CN108837430A - 一种多功能人体平衡评测训练*** - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种多功能平衡评测训练***，应用于人体平衡能力训练及测评领域，包括数据采集、数据处理及平衡训练三大功能模块，其结构包括地表压力中心测试台、姿态传感器、扶手架、数据处理器件、外部信息显示器件和VR眼镜；扶手架用于防止受试者发生跌倒等意外，保护人身安全；地表压力中心测试台和姿态传感器采集人体平衡数据，通过wi‑fi通信将数据传输给数据处理器件；基于人体平衡分析算法，人体平衡能力评价结果及参数显示在外部信息显示器件及VR眼镜上；该多功能平衡评测训练***包括评测、自主训练和辅助训练三种工作模式，并为受试者提供平衡测试及训练虚拟游戏场景，提高平衡能力评测及训练过程的趣味性，结构简单，操作简便，便于推广。

Description

一种多功能人体平衡评测训练***

技术领域

本发明涉及人体平衡能力训练领域，具体涉及一种多功能人体平衡评测训练***设计及其使用方法。

背景技术

人体平衡能力是人体维持身体平衡时的一项基本功能，良好的平衡能力是进行日常活动、工作的基本条件，平衡障碍容易造成站立或行走的不稳定，引起摔倒；因此，人体平衡能力评测具有重要的意义。

研究发现随着年龄的增长，人类的平衡能力普遍有所下降，我国现在进入老龄化社会，对于老年人的日常看护是重要问题，老年人最常见的一个问题就身体机能衰退，平衡能力降低，容易发生跌倒，另外，老年人常常伴随有骨质疏松，软组织退化等问题，摔倒后容易引起骨折软组织损伤等问题；因此，及时发现平衡问题，并进行平衡能力训练及治疗对人的健康和安全有着重要的意义。

现有的一些常见病如颈椎病、骨质疏松、脑外伤、偏瘫等患者都伴随有平衡能力问题，临床上平衡能力对疾病的检查、诊断和治疗也具有重要意义，适当的平衡功能训练改善患者的病情，提高患者的自主生活能力。

平衡能力失调的伴随症状一般包括头晕、注意力无法集中、记忆力衰退等，主要受人体的本体感觉、视觉和前庭感觉的影响，锻炼提高本体感觉、视觉和前庭感觉对人体平衡的自调整能力，能够使人体在静止或移动时看清物体、识别方向、确定移动的方向和速度、并通过调整姿势维持身体平衡及稳定，提高人身安全，改善患者健康状况。

综上所述，人体平衡能力的训练对临床医学具有重要的研究意义，对正常人的日常生活和健康、老年人的日常看护和锻炼、患者下肢康复训练具有重要的应用价值。

目前一般平衡评测主要应用在临床医学上，平衡训练主要用在本体感觉、视觉、前庭感觉和下肢康复训练过程中，现有的测试装置模块结构复杂，占大量的位置空间，成本高昂，不适合针对家庭使用和推广；因此有必要设计一种结构简单、使用方便、节约空间、成本低廉，可以快速准确评估人体平衡能力，满足不同人群多种用途的人体平衡评测训练***。

因此，本发明针对现有技术不足的问题，发明了一种多功能人体平衡评测训练***。

发明内容

本发明的目的是针对目前家庭医疗服务行业的技术设备不足，提供一种多功能人体平衡训练***，该***结构简单，便于携带，操作容易，便于推广。

本发明的目的的技术解决方案如下：

所述多功能人体平衡训练***包括数据采集模块(1)、数据处理模块(2)及平衡训练模块(3)三大功能模块，平衡数据采集模块(1)用于对人体平衡数据的采集，包括地表步态压力中心数据和测试部位的角度、角速度和加速度的数据；数据处理模块(2)用于对采集到的人体数据进行处理和分析，给出平衡的结果；平衡训练模块(3)用于提供训练的场景，并实现人机交互的功能，可方便地为使用者提供人体平衡能力评测训练服务。

所述多功能人体平衡训练***的结构包括地表压力中心测试台(1-1)、姿态传感器(1-2)、扶手架(1-3)、数据处理器(2)、外部信息显示器件(3-1)和VR眼镜(3-2)组成；压力中心测试台(1-1)和姿态传感器(1-2)用于人体平衡数据的采集；外部信息显示器件(3-1)和VR眼镜(3-2)用于提供训练的场景，以及实现人机交互的功能。

