Summary
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。
Abstract
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)。
Introduction
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。
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Protocol
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
- 为可互换的半球形基座构建一个连接接口: 将基螺母焊接到钢焊接板上。
- 使用计算机数控 (cnc) 铣床从聚乙烯构建圆柱形底盘、盖子和底座, 如图 1所示。将底板固定在底座上, 将底座固定在底盘上。
注: 用于连接螺栓和其他部件的磨机功能是根据所提供的绘图文件和3d 实体模型文件 (请参阅补充文件 1和2)。所有结构部件都有相应的实体模型和绘图, 可供下载, 并可用于复制施工过程。 - 使用铣床构建适合螺纹杆的圆柱形聚氯乙烯套筒, 如图 1所示。使套筒长37毫米, 外径为32毫米。
- 焊接钢法兰到钢的每一侧的钢座, 如图 1所示。将故障固定在底座的前面。
- 使用数控车床从聚乙烯建造5个相同的气缸, 每个气缸的高度为63毫米, 直径152毫米。在每个圆柱体顶部表面的中心, 将一个32毫米的孔切割成38毫米的深度, 使其适合圆柱形套筒 (见上述步骤 1.3.), 并具有一定的干扰。
- 在每个气缸的底部表面, 使用 cnc 车床切割一个均匀弯曲的底座, 每个气缸的曲率半径都是唯一的, 保持了63毫米的整体高度, 如图 2所示。
注: 基座的曲率半径和高度决定了设备的稳定性。如表 1所示, 此高度的建议曲率半径在110毫米 (非常不稳定) 和250毫米 (略显不稳定) 之间。 - 构建一个腿支撑附件, 如图 3所示, 首先焊接一个70毫米钢的支架垂直插入到575毫米钢挤压的一端。在另一端, 夹紧一个300毫米的圆柱形钢脚部到挤压。
注: 有关详细的零件尺寸, 请参阅补充文件 1 (图纸)和补充文件 2 (3d 实体模型)。 - 使用带锯将矩形钢筋 (29 毫米乘100毫米) 切割成大约160毫米的长度, 使其重量为3.6 公斤。将钢筋插入机箱背面, 以平衡腿部支撑附件, 如图 1所示。
- 组装设备, 如图 4所示。通过通过连接和连接插入插入夹紧针连接腿部支撑。将夹具的位置调整到所需的足部休息高度。将杆插入基螺柱, 使大约35毫米的杆从基座伸出。 将突出的杆插入所需的弯曲底座。
- 将手柄胶带或其他合适的内饰涂在盖子上。把盖子盖上。
2. 检测设备
- 获取微控制器 (参见材料表)、惯性测量单元和八个振动压孔。将惯性测量单元和振动压孔连接到微控制器。
- 对微控制器进行编程, 使其从惯性测量单元读取前后 (ap) 和中侧 (ml) 倾斜角, 并根据倾斜角度打开或关闭振动的反应器。请参阅补充文件 3 (示例性微控制器脚本)和步骤2.2.1。
注: 使用加速度计和陀螺仪的惯性测量单位容易出错。对传感器执行位置校准: 将设备固定在水平表面上, 并将此位置用作所有后续测量的基线。使用运动捕捉系统或类似的方法来验证倾斜角度测量, 并确保它们在整个预期使用范围 (空间和时间) 中足够准确。确保振动的牵引器在不超过200赫兹的频率下工作, 从而诱导人类皮肤或肌肉9中感官受体的一对一反应。- 上传微控制器脚本, 该脚本基于表示 ap (或 ml) 倾斜角度和速度的加权总和的反馈控制信号生成振动提示。
注: 当控制信号在该方向超过阈值时, 计算机会激活三个最接近表面左侧、右侧、正面或背面的触点;或五个 tactors, 如果同时超过 ap 和 ml 阈值;当控制信号在两个方向 (即在无反馈区) 低于阈值时, 没有一个触点是活动的。
- 上传微控制器脚本, 该脚本基于表示 ap (或 ml) 倾斜角度和速度的加权总和的反馈控制信号生成振动提示。
- 固定在机箱中心的惯性测量单元。将振动的触点放在半径为10厘米的普通八角形上, 在底盘中心前部居中8厘米, 这样它们就会躺在平均大小的人10的座位下。图 4显示了一种可能排列的照片。
注: 如果振动的反应器不够强大, 无法振动用户, 则通过将孔切入盖子并固定振动器与表面保持清洁来改善醇机和皮肤之间的界面。如果用于固定振动器的方法会导致振动减弱, 请考虑使用带有松散定位销的两部分安装外壳, 如图 5所示。 - 通过通用串行总线 (usb) 或其他合适的通信方法将微控制器连接到笔记本电脑或台式计算机。打开用户界面,如图 6所示。
注: 或者, 将微控制器连接到电池或其他电源。这提高了设备的可移植性, 但排除了用户界面。
3. 示范评估和培训议定书
