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一个坐着平台已经开发和组装, 被动地破坏了人类坐姿的稳定。在用户的稳定任务中, 惯性测量单元记录设备的运动, 振动元件向座椅提供基于性能的反馈。这种便携、多功能的设备可用于康复、评估和培训模式。
姿势摄动、运动跟踪和感官反馈是现代技术, 分别用于挑战、评估和训练直立坐姿。所开发的协议的目标是构建和操作一个可以被动不稳定的坐姿平台, 而惯性测量单元则量化其运动, 振动元件则向用户提供触觉反馈。可互换座椅附件改变了设备的稳定性水平, 以安全地挑战座椅平衡。内置微控制器允许对反馈参数进行微调, 以增强感官功能。后置测量, 典型的平衡评估方案, 总结在定时平衡试验中获得的运动信号。到目前为止, 没有动态坐姿协议提供可变的挑战、量化和感官反馈, 而不受实验室限制。我们的研究结果表明, 当平衡困难被改变或提供振动反馈时, 设备的非残疾用户在术后测量中表现出显著的变化。这种便携、多功能的装置在康复 (骨骼、肌肉或神经损伤后)、训练 (用于运动或空间意识)、娱乐 (通过虚拟或增强现实) 和研究 (在骨骼、肌肉或神经损伤之后) 和研究 (与坐姿有关的疾病)。
直立坐是其他人类感觉运动功能的先决条件, 包括熟练的运动 (如打字) 和干扰平衡任务 (如乘坐火车)。为了恢复和改善坐姿和相关功能, 采用了现代平衡训练技术: 不稳定的表面扰动坐姿1,2和运动跟踪量化平衡熟练程度3,4.当振动使用与性能相匹配的模式传递到身体时,平衡训练结果会得到改善5。这种感官反馈作为一种康复和训练方法, 显然是有效的;然而, 目前的感官反馈方法是面向持续平衡, 并要求实验室为基础的设备6,7。
这里介绍的工作的目的是建立一个便携式设备, 可以坐在不同程度的被动不稳定, 而内置仪器记录其位置, 并提供振动反馈到坐着的表面。这种工具组合集成了以前在晃动椅2,4和振动反馈5,6, 7 的工作, 使这些工具的好处更强大, 更容易获得。此外, 根据已建立的文献, 在尿路后措施8的基础上, 提出了一个程序, 以训练直立坐姿和数量结果的分析。这些方法适用于研究与振动反馈相结合时, 具有不稳定表面的坐姿平衡运动的效果。预期的应用包括运动训练、运动协调的普遍改善、平衡能力的评估以及骨骼、肌肉或神经损伤后的康复。
这里描述的所有方法都得到了艾伯塔大学健康研究伦理委员会的批准。
1. 结构构件的结构和装配
2. 检测设备
3. 示范评估和培训议定书
表 2显示了每一种实验条件, 从对 ap 和 ml 支撑表面倾斜的观测中得出的后图测量, 平均超过12名参与者进行的144次平衡试验 (每名参与者 2 x 2 x 3 项试验)。
更改平衡条件的效果:选择基本条件取决于眼睛状况 (即,当眼睛闭合时, 基本条件更稳定)。因此, 基础和眼睛状况一起被认为是一个独立变量 (平衡条件)。在根均方、中心频率和频率色散的两个平衡条件下, ap 倾斜的观察有显著差异 (根据估计变化的 f-试验, α= 0.05)。每个度量值 (平均值和标准偏差) 的计算更改如图 7和图 8所示。与其他报告一致, 这些后图测量可以区分平衡任务4。
更改反馈条件的效果:在振动反应反馈系统处于活动状态的试验中, ap 倾斜观测的中心频率明显高于对照试验期间 (根据估计变化的 f-测试, α= 0.05)。图 9和图 10显示了每个术后度量值 (平均值和标准偏差) 的计算变化。与其他报告一致, 此振动反馈协议对平衡性能有可衡量的影响17。
图 1: 机箱组件的分解视图.结构部件包括: (1) 盖;(2) 配重;(3) 圆柱形底盘;(4) 基螺柱;(5) 腿支撑附件的附件障碍 (图 3);(6) 基座;以及 (7, 8) 用于五个可互换气缸之一的附件的杆和套筒 (图 2)。请点击这里查看此图的较大版本.
图 2: 曲线基模块的侧视图.五个模块中的每一个都有63毫米的总高度和独特的曲率半径, 这调节了在坐姿表面保持平衡的难度。请点击这里查看此图的较大版本.
图 3: 腿部支撑附件的分解视图.腿部支撑, 包括一个缝隙, 夹具, 和方形精加工插头, 是600毫米长, 可以在运输设备的过程中删除或允许用户在平衡运动期间自由摆动腿。有关详细的零件尺寸, 请参阅补充文件 1 (绘图)和2 (3d 实体模型)。请点击这里查看此图的较大版本.
