一种用于坐姿平衡评估与训练的振动触觉反馈装置

摘要

已研发并组装出一种可被动破坏人体坐姿稳定性的坐具平台。在使用者进行姿势稳定任务期间，惯性测量单元会记录该装置的运动情况，同时振动元件向座椅提供基于表现的反馈。这种便携且多功能的设备可用于康复、评估及训练方案中。

摘要

姿势扰动、运动追踪和感觉反馈是分别用于挑战、评估和训练直立坐姿的现代技术。本研究开发的方案旨在构建并操作一种可被动失稳的坐姿平台，该平台通过惯性测量单元量化其运动，同时利用振动元件向使用者提供触觉反馈。可更换的座椅附件可调节设备的稳定性水平，以安全地挑战坐姿平衡能力。内置的微控制器可对反馈参数进行精细调节，以增强感觉功能。姿势图测量指标（posturographic measures）是平衡评估方案中常见的参数，用于总结定时平衡试验期间获取的运动信号。迄今为止，尚无任何动态坐姿方案能够在摆脱实验室限制的同时提供可变的挑战性、量化分析及感觉反馈。我们的结果显示，当平衡难度改变或提供振动反馈时，使用该设备的无障碍受试者在姿势图测量指标上表现出显著变化。该便携式、多功能设备在康复（如骨骼、肌肉或神经系统损伤后的恢复）、训练（如体育或空间感知训练）以及娱乐（通过 虚拟或增强现实）以及久坐相关疾病的研究。

引言

直立坐姿是其他人体感觉运动功能的前提，包括精细动作（例如，打字）和受干扰的平衡任务（例如，乘坐火车）。为了康复和改善坐姿及相关功能，目前采用现代平衡训练技术：利用不稳定的表面干扰坐姿^1,2，并通过运动追踪量化平衡能力^3,4。当施加于身体的振动模式与个体表现相匹配时，平衡训练的效果会得到提升⁵。这种感觉反馈作为康复和训练手段显然有效；然而，当前的感觉反馈方法主要针对站立平衡，且依赖实验室设备^6,7。

本文介绍的工作旨在构建一种可由使用者坐于其上的便携式设备，该设备能够被动地产生不同程度的不稳定，同时通过内置仪器记录其位置，并向坐具表面提供振动反馈。这种工具组合整合了此前关于摇摆椅^2,4和振动反馈^5,6,7的研究成果，使这些工具的优势更加强大且易于获取。本文还介绍了一种训练端正坐姿的方法，以及对定量结果的分析，该分析遵循了关于姿势图测量指标的已有文献⁸。当与振动反馈结合使用时，这些方法适用于研究在不稳定表面上进行坐位平衡训练的效果。预期应用包括运动训练、运动协调能力的普遍提升、平衡能力评估，以及骨骼、肌肉或神经系统损伤后的康复治疗。

