CN108968965A - 便携式人体平衡评测训练系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种便携式平衡评测训练系统，可应用于人体平衡能力评测训练领域，其结构包括称重传感器、承重踏板、信号采集模块、体感摄像机和信息处理显示模块；称重传感器测量信号通过信号采集模块转化为数字信号，采用无线通信传输给信息处理显示模块；信息处理显示模块为受试者提供虚拟平衡测试及训练游戏场景，体感传感器对不同游戏任务下受试者平衡数据进行采集，并传送给信息处理显示模块保存与处理；基于已设计的人体平衡分析方法，人体平衡能力参数及评价结果高可视化地显示在信息处理显示模块的显示屏幕上；该便携式平衡评测训练系统包括评测、训练和数据访问三种工作模式，结构简单，操作简便，灵敏度高，功耗低，便于推广。

Description

便携式人体平衡评测训练系统

技术领域

本发明涉及人体平衡能力评测训练领域，具体涉及一种便携式人体平衡评测训练系统设计及其使用方法。

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和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可以降低患者痛苦，改善患者的病情。

综上所述，人体平衡能力的评测及训练对临床医学具有重要的意义，对正常人的日常生活和健康、老年人的日常看护和锻炼也具有重要的价值。

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，可以快速准确评估平衡信息，可针对多种用途的便携式人体平衡评测训练系统。

因此，本发明针对现有技术不足的问题，发明了一种便携式人体平衡评测训练系统。

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，提供一种便携式人体平衡评测训练系统，该系统结构简单，便于携带，操作容易，灵敏度高，功耗低，便于推广。

本发明的目的的技术解决方案如下。

所述便携式人体平衡评测训练系统结构包括承重踏板(1)、称重传感器(2)、信号采集模块(3)、体感摄像机(4)、信息处理显示模块(5)，可方便地为使用者提供平衡能力评测训练服务。

所述便携式人体平衡评测训练系统的承重踏板用来承载使用者，且使用者踩踏时不发生影响平衡能力检测的形变；承重踏板下方的四个角安装有四个称重传感器，且呈垂直对称放置，分布在使用者的左前方、右前方、左后方和右后方；称重传感器测试信号通过信号采集模块进行放大处理，转换为数字信号，并采用无线通信传输给信息处理显示模块；信息处理显示模块为受试者提供虚拟平衡测试及训练游戏场景，体感传感器对不同游戏任务下受试者平衡数据进行采集，并传送给信息处理显示模块保存与处理；基于已设计的人体平衡分析方法，人体平衡能力参数及评价结果高可视化地显示在信息处理显示模块的显示屏幕上。

所述便携式人体平衡评测训练系统可通过完成已设定的姿态任务，实时获得不同姿态下人体地表重心位置和人体重心位置，地表重心和人体重心变化轨迹及包络面积，偏移率，频谱及能量变化等信息，评估人体静平衡能力；由信息显示模块提供虚拟平衡测试游戏场景，体感摄像机和信号采集模块记录分析动作过程中的人体重心位置变化及姿态信息，信息处理显示模块评估人体动平衡能力；综合动静平衡能力评估结果，给出人体平衡能力的全面评估报告。