所述多功能人体平衡训练***的数据采集模块由地表压力中心测试台(1-1)、姿态传感器(1-2)和扶手架(1-3)组成，地表压力中心测试台由承重踏板(1-1-1)、压力传感器(1-1-2)、压力数据处理器件(1-1-3)组成，压力数据处理器件包含Wi-Fi通信器件及压力数据处理算法，承重踏板(1-1-1)用来承载使用者，采用圆形设计且质量较轻，使用者踩踏时不发生影响平衡能力检测的形变，承重踏板下方均匀的分布三个压力传感器(1-1-2)，压力传感器分布在圆形踏板的外周圆上，以圆形踏板的圆心为中心点呈正三角形分布，压力数据处理器件(1-1-3)将压力数据处理转换为压力中心数据，并通过Wi-Fi通信器件进行传输通信；姿态传感器(1-2)可以获得使用者测试部位的角度、角速度和角加速度变化，并通过Wi-Fi通信将数据进行传输，扶手架(1-3)可自由移动，当使用时通过自锁万向轮进行固定，放置于地表压力中心测试台外周围，防止在评测或训练过程中人体失去平衡发生跌倒危险，保障受试者人身安全。

所述多功能人体平衡训练***，地表重心计算方法为：

其中以受试者站立的受试者右侧为x轴正方向正,前方为y轴正方向，地表压力重心坐标点表示为(x,y)，f₁、f₂、f₃分别为三个压力传感器上的压力值，l为传感器之间的距离。

所述多功能人体平衡训练***，数据处理器(2)能接受数据采集模块通过Wi-Fi通信器件传输的数据，并对接收的数据进行数据滤波、融合分析处理；数据处理模块并能够通过Wi-Fi通信器件将处理后的数据传输给平衡训练模块(3)。

所述多功能人体平衡训练***具有平衡功能评测功能，根据数据处理模块获得地表重心和测试部位的角度、角速度和加速度的运动轨迹及包络面积，偏移率，频谱及能量变化等信息，评估人体平衡能力。

所述多功能人体平衡训练***，数据处理模块具有数据存储、删除和数据下载功能，使用者可以对平衡测试的数据进行管理。

所述多功能人体平衡训练***，平衡训练模块平衡训练模块包括由自主训练模式和辅助训练模式两种模式。

所述多功能人体平衡训练***，平衡训练模块自主训练模式基于VR技术开发人机交互场景，由VR眼镜提供虚拟平衡测试的人机交互场景，使用者根据场景要求完成场景任务。

所述多功能人体平衡训练***，平衡训练模块辅助训练模式由外部信息显示器件提供训练任务，外部信息显示器件由操作者操作，操作者通过外部信息显示器件将任务通过Wi-Fi通信器件将训练任务发布给VR眼镜，使用者在通过VR眼镜提供的训练任务，完成训练任务。

所述多功能人体平衡训练***，平衡训练模块具有信息显示功能，使用者可以通过VR眼镜或外部信息显示器件观察到平衡测试结果及数据。

所述多功能人体平衡训练***，在平衡训练模块使用者可以选择对测试数据的保存、删除和下载的功能。

附图说明

图1为多功能人体平衡训练***功能框图。

图2为多功能人体平衡训练***机构简图。

具体实施方法

如图1所示多功能人体平衡评测训练***包括数据采集模块、数据处理模块及平衡训练模块；平衡数据采集模块用于对人体平衡数据的采集，包括地表步态压力中心数据和测试部位的角度、角速度和加速度的数据；数据处理模块用于对采集到的人体数据进行处理和分析，给出平衡的结果；平衡训练模块用于提供训练的场景，以及实现人机交互的人体平衡评测训练功能。

如图2所示多功能人体平衡评测训练***结构由地表压力中心测试台、数据处理器、扶手架、外部显示器和VR眼镜组成；地表压力中心测试台放置于扶手架内部，受试者站立在承重踏板上，三个压力传感器位于圆形承重踏板下方的外周圆上，且以圆形踏板圆心为中心点呈正三角形分布；姿态传感器根据平衡训练任务要求，通过扎带固定于受试者的指定位置；VR眼镜使用者佩戴于受试者眼部；扶手架放置于地表压力中心测试台外周围，防止在评测或训练过程中人体失去平衡发生跌倒危险，保障受试者人身安全。

