TWI240624B - Training and evaluation equipment for dynamical equilibrium disturbance and motor nerve physiological control - Google Patents

Description

1240624 五、發明說明（1) 【發明所屬之 本發明所 經生理控制之 平板上，由外 桿機構的萬向 平板之轉動極 時身體方位， 間的身體重心 算身體擺動時 螢幕上顯示； 練訊號及身體 力分佈及、壓 在干擾時會先 腳所接觸地面 '傾斜度及傾 此感覺所得訊 判斷，決定要 傳至肌肉骨骼 能力；這些運 底壓力的分佈 的整合有效的 92128955

技術領域 屬之技 訓練及 接馬達 術係提供一 接頭鬆 點為， 並在活 、活動 雙腳的 平衡機 平衡時 力中心 由身體 的相對 斜方向 號會傳 作那些 系統， 動生理 相關參 評估及 評估裴置， 及四連桿機 脫以做自體 半球窩座， 動平板四端 平板上置有 壓力分佈及 前連接設置 的重心位置 移動執跡以 感覺身體各 位置，同時 ’視覺則提 達至小腦及 動作的順序 藉由肌肉收 的控制反應 數來探討。 訓練個人平 種動態 係以身 構產生 平衡的 内設置 點置有 高密度 壓力中 螢幕， 、重心 作即時 肢段的 ，前庭 供外界 預期控 ，再經 縮來調 可由身 本發明 衡及運 平衡干 體雙腳 動態干 評估及 位置感 荷重感 之壓力 心移動 配合螢 移動執 生理回 相對位 感覺頭 環境的 制皮質 由運動 整肢段 體的重 可藉由 動控制 擾及運動神 站立於活動 擾或將四連 訓練；活動 應器偵測即 知器計算瞬 感測板以計 的執跡並在 幕上顯不訓 跡、足底壓 饋；當有外 置及身體和 部的加速度 變化訊息， 區作整合及 神經將訊號 以恢復平衡 心運動及足 硬體及軟體 的能力。 【先前技術】 ，者^類的平衡控制發展始於嬰兒期，在嬰兒身上可發現 文到干擾時，肢體就會有反射性的反應，惟平衡 __ 咖 1— -— ---- I _ I Ιϋ_ III ^ _驪__ _ E ll_il _ 1240624 -9212895$_年月日 修正 五、發明說明⑵ ' 能力隨著人體老化或器官傷害使身體平衡的反射機制慢慢 遲滯使肌肉觸發延後、感覺能力變差、靈敏性降低，以及 依性別不同產生之差異等因素造成平衡能力衰退；例如腦 性麻痒與中風患者由於腦細胞受到傷害或發生病變引起運 動机能的障礙，因此動作控制及感覺運功的失能，神經元 受損導致肌力的過張或無力尊致平衡能力降低。因此，如 何讓腦性麻痒及中風患者或有動態和靜態平衡障礙者，可 藉由動態平衡干擾及運動神經控制的訓練提高或改善其平 衡能力，而此裝置同時能評估其承受外在及自體干擾平衡 能力’是為激發本案發明人之發明動機所在。 目前有關恢復平衡能力的評估與訓練大部分還是使用 臨床量測的方法，這些方法雖然使用方便，但是使用者須 要經過特殊訓練’且須具備相當程度的經驗，才可保証評 估結果的可信度。一般醫院或是復健中心有一些操作簡單 、方便測得資料的平衡評估機器，但因為都是國外進口， 所以j貝格昂貴，且維修不易加上這些國外進口的機器已是 多年前的產物，有些功能已不能滿足某些臨床研究者的需 求。國内近年來也有學者致力於這類機具的研發與改良， 希望月b做出實用又低價位的評估與訓練的機器。已研發的 動態平衡評估及訓練系統都有相同的特徵。它們都有一個 可動的平台，且平台是由某種動力源帶動，它們都可以量 測到重心軌跡C0P的變化。這裡介紹三台此類型的機器。 B a 1 a n c e S y s t e m ( B a 1 a n c e S y s t e m R e f e r e n c e )製造 或研發單位：CHATTECX公司