方案

本文所述所有方法均已获得阿尔伯塔大学健康研究伦理委员会的批准。

1. 结构组件的构建与组装

1. 构建可更换半球形底座的连接接口：将基座螺母焊接至钢制焊接板上。 
2. 使用计算机数控（CNC）铣床从聚乙烯材料加工出圆柱形底盘、盖板和底座，如图1所示。将底板用螺栓固定到底座上，再将底座用螺栓固定到底盘上。
   注：用于安装螺栓及其他部件的铣削特征应依据所提供的图纸文件和三维实体模型文件（见补充文件1和2）。所有结构部件均配有对应的实体模型和图纸，可供下载并用于复现制造过程。
3. 使用铣床加工一个圆柱形聚氯乙烯套筒，使其可安装在带螺纹的杆上，如图1所示。将套筒加工为长37 mm、外径32 mm。
4. 如图1所示，将钢制法兰焊接至钢制挂钩的两侧，并将挂钩用螺栓固定在底座前端。
5. 使用CNC车床从聚乙烯材料加工5个相同的圆柱体，每个高度为63 mm，直径为152 mm。在每个圆柱体顶面中心处，加工一个直径32 mm、深度38 mm的孔，使其与圆柱形套筒（见步骤1.3）形成一定过盈配合。 
6. 在每个圆柱体的底面，使用CNC车床加工出具有特定曲率半径的均匀曲面底座，5个圆柱体的曲率半径各不相同，同时保持总体高度为63 mm，如图2所示。 
   注：底座的曲率半径和高度决定了装置的稳定性。对于该高度，建议的曲率半径范围为110 mm（极不稳定）至250 mm（轻微不稳定），如表1所示。
7. 如图3所示，构建腿部支撑附件：首先将一根70 mm长的钢制挂钩插入件垂直焊接至一根575 mm长的钢制型材的一端；在另一端，将一个300 mm长的圆柱形钢制脚踏板夹紧固定在型材上。 
   注：有关零件详细尺寸，请参见补充文件1（图纸）和补充文件2（3D实体模型）。
8. 使用带锯将一根矩形钢条（29 mm × 100 mm）切割至约160 mm长度，使其重量为3.6 kg。将该钢条插入底盘后部，以平衡腿部支撑附件的重量，如图1所示。
9. 按图4所示组装装置。通过将叉形销插入挂钩和挂钩插入件中，连接腿部支撑部件。调节夹具位置以达到所需的脚踏高度。将螺纹杆旋入底座螺柱，使杆约有35 mm部分从底座伸出。  将伸出的杆插入所需曲面底座中。 
10. 在盖板表面粘贴防滑胶带或其他合适的覆面材料，然后盖上盖板。 

2. 设备的安装与调试

1. 获取一个微控制器（参见 材料表），一个惯性测量单元和八个振动触觉反馈装置。将惯性测量单元和振动触觉反馈装置连接至微控制器。
2. 对微控制器进行编程，使其从惯性测量单元读取前后（AP）和内外侧（ML）倾斜角度，并根据倾斜角度开启或关闭振动触觉反馈装置。参见 补充文件3（示例微控制器脚本） 以及步骤 2.2.1。
   注意：使用加速度计和陀螺仪的惯性测量单元容易产生误差。应对传感器进行位置校准：将设备静置于水平表面上，并以此位置作为后续所有测量的基准。使用动作捕捉系统或类似方法验证倾斜角度的测量结果，确保其在预期使用范围（空间和时间）内具有足够的准确性。确保振动触觉刺激器的工作频率不超过 200 Hz，以引发人体皮肤或肌肉感觉受体的一对一响应。⁹.
   1. 上传微控制器脚本，该脚本根据代表前后（或左右）倾斜角度与角速度加权和的反馈控制信号生成振动触觉提示。
      注意：当控制信号在某一方向超过阈值时，计算机会激活表面左侧、右侧、前侧或后侧最近的三个触觉刺激器；若前后（AP）和左右（ML）方向的阈值同时被超过，则激活五个触觉刺激器；当两个方向的控制信号均低于阈值时，所有触觉刺激器均不激活即， 在无反馈区域）。
3. 将惯性测量单元固定在底盘中心。将振动触觉反馈装置排列成半径为10 cm的正八边形，八边形中心位于底盘中心前方8 cm处，以确保其位于一般体型人员座椅下方位置¹⁰一种可能的排列方式如图所示 图4.
   注意：如果振动触觉致动器的振动强度不足以使用户感知到振动，可通过在盖板上开孔并固定致动器使其与表面齐平，以改善致动器与皮肤之间的接触界面。如果用于固定致动器的方法导致振动衰减，可考虑采用带有松配合定位销的两部分式安装外壳，如图所示。 图5.
4. 将微控制器连接到笔记本电脑或台式计算机 通过 通用串行总线（USB）或其他合适的通信方式。打开用户界面，如图所示 图6.
   注意：也可将微控制器连接至电池或其他电源。这能提高设备的便携性，但无法使用用户界面。

