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방법 논문

앉아 균형 평가 및 훈련 Vibrotactile 피드백 장치

6.1K 조회수

⸱

DOI:

10.3791/58611

⸱

2019년 1월 20일

 , 
1Department of Biomedical Engineering, University of Alberta, 2Department of Mechanical Engineering, University of Alberta, 3Glenrose Rehabilitation Hospital, Alberta Health Services

이 논문에서

요약

앉아 플랫폼을 개발 하 고 조립 하는 수 동적으로 인간에서 앉아있는 자세를 destabilizes. 사용자의 안정화 작업 중 관성 측정 단위 기록 장치의 움직임, 그리고 진동 요소 자리 성능 기반 피드백을 제공. 재활, 평가 및 훈련 패러다임에 휴대용, 다양 한 장치를 사용할 수 있습니다.

초록

자세 섭, 동작 추적, 그리고 감각적 피드백 도전, 평가, 똑바로 앉아, 각각 훈련 하는 데 사용 하는 현대 기술이 있습니다. 개발 된 프로토콜의 목표 고 관성 측정 단위 수량화의 모션 및 진동 요소는 사용자에 게 촉각 피드백을 제공 하는 동안 수 동적으로 정한 수 앉아 플랫폼 운영입니다. 상호 좌석 부착 장치를 안전 하 게 도전 앉아 균형의 안정성 수준을 변경 합니다. 내장 된 마이크로컨트롤러 감각 기능을 증가 시키기 위해 피드백 매개 변수의 미세 조정 가능 Posturographic 측정, 균형 평가 프로토콜의 전형적인 타임된 균형 시험 동안 모션 신호를 요약 합니다. 날짜 없음 동적 앉아 프로토콜 변수 도전, 정량화, 그리고 감각적 피드백 실험실 제약의 무료 제공합니다. 우리의 결과 장치 전시 중요 한 변화 posturographic 조치 균형 어려움을 변경 하는 때에 비 장애인 사용자 또는 제공 하는 진동 피드백을 보여 줍니다. 휴대용, 다재 다능 한 장치는 재활 (골격, 근육, 또는 신경 부상 다음), (대 한 스포츠 또는 공간 인식), 엔터테인먼트 (통해 가상 또는 증강 현실), 훈련과 연구 (의 잠재적인 응용 프로그램 앉아 관련 장애)입니다.

서론

똑바로 앉아는 숙련 된 움직임을 포함 하 여 다른 인간의 sensorimotor 기능에 대 한 전제 조건 (예를 들어, 입력) 및 균형 작업 (예를 들면, 기차를 타고) 불안정. 찾다 고 앉아 및 관련 기능을 개선, 현대 균형 훈련 기법을 사용: 불안정 한 표면 교란 앉아1,2 와 모션 추적 단정 균형 능력3,4 . 균형 훈련 결과 향상 때 진동 성능5일치 하는 패턴을 사용 하 여 본문에 전달 됩니다. 이러한 감각 피드백은 분명히 효과적인 재활 및 훈련 방법; 그러나, 현재 감각 피드백 방법 서 균형을 맞도록 하 고 실험실 기반 장비6,7필요.

여기에 제시 된 작품의 목적은 시 토 내장 악기의 위치를 기록 하 고 앉아 표면에 진동 피드백을 제공 하는 동안 다양 한도 수 동적으로 불안정 수 있는 휴대용 장치를 구축 하. 이 조합의 도구 동요의 자2,4 , 진동 피드백5,,67을 이러한 도구의 혜택 더 강력 하 고 액세스할 수에 대 한 이전 작업을 통합 합니다. 또한 훈련 똑바로 앉아서 설립된 문학 posturographic 조치8에 따라 양적 결과의 분석 절차는. 이러한 메서드는 균형 운동 진동 피드백 결합 될 때 불안정 한 표면으로 앉아의 효과 공부 하 고 적합 합니다. 예상 애플리케이션으로 스포츠 훈련, 모터 조정의 일반적인 개선, 균형 능력, 그리고 재활 다음 골격, 근육, 또는 신경학 상 상해의 평가 등이 있다.

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프로토콜

여기에 설명 된 모든 메서드는 앨버타의 대학의 건강 연구 윤리 위원회에 의해 승인 되었습니다.

