CN108095725B - 一种人体运动能力集成测试装置及其使用方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种人体运动能力集成测试装置及其使用方法，人体运动能力集成测试装置由电控跑台、柔性压力传感器、力敏传感模块、动作引导模块、悬吊保护模块、数据采集分析模块组成。本发明针对老年人运动能力的综合评估和运动能力受限患者的康复评定，通过测试受试者平地和坡道环境下，站立、起步、匀速行走过程中的足底压力分布信息以及进行肘腕屈伸、抓握和拿捏物体动作过程的力量信息，综合评价受试者的静态平衡能力、动态平衡能力、脑‑手‑眼协调能力、上下肢双侧对称性及肌肉力量水平，进而得出受试者的自主行走能力、日常活动能力的综合评价。

Description

一种人体运动能力集成测试装置及其使用方法

技术领域

本发明涉及医疗康复和健康促进领域，尤其涉及一种人体运动能力集成测试装置及其使用方法。

背景技术

由于肌体自然老化及疾病的影响，运动机能衰退和日常生活能力逐步丧失，亟待建立康复养老的预防-治疗-康复的服务体系，有效控制社会医疗成本，帮助老年人和残疾人恢复或补偿基本的日常活动能力、增强社会适应能力。养老康复服务过程中，由于患者个体的健康状况、养老康复服务需求存在个体差异性，现行的康复养老服务模式过程中，临床主要还是采用主观量表对运动机能和日常生活能力进行评估，依赖评测人员的经验和主观判断，无法提供客观量化的测试数据，难以对患者存续运动机能(如自主行走能力日常活动能力)的客观综合评估，导致养老康复服务需求不清晰，无法实现个体康复养老服务需求与社会服务资源合理配置。在健康服务和康复服务过程中，人体运动能力良好测评装置的缺失，限制了康复医学、养老服务体系研究的进一步深入，严重制约了康复养老精准服务技术的发展水平，不利于节约社会资源、控制社会医疗成本。

发明内容

本发明是为避免上述现有技术的不足，提供一种的人体运动能力集成测试装置及其使用方法，以期能针对不同患者个体，提供客观量化的运动能力测评，为个性化的健康养老服务技术提供技术解决方法；本发明公开一种人体运动能力集成测试装置及其使用方法，对老年人运动能力的综合评估和运动能力受限患者的康复评定，通过测试受试者平地和坡道环境下，站立、起步、匀速行走过程中的足底压力分布信息以及进行肘腕屈伸、抓握和拿捏物体动作过程的力量信息，综合评价受试者的静态平衡能力、动态平衡能力、脑-手-眼协调能力、上下肢双侧对称性及肌肉力量水平，进而得出受试者的自主行走能力、日常活动能力的客观和量化的综合评价，为康复医学、养老服务体系研究提供参数指标。

本发明的技术方案如下：

一种人体运动能力集成测试装置，由电控跑台、柔性压力传感器、力敏传感模块、动作引导模块、悬吊保护模块、数据采集分析模块组成，其中，

所述的电控跑台是指可升降的电控跑步机，用于提供受试者进行试验动作的环境载体，根据数据采集分析模块的控制指令，模拟平地和坡道测试环境，以实现集中获取受试者站立、起步、行走过程中双侧足底压力变化；

所述的柔性压力传感器安装在电控跑台的跑板上，用于检测受试者站立姿态和行走步态数据，发送到数据采集分析模块，以评价受试者的动、静态平衡能力，双侧行走过程的双侧下肢对称性和稳定性；

所述的力敏传感模块包括握力传感器、扭矩传感器、指力传感器、角度传感器及其信号处理单元，安装在电控跑台双侧保护扶手上，用于检测受试者手部握力、腕力、手指捏合力、关节活动角度，发送到数据采集分析模块，以评价受试者上肢肌肉力量、动作稳定性、双侧动作协调能力；

所述的动作引导模块包括大屏显示器及其控制单元，安装在受试者进行站位试验动作的前侧上方，根据数据采集分析模块的控制指令，引导受试者进行系统设定的动作，获取受试者动作反应时间、动作准确度，发送到数据采集分析模块，以评价受试者的脑手眼协调能力、肢体调整能力、精细动作的完成能力；

所述的悬吊保护模块包括电机、拉力传感器、悬吊绳和护体马甲，用于受试者进行规定动作过程中的安全保护，也根据数据采集分析模块的控制指令提供减重拉力，辅助受试者完成规定动作的测试；

所述的数据采集分析模块包括控制电路、采集分析系统软件、主机和显示器，用于获取、处理、分析、显示和存储用户测试数据，展示分析评价结果，控制电控跑台和悬吊保护模块的运转。

