CN109700468A - 一种主动式的人体动态平衡能力评测与训练系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种主动式的人体动态平衡能力评测与训练系统，其结构包括信号采集模块、数据处理与显示模块、安全模块；信号采集模块由平衡板、惯性传感器组成，可准确获取平衡板的姿态信息，基于蓝牙通信发送给数据处理与显示模块；数据处理与显示模块可根据平衡板的姿态信息，计算出人体的动态重心坐标，根据人体平衡能力分析方法，自动给出人体平衡能力评价结果，在上位机中显示，并记录与保存使用者的测试数据，建立其个人档案；基于VR头盔和Unity设计的高沉浸感虚拟现实游戏，实现人体动态平衡能力评测与训练，从而充分调动使用者主动参与训练的积极性，有效提高人体平衡能力训练效率；本发明结构简单易用，可靠性高，具有良好的市场推广价值。

Description

一种主动式的人体动态平衡能力评测与训练系统

技术领域

本发明涉及人体平衡能力评测与训练领域，具体涉及到一种主动式的人体动态平衡能力评测与训练系统。

背景技术

人体出现平衡能力障碍的原因有很多，如脑卒中、骨质疏松、脑外伤、下肢损伤等疾病，以及随着年龄的增长，相当一部分老年人出现的平衡能力障碍，我国每年都有大量患者需要进行人体平衡能力的评测与训练。

人体的平衡能力可分为两类，一类是静态平衡，人体或人体的某一部分保持某种姿势的能力，一类是动态平衡，包括人体主动进行姿势转换的能力和受到外力干扰时，重新恢复平衡的能力，平衡能力是衡量人体健康程度的重要指标，与人们的日常生活息息相关，人体平衡能力越好，越能快速对突发的平衡干扰做出响应，表现出更好的平衡控制能力，因此，对人体的平衡能力进行评测和训练具有重要的现实意义。

目前，国内外用于静态平衡能力评测与训练的系统已经相对成熟，而专门用于动态平衡能力评测和训练的设备多存在于医院的康复科室，并且，动态平衡能力评测和训练系统多为被动式的，如使用电机驱动，给使用者突发的平衡干扰，从而进行平衡能力评测和训练，所以结构复杂，价格昂贵，不便于移动、不适合推广，因此，急需一种结构简单、价格相对便宜、又适合推广的人体动态平衡能力评测与训练系统。

针对现有的不足，本发明设计了一种主动式的人体动态平衡能力评测与训练系统，采用相对简单的结构设计，引入虚拟现实技术，改善了当前人体动态平衡能力评测与训练系统的结构复杂、价格昂贵、不便于移动、不适合推广等缺点。

发明内容

本发明的目的是针对当前人体动态平衡能力评测与训练系统的不足，设计出一种主动式的人体动态平衡能力评测与训练系统，为患有平衡功能障碍的人群提供平衡能力评测与训练服务。

本发明的技术解决方案如下：

所述系统结构包括信号采集模块，安全模块，数据处理与显示模块；信号采集模块由平衡板、惯性传感器构成，使用者站立于平衡板上，完成基于Unity设计的虚拟现实任务，信号采集模块可实时采集平衡板的姿态信息，以蓝牙通信方式发送给数据处理与显示模块；数据处理与显示模块对平衡板的姿态信息进行解算，计算出人体的动态重心坐标，基于时域分析方法，分析人体的动态重心坐标信息，给出人体平衡能力的评测结果，在数据处理与显示模块中显示，并自动记录和保存使用者的评测和训练数据，为使用者建立个人档案；数据处理与显示模块还为使用者提供高沉浸感的虚拟现实训练游戏，使用者通过自身重心控制虚拟场景中物体的运动，实现平衡能力的训练。

所述系统的信号采集模块由平衡板、惯性传感器构成，平衡板形状为标准球体的一部分，惯性传感器可测得各轴向的加速度值，人体站立于平衡板上保持平衡时，信号采集模块可实时采集平衡板的空间姿态信息，并以蓝牙通信的方式，将平衡板的姿态信息发送给数据处理与显示模块。

所述系统的数据处理与显示模块由一体式计算机和一个支持无线通信的VR头盔构成，VR头盔为使用者提供高沉浸感的虚拟现实场景，一体式计算机显示屏供医师观察使用者的平衡评测和训练情况，采用Visual studio软件编写上位机软件，采用蓝牙通信方式接收惯性传感器发送来的姿态信息，经过重心获取算法的计算，得到人体的动态重心坐标，并通过分析人体的动态重心坐标数据，自动给出人体平衡能力的评测结果；该上位机软件还能实时显示评测结果，记录、保存和查看使用者的评测与训练数据，为使用者建立个人档案。

