CN113413141A - 一种动态平衡能力测量装置及测量方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种动态平衡能力测量装置，其包括：静平台、动平台以及设于所述动平台上的承载平台，在所述静平台上固设有立柱，所述动平台的中心以球铰链或万向节连接于所述立柱的顶端；还包括多个设于静平台与动平台之间的阻力可调节的伸缩器，各伸缩器的上下端分别铰接在动平台和静平台上；并在所述动平台与所述承载平台之间设有多个压力传感器。采用该装置的测量评估方法科学合理，测量准确性高。

Description

一种动态平衡能力测量装置及测量方法

技术领域：

本发明涉及一种动态平衡能力测量装置及测量方法，属于人体平衡能力评测与训练技术领域。

背景技术：

平衡是指人体处在一种姿势或稳定状态下以及不论处于何种位置时，当运动或受到外力作用时，能自动地调整并维持原有姿势的能力。人体平衡能力是人体一项重要的生理机能，平衡能力的测量在医疗康复领域发挥着重要作用。针对运动员来说，动态平衡能力的检测能够帮助他们进行更好训练，提高运动成绩，为国争光；对于老年人来说，平衡能力的检测对于预测和预防老年人跌倒有极为重要意义。只有对人体动态平衡能力的测试与评价准确有效，才能更好地引导对动态平衡能力的训练。

目前，常用的人体平衡测试法有传统主观观测法、量表法和压力平板测试法等。主观观测法方法简单，但没有统一的衡量平衡的客观标准，只能用于粗略筛查；量表法能够进行试验对照，但操作繁琐，工作量较大；压力平板测试、动态平衡能力测量方法缺少客观的评价依据，评价的一致性不好。常见的平衡能力评估方法只是评判一般状态下测试者的平衡能力，被测试者并不需要表现所具有的最大平衡能力，具有随机性，评估的一致性差。

发明内容：

为克服现有技术的缺陷，本发明的目的在于提供一种动态平衡能力测量装置及测量方法，该装置构造简单，结构合理，采用该装置的测量评估方法科学合理，测量准确性高；本发明所提出的动态平衡能力测量方法让被测量者处于极端的状态下，激发出测试者维持平衡时的最大潜能，从而能够更加准确评估出测试者的平衡能力，具有更好的一致性。

本发明解决技术问题采用如下技术方案：

一种动态平衡能力测量装置，其包括：

静平台、动平台以及设于所述动平台上的承载平台，所述动平台与静平台形成相对运动；

还包括多个设于静平台与动平台之间的阻力/阻尼可调节的伸缩器，各伸缩器的上下端分别与动平台和静平台连接；

并在所述动平台上、所述承载平台上或动平台与承载平台之间设有平衡能力指标的测量装置。

作为优选，进一步地，多个所述伸缩器分布于某圆的圆周线上，该圆的圆心处于动平台的中心点正投影于静平台上的点上。

作为优选，进一步地，多个所述伸缩器与静平台和动平台的连接方式有铰接和球铰两种方式，当连接方式为铰接时，动平台的自由度为单自由度；当连接方式为球铰连接时，动平台的自由度有两个自由度。

作为优选，进一步地，所述伸缩器为阻尼器和/或弹簧和/或气弹簧。

作为优选，进一步地，所述平衡能力指标的测量装置包含压力传感器和/或姿态测量装置，其中压力传感器布置在承载平台与动平台之间，姿态测量装置布置在动平台或是承载平台上任意位置。

作为优选，进一步地，所述姿态测量装置为加速度计和/或陀螺仪或姿态传感器。

采用上述测量装置进行动平衡能力测量的方法，包括如下步骤：

1)、将所述测量装置置于平整地面上，并保证静平台的稳固；

2)、平衡能力指标测量装置与上位机信号连接，将伸缩器按照阻尼/阻力的大小分为n档，其中n≥2，n为整数，档位越大，伸缩器的阻尼/阻力越大；

3)、测试者平稳站立于承载平台上，利用上位机采集平衡能力指标测量装置的数据；

4)、平衡能力分级评估，将伸缩器的档位依次向下调节，根据测试者在伸缩器依次调节从n档至m(n-1≥m≥1，m为整数)档，所计算的评估值超过阈值范围，在m+1档时，所计算的评估值在阈值范围内，此时可判断测试者的平衡能力的等级。