第7頁

量 到 測COP之力感測器為可動式， Μ自己想要或適合自己的站姿。匕可讓文測者調整 、測試平台的高度低（約20 cm ) 台，且不會讓受測者有懼高的心理又:田者方便上下平 3、平台可穩定慢速的轉動和移動。作用。 缺點： 1、平台只提供前後方向的擺動和移 2 、平台擺動的角度和移動的幅二 3、只有-調速旋扭以百分比的的， 八凋逮，較不精準。 特徵1 、 成功大學醫工所研發 :洪怡宏（1 998 ) 有一頭戴式顯示器， 義器之平衡台製造或研發單位 增加受測者在虛擬場景的真實性 求得更精準的COP (土 24度内）。 2、 使用一整塊測力板，可 3、 平台可以任何角度旋轉 缺點： 1 、平台只有前後方向的轉動。 2、 無完整、安全之懸吊保護系統 3、 長庚大學機械所研發之平衡 三、製造或研發單位 特徵： •連永昌（1 9 9 了）

1240624

MM 92128QRR 五、發明說明（4) ^--修正 $台可做前後左右的擺動。 、=台上尚有一履帶，可作同時 甽練。 v行及傾斜之評估及 腳壓感測器，更能 3、壓力量測是使用自行研 精確的求的C0P。 U牙戴式 缺點： 1平台太高了 ，近乎一個人的身高 心理 了’會讓人有懼高的 2據上述學者已研發之儀器 一套動態平衡評估 2本發明為自行研發 參數如兩腳承重比以探討；體先重而以外的量測 e壓力中心執跡以探討肌肉與移’足底壓力分布 朿略，本發明同時提供[寓復健於娛二；：協同能力及平衡 經由機台前的顯示器所示的電腦遊的新概念讓使用者 衡训練。本發明可讓臨床 2帶動身體的自體平 的評估儀器。 此有更方便、安全和精確 【發明内容】 本發明係提供一種動態平 之訓練及評估裝置，（第一圖 四圖、五圖及六圖所示）係以 上作平移和搖擺，該活動平板 套設氣塾8 1以調整活動平板 活動平板6之前，將氣墊8 1 衡干擾及運動神經生理控制 、一之一圖、二圖、三圖、 身體雙腳站立於活動平板6 6下方设有球窩座8於外圍 6搖擺角度，受測者要踏上 充滿氣’待受测者踏上活動 第9頁 1240624

平板6時，待受測者站在活 8 1立刻放氣至不會影響活 感應器8下方設置承座9連 1、la安置，用以平衡機 合螢幕1 1上顯示訓練訊號 四邊荷重感知器7成電器連 度之壓力感測板6 1、6 2 動時雙腳的壓力分佈及壓力 上顯示，平衡機1 0前連接 上顯示訓練訊號及身體平衡 、足底壓力分佈及、壓力中 ，藉以活動平板6下方中央 、後、左、右之端緣上下擺 顯不前、後、左、右定點晝 干擾驅動用者雙腳重心摇擺 相對應於螢幕1 1畫面游標 被移動時，活動平板6朝一 出一信號傳輪至螢幕1 1 ， 指定點取消完成動作。 動平板6中心並站穩後，氣墊 動平板6之狀態，前述窩接頭 接架體9 1供兩顆DC伺服馬達 10前面連接設置螢幕11配 與活動平板6前、後、左、右 接 活動平板6上設置有高密 (第一之一圖）以計算身體擺 中心移動的執跡並在螢幕1工 设置螢幕，配合螢幕1工 時的重心位置、重心移動轨跡 〜移動執跡以作即時生理回饋 設置球窩座8使活動平板6前 動，而使用者可依螢幕i丄所 面或遊戲晝面，以靜態轉動態 ’该球窩座8移動之距離信號 12(第二圖），當球窩座8 側下壓觸動該荷重感知器7輪 晝面游標1 2移動至指定點將 動態平衡干擾及速動神經生理控制之訓練及坪 係以下列模組所組成； ° 裒置 機構模組： 機構模組的功用使用程式對兩顆DC伺服馬達1 下才曰々’ ^顆DC伺服，馬達1、1 a做旋轉運動帶動 a