1. 건축 및 구조 부재의 조립

  1. 상호 반구형 기지에 대 한 첨부 파일 인터페이스 구성: 철강 용접 플레이트에 기본 너트를 용접.
  2. 컴퓨터 수치 제어 (CNC) 밀링 기계를 사용 하 여 원통형 섀시 구성 뚜껑, 그리고 그림 1에서 같이 폴 리 에틸렌에서. 자료에는 섀시를 베이스 베이스 플레이트를 볼트.
    참고: 드로잉 파일에 볼트와 다른 부품의 부착을 위한 밀 기능 따라 및 3D 솔리드 모델 파일 제공 ( 보충 파일 1 과 2참조). 모든 구조적 구성 요소는 해당 솔리드 모델 및 드로잉을 다운로드를 위해 사용할 수 있으며 건설 프로세스를 복제 하는 데 사용 수 있다.
  3. 밀링 기계를 사용 하 여 그림 1에서 보듯이 스레드 로드에 맞는 폴 리 염화 비닐 원통형 슬리브를 구성. 소매 길이가 32 mm의 외부 직경이 37 mm를 확인 합니다.
  4. 그림 1에서 보듯이 강철 차질의 양쪽을 강철 플랜지를 용접. 기지의 앞에 까 탈을 볼트.
  5. CNC 선반 기계를 사용 하 여 폴 리 에틸렌, 각각 63 m m의 높이와 직경 152 mm에서에서 5 동일 실린더를 생성. 각 실린더의 상면의 중앙에 구멍을 뚫고 32 m m 38 m m의 깊이에 맞도록 원통형 슬리브 (1.3 단계를 참조 하십시오. 위의) 일부 간섭으로.
  6. 각 실린더의 바닥 표면에 CNC 머신 사용 하 여 그림 2와 같이 63 m m, 전체 높이 유지 하는 5 실린더의 각각에 대해 고유한 곡률 반경으로 균일 하 게 곡선된 자료를 잘라.
    참고: 곡률 반경 및 높이 기지의 장치의 안정성을 결정 합니다. 이 높이 대 한 곡률의 제안된 반지름은 110mm (매우 불안정) 250 m m (약간 불안정), 표 1과 같이 사이입니다.
  7. 다리 지원 첨부 파일 그림 3에서 같이 첫 번째 70 m m 강철 용접으로 탈 구축 575 m m 강철 돌출의 한쪽 끝을 수직으로 삽입 합니다. 다른 끝에 돌출을 300 m m의 원통형 강철 발판 클램프.
    참고: 자세한 부품 치수에 대 한 보충 파일 1 (그림) 및 보조 파일 2 (3D 솔리드 모델)참조.
  8. bandsaw를 사용 하 여 직사각형 강철 (29 m m 100 mm) 봉 약 160 m m의 길이 잘라 하 3.6 k g 무게. 그림 1에서 보듯이 다리 지원 첨부 맞출 섀시의 뒤쪽 강철 막대를 삽입 합니다.
  9. 그림 4와 같이 장치를 조립 한다. 까 탈을 통해 clevis 핀을 삽입 하 여 다리 지원 연결 하 고 삽입을 매십시오. 원하는 발 나머지 높이 클램프의 위치를 조정 합니다. 약 35 m m 막대의 기지에서 돌출 되도록 기본 스 터 드에 막대를 스레드.  원하는 곡선된 베이스에 튀어나온 막대를 삽입 합니다.
  10. 그립 테이프 또는 다른 적당 한 실내 뚜껑에 적용 됩니다. 뚜껑에 넣어.