所述系统的人体动态重心获取算法是基于平衡板与人体重力的力矩平衡原理，并根据惯性传感器所得平衡板的姿态信息，计算得出人体重心位置在坐标轴中的投影坐标。

所述系统的评测用虚拟场景由Unity软件制作，该虚拟场景为一座独木桥，使用者佩戴VR头盔，提高使用者的沉浸感，使用者在虚拟场景中主动控制自身重心变化，驱动虚拟人物的运动，完成相应的虚拟任务，数据处理与显示模块通过分析该过程中的人体动态重心坐标变化，根据已知算法，给出人体动态平衡能力的评价结果。

所述系统的人体动态平衡能力训练方案是基于Unity软件制作的虚拟现实游戏，训练游戏有多种并具有多个难度，使用者站立于平衡板上，通过主动控制自身重心的变化，来控制虚拟场景中虚拟人物的运动，从而训练使用者的平衡能力，如虚拟场景中的滑雪游戏，使用者主动控制重心转移，驱动虚拟人物加减速、左右转弯，躲避障碍物，达到平衡训练的效果，能够充分调动使用者主动参与训练的积极性。

所述系统的安全模块由固定支架、安全吊带和海绵垫组成，对于老年人和平衡能力很差的使用者，应保证使用前绑好安全吊带，对于平衡能力相对较好的使用者，可以不用绑安全吊带，减少安全吊带对平衡能力训练的影响，从而能够更好的训练平衡能力，安全模块保障使用者使用该系统时的安全性。

本发明公开了一种主动式的人体动态平衡能力评测与训练系统，优势在于：结构简单、可靠性高，使用单个惯性传感器通过自主设计的人体动态重心算法，准确获取人体的动态重心位置，成本低，引入虚拟现实技术，克服了传统被动式动态平衡能力评测与训练系统训练方式单一、测试流程复杂、交互性低、容易使受试者对训练产生厌倦等缺点，为使用者提供多样的、娱乐性强又具有交互性的平衡能力训练场景，充分调动使用者主动参与训练的积极性，有效提高其训练效果；同时上位机软件可记录和保存使用者的评测和训练信息，建立使用者个人档案，方便对使用者进行病例跟踪与治疗。

附图说明

图1为所述一种主动式的人体动态平衡能力评测与训练系统的结构图。

图2为所述一种主动式的人体动态平衡能力评测与训练系统的使用流程图。

具体实施方法

如图1所示的一种主动式的人体动态平衡能力评测与训练系统，其结构包括信号采集模块(1)，数据处理与显示模块(2)，安全模块(3)。

如图1所示的信号采集模块由平衡板(1-1)、惯性传感器(1-2)组成，人体站立于平衡板上保持平衡时，信号采集模块可实时采集平衡板的空间姿态信息，并采用蓝牙通信方式将平衡板的姿态信息发送给数据处理与显示模块。

如图1所示的平衡板是木质加工的，形状为标准球体截取的一部分，平衡板上平面为直径80cm的圆，截取部分高度为10cm，在平衡板上方标定好坐标轴，实验时要求人体直立于平衡板平面上，佩戴VR头盔，完成基于Unity设计的虚拟现实任务。

如图1所示的惯性传感器为九轴姿态传感器,该传感器放置于平衡板平面的中心位置，放置方向使传感器自身坐标轴方向与平衡板标定坐标轴方向相同，该惯性传感器可实时获取平衡板的姿态信息，并以蓝牙通信的方式，将所得数据发送给数据处理与显示模块。

如图1所示的数据处理与显示模块由一台一体式计算机(2-1)和一个支持无线通信的VR头盔(2-2)组成，头盔和一体式计算机通过无线通信连接，VR头盔用于显示高沉浸感的虚拟现实场景，一体式计算机上安装有采用Visual studio编写的上位机软件，数据处理与显示模块以蓝牙通信方式接收惯性传感器发送来的平衡板姿态信息，通过平衡板姿态信息，推算出人体的动态重心坐标，并根据已知算法自动给出人体平衡能力的评价结果；该上位机软件还具有用户数据的记录和保存，评测结果的显示等功能，供医师查看与记录。

