口、马达控制箱、计算机、及其它平衡台硬件架构所组成，平衡台的机构模块由数组连杆、平台、球臼座，位置感知器、上下活动平板、气垫及其它支架构成；

其特征在于：该活动平板下方设置球臼座，内设置传感器可侦测实时活动平板方位坐标，并在上下活动平板夹层四端点置有负荷传感器计算瞬间的身体重心、活动平板上置有高密度的压力传感器(板)以计算身体摆动时双脚的压力分布及压力中心移动的轨迹并在屏幕上显示，活动平台下方并置有气压模块以控制气垫高度及平板稳定度，待受测者站在活动平板中心并站稳后于开始测试时，气垫立刻放气致不会影响活动平板的运动。当受测者站立于活动平衡台上经由计算机程序来控制马达及连杆装置产生不同形式的外在晃动干扰，于受测前方置有屏幕显示器以显示经由负荷测量模块所测量的实时重心轨迹及高密度的压力传感器所测量与计算的实时足底压力中心、压力分布，压力中心轨迹；经由评估参数与统计分析以评估及训练受测者的运动生理生物回馈控制及骨骼肌肉系统的复健效益。平衡台外另设有安全保护装置以保护受测者的意外晃动跌倒。本发明的另一重点为将控制连杆机构与活动平板间的锁件卸除。由受测者藉自体平衡能力依计算机软件所设计显示于屏幕上的游戏或动作画面移动身体而保持动态平衡。同时达到藉由视觉回馈、前庭感觉、本体感觉及肌肉神经的协调作用来训练及提升动态平衡能力。

本发明具有以下优点：

1.本发明具肢体主动及被动的动态平衡评量及训练。主动评量及训练由计算机程控平衡台产生不同频率与振幅的前、后、左、右摆动或全方位干扰。程控的平台扰动为单一自由度，可确保每一种平台扰动为唯一模式以确保连杆机构控制的准确性。被动式的平衡评量及训练则由受测者依计算机软件所设计显示于屏幕上的训练讯号的画面或游戏画面作动肢体。受测站立于当活动平板依主动程控或被动肢体移动产生作前、后、左、右摆动时，受测者可立即知道身体重心位置、足底压力的承重变化，做实时的生理回馈以进行神经生理及骨骼肌肉系统的训练及评估。

2.目前已协助膝关节韧带受伤患者或中风族群做运动、生理干扰平衡训练、评估极具复健的功效。

本发明的上述和另外的特征、优点可以通过以下结合附图的详细说明得到进一步的理解。

附图说明

图1是本发明的评量及训练装置立体图；

图1a是本发明含压力传感器活动平台的立体图；

图2是本发明的屏幕光标动作图；

图3是本发明的评量及训练装置前视图；

图4是本发明的活动平板右侧摇摆动作图；

图5是本发明的活动平板左侧摇摆动作图；

图6是本发明的评量及训练装置侧视摇摆动作图；

图7是本发明的重心移动轨迹图；

图8是本发明含安全支撑装置的评量及训练装置实施图。

附图标记说明：马达1、1a；评量及训练装置10；屏幕11；游标12；减速机2、2a；主动连杆3、3a；万向接头4、4a、5、5a；被动连杆41、4a1；上活动平板6；下活动平板6a；足底压力传感器(板)61；足底压力传感器(板)、讯息连接线62；肌电讯号测量电极片63；肌电讯号处理器64；负荷传感器7；球臼座8；位置传感器82；气垫81；支撑底座9；支架体91；弹性板体(如弹簧)100；安全带101；固定圆孔102；安全带调整环1021。