所述便携式人体平衡评测训练系统提供人体平衡能力训练游戏任务，基于体感摄像机和信号采集模块，可量化评估受试者的平衡能力训练状况，为下一步平衡能力训练提供参考。

所述便携式人体平衡评测训练系统的承重踏板大小为800*800mm，承重范围为：0～300Kg。

所述便携式人体平衡评测训练系统的信号采集模块包括信号放大电路、模数转换电路、分析计算模块、无线传输模块及电源。

所述便携式人体平衡评测训练系统的体感传感器实时记录受试者在不同虚拟游戏任务下的重心及姿态信息，并与信号采集模块相结合，判断人体平衡能力。

所述便携式人体平衡评测训练系统的信息处理显示模块包括虚拟游戏，信息处理，信息显示和信息存储功能。

所述便携式人体平衡评测训练系统包含三种工作模式，即人体平衡能力测试模式、人体平衡能力训练模式和人体平衡能力测试数据访问模式。

人体平衡评测方法包括足底压力计算和人体重心计算两大部分。

所述便携式人体平衡评测训练系统的地表重心计算方法为。

以承重踏板的中心为原点，即四个称重传感器分布的中心，受试者站立的正前方为x轴，受试者左侧为y轴：

其中F_i为各个压力传感器的压力值，L为相邻两压力传感器之间的距离，(X,Y)为地表重心点。

人体重心计算方法为。

以使用者站在指定位置后的体感摄像机获得的人体初始位置为原点，X、Y、Z轴分别为使用者的前后、左右和上下方向，体感传感器将人体分为15部分，重心坐标计算为：

其中，x_i，y_i和z_i为各部分的坐标点，l_i为每部分的质量系数。

关节角度计算方法为：

其中θ为所求关节角度，A为所求关节点坐标，B、C为相邻两个关节点坐标。

所述便携式人体平衡评测训练系统在平衡能力训练模式工作时，信息处理显示模块提供虚拟的训练(含游戏)场景，使用者在承重踏板上根据虚拟的训练场景完成相应任务，体感传感器和信号采集模块实时获取人体的重心及姿态信号，并由信息处理显示模块进行记录及处理。

所述便携式人体平衡评测训练系统的数据访问模式可提供给使用者对历史数据的访问与删除。

附图说明

图1为便携式人体平衡评测训练平台结构示意图。

图2为便携式人体平衡评测训练模块流程图。

图3为地表重心轨迹图。

图4地表重心左右方向轨迹点。

图5地表重心前后方向轨迹点。

具体实施方法

如图1所示的便携式人体平衡评测训练系统，包括四个称重传感器、承重踏板、信号采集模块、体感摄像机、信息处理显示模块；使用时受试者站立在承重踏板上，四个称重传感器位于承重踏板四个角的下方，呈垂直对称分布；信号采集模块固定于承重踏板正前方，也是受试者站立的正前方向；体感摄像机和信息处理显示模块放置于受试者正前方，与承重踏板的距离为0.5m～4.0m；高度为1.0m～1.5m且可自由调整，便于受试者观看虚拟游戏场景和测试数据。

开始测试时打开电源开关(3-1)，受试者光脚站立于承重踏板上，四个称重传感器和体感摄像机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，并采用无线通信(3-2)方式将采集到的信号传输给信息处理显示模块；基于人体平衡能力分析算法，实现人体动静平衡能力评估及结果的高可视化动态显示；受试者还可以根据信息处理显示模块观察到压力中心位置及姿态的变化，实时调整自身的平衡姿态，达到人体平衡能力训练的目的。

当进行人体平衡能力测试时，首先设置系统为人体平衡能力测试模式，受试者光脚站到承重踏板上，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，并绘制出地表重心的二维坐标变化轨迹；测试结束后，根据地表重心坐标变化，计算出地表重心轨迹包络面积、偏移率与偏移量，频谱及能量变化，结合人体静态平衡量表给出人体静态平衡能力结果；地表重心的偏移量、偏移率和轨迹包络面积越大，说明人体的摆动越大，静态平衡能力越差；动态平衡测试时，信息处理显示模块会提示受试者完成相应的动作，体感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，进而获取人体的关节角度变换量、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；最终根据静动态平衡能力测试数据，基于人体平衡分析方法，综合量化评估人体平衡能力，并显示在信息处理显示模块的显示屏上。

作为训练使用时，设置系统为人体平衡能力训练模式，受试者选择相应的平衡能力训练内容，之后受试者站立在承重踏板上，信息显示模块给出相应的虚拟(包括游戏)场景，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人体骨骼的运动姿态信息，足底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重心位置变化。