一种人体运动能力集成测试装置的使用方法，按下述步骤自动引导受试者和测试人员进行试验：

步骤(1)、获取的受试者基本信息，建立受试者档案，包括但不限于年龄、性别、身高、体重、肢体健康状况；

步骤(2)、数据采集分析模块(6)根据受试者的基本信息，自动设定测试动作项目类别和难易等级，经测试人员确认后，驱动动作引导模块(4)显示试验流程和注意事项，并提示测试人员在试验过程中对受试者进行必要的安全防护；

步骤(3)、数据采集分析模块(6)引导受试者维持设定姿势(包括但不限于：单脚站立、双脚站立、线性步站立、15度坡道站立)1分钟，记录并存储测试期间的足底压力数据。

步骤(4)、数据采集分析模块(6)引导受试者完成设定动作(如拿捏物体、肘部屈伸、腕部屈伸、抓握物体)，记录并存储受试者过程中手指捏合力大小、方向、行程，肘/腕关节活动角度、扭矩，手部握力大小；

步骤(5)、数据采集分析模块(6)控制电控跑台(1)按设定速度、坡道运动，引导受试者从站立姿态转换到5Km/h的匀速行走状态，并完成20米的行走距离，记录并存储试验全程的双侧足底压力数据，同时控制悬吊保护模块(5)进行保护。

步骤(6)、数据采集分析模块(6)根据上述测试过程记录的数据，计算上肢和下肢的运动能力特征参数，评价受试者的自主行走能力和日常活动能力评价，给出测试报告。

与现有技术相比，本发明的优点如下：

本发明公开的一种人体运动能力集成测试装置及其使用方法，面向老龄化社会医养服务、运动障碍和退行性疾病量化诊疗、康复诊疗和康复辅助器具研发等领域的人体运动机能测试评估需求，融合自主行走能力、肢体活动能力、身体平衡能力等运动能力特征参数，对人体运动能力进行集成测试和综合分析评估，有效的解决了老年人和运动机能受损的残障患者自主行走能力、日常活动能力的特征信息获取问题，为探究老年人运动机能衰退的机理和演化规律、研究运动机能受损患者的康复治疗技术和功能代偿方案提供了技术手段，满足老龄病防控、运动机能受损康复治疗过程的康复评定、健康养老服务等相关科研及应用的共性需求，同时也为研究人体运动特征和行为特征的其它相关领域提供共性技术手段和装备支撑。主要优点如下：

(1)本发明实现自主行走能力、平衡机能、抓握能力、拿捏能力、协调反应能力及自主行动控制能力等多种运动机能参数的集成测试与综合分析，为老龄病防控、运动障碍类疾病分级诊疗和健康养老等相关科学研究提供基础平台，满足康复医疗、养老服务、体育科研、人机交互等不同领域的科学研究和应用需求；

(2)本发明实现平地、坡道多模拟场景环境下行走步态的双足压力的集成测试，依据站立和行走过程的步态信息，考察人体静态平衡保持、动态平衡控制能力和下肢力量水平，实现人体自主行走能力的综合评估；

(3)本发明将自主行走能力、日常活动能力进行集中测试，有效减小测试所需场地，缩短测试过程耗时，测试数据集成分析，有利于全面、综合评估患者的运动能力。

(4)本发明通过测试受试者平地和坡道环境下，站立、起步、匀速行走过程中的足底压力分布信息以及进行肘腕屈伸、抓握和拿捏物体动作过程的力量信息，客观、量化评价受试者的自主行走能力和日常活动能力。

附图说明

图1为本发明实施案例的结构示意图。

图2为本发明实施案例的功能流程图。

图3为本发明实施案例的逻辑示意图。

图4为本发明实施案例的测试流程图。

图1中，1为电控跑台本体，2为柔性压力传感器，3为力敏传感模块，4为动作引导模块，5为悬吊保护模块，6为数据采集分析模块。

具体实施方式

下面结合附图对本发明做进一步的说明。

如图1所示，本发明一种人体运动能力集成测试装置，包括：

电控跑台本体1；

柔性压力传感器2，安装在跑带与跑板之间；

力敏传感模块3，共七个力/力矩传感器、四个角度传感器和两个微行程传感器，分别用于左右臂肘关节屈伸(两个力矩传感器、两个角度传感器)、左右手腕关节屈伸(两个力矩传感器、两个角度传感器)、左右手手指捏合(两个力传感器、两个微行程传感器)及悬吊防护力/力矩的测量(一个多维力传感器)；