上述步骤4)中，所计算的评估值是指：利用压力传感器和/或姿态测量装置所传输出的运动信息来设定评估值，所设定的评估值可为一个或多个。

与已有技术相比，本发明的有益效果体现在：

采用本发明的动态平衡能力测量装置及测量方法，当测试者在测量装置上水平稳定后，通过改变测量装置中运动平台的活动灵活性，根据采集的人体在动态环境下规定时间内的足底压力信息和动平台的运动学数据设定一个或多个评估值，测量出测试者在极端状态下的平衡能力，测试者在保持平衡时能发挥出最大潜能，从而能够更加准确评估出测试者的平衡能力，具有更好的一致性。具有操作简单，简洁实用，易于临床推广。

附图说明：

图1为本发明测量装置的第一种结构示意图。

图2为本发明测量装置的第二种结构示意图

图中标号：1承载平台，2姿态传感器，3压力传感器，4伸缩器，5静平台，6动平台，7立柱。

以下通过具体实施方式，并结合附图对本发明作进一步说明。

具体实施方式：

为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

实施例：参见附图，本实施例的平衡能力测量装置，其包括：

静平台5(或支撑底座)、动平台6以及设于动平台6上的承载平台1(用于测试者站立)，在本实施例中，如图1所示，在静平台5上固设有立柱7用于支撑动平台，其中，动平台6的中心以球铰链或万向节连接于立柱7的顶端，即动平台6能在立柱顶端自由转动；本实施列中，动平台6与静平台之间的相对运动，也可如图2所示，静平台与动平台通过两个光滑曲面连接，形成相对转动。

还包括多个设于静平台5与动平台6之间的阻力可调节的伸缩器4，各伸缩器4的上下端分别铰接在动平台6和静平台5上，具体设置中，伸缩器可采用阻尼器、或弹簧、或气弹簧，本实施例仅以阻尼器举例说明。

本实施例中采用平衡能力指标测量装置为压力传感器和姿态传感器，并在动平台6与承载平台1之间设有多个压力传感器3，本实施例以六个压力传感器举例，并且，承载平台分为左右两块独立的，每块承载平台下面具有三个压力传感器，这样测量左右两只脚的压力中心变化的条件的相同的。

本实施例中，若将两块承载平台视为一整体，则姿态传感器2处于整体承载平台的中心孔内并安装在动平台6的中心处，因为动平台和承载平台都是刚体，所以姿态测量装置放的位置没什么讲究，仅以放置在中心位置举例说明。

采用该测量装置进行动平衡能力测量的方法，包括如下步骤：

1、将测量装置置于平整地面上，并保证静平台的稳固；

2、平衡能力指标测量装置(压力传感器和姿态传感器)与上位机信号连接，在平衡能力测试前需确定好阻尼器中阻尼系数与速度的关系，将阻尼器分为n档，其中n≥2，n为整数，档位越大，阻尼器的阻尼越大；

3、测试者平稳站立于承载平台上，利用上位机采集各压力传感器、姿态传感器的数据；

4、平衡能力分级评估，将阻尼器的档位依次向下调节，根据测试者在阻尼器依次调节从n档至n-1≥m≥1，m为整数档，所计算的评估值超过阈值范围，而在n档位调节m+1档时，所计算的评估值在阈值范围内，此时可判断测试者的平衡能力为n-m级，此种评判标准的平衡能力等级越高，测试者的动态平衡能力越好；或是可判断测试者的平衡能力为m级，此种评判标准的平衡能力等级越低，测试者的动态平衡能力越好。上述步骤4中，所计算的评估值是指：利用压力传感器所传输出的压力信息和姿态测量装置所传输出的姿态信息来设定评估值，在本实施例中设定的评估值，根据压力传感器可设定的评估值为在规定时间内压力中心变化的最大位移量；根据姿态测量装置，可设定的评估值为动平台运动速率，运动速度，角速度，角加速度，动平台倾斜角度的标准差等。

所述的评估值的数据计算公式如下：

1、根据压力传感器计算压力中心(COP)

若实验装置为两个自由度

压力中心的位置根据力矩的平衡原理进行计算，将动平台的中心点定义为坐标原点，Y轴的方向水平向前，X轴方向水平向右，设六个压力传感器的位置坐标分别为F₁(a,b)，F₂(c,d)，F₃(e,f)，F₄(-a,-b)，F₅(-c,-d)，F₆(-e,-f)，由于左右承载平台是相互独立的，因此令右侧承载平台的压力中心的坐标为F＝(x_COP,y_COP)，根据力矩的平衡原理，可得：

x_COP＝(aF₁+cF₂+eF₃)/(F₁+F₂+F₃) (1)

y_COP＝(b F₁+dF₂+f F₃)/(F₁+F₂+F₃) (2)