体感传感器根据使用者在完成虚拟应用场景中的任务，获取人体骨骼的运动姿态信息，根据人体骨骼姿态信息，获得关节角度变化信息，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，判断每完成一个动作得到一分，根据达到的分值判断场景任务对于受试者的难易程度。

虚拟场景具有多种不同复杂程度的平衡能力训练任务，受试者根据情况选择不同难易程度的场景进行训练，信息处理显示模块根据地表重心的变化，与体感传感器测得的人体姿态，计算出地表重心和人体重心移动速率、重心及姿态偏移量等信息，并结合任务的完成度、复杂度等指标，记录测试者的训练情况，达到康复训练功能。

进行平衡能力测试及训练时，所有测试数据都将被记录保存，受试者或是医生可以将系统设置为人体平衡能力数据访问模式，对历史数据记录进行访问、跟踪与删除。

具体实施例子。

利用本发明的使用方法，对志愿者进行测试，选择系统的测试模式，图3示出志愿者的地表重心轨迹，图4示出地表重心的左右分布情况，图5示出地表重心的前后分布情况，观察发现测试者的地表重心左右分布偏移量和偏移率较低，几乎无偏移，左右稳定性好；前后分布的偏移量和偏移率都比较大，对于不同的志愿者进行测试实验，可以得到前后偏移量的均方差变换比较大，因此在人体平衡能力测试模式下可用来评测人体平衡能力。

使用系统的训练模式，当把任务难度调的很高时，如踩老鼠游戏，信息处理显示模块上显示左脚区域和右脚区域，每一个区域都分布有一定数量的老鼠洞，老鼠会随机从一个老鼠洞里探出脑袋，要求使用者根据左、右脚区域的老鼠变化情况，踩到老鼠的脑袋，每次踩到老鼠，则会判断为任务动作完成，并记录相应的分数，老鼠的变化速度为可调的，使用者可以根据实际情况，选择合适的速度；当测试者选择的任务较难时，就难以跟上任务的进度，任务的得分就比较的低，当任务调到简易程度时，如老鼠的变化速度很慢，测试者很容易的完成任务；因此，测试者可以根据虚拟场景的引导，完成虚拟任务，提高人体平衡能力训练的趣味性，加速下肢能力恢复，提高人体平衡能力。

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.便携式人体平衡评测训练系统，包括称重传感器、承重踏板、信号采集模块、体感摄像机、信息处理显示模块，其特征在于：承重踏板在使用时不发生影响测试精度的形变，其下方四个角安装有呈垂直对称放置的四个称重传感器；称重传感器的测量信号通过信号采集模块转化为数字信号，采用无线通信方式传输给信息处理显示模块；信息处理显示模块为受试者提供虚拟平衡能力测试及训练游戏场景，体感传感器采集受试者不同游戏任务下的平衡参数数据，并传送给信息处理显示模块保存与处理；最终，基于已设计的人体平衡分析方法，人体平衡能力参数及评价结果高可视化地显示在信息处理显示模块的显示屏幕上，此外，本发明系统包括三种工作模式，即人体平衡能力评测模式、人体平衡能力训练模式和人体平衡能力数据访问模式。

2.根据权利要求1所述的便携式人体平衡检测训练系统，其特征在于通过完成已设定的姿态任务，获得人体不同姿态下的地表重心和人体重心位置、变化轨迹及包络面积，重心偏移率，频谱及能量变化等信息，评估受试者的静平衡能力；由信息处理显示模块提供虚拟平衡测试游戏场景，信号采集模块和体感摄像机记录分析动作过程中的人体重心位置变化及姿态信息，评估受试者的动平衡能力；综合上述动静平衡能力评估结果，给出人体平衡能力的全面评估报告。

3.根据权利要求2所述的便携式人体平衡检测训练系统，其特征在于使用者通过系统已设计的虚拟现实游戏任务，基于人机交互技术，实现人体平衡能力训练及评测。