动作引导模块4，用于显示测试动作要领、安全注意事项等内容；

悬吊保护模块5，用于保护受试者测试过程的安全；

数据采集分析模块6，用于获取、处理、分析、显示和存储用户测试数据，控制设备运转。

其中，在电控跑台1的跑带和跑板之间安装柔性压力传感器2，力敏传感模块3分布在电控跑台1的多个部位，包括安装在跑台在左右扶手位置分别安装用于肘腕关节屈伸力量和角度测试的力矩传感器和角度传感器、手指捏合能力测量的力传感器和微行程传感器，安装在跑台上方的用于悬吊保护模块5减重力量检测的多维力传感器；动作引导模块4安装在电控跑台1的正前上方，用于显示测试动作要领、安全注意事项等内容；数据采集分析模块6与电控跑台1之间采用信号电缆连接。

一种人体运动能力集成测试装置，通过柔性压力传感器2感知受试者水平站立、坡道站立、起步过程、匀速行走过程的双足与支撑面之间的压力分布和变化轨迹信息，经数据采集分析模块6分析计算步态参数(包括但不限于双足压力、压力中心、几何中心、晃动轨迹包络、稳定时间、变速跟随时间、步相、步幅、迈步时间、支撑时间)，综合评价受试者的静态平衡能力、动态平衡能力、双侧步态对称性、步态稳定性、下肢力量水平，进而得出受试者的自主行走能力评价。

一种人体运动能力集成测试装置的使用方法，通过力敏传感模块3感知受试者完成动作引导模块4给出的规定动作过程信息，经数据采集分析模块6分析计算动作特征参数(包括但不限于作用力大小、方向、行程、转动角度、完成时间、稳定时间、中心频率、功率谱密度)，分析受试者的肘/腕关节活动角度、腕力、握力及手指捏合力，综合评价脑-手-眼协调能力、上肢肌肉力量水平、动作稳定性、双侧动作协调能力，进而得出受试者的日常活动能力评价。

如图2所示，图2表示人体运动能力测评的试验动作、试验过程中获取的各种运动力学信息，以及试验的评价目标。本发明一种人体运动能力集成测试装置的功能流程，通过设定下肢试验动作(包括但不限于平地站立、坡道站立、起步行走、匀速行走)，检测行走过程中的双足足底压力分布序列，经计算、分析提取特征参数指标，作为自主行走能力的评价依据；通过上肢试验动作(包括但不限于肘腕关节屈曲、抓握物体、拿捏物体)，检测动作完成过程中的转动角度、力矩、力、行程变化信息，经计算、分析提取特征参数指标，作为日常活动能力的评价依据。系统综合评判作为自主行走能力、日常活动能力的测评结果，得出人体运动能力的综合评价。

如图3所示，图3表示装置测试参数指标类型和运行的逻辑流程。本发明一种人体运动能力集成测试装置及其使用方法的逻辑流程，数据采集分析模块6首先获取用户基本信息和临床诊断信息，确定该受试者需要测试的动作类型和运动参数，由动作引导模块4给出测试动作引导提示，然后按上肢测试、下肢测试分别获取试验过程中对应的运动力学信息，提取上下肢运动特征，输出日常活动能力和自主行走能力的评价，最后综合评判人体运动能力，输出运动能力综合评价报告。

一种人体运动能力集成测试装置的使用方法，测试试验的流程如图4所示。图4表示本发明运动能力测试试验的流程。设备上电后，运行参数复位，等待用户信息输入；获取用户基本信息和临床诊断信息后，系统根据先静态后动态、先上肢后下肢的原则，经匹配分析后，确定该受试者是否需要进行动作测试，若不需要，则返回等待用户信息输入状态。

若需要，确定测试的动作类型和运动参数，给出测试动作引导提示；

进行站姿平衡测试，完成后，判断是否需要进行上肢测试，

若需要上肢测试，按肘腕关节曲张动作、手指拿捏动作的顺序进行测试；

以上完成后，判断是否需要进行下肢测试；

若需要下肢测试，按起步动作、匀速行走动作的顺序进行测试；

要求的动作测试完成后，进行数据分析和特征提取，并输出测试报告。

本发明可由本领域的技术人员在不脱离本发明的精神的前提下作出若干修改，但所作的修改仍是在本申请的权利要求的保护范围之内。

Claims (1)

1.一种人体运动能力集成测试装置的使用方法，人体运动能力集成测试装置由电控跑台(1)、柔性压力传感器(2)、力敏传感模块(3)、动作引导模块(4)、悬吊保护模块(5)、数据采集分析模块(6)组成，其中：

所述的电控跑台(1)是指可升降的电控跑步机，用于提供受试者进行试验动作的环境载体，根据数据采集分析模块(6)的控制指令，模拟平地和坡道测试环境，以实现集中获取受试者站立、起步、行走过程中双侧足底压力变化；

所述的柔性压力传感器(2)安装在电控跑台的跑板上，用于检测受试者站立姿态和行走步态数据，发送到数据采集分析模块(6)，以评价受试者的动、静态平衡能力，双侧行走过程的双侧下肢对称性和稳定性；