3. 示例评估与训练方案

1. 招募无神经系统或肌肉骨骼系统疾病且无急慢性腰痛的知情同意参与者。记录每位参与者的年龄、体重和身高。然后，对每位参与者执行以下程序。
2. 打开用户界面（图6）。罗盘图显示设备在前后方向（垂直轴）和左右方向（水平轴）上的倾斜角度及其倾斜速度的一半。
3. 每次平衡试验前，指导参与者佩戴主动降噪耳机，双臂交叉抱于胸前，尽可能保持直立姿势，并口头告知实验人员已准备就绪。
4. 连续进行二十次30秒的坐位平衡试验¹¹，根据需要安排休息以避免疲劳，必要时可随时停止。
   1. 按以下顺序安排试验（仅作示例）：从两种“基础稳定性水平/眼睛状态”组合中随机选择一种，此后称为平衡条件（较高难度基础且睁眼；或较低难度基础且闭眼）¹²。先进行四次第一种平衡条件的试验，使参与者熟悉任务，并确定座椅中振动触觉刺激器的适当控制信号阈值（见下文第3.4.5步）。
      注：在曲率半径较小的基础上维持平衡比在曲率半径较大的基础上更困难（表1展示了所有五种可更换基础的相对稳定性）。研究发现，四次试验已足以实现稳定的平衡任务表现²。
   2. 在接下来的六次试验中随机选择三次作为对照试验：在这些试验期间关闭振动触觉刺激器。通过在用户界面中切换反馈滑块至所需设置，来开启或关闭振动反馈。对第二种平衡条件重复此十次试验序列。
   3. 在用户界面的试验参数部分，通过下拉菜单选择当前难度和眼睛状态。点击记录以开始试验。
      注：参与者的安全至关重要。实验人员应全程监督所有平衡活动，并在发生失衡时随时准备协助。清除周围潜在危险物，并熟悉当地的应急处理流程。
   4. 对于睁眼试验，指导参与者注视正前方一个固定点以帮助维持平衡。对于闭眼试验，使用眼罩确保参与者完全丧失视觉反馈。
      注：在需要限制足部运动的平衡范式中，应安装足部支撑装置，并将配重块插入盖板下方。
   5. 算法会计算应使用的前后（AP）和左右（ML）反馈阈值，并在用户界面的Q3列中显示。完成四次适应性试验后，将Q3列中显示的数值复制到写入列，然后点击刷新，以根据第四次适应性试验的结果更新罗盘图上显示的反馈阈值（粉红色）。
      注：界面Q3列中显示的计算阈值等于前一次试验中每个倾斜方向（AP、ML）的第三四分位数。该反馈方案基于以下理念：当反馈针对个体进行优化时，平衡功能得以改善^13,14，而过多反馈可能不利于学习¹⁵。一旦为特定个体选定两个阈值，可在后续评估随时间或干预措施带来的改善时保持该阈值不变。
5. 由于前后（AP）和左右（ML）倾斜角度会实时自动存储于文本文件中以供分析，因此可分析AP和ML信号，以表征每种实验条件下的坐位平衡表现。
   1. 在时域中，从每个时间序列计算以下姿势图指标⁸：均方根值（反映运动方差的指标）和平均速度（反映运动平均角速度的指标）。
   2. 在频域中，从每个时间序列计算以下姿势图指标⁸：重心频率（反映运动整体频率的指标）和频率离散度（反映运动频率方差的指标）⁸。
6. 使用线性混合模型估计并表征两个固定效应因素——（1）平衡条件（稳定性水平与眼睛状态的组合）和（2）振动触觉反馈——对每个姿势图指标（因变量）的影响，同时考虑来自每位参与者的重复测量之间的相关性¹⁶（一个随机效应因素）。
   1. 通过计算组间均值方差与残差方差的比值，并将结果与F分布进行比较，检验固定效应的显著性。

结果

表2展示了在每种实验条件下，由12名受试者（每人进行2 × 2 × 3次试验，共144次平衡试验）的前后（AP）和左右（ML）支撑面倾斜观察结果计算得出的姿势图测量指标的平均值。

