专利名称：一种智能化人体平衡功能检测训练系统的制作方法平衡功能是人类的一项重要功能，也是健康人所具备的一项基本运动技能。许多疾病均会引起平衡功能障碍，从而严重影响患者的生活质量。因此如何评测、恢复人体平衡功能成为许多科研人员的研究课题。目前评测人体平衡功能的装置，通常是基于静态姿势描记图(SPG)方法设计的。这类评测装置通常由以压力传感器为检测元件的测力台、检测信号采集处理模块构成的。如南京大学研究者研发BSR-I型人体平衡测试仪即是测试台上安装有三个压力传感器，测试时人体站在测试台上，人体重心移动产生的压力变化通过传感器转化为电压值，再经过放大信号进入计算机，经数据分析软件处理后，获得测试结果。 (李文彬等.BSR-I人体平衡测试仪及其测试指标〔J〕.人类工效学.2001,9(3)22 25)； CN200520015938. 7公开的人体平衡测试仪是在测试台上安装有力传感器和嵌入式数据采集板，其与BSR-I人体平衡测试仪的功能结构基本相同；CN200510094164. 6公开的人体平衡功能康复训练系统，包括人体平衡压力信号检测装置、重心位置的实时显示、平衡功能显示面板和电路。其人体平衡压力信号检测装置也是在压力检测板下面设置压力传感器，当压力作用于平板时，传感器即给出与压力相关的一定大小的电信号，压力传感器的输出信号通过电路输入接微处理器进行处理，最后通过发光二极管阵列显示重心偏移情况。综上所述，目前的人体平衡功能评测装置，均是通过对人体静止状态下主动施力所产生的重心摆动曲线来评测人体平衡功能的优劣。但事实上，人体前庭和中枢神经在调节人体平衡过程中，还需要具有抵消来自外界干扰的能力方可达到平衡。如人体在运动过程中要保持平衡，其前庭和中枢神经在促使身体重心向原铅垂线回归的同时，还必需克服动感引发的相关干扰。由此可见，现有的人体平衡功能检测仪，其检测时被测者的测试状态单一，检测时的人体平衡调节状态与实际调节状态存在较大差异，故其所检测的数据客观性差，检测结果的准确性低。另外，现有的人体平衡功能检测仪仅能用于检测人体平衡功能的优劣，而对人体平衡功能的训练和恢复缺乏相应的技术手段。CN98810126. 2公开了一种人体平衡能力恢复的设备，该设备是以动力驱动方式对人体施加摆动，进而促进人体平衡能力恢复的设备。该设备虽然为人们提供了一种人体平衡功能康复设备，但其结构复杂、体型庞大，且功能单一。再则，人体平衡功能的恢复通常需要经过较长时间的训练方可明显见效，而人们在训练过程中长时间不能看到训练成果就会丧失训练信心。从这个层面讲，该设备的患者依从性差。
本发明的目的就是要提供一种相对客观、准确、使用方便、可集人体平衡功能检测与训练为一体的智能化人体平衡功能检测训练系统。本发明的目的是通过以下技术方案实现的本发明系统包括有运动平台子系统、重心检测装置、计算机处理子系统，其中的运动平台子系统包括有运动控制器、运动平台、伺服电机；运动平台中的平台面板连接有传动机构；运动控制器的一个输出端与伺服电机的电路控制接口相连接，另一输出端与计算机处理子系统中的数据接口连接；伺服电机通过联轴器与运动平台中的传动机构连接；伺服电机尾部连接有编码器，编码器通过串口数据线与运动控制器相连接；重心检测装置紧固在运动平台中的平台面板上，重心检测装置通过其内设的信息采集处理模块的接口与计算机处理子系统连接。本发明系统在重心检测装置的基础上增设了运动平台子系统，测试时，被测试者站在重心检测装置中的测试台上，此时运动控制器发出指令，伺服电机驱动传动机构工作， 运动平台中的平台面板在传动机构的作用下或沿轴向平动，或绕轴向转动，由此模拟出动态环境。被测试者的足底受到此运动激励后，其平衡调整过程能满足一般动态系统的激励响应原理，即存在反映重心偏移与调节过程的固有动力学模型。