开始测试时，打开各部分的电源开关，使用同一Wi-Fi网络使各部分模块实现通信，受试者光脚站立于承重踏板上，三个称重传感器和姿态传感器开始采集受试者的地表重心信息和姿态信息，通过信号采集模块进行放大、A/D转换，并采用Wi-Fi通信方式将采集到的信号传输给数据处理模块；基于人体平衡能力分析算法，实现人体平衡能力评估及结果的高可视化动态显示。

当进行人体平衡能力测试时，受试者光脚站到承重踏板上，佩戴姿态传感器于身体腰部中心位置，并佩戴好VR眼镜，通过外部信息显示器件和VR眼镜设置***为人体平衡能力测试模式，人体姿态稳定之后，信息处理显示模块开始记录平衡测试数据，并绘制出地表重心及腰部中心点的坐标变化轨迹；测试结束后，根据地表重心坐标变化和姿态传感器的数据变化，根据人体平衡分析算法，计算得出人体重心偏移量、偏移率和轨迹包络面积，频谱及能量变化等信息，结合人体静态平衡量表，完成指定动作，给出人体静态平衡能力结果；移量、偏移率和轨迹包络面积越大，低频段能量分布越低，静态平衡越差；动态平衡测试时，外部信息显示器件或VR眼镜会引导受试者完成相应的动作，姿态传感器记录完成动作过程中的人体姿态信息，量化判断动作是否完成情况，同时足底压力传感器采集地表重心坐标变化情况，进而获取人体的角度变换量、速度和加速度，地表重心轨迹包络面积，中心偏移率，中心偏移量，频谱及能量变化等信息，综合给出动态平衡能力评估结果；根据静动态平衡能力测试数据，基于人体平衡分析算法，综合量化评估人体平衡能力；使用者还可以根据外部信息显示器件或VR眼镜的功能显示，自主保存、删除或下载数据处理器中的数据。

人体平衡训练使用时，首先设置***为人体平衡能力训练模式，多功能人体平衡训练***先对受试者进行平衡能力测试；然后根据平衡能力测试结果，使用者选择合适的训练内容；训练结束后，再次对受试者进行平衡能力分析，使用者可以为受试者本人，也可为给受试者制定训练方案的医生。

当使用者为受试者时，选择相应的平衡能力训练内容，受试者站立在承重踏板上，VR眼镜中可观察到人机交互界面，并通过语音方式在VR视窗进行应用和场景选择，场景任务给相应的虚拟场景(包括游戏)，受试者在保持双脚不动的前提下，利用身体的运动来完成虚拟场景中的任务，体感传感器实时获取身体部位的运动姿态信息，压力传感器则实时采集压力信号，并在信息处理显示模块后台实时记录地表重心位置和人体的运动信息；姿态传感器根据使用者在完成虚拟应用场景中的任务，获取身体部位的运动姿态信息，根据姿态信息，获得运动变化信息，判断受试者动作是否符合标准，在规定时间内，判断动作符合标准且正确，任务完成，否则判断错误，任务失败；每项场景(包括游戏)任务都对应有一定的分值，每完成一个动作得到一分，根据最终达到的分值来判断受试者完成所选择场景任务的情况，从而达到自主平衡训练的目的。

当使用者给受试者做辅助平衡能力训练时，受试者站立在地表压力中心测试台上，使用者指导受试者佩戴姿态传感器和VR眼镜，使用者通过外部信息显示器件选择交互场景，并将场景任务信息通过WI-FI通信传输给VR眼镜，受试者根据VR眼镜中虚拟场景任务完成相应的平衡训练，达到提高其平衡能力的目的。

具体实施例子

利用本发明的使用方法，对志愿者进行测试时，扶手架固定于地表压力中心测试台外周围，志愿者站立在地表压力中心测试台上，佩戴上VR眼镜，志愿者可通过VR视窗自主选择多功能人体平衡训练***的工作模式，使用者也可通过外部信息显示器件辅助志愿者选择多功能人体平衡训练***的工作模式；当选择评测功能模式时，根据地表压力中心测试台和姿态传感器的数据分析给出人体平衡测试结果，并保存数据。