2. 계측 장치

  1. 마이크로컨트롤러를 취득 ( 테이블의 자료를 참조), 관성 측정 장치 및 8 개의 진동 tactors. 관성 측정 장치 및 진동 tactors 마이크로컨트롤러에 연결 합니다.
  2. 프로그램은 마이크로컨트롤러 antero-후부 (AP)를 읽고 고 평점 측면 (ML) 기울기 관성 측정 단위에서 각 고 진동 tactors 또는 해제 되도록 기울기 각도에 따라. 참조 추가 파일 3 (모범적인 마이크로컨트롤러 스크립트) 및 단계 2.2.1.
    참고: 관성 측정 단위가 속도계와 자이로스코프를 활용 하는 오류가 발생 하는 경향이 있다. 센서의 위치 보정을 수행: 평면에 장치를 휴식 하 고 모든 다음 측정을 위한 기준으로이 위치를 사용 하 여. 모션 캡처 시스템 또는 유사한 접근 방식을 사용 하 여 기울기 각도 측정의 유효성을 검사 하 고 그들은 충분히 사용 (공간 및 시간)의 예상된 범위에 걸쳐 정확 하 게 확인 하십시오. 인간의 피부 또는 근육9에 있는 감각 수용 체의 일대일 대응을 유도 하기 위하여 더 이상 200 Hz의 주파수에서 진동 tactors 작동을 확인 합니다.
    1. AP (또는 ML) 기울기 각도 속도의 가중치 합을 나타내는 피드백 제어 신호에 따라 vibrotactile 신호를 생성 하는 마이크로컨트롤러 스크립트를 업로드 합니다.
      참고: 컴퓨터 활성화 3 tactors 왼쪽, 오른쪽, 앞으로 또는 뒤 표면에 가까운 제어 신호는 그 방향으로; 임계값을 초과할 때 또는 5 tactors AP와 ML 임계값 동시에; 능가 하는 경우 아무도 tactors의 제어 신호는 양쪽 방향으로 (즉, 없음-피드백 영역에서) 임계값 때 활성화 됩니다.
  3. 포 좌의 센터에 관성 측정 단위를 보안 합니다. 그들은 평균 크기의 사람10의 좌석 아래 누워 것입니다 수 있도록 8cm 섀시 중심의 앞쪽을 중심으로 10 cm의 반경으로 일반 팔각형에 진동 tactors를 정렬 합니다. 한 잠재적인 배열의 사진은 그림 4에 표시 됩니다.
    참고: 진동 tactors 사용자 진동, 뚜껑에 구멍을 절단 하 고 편집증으로 tactor와 피부 간의 인터페이스를 개선 하기에 충분히 강력 하지 않은 경우 나머지 진동기는 표면으로 플러시. 자리에 진동기를 확보 하는 데 사용 하는 방법 꺾는 진동의 경우, 고려 하십시오 느슨한-맞춤 찾기 핀 2 부분 장착 인클로저를 사용 하 여 그림 5와 같이.
  4. 범용 직렬 버스 (USB) 또는 다른 적합 한 통신 방식에는 노트북 이나 데스크톱 컴퓨터를 통해 마이크로컨트롤러를 연결 합니다. 그림 6에 표시 된 사용자 인터페이스를 엽니다.
    참고: 또는, 전지 또는 다른 전원 소스 마이크로컨트롤러를 연결 합니다. 단말기의 이동성을 향상 시키지만 사용자 인터페이스는 걸로 하겠습니다.