改变平衡条件的影响： 基础条件的选择依据眼部状况而定（即， 当眼睛闭合时，基线更为稳定）。因此，将基线与眼部状态共同视为一个独立变量（平衡条件）。在两种平衡条件下，前后倾斜（AP倾斜）在均方根、重心频率和频率离散度方面的观测值存在显著差异（根据估计变化的F检验，α = 0.05）。各项指标的计算变化值（均值和标准差）如图所示 图7 和 图8与其他报道一致，这些姿势图测量指标能够区分不同的平衡任务⁴.

讨论

本文介绍了构建一种便携式、带仪器的坐具装置的方法。该装置具有便携性和耐用性，基于此前关于摇摆椅^2,4和振动反馈^5,6,7的研究，旨在增强这些工具的效果并提高其可及性。如需将装置拆卸以便运输或储存，请按照组装流程的逆序操作。通过安装不同曲率的底座，可调节平衡任务的难度。任务难度的选择至关重要；应使使用者处于轻微失稳状态，以促进主动训练，同时避免受伤风险。

内置仪器的实时观察与调整依赖于微控制器与用户界面之间的串行通信；设备功能异常时，需同时进行软件和硬件故障排查。确保所有硬件连接牢固可靠。监控微控制器的串行输出，检查是否存在意外字节。排查用户界面程序中的错误。若问题持续存在，请咨询有经验的机电一体化设计师。

平衡能力的评估可通过...

材料

本文使用的材料清单

姓名	公司	目录编号	评论
底盘	McMaster-Carr	8657K421	防潮LDPE聚乙烯板 1-1/2" 厚，24" X 24"
盖子	McMaster-Carr	8657K414	防潮LDPE聚乙烯板 1/4" 厚，24" X 24"
基座	McMaster-Carr	8657K414	防潮LDPE聚乙烯板 1/4" 厚，24" X 24"
防滑贴	McMaster-Carr	6243T471	非研磨性防滑胶带，带纹理，6" 宽条带，2英尺长，黑色
底座螺母	McMaster-Carr	90596A039	钢制圆底焊接螺母，5/8"-11 螺纹尺寸
焊接板	McMaster-Carr	1388K142	低碳钢薄板 1/16" 厚，3" X 3"地面处理
螺纹杆	McMaster-Carr	90322A170	3" 5/16"-18 中强度合金钢螺纹杆
套筒	McMaster-Carr	8745K19	耐化学腐蚀PVC（I型）棒 1-1/4" 直径
方形法兰	McMaster-Carr	8910K395	低碳钢棒，1/8" 厚，1" 广泛
Hitch	McMaster-Carr	4931T123	螺栓组装框架 重型钢，1-1/2" 方形
弧形底座	McMaster-Carr	8745K48	PVC杆，6" 直径
Hitch Insert	McMaster-Carr	6535K313	螺栓组装框架 重型钢，1" 方形
挤出	McMaster-Carr	6545K7	1045 冷拉钢方棒料，1' X 1"" 宽幅，未抛光
夹钳	弗利尔	TH103A	可调扭矩旋钮
脚踏板	McMaster-Carr	6582K431	4130 钢管，1" X 1" 宽，0.065" 壁厚，未抛光轧制表面
配重	McMaster-Carr	8910K67	低碳钢矩形棒 1-1/8" 厚，4" 宽度
铰链销	McMaster-Carr	97245A616	镀锌钢叉形销与开口销，3/16" 直径，1-9/16" 可用长度
微处理器	Arduino	MEGA 2560	具有54个数字输入/输出引脚和USB连接的微控制器板
惯性测量单元	x-io Technologies Ltd.	x-IMU	惯性测量单元与姿态航向参考系统（含外壳）
振动触觉反馈器	Precision Microdrives	DEV-11008	Lilypad Vibe Board，可从 SparkFun Electronics 获取