当选择自主训练模式时，VR可提供多种应用场景，当通过视觉改变训练人体平衡能力时，受试者可自主选择如VR眼镜中的虚拟大草原场景游戏，一个漂浮的热气球位置漂浮不定，受试者通过视觉追踪热气球运动，训练视觉改变时的人体平衡能力；当通过环境改变训练前庭感觉对人体平衡能力影响时，受试者可自主选择如VR眼镜中的虚拟公交车场景任务，通过公交车驾驶路况及周围环境的改变，训练受试者前庭感觉对环境改变的自平衡适应能力，训练数据及结果实时显示在VR眼镜中人机交互界面上；又如当综合因素改变训练人体平衡能力时，可选择如踩气球游戏，VR眼镜虚拟现实界面显示左右前后四个区域，每一个区域都分布有一定数量的气球，气球会随机出现，且出现速度变化，受试者根据各个区域的气球变化情况踩气球，踩破气球判断为任务动作完成，并记录相应的分数，受试者还可根据自身实际情况选择合适的速度，训练人体左右前后方向的平衡能力；通过VR眼镜中虚拟场景(包括游戏)引导受试者完成相应的平衡能力训练任务，提高了人体平衡能力评测与训练的趣味性，使受试者更加身临其境，进而提高了人体平衡训练的效率。

当选择辅助训练模式时，使用者根据受试者评测结果及训练目的选择合适的虚拟人体平衡训练场景，当训练视觉对人体平衡影响时，使用者可直接调整受试者VR眼镜中的视觉场景，如由蓝天白云变为漆黑的夜晚，训练受试者在不同视觉牵引情况下的平衡能力。

以上显示和描述了本发明的基本原理、实施过程和本发明的优点；本行业的技术人员应该了解，本发明不受上述实施例的限制，在不脱离本发明精神和范围的前提下，本发明还会有各种变化和改进，这些变化和改进都落入要求保护的本发明范围内；本发明要求保护范围由所附的权利要求书及其等效物界定。

Claims (3)

1.所述多功能人体平衡评测训练***，包括数据采集模块、数据处理模块、平衡训练模块，其特征在于：由地表压力中心测试台、姿态传感器、扶手架、数据处理模块、外部信息显示器件和VR眼镜组成；地表压力中心测试台由承重踏板、压力传感器、压力数据处理器件和Wi-Fi通信器件组成；承重踏板用来承载使用者，为圆形设计且质量较轻，使用者踩踏时不发生影响平衡能力检测的形变；承重踏板下方均匀的分布三个压力传感器，压力传感器分布在圆形踏板的外周圆上，以圆形踏板的圆心为中心点呈正三角形分布；压力数据处理器件将各点压力数据转换为压力中心数据，通过Wi-Fi通信器件进行无线传输；姿态传感器可获得受试者测试部位的角度、角速度和角加速度的变化，并通过Wi-Fi通信器件进行无线传输；扶手架可自由移动，当使用时通过自锁万向轮进行固定，放置于地表压力中心测试台外周围，防止在评测或训练过程中人体失去平衡发生跌倒危险，保障受试者人身安全；数据处理器接收数据采集模块通过Wi-Fi通信器件传输的数据，并对数据进行数据滤波、融合分析处理；外部信息显示器件和VR眼镜配置有语音识别***，可为受试者提供多种虚拟平衡能力测试及训练游戏场景，基于已设计的人体平衡分析算法，人体平衡能力参数及评价结果也可高可视化地显示外部信息显示器件及VR眼镜上，此外，本发明***包括三种工作模式，即人体平衡能力评测模式、自主平衡能力训练模式和辅助平衡能力训练模式。

2.根据权利要求1所述的多功能人体平衡评测训练***，其特征在于基于虚拟现实技术和人机交互技术，设计虚拟现实游戏，提高人体平衡能力训练及评测过程的沉浸感及趣味性；已设计的虚拟现实场景可通过语音识别方式，由受试者自主选择，也可以由他人根据受试者评测结果选择，并在外部信息显示器件及VR眼镜中显示。

3.权利要求1所述的多功能人体平衡评测训练***，其特征在于受试者站立的受试者右侧为x轴正方向正,前方为y轴正方向，地表压力重心的计算方法为：

其中地表压力重心坐标点表示为，、、分别为三个压力传感器上的压力值，为传感器之间的距离。