图 4: 用于坐姿平衡评估和训练的振动反馈装置.(a) 设备附件的分解视图。此处显示的组件有: (1) 底座、机箱和盖;(2) 脚踏件的钢挤压;(3) 两个夹紧针, 以固定脚垫;(4) 高度可调的脚踏附件;和 (5) 五个弯曲基模块中的一个。这些组件可以分开, 以方便运输或储存。有关详细的零件尺寸, 请参阅补充文件 1 (绘图)和2 (3d 实体模型)。(b) 设备的顶视图照片。盖子已被拆除, 以显示电子仪器, 包括: 由定制印刷外壳 (中心) 安装的惯性测量单元;具有通用串行总线连接的微控制器板 (左);8个电子振动器, 存放在定制印刷的外壳 (中区域);和一根钢筋 (顶部) 来平衡脚垫这个数字已经从威廉姆斯等人那里修改过了.18.经 asme 许可, 在《生物力学工程杂志》上转载了《评估和训练动态座位平衡的仪器晃动板的设计和评价》, ad williams, qa boser, as kumawat, k Agarwal, h hani rouh vette, vol。140, 2018年4月;通过版权清除中心, 公司传达的权限请点击这里查看此图的更大版本.
图 5: 用于振动压孔的两部分安装外壳.贴片外壳 (顶部) 上的一个4毫米孔松散地安装在安装平台 (底部) 的3毫米定位销上, 以最大限度地减少减振。有关详细的零件尺寸, 请参阅补充文件 1 (绘图)和2 (3d 实体模型)。请点击这里查看此图的较大版本.
图 6: 用户界面.此用户界面允许用户选择振动反馈阈值并获取数据。图上矢量的长度和方向与设备的运动学成正比。矩形反映了用于反馈的 ap 和 ml 阈值。威廉姆斯等人对这一数字作了修改.18.经 asme 许可, 在《生物力学工程杂志》上转载了《评估和训练动态座位平衡的仪器晃动板的设计和评价》, ad williams, qa boser, as kumawat, k Agarwal, h hani rouh vette, vol。140, 2018年4月;通过版权清除中心, 公司传达的权限请点击这里查看此图的更大版本.
图 7: 时域中任务操作的结果.时域后图的变化是指参与者闭上眼睛, 同时切换到更稳定的基数 (平均值和标准差; 星号表示根据 f-测试, α= 0.05) 的显著变化。请点击这里查看此图的较大版本.
图 8: 频域任务操作的结果.频域后图的变化是指参与者闭上眼睛, 同时切换到更稳定的基数 (平均值和标准偏差; 根据 f-test, α= 0.05), 星号代表显著变化。请点击这里查看此图的较大版本.
图 9: 时域中的振动反应反馈结果.当参与者获得基于性能的振动反应反馈 (平均值和标准偏差; 根据 f-test, α= 0.05, 没有统计学意义的变化时域后测量值的变化)。请点击这里查看此图的较大版本.
图 10: 频域中的振动反应反馈结果.当参与者获得基于性能的振动反应反馈时, 频域后图测量值的变化 (平均值和标准偏差; 根据 f-test, 星号代表显著变化, α= 0.05)。请点击这里查看此图的较大版本.
曲率半径 (厘米) | ||
最稳定 | 25 | 不那么难平衡 |
20 | ||
15 | ||
13 | ||
最不稳定 | 11 | 更难以平衡 |
表 1: 可互换基座的几何特性.每个基模块的总高度为63毫米;因此, 曲率半径较小的基座在连接到设备时, 比曲率半径较大的基座不太稳定。
后置测量 | 倾斜方向 | 实验条件 | |||
睁开眼睛 | 闭上眼睛 | ||||
非常不稳定的表面 | 轻度不稳定表面 | ||||
振动 | 振动 | 振动 | 振动 | ||
关机 | 开 | 关机 | 开 | ||
根形广场 | 前后 | 1.60 | 1.62 | 2.01 | 1.70 |
[度] | 中侧 | 1.53 | 1.61 | 1.80 | 1.74 |
平均速度 | 前后 | 2.75 | 3.01 | 2.85 | 2.94 |
[德莱什] | 中侧 | 3.04 | 3.14 | 3.38 | 3.44 |
中心频率 | 前后 | 0.418 | 0.449 | 0.370 | 0.423 |
[赫兹] | 中侧 | 0.462 | 0.4 467 | 0.4 65 | 0.471 |
频率色散 | 前后 | 0.659 | 0.654 | 0.685 | 0.61 |
[-] | 中侧 | 0.651 | 0.651 | 0.62 | 0.669 |
表 2: 按平衡和反馈条件分列的结果.在不稳定的坐姿试验中, 从 ap 和 ml 倾斜中得出的总结措施。支持表面稳定性加上眼睛状况以及振动水平是作的变量。计算了所有参与者的平均计量标准。
补充文件 1: 请点击此处下载此文件.
补充文件 2: 请点击此处下载此文件.
补充文件 3: 请点击此处下载此文件.
