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。
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本文内容
摘要
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,
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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
- 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。
- 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。 - 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。
- 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。
- 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。
- 在....
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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.
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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.......
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披露
作者无任何利益冲突需要披露。
致谢
作者感谢本科生Animesh Singh Kumawat、Kshitij Agarwal、Quinn Boser、Benjamin Cheung、Caroline Collins、Sarah Lojczyc、Derek Schlenker、Katherine Schoepp和Arthur Zielinski在设计方面所做的努力。 本研究部分由加拿大自然科学与工程研究理事会的发现基金（RGPIN-2014-04666）资助。
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材料
| 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 |
参考文献
- Behm, D. G., Muehlbauer, T., Kibele, A., Granacher, U. Effects of Strength Training Using Unstable Surfaces on Strength, Power and Balance Performance Across the Lifespan: A Systematic Review and Meta-analysis. Sports Medicine. 45, 1645-1669 (2015).
- Larivière, C., Mecheri, H., Shahvarpour, A., Gagnon, D., Shirazi-Adl, A.
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