所述的力敏传感模块(3)包括握力传感器、扭矩传感器、指力传感器、角度传感器及其信号处理单元，安装在电控跑台双侧保护扶手上，用于检测受试者手部握力、腕力、手指捏合力、关节活动角度，发送到数据采集分析模块(6)，以评价受试者上肢肌肉力量、动作稳定性、双侧动作协调能力；

所述的动作引导模块(4)包括大屏显示器及其控制单元，安装在受试者进行站位试验动作的前侧上方，根据数据采集分析模块(6)的控制指令，引导受试者进行系统设定的动作，获取受试者动作反应时间、动作准确度，发送到数据采集分析模块(6)，以评价受试者的脑手眼协调能力、肢体调整能力、精细动作的完成能力；

所述的悬吊保护模块(5)包括电机、拉力传感器、悬吊绳和护体马甲，用于受试者进行规定动作过程中的安全保护，也根据数据采集分析模块(6)的控制指令提供减重拉力，辅助受试者完成规定动作的测试；

所述的数据采集分析模块(6)包括控制电路、采集分析系统软件、主机和显示器，用于获取、处理、分析、显示和存储用户测试数据，展示分析评价结果，控制电控跑台和悬吊保护模块的运转，其特征在于，自动引导受试者和测试人员按以下步骤进行试验：

步骤(1)、获取的受试者基本信息，建立受试者档案，包括但不限于年龄、性别、身高、体重、肢体健康状况；

步骤(2)、自动设定测试动作项目类别和难易等级，经测试人员确认后，驱动动作引导模块(4)显示试验流程和注意事项，并提示测试人员在试验过程中对受试者进行必要的安全防护；

步骤(3)、引导受试者维持设定姿势1分钟，记录并存储测试期间的足底压力数据；其中设定姿势包括但不限于：单脚站立、双脚站立、线性步站立、15度坡道站立；

步骤(4)、引导受试者完成设定动作，记录并存储受试者过程中手指捏合力大小、方向、行程，肘/腕关节活动角度、扭矩，手部握力大小；中设定动作为拿捏物体、肘部屈伸、腕部屈伸、抓握物体；

步骤(5)、控制电控跑台(1)按设定速度、坡道运动，引导受试者从站立姿态转换到5Km/h的匀速行走状态，并完成20米的行走距离，记录并存储试验全程的双侧足底压力数据，同时控制悬吊保护模块(5)进行保护；

步骤(6)、根据上述测试过程记录的数据，计算上肢和下肢的运动能力特征参数，评价受试者的自主行走能力和日常活动能力评价，给出测试报告；

该人体运动能力集成测试装置的使用方法，面向老龄化社会医养服务、运动障碍和退行性疾病量化诊疗、康复诊疗和康复辅助器具研发领域的人体运动机能测试评估需求，融合自主行走能力、肢体活动能力、身体平衡能力运动能力特征参数，对人体运动能力进行集成测试和综合分析评估，有效的解决了老年人和运动机能受损的残障患者自主行走能力、日常活动能力的特征信息获取问题，为探究老年人运动机能衰退的机理和演化规律、研究运动机能受损患者的康复治疗技术和功能代偿方案提供了技术手段，满足老龄病防控、运动机能受损康复治疗过程的康复评定、健康养老服务等相关科研及应用的共性需求，同时也为研究人体运动特征和行为特征的其它相关领域提供共性技术手段和装备支撑；

该人体运动能力集成测试装置的使用方法实现自主行走能力、平衡机能、抓握能力、拿捏能力、协调反应能力及自主行动控制能力多种运动机能参数的集成测试与综合分析，为老龄病防控、运动障碍类疾病分级诊疗和健康养老等相关科学研究提供基础平台，满足康复医疗、养老服务、体育科研、人机交互等不同领域的科学研究和应用需求；

该人体运动能力集成测试装置的使用方法实现平地、坡道多模拟场景环境下行走步态的双足压力的集成测试，依据站立和行走过程的步态信息，考察人体静态平衡保持、动态平衡控制能力和下肢力量水平，实现人体自主行走能力的综合评估；

该人体运动能力集成测试装置的使用方法将自主行走能力、日常活动能力进行集中测试，有效减小测试所需场地，缩短测试过程耗时，测试数据集成分析，有利于全面、综合评估患者的运动能力；

该人体运动能力集成测试装置的使用方法通过测试受试者平地和坡道环境下，站立、起步、匀速行走过程中的足底压力分布信息以及进行肘腕屈伸、抓握和拿捏物体动作过程的力量信息，客观、量化评价受试者的自主行走能力和日常活动能力。

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