另一块承载平台的压力中心的位置同理可求，左右两块承载平台总的压力中心的位置也可由同样的方法求得。

压力中心的最大偏移量则是规定时间内压力中心位置与初始位置偏差最大的值。

若实验装置为单个自由度，可求解单个方向的压力中心变化，公式如(1)或(2)所示。

2、根据姿态测量装置计算评估值

若姿态测量装置为加速度计，可利用加速度计测得动平台在xy方向的加速度即动平台中心位置变化速率计算xy方向的速度即动平台中心位置变化速度。

若姿态测量装置为陀螺仪，可通过陀螺仪输出的角速度值计算xy方向角加速度以及短期内可计算欧拉角，通过欧拉角计算动平台倾斜角度的标准差。

若姿态测量装置为加速度计和陀螺仪结合的六轴传感器或是九轴姿态传感器可设定的评估值为加速度计和陀螺仪所有能计算的评估值的总和。

其中利用欧拉角计算动平台倾斜角度的标准差(SD)

在动态平衡的测量中，人体从测量开始到达平衡稳定状态的过程中，即动态平衡过程，动平台的倾斜角度能够反映人体的平衡控制能力，显然当动平台的倾角越小，人体的平衡能力越好，为了能够定量的分析动态平衡能力，本文通过式(3)来量化动态平衡能力。

式中：Z_x和Z_y分别表示动平台在x方向和y方向上的倾斜角度。

需要说明的是，本发明中未详细阐述部分属于本领域公知技术，或可直接从市场上采购获得，本领域技术人员不需要付出创造性劳动即可获得，其具体的连接方式在本领域或日常生活中有着极其广泛的应用，此处不再详述。

此外，在不相互矛盾的情况下，本领域的技术人员可以将本说明书中描述的不同实施例或示例以及不同实施例或示例的特征进行结合和组合。尽管上面已经示出和描述了本发明的实施例，可以理解的是，上述实施例是示例性的，不能理解为对本发明的限制，本领域的普通技术人员在本发明的范围内可以对上述实施例进行变化、修改、替换和变型。

Claims (8)

1.一种动态平衡能力测量装置，其特征在于包括：

静平台(5)、动平台(6)以及设于所述动平台(6)上的承载平台(1)，所述动平台(6)与静平台(5)形成相对运动；

还包括多个设于静平台(5)与动平台(6)之间的阻力/阻尼可调节的伸缩器(4)，各伸缩器(4)的上下端分别与动平台(6)和静平台(5)连接；

并在所述动平台(6)上、所述承载平台(1)上或动平台与承载平台之间设有平衡能力指标的测量装置。

2.根据权利要求1所述的一种动态平衡能力测量装置，其特征在于，多个所述伸缩器(4)分布于某圆的圆周线上，该圆的圆心处于动平台(6)的中心点正投影于静平台上的点上。

3.根据权利要求2所述的一种动态平衡能力测量装置，其特征在于，多个所述伸缩器与静平台和动平台的连接方式有铰接和球铰两种方式，当连接方式为铰接时，动平台的自由度为单自由度；当连接方式为球铰连接时，动平台的自由度有两个自由度。

4.根据权利要求3所述的一种动态平衡能力测量装置，其特征在于，所述伸缩器(4)为阻尼器和/或弹簧和/或气弹簧。

5.根据权利要求1所述的一种动态平衡能力测量装置，其特征在于所述平衡能力指标的测量装置包含压力传感器和/或姿态测量装置，其中压力传感器布置在承载平台与动平台之间，姿态测量装置布置在动平台或是承载平台上任意位置。

6.根据权利要求5所述的一种动态平衡能力测量装置，其特征在于，所述姿态测量装置为加速度计和/或陀螺仪或姿态传感器。

7.一种采用权利要求1-6中任一权利要求所述的测量装置进行动平衡能力测量的方法，其特征在于包括如下步骤：

1)、将所述测量装置置于平整地面上，并保证静平台的稳固；

2)、平衡能力指标测量装置与上位机信号连接，将伸缩器按照阻尼/阻力的大小分为n档，其中n≥2，n为整数，档位越大，伸缩器的阻尼/阻力越大；

3)、测试者平稳站立于承载平台上，利用上位机采集平衡能力指标测量装置的数据；

4)、平衡能力分级评估，将伸缩器的档位依次向下调节，根据测试者在伸缩器依次调节从n档至m(n-1≥m≥1，m为整数)档，所计算的评估值超过阈值范围，在m+1档时，所计算的评估值在阈值范围内，此时可判断测试者的平衡能力的等级。

8.根据权利要求7所述的动平衡能力测量的方法，其特征在于步骤4)中，所计算的评估值是指：利用压力传感器和/或姿态测量装置所传输出的运动信息来设定评估值，所设定的评估值可为一个或多个。

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