3. 모범적인 평가 및 훈련 프로토콜

  1. 신경 또는 근육 질환 및 급성 또는 만성 허리 통증의 무료 동의 참가자를 모집 합니다. 각 참가자의 나이, 무게, 및 높이 기록 합니다. 그런 다음, 각 참가자에 대 한 다음 절차 수행.
  2. 사용자 인터페이스 (그림 6)를 엽니다. 나침반 그래프 AP 방향 (세로 축) 및 ML 방향 (가로 축)에서 소자의 기울기 각도 플러스 절반 틸트 속도 보여 줍니다.
  3. 각 균형 시험, 이전 돈 소음 취소 헤드폰, 참가자를 지시 그의 배 또는 가슴, 그녀의 팔 가능한, 직 립 자세를 유지 구두로 준비 되 고의 실험을 시작.
  4. 수행 20 30 초 장착 시리즈11, 피로, 필요한 경우 언제 든 지 중지를 피하기 위해 보증 휴식 균형 시험.
    1. 시련 (예만) 다음과 같이 순서:이 균형 조건 (더 어려운 베이스와 눈 오픈; 또는 덜 어려운 베이스와 눈을 감고) 라는 두 개의 "기본 안정성 수준/눈 상태" 조합 중 하나를 임의로 선택12. 첫 번째 균형 조건 작업 참가자 숙지 하 고 좌석 (아래의 3.4.5 단계 참조)에 진동 tactors에 대 한 적절 한 제어 신호 임계값 식별 하의 4 개의 시험을 수행 합니다.
      참고: 그것은 더 큰 반지름 곡률 (표 1 보여줍니다 모든 5 개의 상호 기지의 상대적인 안정성)의 작은 기지에 보다 곡률 반경으로 기지에 균형을 유지 하기 어렵다. 4 재판 균형 작업2의 안정 되어 있는 성과 달성 하기 위해 충분 한 것 발견 되었습니다.
    2. 무작위로 제어 시험 될 다음 6 재판의 3 선택:이 실험의 기간에 대 한 진동 tactors를 끄고. 켜거나 진동 피드백, 피드백 슬라이더를 원하는 설정 사용자 인터페이스에서를 전환 합니다. 두 번째 균형 상태에 대 한 10 시험의이 순서를 반복 합니다.
    3. 사용자 인터페이스의 재판 매개 변수 섹션에서 드롭-다운 메뉴에서 선택 하 여 현재 어려움 및 눈 상태를 라벨. 기록 재판 시작을 클릭 합니다.
      참고: 참가자의 안전이 최고 이다. 실험 모든 균형 활동을 감독 해야 하 고 균형 분실 시 지원 하기 위해 준비. 어떤 잠재적인 위험 영역을 취소 한 지역 비상 프로토콜을 알고 있어야.
    4. 눈을 뜨고 시험, 대 한 균형을 유지 하려면 똑바로 고정된 포인트에 집중 하는 참가자를 지시 합니다. 눈 감고 실험 참가자 시각적 피드백의 박탈 완전히 되도록 눈가리 개를 사용 합니다.
      참고: 균형 패러다임의 이동 제한 해야, 발 지원 첨부 및 삽입 뚜껑 아래 평형.
    5. 알고리즘 사용 하는 AP와 ML 피드백 임계값을 계산 하 고 사용자 인터페이스의 3 분기 열에 표시 됩니다. 4 팸 재판 후 쓰기 열에 3 분기 열에 표시 된 값을 복사 하 고 클릭 (핑크) 나침반 그래프에 표시 하는 피드백 임계값을 업데이트 하려면 새로 고침 을 4 팸에 따라 예 심입니다.
      참고: 인터페이스의 3 분기 열에 표시 되는 계산 된 임계값 값 각 기울기 방향 (AP, ML) 이전 재판 과정에 대 한 제 3 사분 위 수를 같습니다. 이 피드백 시스템은 기반으로 학습15손해 수 있습니다 피드백은 최적화 된 각 개별13,14, 너무 많은 피드백을 제공 하는 경우 균형 기능이 향상 됩니다. 일단 두 임계값 특정된 개인에 대 한 선정 되었습니다, 그들은 그 개인 또는 개입 시간이 지남에 향상을 평가할 수에 대 한 일정 지켜질 수 있습니다.
  5. AP와 ML로 기울기 각도 자동으로 저장에 실시간 분석을 위해 텍스트 파일에 각 실험 조건에 대 한 앉아 성능을 특성화 하는 AP 및 ML 신호 분석.
    1. 시간 도메인에서 각 시간 시리즈8에서 다음 posturographic 측정값 계산: 루트-의미-스퀘어 (모션의 분산의 측정)와 평균 속도 (동작의 평균 각 속도의 측정).
    2. 주파수 영역에서 각 시간 시리즈8에서 다음 posturographic 측정값 계산: centroidal 주파수 (모션의 전반적인 주파수의 측정) 및 주파수 분산 (모션의 주파수에 대 한 분산의 측정)8 .
  6. 선형 혼합된 모델을 사용 하 여 예측 하 고 특성을 posturographic 측정 (종속 변수)의 각각에 2 개의 고정 효과 요인 (1) 균형 상태 (안정성 수준 및 눈 상태 결합), (2) vibrotactile 피드백의 효과를 각 참가자16 (한 임의 효과 요인)에서 반복된 측정의 상관 관계를 고려 하면.
    1. 오차의 분산을 그룹 평균 간의 분산의 비율을 계산 하 고 결과 F-분포를 비교 하 여 고정된 효과의 중요성에 대 한 테스트.

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결과

표 2 쇼, 각 실험 조건, AP와 ML 지원 표면 경사의 관찰에서 파생 된 posturographic 조치에 대 한 평균 이상 144 균형 시험 12 참가자 (참가자 3 재판 x 2 x 2)에 의해 수행.