如图1所示的数据处理与显示模块的人体动态重心计算方法为：

以平衡板水平放置时与地面的接触点为坐标原点，建立坐标轴，坐标轴方向与此时惯性传感器自身坐标轴方向一致，人体动态重心在该坐标系下的坐标计算公式为：

其中X、Y是人体的动态重心在所建立坐标轴上的投影坐标；M_物、M_人分别是平衡板和人体的质量，R为平衡板对应球体的半径，h₁是平衡板的重心到平衡板上平面中心位置的距离，h₂是平衡板上平面中心位置到所对应球体球心的距离，其中R、h₁、h₂、M_物为已知，α是人体的动态重心坐标到坐标原点的连线与X轴的夹角，β是人体的动态重心坐标到坐标轴原点的连线与Y轴的夹角，θ是平衡板上平面与地面的夹角，所用角度可由惯性传感器所得加速度值计算获得，以a_x、a_y、a_z为重力加速度在传感器各轴的分量，g为重力加速度，可得所用倾角的计算公式为：

如图1所示的数据处理与显示模块采用Unity软件制作虚拟场景，具体包括评测场景和训练场景，均为3D虚拟现实场景，可为使用者提供高沉浸感的虚拟现实体验。

所述人体平衡能力的评测实验方案如下：使用者佩戴VR头盔，直立在平衡板上，周围环境相对安静，实验过程中不可有外来的人为干扰，评测时，由医师在上位机上选择评测模式，打开评测场景，使用者VR头盔中会自动显示评测用虚拟场景，评测场景为虚拟场景中一座独木桥，使用者使用自身动态重心作为输入，控制虚拟场景中的相应虚拟人物沿着独木桥行走，上位机软件自动记录使用者开始走独木桥和走完独木桥时的人体动态重心坐标，用于平衡分析。

所述系统的人体平衡能力评价指标采用人体动态重心轨迹特征的时域分析方法给出，以使用者动态重心轨迹的总轨迹长为指标，给出平衡能力评价结果，总轨迹长的计算公式为：

虚拟场景中，独木桥长度为l，据此划分为优、良、中、差四个平衡能力等级，总轨迹长L≤1.5l时，记为优，1.5l＜L≤2l时，记作良，2l＜L≤2.5l时，记作中，L＞2.5L记为差。

所述人体平衡能力训练方案如下：使用者佩戴VR头盔，选择相应的训练游戏，训练游戏多样，如使用人体重心控制的滑雪游戏，使用者站立于平衡板上，主动控制自身重心转移，驱动虚拟人物加减速、左右转弯，躲避障碍物，每次游戏训练结果取使用者在虚拟场景中滑雪最远距离占关卡总距离的比例进行评价，若使用者能够在规定的游戏时间内通过终点，则训练结果记为优，若使用者在规定的游戏时间内完成了关卡的百分之八十以上，则记为良，若使用者在规定的时间内完成了关卡的百分之六十以上，则记为中，若使用者在规定的时间内完成了关卡的百分之六十以下，则记为差，游戏具有困难、一般和简单三个难度可供选择，随着难度的增加，游戏中障碍物也会增加，要求使用者对自身重心的控制更加精确，使用者可根据自身需求，选择自己喜欢的康复训练游和难度，当使用者训练得分为优的时候，进行平衡能力评测。

如图1所述系统的安全模块，其固定支架(3-1)由铁杆焊接而成，固定于平衡板附近的地面上，安全吊带(3-2)悬挂于固定支架上，安全吊带可调节长度，使用安全吊带时，吊带应系于受试者腰部和肩部，吊带长度应保证受试者做跪倒动作时，膝盖不触及平衡板，所用海绵垫(3-3)长3m宽3m高0.1m，海绵垫中间挖出一个半径为1m的空心，用于放置平衡板，若使用者意外摔倒时，保证使用者摔倒在海绵垫上。

具体实施例

使用本系统时，应先测量使用者的体重，并选择在平整硬质底面上进行实验，根据使用者自身条件，决定是否使用安全吊带，然后由医师在上位机软件中输入使用者个人信息(包括体重值)，上位机软件会自动为使用者建立个人档案，医师可选择评测模式或训练模式，并提示使用者佩戴好VR头盔，提示使用者直立于平衡板上；或选择查看使用记录，可查看使用者的个人信息以及评测和训练记录。