由此可见，本发明系统所检测的数据更接近于客观事实，检测的准确性亦更高。本发明系统通过运动平台不仅能够分别对前庭器官中前半规管(Anterior canal)、外半规管(Horizontal canal)、后半规管(Posterior canal)施加不同转动方向的定量激励，对椭圆囊(Utricle)与球囊(Mccule)施加不同平动运动方向的定量激励，也可通过施加任意组合运动激励，对多种前庭器官综合刺激。同时，此类运动激励还可对其它平衡相关功能器官(如足底神经、髋关节、膝关节、踝关节和各肌肉组织等)进行定量刺激。 因此，本发明系统可以实现对决定人体平衡能力的多种器官的功能进行全面、精确的定量激励，避免了人为的随意性与不确定性。本发明系统不仅可以用于评价、测试人的平衡功能，同时因在测试过程中能够对被测者足底施加不同转动方向的定量激励，由此反复激活被测者的前庭和中枢神经进行平衡调节，如此反复训练，有效增强了患者的人体平衡功能。本发明系统在用于训练、恢复人体平衡功能时，可随时进行平衡功能测试。因此， 患者可随时看到其平衡功能训练、恢复的效果，因而也大大提升了患者的康复积极性。故患者对该系统具有良好的依从性。以下通过附图及具体实施例对本发明做进一步的详述。 图1是本发明系统的功能结构框图。图2是本发明系统中运动平台具体实施例的结构示意图。图3是图2的局部放大图。图4是本发明系统中计算机处理子系统测评软件的功能框图。图5是本发明系统中重心检测装置的结构示意图。图6是本发明系统在人体重心的调节过程中的模型结构示意图。
本发明系统中的运动平台子系统1为位置闭环控制系统，其包括有运动控制器 104、运动平台101、伺服电机102。运动控制器104选择可任意并能够同时对多运动轴进行控制的市售产品(Quanser Q8运动控制器)。运动控制器104的输出端通过PCI协议接口与计算机处理子系统3中的主机连接并进行数据交换，运动控制器104的另一个输出端与伺服电机102的驱动器控制接口相连接；运动平台101中设有平台面板101-1，该平台面板 101-1上连接有传动机构；伺服电机102通过联轴器与运动平台101中传动机构相连接，伺服电机输出扭矩，驱动传动机构，使运动平台101中平台面板可以进行平动或转动。运动平台101的具体结构如图2、图3所示，包括有底座101-5、平台面板101_1和传动机构承载架101-3，传动机构安装在传动机构承载架101-3上。运动平台101中平台面板101-1可在其一侧面连接有横向传动机构，也可以在其相邻的两侧面设有横向传动机构 (即X、Y轴向传动机构)，还可以在平台面板101-1的底面连接有纵向传动机构101-6，也可同时在平台面板101的相邻的两侧面设有横向传动机构，在平台面板101的底面设有纵向传动机构(即平台面板同时连接有χ、γ、ζ轴向传动机构)。所述的传动机构最好选择滚珠丝杠螺母副传动机构。具体设计方案是伺服电机102固定在传动机构承载架101-3上， 其通过联轴器与滚珠丝杠101- 连接，螺母副101-2b通过球铰101-2c、刚性连杆101_2d 与平台面板101-1连接。其更为具体的连接关系为在底座101-5上安装有三组传动机构承载架101-3，其中一组传动机构承载架的顶部水平安装两路X轴向传动机构，一组传动机构承载架的顶部水平安装一路Y轴向传动机构，另一组传动机构承载架安装三路Z轴向传动机构，由此构成六路传动机构。其中X轴向、Y轴向传动机构的球铰位于同一平面，Z轴向传动机构的球铰位于同一平面，且位于等边三角形三个顶点上，两平面相互平行。其初始安装状态为，两路X轴向传动机构其延长线通过Z轴向传动机构对应三角形定点，一路Y轴向传动机构延长线通过三角形中心。