第10頁 1240624 案號 92128QFiFi 五、發明說明（6) 桿’兩根連桿再帶動活動平 機構模組是由兩顆DC伺 2、2a、兩根主動連桿3 a、兩根被動連桿5、5 a 座8及承座9。 DC伺服馬達1、1 a和 方式做連結，且主動連桿3 的軸心是正交的；主動連桿 是以一個萬向接頭4、4 a 是以一個萬向接頭4、4 a 活動平板6中心下方有一組 整個運動就是分別由兩 不同角度的旋轉，分別經由 連才干5、5 a，兩根被動連 6的兩個角，且活動平板6 動平板6可以任意方向、任 本發明之機構特色： 本機構的特色是由兩根 a ’帶動由球窩座8支撐的 向和角度的搖擺，並由被動 、3 a和活動平板6之間的 修正 板6做搖擺運動； 服馬達1、1 a、 、3 a 、四個萬向 、一塊活動平板6 主動連 "3a 3、3 做連結 連結在 球窩座 顆馬達 兩根主 桿5、 就以球 意角度 桿 3、3 a 的軸心和馬 a和被動連 :而被動連 活動平板6 8 〇 1、1 a 做 動連桿3帶 5 a分別帶 窩座8為支 的搖擺。 兩顆減速機 接頭4、4 、一組球窩 是以銷接的 達 1、1 a 桿 5、5 a 桿 5、5 a 的某一角， 不同方向和 動兩根被動 動活動平板 樓點，讓活 在平面運動的主動 活動平板6在空間 連桿5、5 a補正 微小位移誤差。 連桿3、3 中做任意方 主動連桿3 重量感測模組： 重ϊ感測模組的目的在於當平臺運動時，得知人體在 臺上重心位置變化。

第11頁 1240624

重量感測器模組包括四個荷重感知器7、四組放大器 、一個電源供應器、一片A/D轉換卡。 6 2 壓力感測板6 活$平板6上設置有高密度之壓力感測板6 1 、6 2 (參考第一之一圖及第七圖）壓力感測板6 1 、62 (腳 將軌跡信 壓感測器）與電腦螢幕i i信號連結，依計算身體擺動時 來感測雙腳的壓力分佈及壓力中心移動的軌跡， 號傳輸置螢幕1 1顯示。 氣壓模組： 亂壓杈組之功用是在受測者要踏上活動平板6之前， ::墊81充滿氣，#受測者踏上活動平板6 吋，減少活動平板6晃動，亦減少連桿所承受之彎矩和馬 達1、1 a之扭矩。待受測者站在活動平板6中心並站穩 後，氣墊8 1立刻放氣至不會影響活動平板6活動之狀態 〇 氣壓模組是由一個五口三位閥、一調壓閥、一個真空 閥、-電源供應器、一組控制電路所組成、一個 及一具空氣壓縮機所組成。 ' 迴路為空氣壓縮機為提供壓縮氣體之氣壓源， 進入调壓閥，在此，可由調壓閥調整進入五口二 之壓縮氣體之壓力。當氣體逡入+ —彳尾磁閱 77田乱篮進入五口二位電磁閥後，可由 程式下指令來對該電磁閥某一端激磁。

1240624 ___案號 92128955 五、發明說明（8) 激磁方法及對氣墊8 1之影響 < 分下，=種： 一、假如對圖中之左端激磁，則來自乳壓源之壓縮氣體會 到達氣墊8 1 ，對氣墊8 1充11 i 二、 假如對圖中之右端激磁，則來自，壓源之壓縮氣體會 由另外氣孔出來而到達真空閥，提供真空閥排氣之動 力，而由氣墊8 1排出之氟體則接到真空閥之吸引口 ，使氣墊8 1内之氣體快速f放、 三、 假如兩端均不激磁，則來自氣壓源之壓縮氣體無法進 入五口三位電磁閥；氣蛰8 1内之壓縮氣體亦無法排 出，如此，可保持氣墊8 1内之氣體保持在某個壓力 下’使受測者有足夠的時間站上活動平板6並調整其 站立位置。 控制電路： 由四顆繼電器和四個二極體所組成的，電源由一個電 源供應器來供應’而命令則是由程式經由三軸運動控 端經繼電器對五口三位關激磁。 程式設計： 程式本糸統之程式包括控制程式、訊號搜集程式和後處理 度、S:^ ί:讓使用者輸入受測者相關資料、欲測之角 下角的書面態。活動平板6運動時，畫面左 動將所擷動的軌跡，待測試完畢，程式會自