当医师选择测试模式，打开测试场景时，VR头盔会显示测试用场景，使用者在虚拟场景中使用自身动态重心控制虚拟人物在独木桥上行走，上位机软件自动记录和保存使用者开始走上独木桥和走完独木桥的动态重心轨迹信息，结合已设计的人体平衡能力评测方法，经过数据处理，给出人体平衡能力评测结果，显示在上位机界面当中，并保存于使用者个人档案信息中。

当医师选择训练模式时，会有多个训练游戏可供选择，使用者可根据自身需求，选择自己喜欢的训练游戏，训练时，使用者直立于平衡板上，佩戴好VR头盔，如选择了滑雪游戏和一般难度，使用者VR头盔中显示训练游戏，使用者主动控制自身重心转移，驱动虚拟人物加减速、左右转弯，躲避障碍物，在虚拟现实场景中进行滑雪游戏，从而训练使用者的平衡能力，充分调动使用者主动参与训练的积极性；当使用者训练结果为优的时候后，进行平衡能力评测。

在训练结束后，关闭电源，离开平衡板，并摘下VR头盔，将所有设备放置在安全位置，最终完成整个训练及评测过程，若使用者使用了安全吊带，则离开平衡板之前，应由医师协助使用者摘掉安全吊带。

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 (4)

1.本专利公开了一种主动式的人体动态平衡能力评测与训练系统，其结构包括信号采集模块，数据处理与显示模块，安全模块，其特征在于：信号采集模块由自制平衡板、惯性传感器组成；数据处理与显示模块由一体式计算机和一个支持无线通信的VR头盔组成，计算机安装有基于Visual studio软件自制的上位机软件，基于Unity软件设计评测和训练用的虚拟场景及游戏，头盔由使用者佩戴，计算机由医师操作；安全模块由固定支架、安全吊带和海绵垫组成，保障使用者评测和训练时的安全性；佩戴VR头盔的使用者直立站在平衡板上，完成相应的虚拟现实任务，信号采集模块可实时采集平衡板的姿态信息，并以蓝牙通信方式发送给数据处理与显示模块，进行姿态解算，计算出人体的动态重心坐标；根据人体平衡能力评价算法，自动给出人体平衡能力的评价结果，在上位机软件中显示，供医师查看，并自动记录和保存使用者的评测和训练数据，为使用者建立个人档案。

2.权利要求1所述的一种主动式的人体动态平衡能力评测与训练系统的人体动态重心获取方法为，基于平衡板与人体的重力力矩平衡原理，通过惯性传感器采集的平衡板姿态信息，解算出人体的动态重心坐标；以平衡板水平放置时与地面的接触点为坐标原点，建立坐标轴，坐标轴方向与此时惯性传感器自身坐标轴方向一致，人体动态重心在该坐标系下的坐标计算公式为：

其中X、Y是人体的动态重心在所建立坐标轴上的投影坐标；分别是平衡板和人体的质量，R为平衡板对应球体的半径，是平衡板的重心到平衡板上平面中心位置的距离，是平衡板上平面中心位置到所对应球体球心的距离，其中R、、、为已知，使用该系统前，需要测量人体的体重，从而得到使用者的质量，是人体的动态重心坐标到坐标原点的连线与X轴的夹角，是人体的动态重心坐标到坐标轴原点的连线与Y轴的夹角，θ是平衡板上平面与地面的夹角，所用角度可由惯性传感器所得加速度值计算获得，为重力加速度在传感器各轴的分量，g为重力加速度，可得所用倾角的计算公式为：

。

3.权利要求1所述的一种主动式的人体动态平衡能力评测与训练系统的评测虚拟场景，其特征在于：该虚拟场景为一座独木桥，使用者佩戴VR头盔，直立于平衡板上，通过人体主动控制自身重心位置的变化，来控制虚拟场景中虚拟人物在独木桥上行走，数据处理与显示模块通过分析该过程中的人体动态重心坐标变化，给出人体动态平衡能力的评价结果。

4.权利要求1所述的一种主动式的人体动态平衡能力评测与训练系统的训练方案，其特征在于：该训练方式是一种人体主动式的平衡康复训练，基于虚拟现实技术，制作高沉浸感的训练游戏，采用自制的平衡板，使用者站立于平衡板上，通过主动控制自身重心的变化，来控制虚拟场景中虚拟人物的运动，从而训练使用者的平衡能力，如虚拟场景中的滑雪游戏，使用者主动控制自身重心转移，驱动虚拟人物加减速、左右转弯，躲避障碍物，实现人体动态平衡训练，同时充分调动使用者主动参与动态平衡训练的积极性。