提出了一种便携式、仪器仪表、坐姿装置的制造方法。该设备是便携式和耐用的, 在以前研究的摆动椅子2,4和振动反馈5, 6,7,使这些工具的好处更强大和易于访问.按照反向装配协议准备设备的运输或存储。通过附加具有不同曲率的基座, 可以调节平衡任务的难度。任务难度的选择至关重要;用户应不稳定, 以促进积极的培训, 而不会有受伤的风险。
内置仪器的实时观察和调整依赖于微控制器和用户界面之间的串行通信;设备的故障需要软件和硬件的故障排除。确保所有硬件连接都是安全的。监视微控制器的串行输出是否有意外字节。探查用户界面程序中的错误。如果问题仍然存在, 请咨询经验丰富的机电一体化设计师。
平衡熟练程度的特点是从对坐姿表面的运动学观测中得出的后图测量。或者, 观察力板上施加的压力中心, 这与表面倾斜角度为 2相关, 但需要额外的设备。术后测量在第2疗程之间具有不同的可靠性, 对平衡改善或紊乱有不同的敏感性.根均方、平均速度、中心频率和频率色散是常见的后图测量, 被观察到是线性独立的。考虑修改信号分析协议, 以满足特定的评估目标。
该设备根据平衡任务性能向座椅提供振动刺激。触觉反馈控制的最优配置是本协议中的一个关键环节, 因为某些反馈策略可能会损害运动学习20。现有的振动反应反馈方法被证明可以提高站立平衡功能和许多其他电机任务6,7。座椅嵌入的触控器使振动反馈技术可用于坐姿平衡范式。未来的应用可能包括运动训练、空间定向训练、虚拟或增强现实游戏、平衡能力评估、平衡障碍研究以及骨骼、肌肉或神经损伤后的康复。
作者没有什么可透露的。
提交人承认本科生 animesh singh kumawat、kshitij Agarwal、quinn boser、benjamin cheung、caroline collins、sarah lojczyc、derek schlenker、katherine schoepp 和 arthur zielinski 的设计工作。这项研究的部分资金来自加拿大自然科学和工程研究理事会的发现赠款 (rgpin-2014-04666)。
Name | Company | Catalog Number | Comments |
Chassis | McMaster-Carr | 8657K421 | Moisture-Resistant LDPE Polyethylene Sheet 1-1/2" Thick, 24" X 24" |
Lid | McMaster-Carr | 8657K414 | Moisture-Resistant LDPE Polyethylene Sheet 1/4" Thick, 24" X 24" |
Base | McMaster-Carr | 8657K414 | Moisture-Resistant LDPE Polyethylene Sheet 1/4" Thick, 24" X 24" |
Grip-Tape | McMaster-Carr | 6243T471 | Nonabrasive Antislip Tape, Textured, 6" Wide Strip, 2' Long, Black |
Base Nut | McMaster-Carr | 90596A039 | Steel Round-Base Weld Nut, 5/8"-11 Thread Size |
Weld Plate | McMaster-Carr | 1388K142 | Low-Carbon Steel Sheet 1/16" Thick, 3" X 3", Ground Finish |
Threaded Rod | McMaster-Carr | 90322A170 | 3" 5/16"-18 Medium-Strength Alloy Steel Threaded Stud |
Sleeve | McMaster-Carr | 8745K19 | Chemical-Resistant PVC (Type I) Rod 1-1/4" Diameter |
Square Flange | McMaster-Carr | 8910K395 | Low Carbon Steel Bar, 1/8" Thick, 1" Wide |
Hitch | McMaster-Carr | 4931T123 | Bolt-Together Framing Heavy-Duty Steel, 1-1/2" Square |
Curved Base | McMaster-Carr | 8745K48 | PVC Rod, 6" Diameter |
Hitch Insert | McMaster-Carr | 6535K313 | Bolt-Together Framing Heavy-Duty Steel, 1" Square |
Extrusion | McMaster-Carr | 6545K7 | 1045 Cold Drawn Steel Square Bar Stock, 1' X 1" Wide, Unpolished |
Clamp | Vlier | TH103A | Adjustable Torque Knob |
Footrest | McMaster-Carr | 6582K431 | 4130 Steel Tubing, 1" X 1" Wide, 0.065" Wall Thickness, Unpolished Mill Finish |
Counterwieght | McMaster-Carr | 8910K67 | Low-Carbon Steel Rectangular Bar 1-1/8" Thick, 4" Width |
Clevis Pin | McMaster-Carr | 97245A616 | Zinc-Plated Steel Clevis Pin with Hairpin Cotter Pin, 3/16" Diameter, 1-9/16" Usable Length |
Microprocessor | Arduino | MEGA 2560 | Microcontroller board with 54 digital I/O pins and USB connection |
Inertial Measurement Unit | x-io Technologies Ltd. | x-IMU | Inertial Measurement Unit and Attitude Heading Reference System with enclosure |
Vibrating Tactor | Precision Microdrives | DEV-11008 | Lilypad Vibe Board, available from SparkFun Electronics |
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