第13頁 存檔。待^檔後，使用後處理程式開啟 1240624

五、發明說明（9) 2案’主視窗即會顯示χ軸最大位移量、y軸最大位移量、 ^ :路徑長和平衡分數，另外三個視窗分別顯示（第七 圖）重心移動執跡、雙軸重心時序圖。 安全防護機構： 立之斤示’本機構裝設之安全防護機構在受測者站 頭端固定;^ ?上方設置彈性板體1 0 0，該板體1 0 ◦ Tm天花板，另一尾端繫設有繩子1 〇 1，於繩子 絕一段距離適當處將繩子1 〇1打結成球狀， 1 0 2 ?牙過天花板設置一倒吊環柱1 0 2之圓孔 護作用。冑以繩子1 0 1 #受測者繫於腰部具扶攜及保 【實施方式】 本發明係提供一 之訓練及評估裝置， 6上作平移和搖擺， 氣壓模組内之氣墊8 時’待受測者站在活 刻放氣至不會影響活 6前、後、左、右之 所顯示前、後、左、 擺’當有外界干擾或 覺’使患者族群做順 具復健之功效。 種動態 第八圖 受測者 1充滿 動平板 動平板 端緣上 右定點 是負荷 逆向擺 平衡干擾及 係以身體雙 要踏上活動 氣，待受測 6中心並站 6活動之狀 下擺動’而 晝面或遊戲 時，這些刺 動干擾運動 運動神 腳站立 平板6 者踏上 穩後， 態，藉 使用者 晝面作 激經由 、生理 經生理 於活動 之前， 活動平 氣墊8 以活動 依螢幕 雙腳重 身體感 、神經 心搖 覺視 而極 ϋβ 第14頁 1240624 a 修正 _案號92】28955 五、發明說明（10) 為使本發明更加顯現中爱 點列舉如下： 出其進步性與實用性，兹將其優 1 、用以平衡機前面連接設置 號之定點晝面或遊戲畫配合螢幕上顯示訓練訊 左、右擺動或全方位干擾時受7作输、後、 心位置做即時的生理。米:查：了立即知道身体重 鬆脫後，本系統即為一自伖工虽連杯机構自平衡板基台 示螯幕上的遊戲或動作W平衡訓練机，受測者可依顯 訓練及評估。動作做神經生理及骨路肌肉系統的 2、目前已：助膝關節韌帶受者 生理千擾平衡詞練、評估極具復健之^群做運動、 綜上所述，本發明誠已符合發明專利之申請心 依法提出申請，祈請鈞局審查委員明鑑，拍眼$ 士，友 專利權，實感德便。 “賜予本發明 第15頁 1240624 _案號92128955_年月日_修正 圖式簡單說明 【圖示簡單說明】 第一圖係本發明之平衡機立體圖。 第一之一圖係本發明之壓力感測板立體圖。 第二圖係本發明之螢幕游標動作圖。 第三圖係本發明之平衡機前視圖。 第四圖係本發明之活動平板右側搖擺動作圖。 第五圖係本發明之活動平板左側搖擺動作圖。 第六圖係本發明之平衡機側視搖擺動作圖。 第七圖係本發明之重心移動執跡圖。

第八圖係本發明之平衡機實施圖。 【主要元件符號說明】 馬達· · 1 、1 a 平衡機· 1 0 螢幕· · 1 1 游標· · 1 2 減速機· · 2、2 a 主動連桿· · 3、3 a 萬向接頭· · 4、4 a 被動連桿· · 5、5 a 活動平板· · 6 壓力感測板·· 6 1 、6 2 重量感知器· · 7 感應器· · 8

第16頁 1240624 _案號 92128955_年月日_修正 圖式簡單說明 氣墊· · 8 1 • · · ·fe. • · · ·€·座體體子吊孔 承架板繩倒圓 2 ο 1 r-H Γ-Ηο ο · ο 第17頁 _11

Claims (1)

1240624

動態平衡干擾及 要裝置由電腦程 構成的機構模組 測模組、程式控 台硬體架構所組 、球窩座、氣塾 徵在於：該活動 偵測即時身體方 知器计鼻瞬間的 感測板以計算身 的軌跡並在螢幕 控制氣墊高度及 並站穩後，氣墊 受測者站立於活 裝置產生不同形 顯示器以顯示經 足底壓力中心、 估及訓練受測者 的復健效益，活 接没置螢幕配合 、左、右四邊點 會先由身體感覺 地面的相對位置 及傾斜方向，视 丄、一種 評估裝置，主 、連桿裝置所 分佈的力量量 、及其他平衡 組連桿、平台 其主要特 設置感應器可 點置有荷重感 高密度之壓力 壓力中心移動 有氣壓模組以 活動平板中心 板的運動，當 制馬達及連桿 前方置有螢幕 時重心執跡及 統計分析以評 骨骼肌肉系統 以平衡機前連 平板之前、後 有外界干擾時 體和腳所接觸 速度、傾斜度 運動神經生理 式控制的飼服 、量測即時重 制介面、馬達 成，平衡台之 及其他支架構 平板下方設置 位座標，並在 身體重心、活 體擺動時雙腳 上顯示，活動 平板穩定度， 立刻放氣致不 動平衡台上經 式的外在晃動 由力量量測模 壓力分佈，經 的運動生理生 動平板上作平 螢幕上顯示訓 設置感應開關 身體各肢段的 ，同時，前庭 覺則提供外界 控制之訓練及 馬達控制模組 心及足底壓力 控制箱、電腦 機構模組由數 成； 球窩座，内有 活動平板四端 動平板上置有 的壓力分佈及 平台下方並置 待受測者站在 會影響活動平 由電腦程式控 干擾，於受測 組所量測之即 由評估參數與 物回饋控制及 移和搖擺，用 練訊號與活動 連結作動，當 相對位置及身 感覺受頭的加 環境的變化訊