의 균형 조건 변경 효과: 기본 조건 눈 조건에 종속 되도록 선정 되었다 (즉, 눈을 감는 때, 기본은 보다 안정). 따라서, 베이스와 눈 조건 함께 하나의 독립 변수 (균형 상태) 고려 되었다. AP 기울기의 루트-의미-스퀘어, centroidal 주파수 및 주파수 분산에 대 한 두 개의 균형 조건 사이 크게 달랐다 (F-예상된 변경, α의 테스트에 따르면 = 0.05). 측정 (평균 및 표준 편차)의 각각에서 계산 된 변화는 그림 7

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토론

휴대용, 계측, 앉아 장치를 건설 하기를 위한 방법 표시 됩니다. 장치는 휴대용이 고 내구성, 건물의 이전 연구에의 자2,4 , 진동 피드백5,,67 더 강력 하 고 액세스할 수 이러한 도구의 혜택을 동요 . 운송 또는 저장을 위해 장치를 준비 하는 반대로 어셈블리 프로토콜을 따릅니다. 균형 작업의 어려움 다른 곡률으로 기지를 연결 하 여 변조 될 수 있습니다. 작업 난이도의 선택은 중요 합니다. 사용자가 부상 위험 없이 적극적인 훈련을 촉진 하기 위하여 불안정 합니다.

마이크로컨트롤러와 사용자 인터페이스; 간의 직렬 통신에 의존 하는 실시간 관찰 및 내장 악기의 조정 장치의 기능 장애는 모두 소프트웨어 및 하...

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공개 사항

저자는 공개 없다.

감사의 글

저자는 학부 학생 Animesh 싱 Kumawat, Kshitij Agarwal, 퀸 Boser, 벤자민 청, 캐롤라인 콜린스, 사라 Lojczyc, 데 릭 Schlenker, 캐서린 Schoepp, 그리고 아서 Zielinski의 디자인 노력을 인정합니다. 이 연구는 자연과학 및 공학 연구 위원회 캐나다의 (RGPIN-2014-04666)에서 검색 부여를 통해 부분적으로 투자 되었다.

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재료

진동 Tactor
이 논문에 사용된 재료 목록
이름회사카탈로그 번호댓글
ChassisMcMaster-Carr8657K421수분 저항성 LDPE 폴리에틸렌 시트 1-1/2" 두께, 24" x 24"
뚜껑McMaster-Carr8657K414수분 저항성 LDPE 폴리에틸렌 시트 1/4" 두께, 24" x 24"
Base McMaster-Carr8657K414수분 저항성 LDPE 폴리에틸렌 시트 1/4" 두께, 24" x 24"
그립 테이프McMaster-Carr6243T471비연마성 미끄럼 방지 테이프, 질감, 6" 넓은 스트립, 2' 길이, 검정
베이스 너트McMaster-Carr90596A039스틸 라운드-베이스 용접 너트, 5/8"-11 스레드 크기
<강한>용접 플레이트McMaster-Carr1388K142저탄소 강판 1/16" 두께, 3" X 3", 그라운드 마감
Threaded RodMcMaster-Carr90322A1703" 5/16"-18 중간 강도 합금강 스레드 스터드
SleeveMcMaster-Carr8745K19화학물질 저항성 PVC (타입 I) 로드 1-1/4" 직경
Square FlangeMcMaster-Carr8910K395저탄소 스틸 바, 1/8" 두께, 1" 넓이
히치McMaster-Carr4931T123볼트-투게더 프레이밍 헤비듀티 스틸, 1-1/2" 스퀘어
<강한>곡선형 베이스McMaster-Carr8745K48PVC 로드, 6" 직경
<강한>히치 인서트McMaster-Carr6535K313볼트-투게더 프레이밍 헤비 듀티 스틸, 1" 스퀘어
ExtrusionMcMaster-Carr6545K71045 콜드 드로잉 스틸 스퀘어 바 스톡, 1' X 1" 넓이, 미광택
<강한>클램프VlierTH103A조절 가능한 토크 노브
<강한>발판McMaster-Carr6582K4314130 스틸 튜빙, 1" x 1" 넓이, 0.065" 벽 두께, 미광택 밀 마감
<강>카운터위McMaster-Carr8910K67저탄소강 직사각형 바 1-1/8" 두께, 4" 너비
클레비스 핀McMaster-Carr97245A616아연 도금 스틸 클레비스 핀과 헤어핀 코터 핀, 3/16" 직경, 1-9/16" 사용 가능한 길이
마이크로프로세서ArduinoMEGA 2560마이크로컨트롤러 보드, 54개의 디지털 I/O 핀 및 USB 연결
관성 측정 장치x-io Technologies Ltd.x-IMU관성 측정 장치 및 자세 방향 참조 시스템
SparkFunElectronics에서 제공
인클로저Precision Microdrives가 있는

참고문헌

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