具体实施方式

本发明是提供一种具动态干扰与生理回馈的姿势稳定度评量及训练装置，如图1、图1a及图2至图6所示，是以身体双脚站立于上活动平板6上作平移和摇摆，该上活动平板6与下活动平板6a间于四端置有负荷传感器7，下活动平板6a下方设有半球头与支撑底座9的球形臼，形成一球臼座(一端为球头另一端为球臼组合)，球臼座8内设置有位置传感器82可实时显示活动平板的方位坐标，位置传感器82的机电配置与组件雷同于计算机的滚球鼠标。于球臼座8外围套设气垫81以调整活动平板6，6a摇摆角度，当受测者踏上活动平板6之前，将气垫81充气，待受测者站在活动平板6中心并站稳后开始测试前，气垫81立刻放气至不会影响活动平板6，6a的运动，前述球臼座8的臼体坐落于支撑底座9的中心(亦可为球头置于支撑底座而球臼与下活动平板6a连接)，支撑底座9连接支架体91供两个DC伺服马达1、1a及减速机2，2a安置。支架体91连接上端支架设置屏幕11可显示当活动平板6做前、后、左、右晃动或转动时由四端负荷传感器7所计算的身体实时重心位置(图7)。上活动平板6上设置有高密度的压力传感器(板)61(如图1a所示)，以信息连接线62与计算机相连接，以计算身体摆动时双脚的压力分布及压力中心移动的轨迹并在屏幕11上显示，以作实时生理回馈。当进行自体平衡的训练、评估时先将连接于下活动平台6a两端的万向接头5，5a与被动连杆41，4a1松脱，使用者依计算机程序设计的定点画面或趣味游戏(图2所示)以自体平衡移动或晃动躯体，以便实时显示的身体重心坐标与屏幕11的画面信息光标12结合达到生物回馈与动态姿势稳定度评估及训练。

具动态干扰与生理回馈的姿势稳定度评量及训练装置是以下列模块所组成：

机构模块：

机构模块是由两个DC伺服马达1、1a、两个减速机2、2a、两根主动连杆3、3a、四个万向接头4、4a、5，5a，两根被动连杆41、4a1、一块上活动平板6、一块下活动平板6a，一组球臼座8及支撑底座9等组成。

DC伺服马达1、1a与减速机2、2a同轴连接，减速机2、2a和主动连杆3、3a是以销接的方式做连结，且主动连杆3、3a的轴心和减速机2、2a的轴心是正交的；主动连杆3、3a和被动连杆41、4a1是以万向接头4、4a做连结；而被动连杆41、4a1是以万向接头5、5a连结在下活动平板6a的相讨应角，下活动平板6a中心下方有一组球臼座8，球臼座8内设有如滚球鼠标的机电组件的位置传感器82。

整个运动就是分别由两个伺服马达1、1a依计算机过程控制产生间断的前后干扰摆动或间断的左右干扰摆动或连续旋转扰动的运动模式做同步或异步的不同角度的旋转，经由减速机2，2a做适当的减速以达适当的扰动频率，再分别经由两根主动连杆3，3a带动两根被动连杆41、41a，两根被动连杆41，4a1再分别带动下活动平板6a的两个角，下活动平板6a因以球臼座8为支撑点，因此整个活动平板6，6a以球臼座8为中心做任意方向、任意角度的摇摆。

本发明的机构特色：

本机构的特色是由两根在平面运动的主动连杆3、3a，带动由球臼座8支撑的下活动平板6a在空间中做任意方向和角度的摇摆，并由被动连杆41、4a1补正主动连杆3、3a和下活动平板6a之间的微小位移误差。

运动方程式：

本机构模块的目的是使平台可在任意一角度和方向摇摆，必须先决定马达1，1a的转动角度、方向才会使平台在要求的角度和方向摇摆，因此，须求出平台和连杆、马达之间的运动方程式。

在一般教科书所提到计算器构运动方程式的结果都是已知输入值，然后代入方程式而得到输出值。但在本机构模块中，必须精确的得到平台摇摆的角度，如果还是使用已知输入而得到输出的方式，那么，可能须要试很多次才能得到趋近于正确的平台摇摆角度。

因此，必须逆向求解。使用简单的向量关系式，且分段求解。因为主要目的是求出平台摇摆的角度，所以，若连接于下活动平板6a的两个万向接颈5，5a分别以英文字母C、E表示，球臼座8以英文字母D表示，则先求出平板6a摇摆角度和平台C、E两个点的关系，再求出C、E两个点和主动连杆3，3a的关系，再由主动连杆的摆动来出马达1，1a的动作。