在以上设计中，每个传动机构中都连接一个独立的伺服电机102，在运动控制器 104的控制下，多台伺服电机可同时驱动并联的传动机构。由此运动平台中的平台面板 (101-1)在多台伺服电机驱动下产生包括沿X轴、Y轴、Z轴的平动，或绕X轴、Y轴、Z轴的转动。在运动控制器104的控制下，上述几种基本转动形式还可任意组合。伺服电机102尾部连接有编码器103，伺服电机102的实际转角通过位于电机尾部的编码器103进行反馈，形成位置闭环。编码器码器103的输出端通过数据线接Quanser Q8运动控制器104的编码器信号输入端口，编码器104的输出信号作为伺服电机位置控制闭环的反馈量。该伺服电机102输出扭矩驱动并联传动机构使运动平台面板101-1产生可控的位移或转动激励。该激励具有O 8Hz的带宽，以激发人体平衡调节过程的数字特征。重心检测装置2紧固在运动平台的平台面板101-1上。当运动平台101对站在重心检测装置上的人体足底施加位移或转角激励时，重心检测装置2与运动平台101之间无相对位移。所述的重心检测装置如图4所示，包括有上盖板201和下盖板203，两盖板之间垂直安装有三个相同的压力传感器202。上盖板201是供人体站立或座位的承重板，也称为测试平台。三个传感器呈三角形排列，每个传感器位于等边三角形的一个顶点，且该三角形的中心与上、下盖板的中心在同一轴线上。设三角形中心为坐标系原点，任意两传感器间距为2a,当被测人站立于上盖板201上时，三个传感器所测得力分别为F1，F2，F3，根据力守恒原理可得，人体重心相对于原点的坐标为(X，,)彳 ^-F2)a-F2-Ρι)αλ据此原理，即可实时得到被测人的重心。在重心检测装置的下盖板体中内嵌有信息采集处理模块，重心检测装置2通过信息采集处理模块203的接口与计算机处理子系统3连接。安装时，将重心检测装置2下盖板204中心与平台面板101-1的中心重合，再与通过螺母连接固定。重心检测装置2内嵌的信息采集处理模块203其功能结构与现有人体平衡测试仪中的信息采集处理模块基本相同，其包括有传感器信号滤波电路、传感器信号放大电路、模数转换电路、基准电压电路; 其数据采集、保存以及系统控制软件可采用NI公司开发的LabVIEW软件环境进行设计。本发明系统中的重心检测装置2将人体重心移动产生的压力变化信息通过传感器转化为电压值，再经过放大信号进入计算机，经数据分析软件处理后，最终获得检测结^ ο本发明中的计算机处理子系统3包括有中央处理器(CPU)、人体平衡功能评测模块。其中人体平衡功能评测模块参照人体平衡功能评测软件设计。具体的人体平衡功能评测软件的功能框图如图4所示，该软件首先调用计算机内已采集的人体重心移动过程的数据，然后提取、存储与人体平衡功能相关的数据，由此构建被测者的个体模型，将所构建的个体模型与先期构建的标准模型进行比较，分析、测算被测者人体平衡功能的优劣，最后得出检测结果。发明系统进行人体平衡功能的检测原理是当被测试者足底受到运动平台产生的多维空间内运动激励后，人体保持平衡的本能将促使其重心向原来的平衡中心调整。该调整过程满足一般动态系统的激励响应原理，即存在反映重心偏移与调节过程的固有动力学模型。该装置据此基本原理，采用激励响应法建立被测个体重心调节过程模型。具体地说， 利用重心检测装置检测采集的数据，通过计算机数据处理，并存储人体重心调节过程的数据。在构建的数学模型结构下，辨识得到模型的参数，并利用该参数生成反应人体平衡能力的定量指标。该数学模型结构可以是线性系统模型结构(如图6所示的二阶线性系统模型)，也可以是非线性系统模型结构(如台劳(Taylor)级数展开形式、小波(Wavelet)展开形式、神经网络等)。