1240624 一 案號92128955_年 月 曰 條正_ 六、申請專利範圍 息，藉由活動平板搖擺使肌肉收縮來調整肢段以訓練及恢 復平衡能力。 2、如申請專利範圍第1項所述之動態平衡干擾及運 動神經生理控制之訓練及評估裝置，其中該活動平板了方 設有感應器於外圍 以平衡機前面連接 動平板前、後、左 活動平板下方中央 之端緣上下擺動， 右定點晝面或遊戲 重心搖擺’該感應 標’當感應裔被移 感知器輸出一信號 指定點取消完成動 套設氣墊以調整活動 設置螢幕配合螢幕上 、右四邊重量感知器 設置感應器使活動平 而使用者可依螢幕所 畫面，以靜態轉動態 器移動之距離信號相 動時，活動平板朝一 傳輸至螢幕，晝面游 作。 平板搖擺角度，用 顯示訓練訊號與活 成電器連接，藉以 板前、後、左、右 顯示前 '後、左、 干擾驅動用者雙腳 對應於螢幕晝面游 側下壓觸動該重量 標移動至指定點將 J生=專利範圍第1項所述之動態平衡干擾及運 動神紅生理控制之訓練及評估裝：饺及缚 動的連桿萬向接頭鬆弛，平衡 八、卫制平衡台竹 :、重心移動；:上;身厂 =時的重” 以作即時生理回饋。 中％移動執爾 4 如申請專利範圍第 1項所述之動態平衡干擾及運

第19頁 1240624 修正 日 M3t 9212895Β 六、申請專利範圍 動神I生理控制之剌練及評估 動’藉由螢幕顯示器指導受二置J中垓平衡台之動作 的活動或軟體遊戲，即使者動方式完成特定 右定點畫面或遊戲畫面:m斤f…後、左、 右之端緣上下擺動以—赤it ^咿動平衡台做前、後、左、 k 兀"成4日疋動作，i /六义、丄、 人統計分析評估受測者自'^則述之評估參數 的能力。 體+衡及運動生理生物回饋控制 動神】生態平衡干擾及運 桿是以銷接的方式做連結，動連;馬達和主動連 心是正交的，±動連桿和被動，干的軸，和馬達的輛 結，而被動連桿是以一個萬‘：個萬向接頭做連 角，活動平板中心下方有—組球2了在活動平板的某— 6、 如申請專利範圍第1項 動神經生理控制之訓練及評估裝迷2 ^悲平衡干擾及運 =不同角度的旋轉，☆別經由兩根；=不同方 動連桿，兩根被動連桿分別帶動活杯γ動兩根被 動平板就以球窩座為支撐點，讓 ，的兩個角’且活 任意角度的搖擺。 千板可以任意方向、 7、 如申請專利範圍第1項所 動神經生理控制之訓練及評估裝怨平衡干擾及運 衣罝，其中該主動連桿帶動 第20頁 1240624

做任意方向和角度的搖 活動平板之間的微小位 由球窩座支撐的活動平板在空間中 擺，並由被動連桿補正主動連桿和 移誤差。 8、如申請專利範圍第丄項所述之動態平衡干擾及運 動神經生理控制之訓練及評估裝置，其中該感應器下方設 置承座連接架體供兩顆DC伺服馬達安置，其機構模組的功 用使用程式對兩顆DC伺服馬達下指令，兩顆DC伺服馬達做 旋轉運動帶動兩根連桿，兩根連桿再帶動活動平板做搖擺 運動。 9、如申請專利範圍第1項所述之動態平衡干擾及運 動神經生理控制之訓練及評估裝置，其中該活動平板上作 平移和搖擺前該氣墊為定量充滿狀態時該氣墊可作任一 度調整。

第21頁