首先，定义夹角和坐标之间的关系。定义某一向量和Z轴的夹角为p，且角度的零点是Z轴；定义某一向量投影在XY平面上的分量和X轴的夹角为q，且角度的零点是X轴。在此，p和q两个角度是控件，稍后会详述。

定义角度和坐标轴的关系后，就可以应用在平台上了。将坐标原点定在D点，由D点到E点就可以构成DE向量，同样的，由D点到C点可以构成DC向量。知道两个向量可以代表一个平面，所以，如果能知道这两个向量在空间中的位置，就等于知道平台在空间中的位置了。因此，必须知道E点的坐标值(X1，Y1，Z1)和C点的坐标值(X2，Y2，Z2)，这样，便有六个未知数，所以必须有六个方程式来求解。

因为平台是正方形，所以DE向量和DC向量是垂直的，所以两向量的内积是零，因此可得到第一个方程式

x1×x2+y1×y2+z1×z2＝0    (1)

接着，可以由两个向量的外积得到一个垂直平面的法向量DF，而这个法向量的大小就是此平台的面积，面积是已知的，而且，加上p、q两个角度的变化便可求得DF这个法向量在X、Y、Z三个轴向的分量了，所以，可得到下列三式

-y2×z1+y1×z2＝1800×SIn[p]×Cos[q]   (2)

x2×z1-x1×z2＝1800×SIn[p]×SIn[q]    (3)

-x2×y1+x1×y2＝1800×Cos[p]           (4)

因为DC向量和DE向量的大小也是已知，所以可得到第五个方程式

(x1²+y1²+z1²)^0.5＝43.4264    (5)

虽然两个向量的大小都是已知的，可是，不能将这两个已知同时列为方程式，因为，这两个方程式是相依的。因此，还必须找出另一个方程式。

由以上所列出的五个方程式，已经将各向量之间的夹角、大小完整的描述出来了，可是，上述的五个方程式所得到解的集合是一个球的表面，因此，还要找出一个方程式，从球的表面中求得所要的两个点，并且，满足六个方程式解六个未知数。

藉由向量CD与ED所形成的平面可知，活动平板在初始状态时，各个向量的位置是已知的，换言之C和E两点的坐标值是已知的，假如活动平板转动了某一个角度，那DF、DE和DC这三个向量都会跟着变，而且这三个向量的变化是相依的，所以，可以由DC或DE移动后的位置和移动前的位置做内积而得到第六个方程式

x1×30+y1×(-30)+z1×0＝1800×Cos[Cos[q+π/4]×p]  (6)

求出六个方程式，方可以使用计算机程序求得联立方程式的解。

求出联立方程式的解，发现解都是p和q的函数，所以，可以藉由p和q方便并且精确的控制平台的动作。例如：当p为±10°且q为0°时，活动平板6a会以y轴为旋转轴，作±10°的摇摆。当p为±5°且q为90°时，活动平板6a会以x轴为旋转轴，作±5°的摇摆。当p为±5°且q由0°增加到360°时，活动平板6a是做旋转运动。

求出第一组方程式之后，即可直接反推主动连杆3，3a的移动量和马达1，1a的转动量。可是，在机台制造组装后，因为平板本身的厚度和万向接头的长度，使得被动连杆和平台的连接点提高了5cm，所以，必须再建立一组方程式修正这个误差。

((x3-x1)×x1+(y3-y1)×y1+(z3-z1)×z1)＝0    (7)

((x3-x1)²+(y3-y1)²+(z3-z1)²)^0.5＝5    (8)

(x3-x1)×(-y2×z1+y1×z2)+(y3-y1)×(x2×z1-x1×z2)+(z3-z1)×(-x2×y1+x1×y2)＝9000    (9)

修正误差后，再用下列方程式求出主动连杆3，3a在空间中的位置，

((x1-(57-25×Cos[w]))²+(y1-(-30))²+(z1-(13+25×SIn[w]))²)^0.5＝10    (10)

求得的值即可算出马达所需转动的角度。

定位精度：

本机构的定位精度由主动连杆3，3a的挠度和马达1，1a转动的定位精度决定。整个机构没有运动时，假设主动连杆为一悬壁梁，代用材料力学挠度弹性曲线方程式

v＝Px²(x-3L)/6EI    (11)