辨识得到的模型参数应能定量表征动态系统的反应速度相关指标。 该原理的典型应用方法之一为设人体重心的调节过程为典型二阶欠阻尼线性系统模型结构，利用激励下实时检测并存储得到的重心变化曲线，根据所得到的波峰、波谷值(如图6 中的A、B、C所代表的数值)计算得到反映该模型结构下系统反应时间快慢的“调节时间”， 并以此作为评测人体平衡能力的指标。同时，本发明通过利用工程上激励响应原理建立平衡调节过程的响应模型，可采用先进的算法得到与平衡能力相关的定量评测指标，最大限度保证评测结果的客观性。上述人体平衡功能评测软件更为具体的构架即功能设计如下，将人体重心变化数据文件利用MATLAB软件开发的程序保存，保存格式为MATLAB数据文件格式*. mat)，在一定的数学模型结构下，辨识得到模型的参数，并利用该参数生成反应人体平衡能力的定量指标。在控制计算机中，利用MATLAB处理人体处于激励刺激过程时所保存的重心变化数据，提取反映平衡能力的定量指标。如假设人体对重心的调节过程为典型二阶欠阻尼线性系统 (见图6)，通过选择合理的数据片段，利用MATLAB软件提取重心变化数据的二阶欠阻尼线性系统模型的特征数值点，以此计算得到反映该模型结构下调节过程快慢的“调节时间”， 作为评测人体平衡能力的指标。人体平衡功能评测软件，所用模型的调节时间的计算方法为由二阶欠阻尼线性系统典型响应曲线数据可知A点坐标Jtc^ya) ；B点坐标(、， Yb) ；C点坐标(t2，y。)。振荡周期为T=(、-、)，贝1」2· Ji/Wd = T0根据二阶线性欠阻尼系统的阶跃响应曲线特性可知:ωηΛΙ-ζ2 =ω =2·π/Τ M ·Λ ωη =-(l0g(M))/To进而可计算得调节时间为TS = 4/ζ ωη，依此值的大小，可评价人的平衡能力。时间越短，平衡能力越强；时间越长，平衡能力越差。其中，T为振荡周期，ζ为阻尼系数，ωη为无阻尼自然振荡角频率，为阻尼振荡角频率，M= (y。-yb)/(ya_yb)，为衰减系数，Ts为调节时间。本发明系统的使用方法步骤如下(1)开机，开启计算机及人体平衡功能评测模块，等待初始化完成。(2)被测者站立于重心检测装置的测试平台上上，操作人员通过计算机窗口界面观察被测者在平台上的重心坐标，帮助被测试者微调位置于平台中央。(3)设置运动平台参数，包括选择激励方式，激励幅度大小，启动运动平台，同时开始采集，并计算获得人体重心坐标数据。(4)当一个方向测试完毕后，改变软件参数，期间被测试可以进行短时间的放松休息，以免使测试者产生疲劳，影响测试结果。之后按以上方法重复进行其他激励方式(或静态或动态)和激励幅度大小的测试。(5)测试的同时，计算机实时保存人体重心移动过程的数据，然后提取、存储与人体平衡功能相关的数据。(6)完成测试后，操作者启动人体平衡功能评测模块中的分析程序，构建被测者的个体模型，将所构建的个体模型与先期构建的标准模型进行比较，分析、测算，最后得出映人体平衡能力的定量指标，供临床参考与使用。


本发明公开了一种智能化人体平衡功能检测训练系统，其包括有运动平台子系统、重心检测装置、计算机处理子系统，其中的运动平台子系统包括有运动控制器、运动平台、伺服电机；运动平台中的平台面板连接有传动机构；运动控制器的一个输出端与伺服电机的电路控制接口相连接，另一输出端与计算机处理子系统中的数据接口连接；伺服电机通过联轴器与运动平台中的传动机构连接；伺服电机尾部连接有编码器，编码器通过串口数据线与运动控制器相连接；重心检测装置紧固在运动平台中的平台面板上，重心检测装置通过其内设的信息采集处理模块的接口与计算机处理子系统连接。本发明系统客观、准确、使用方便、且集人体平衡功能与检测与恢复训练于一体。