- 招募没有神经或肌肉骨骼疾病和急性或慢性背痛的同意参与者。记录每个参与者的年龄、体重和身高。然后, 对每个参与者执行以下过程。
- 打开用户界面 (图 6)。罗盘图显示设备在 ap 方向 (垂直轴) 和 ml 方向 (水平轴) 上的倾斜角度加上其倾斜速度的一半。
- 在每次平衡试验之前, 指示参与者戴上降噪耳机, 将手臂折叠在胸前, 尽可能保持直立姿势, 并口头提示实验者做好准备。
- 在系列 11中进行第22次坐姿平衡试验, 根据需要进行休息以避免疲劳, 必要时随时停止。
- 试验顺序如下 (仅限示例): 随机选择两个 "基本稳定水平视条件" 组合中的一种, 以下称为平衡条件(更困难的基础和眼睛睁开; 或较不困难的基础和闭眼)12。对第一个平衡条件进行四次试验, 以使参与者熟悉任务, 并为座椅上的振动压头确定适当的控制信号阈值 (见下文步骤 3.4.5)。
注: 在曲率半径较小的基座上保持平衡比在曲率半径大的基座上保持平衡要困难得多 (表 1显示了所有五个可互换基座的相对稳定性)。4项试验已被发现足以实现平衡任务2的稳定执行。 - 在接下来的六项试验中, 随机选择三项为对照试验: 在这些试验期间关闭振动。要打开或关闭振动反馈, 请将"反馈" 滑块切换到用户界面中所需的设置。对第二个平衡条件重复十项试验的顺序。
- 通过从用户界面的"试用参数" 部分的下拉菜单中进行选择, 为当前的难度和眼睛状况贴上标签。单击"记录"开始试用。
注: 参与者的安全至关重要。实验者应监督所有平衡活动, 并做好协助, 在平衡损失的情况下。清除区域中的任何潜在危险, 并了解当地的应急协议。 - 对于睁大眼睛的试验, 指示参与者直接关注一个固定点, 以帮助保持平衡。对于闭着眼睛的试验, 使用眼罩, 以确保参与者完全没有视觉反馈。
注: 对于应限制脚部运动的平衡范式, 请连接脚部支撑, 并在盖子下方插入平衡。 - 一种算法计算要使用的 ap 和 ml 反馈阈值, 并将其显示在用户界面的q3列中。经过四次熟悉测试试验后,将 q3列中显示的值复制到"写入列" 中, 然后单击"刷新"以根据第四次熟悉情况更新指南针图 (粉红色) 上显示的反馈阈值试验。
注: 在上一次试验中, 界面的 q3 列中显示的计算阈值等于每个倾斜方向 (ap、ml) 的第三个四分位数。这种反馈方案所依据的概念是, 当针对每个13、14 的人优化反馈时, 平衡功能得到改善, 而提供过多的反馈可能会损害学习15。一旦为某一个人选择了两个阈值, 就可以保持不变, 以便该个人能够评估一段时间内或通过干预措施的改进情况。
- 试验顺序如下 (仅限示例): 随机选择两个 "基本稳定水平视条件" 组合中的一种, 以下称为平衡条件(更困难的基础和眼睛睁开; 或较不困难的基础和闭眼)12。对第一个平衡条件进行四次试验, 以使参与者熟悉任务, 并为座椅上的振动压头确定适当的控制信号阈值 (见下文步骤 3.4.5)。
- 由于 ap 和 ml 倾斜角度是自动实时存储在文本文件中进行分析的, 因此分析 ap 和 ml 信号, 以表征每个实验条件下的坐姿性能。
- 在时域中, 计算每个时间序列8的以下后图度量值: 根均方 (运动方差的度量) 和平均速度 (运动平均角速度的度量)。
- 在频域中, 计算每个时间序列8的以下后图测量值: 质心频率 (运动总频率的度量) 和频散 (运动频率方差的度量)8.
- 使用线性混合模型来估计和描述两个固定效应因素的影响, (1) 平衡条件 (稳定水平和眼睛条件相结合) 和 (2) 振动反应反馈, 对每个术后测量 (因变量),考虑到每个参与者16的重复测量的相关性 (一个随机影响因子)。
- 通过计算组之间的方差与残差的比率, 并将结果与 f-分布进行比较, 测试固定效应的重要性。
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Representative Results
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.
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Discussion
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。
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Disclosures
作者没有什么可透露的。
Acknowledgments
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)。
Materials
| 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 |
References
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