马达转动定位精度则由厂商提供的马达特性表求得。例如本机构使用的DC伺服马达为10000puLsEs转一圈，则定位精度为0.036度/pEr puLsE。

重量感测模块：

重量感测模块的目的在于当平台运动时，得知人体在平台上重心位置变化。

重量传感器模块包括四个负荷传感器7、四组放大器、一个电源供应器、一片A/D转换卡。负荷传感器7安置于上下活动平台6，6a的四固端，以程序经公式计算使用者站立于活动平台的重心位置。

压力传感器(板)61：

活动平板6上设置有高密度的压力传感器(板)61(参考图1a及图8)压力传感器(板)61以信息线连接到讯号控制盒并与计算机做信号连结，经计算机程序计算身体实时摆动时双脚的压力分布及压力中心移动的轨迹，并将轨迹信号传输至屏幕11显示。

气压模块：

气压模块的功用是在受测者要踏上活动平板6之前，将该模块内的气垫81充满气，待受测者踏上活动平板6时，减少活动平板6，6a晃动，亦减少连杆所承受的弯矩和马达1、1a的扭矩。待受测者站在活动平板6中心并站稳后在开始测试前，气垫81立刻放气至不会影响活动平板6a活动的状态。

气压模块是由一个五口三位阀、一调压阀、一个真空阀、一电源供应器、一组控制电路所组成、一个气垫81及一具空气压缩机所组成。

此气压回路为空气压缩机为提供压缩气体的气压源，进入调压阀，在此，可由调压阀调整进入五口三位电磁阀的压缩气体的压力。当气体进入五口三位电磁阀后，可由程序下指令来对该电磁阀某一端激磁。

激磁方法及对气垫81的影响可分下列三种：

一、例如左端激磁，则来自气压源的压缩气体会到达气垫81，对气垫81充气。

二、若为右端激磁，则来自气压源的压缩气体会由另外气孔出来而到达真空阀，提供真空阀排气的动力，而由气垫81排出的气体则接到真空阀的吸引口，使气垫81内的气体快速排放。

三、若两端均不激磁，则来自气压源的压缩气体无法进入五口三位电磁阀；气垫81内的压缩气体亦无法排出，如此，可保持气垫81内的气体保持在某个压力下，使受测者有足够的时间站上活动平板6a并调整其站立位置。

控制电路：

由四个继电器和四个二极管所组成的，电源由一个电源供应器来供应，而命令则是由程序经由三轴运动控制卡端经继电器对五口三位阀激磁。

程序设计：

本系统的程序包括控制程序、讯号搜集程序和后处理程序。

控制程序可让使用者输入受测者相关数据、欲测的角度、方向、频率和视觉状态。活动平板6a运动时，画面左下角的画面显示重心移动的轨迹，待测试完毕，程序会自动将所撷取的讯号存盘。待存盘后，使用后处理程序开启档案，主窗口即会显示x轴最大位移量、y轴最大位移量、重心总路径长和平衡分数，另外三个窗口分别显示(如图7所示)重心移动轨迹、双轴重心时序图。

安全防护机构：

如图1，8所示，本机构装设的安全防护机构在受测者站立的评量及训练装置10上方设置弹性板体(如弹簧)100，该板体100头端固定于天花板，另在天花板适当处设置一倒吊环柱102的圆孔，将安全带101远端是固于弹性板体(如弹簧)100并穿过圆孔102，于圆孔102与100连接端间设置有安全带长度调节环1021以调整适当长度防止受测者跌倒但亦不影响受测时身体摆动。安全带101另一端围是于受测者腰部或以如安全救生衣相结合穿戴于受测者身上，以提供保护作用。

为了解受测者受干扰摆动时神经肌肉的协同作用，可在受测者背部及下肢适当肌肉位置贴上肌电讯号测量电极片63，经肌电讯号处理器64来记录及分析肌肉的作动收缩情形，以了解受测者用何种平衡策略达到平衡。

应当理解，以上结合实施例的说明对本发明而言只是说明性而非限制性的，在不脱离本发明的精神和范围内，可对本发明做出许多变更和修改，其都将落在由权利要求所限定的本发明的范围内。