מכשיר Vibrotactile משוב הערכת האיזון ישובים והדרכה

Summary

פלטפורמה ישיבה פותחה, התאספו זה פסיבי שיערער את תנוחת הישיבה בבני אדם. במהלך הפעילות המייצב של המשתמש, יחידת מדידה אינרציאלית רשומות התנועה של המכשיר, אלמנטים רוטטת לספק משוב מבוסס ביצועים למושב. להתקן נייד, רב-תכליתי עשוי לשמש שיקום, הערכת הדרכה פרדיגמות.

Abstract

לפליטת בתנוחה, ההצעה מעקב משוב חושית הן טכניקות מודרניות נהגו לאתגר, להעריך, הרכבת יושב זקוף, בהתאמה. המטרה של פרוטוקול מפותחת היא על בניית פלטפורמה ישיבה זה יכול להיות פסיבי destabilized יחידת מדידה אינרציאלית מכמתת את עלייתה ואילו אלמנטים רוטטת לספק משוב משושי למשתמש. מושב להחלפה מצורפים לשנות את רמת היציבות של ההתקן בבטחה אתגר יושב איזון. מיקרו מובנה מאפשרת כוונון הפרמטרים משוב להעצמת תפקוד חושי. אמצעים posturographic, טיפוסי של איזון הערכת פרוטוקולים, מסכמים את האותות תנועה שנרכש במהלך ניסויים איזון מתוזמן. אין פרוטוקול ישיבה דינאמית לתאריך מספק אתגר משתנה, כימות, ללא אילוצים מעבדה חושית משוב. התוצאות שלנו להפגין שכל משתמש שאינו-לא זמין התקן התערוכה שינויים משמעותיים posturographic אמצעים בעת איזון קושי משתנה או הרטט משוב מסופק. להתקן נייד, תכליתי יש יישומים פוטנציאליים שיקום (בעקבות פגיעה השלד, שרירים או נוירולוגיות), אימון (עבור ספורט או מודעות מרחבית), בידור (via וירטואלי או augmented reality) ומחקר (של הקשורות ישיבה הפרעות).

Introduction

ישיבה זקופה היא תנאי הכרחי עבור פונקציות sensorimotor אנושיות אחרות, כולל תנועות מיומן (למשלהקלדה) והביכה איזון פעילויות (למשל, שנסע ברכבת). כדי לשקם ולשפר את פונקציות הקשורות לשבת, טכניקות אימון איזון מודרני משמשים: משטחים לא יציבים perturb ישיבה^1,2 , ההצעה מעקב מכמתת את האיזון-מיומנות-^3,-⁴ . תוצאות האימון איזון לשפר כאשר רטט מועבר אל הגוף באמצעות תבניות תואמות ביצועים⁵. משוב חושית יעילה ככל הנראה השיקום, שיטת האימון; ובכל זאת, משוב חושית שיטות מכוונות כלפי עומד האיזון ודורשים מבוסס המעבדה ציוד^6,7.

מטרת העבודה המוצגת כאן היא לבנות מכשיר נייד שניתן ישבה על או פסיבי גרם אולי לפגיעה ביציבות למעלות שונים בעוד מכשירים מובנה להקליט את מעמדה ולספק משוב הרטט למשטח ישיבה. השילוב של כלים משלב עבודה קודמות על התנודדות כיסאות^2,4 , משוב הרטט^5,6,7, הפיכת היתרונות של כלים אלה עוצמה ונגיש יותר. הציגו גם הם הליך לאמן ישיבה זקופה, ניתוח של התוצאות כמותית, בעקבות הספרות הוקמה על אמצעים posturographic⁸. שיטות אלה מתאימים ללמוד את השפעות יושב איזון התרגיל עם משטח לא יציב בשילוב עם משוב הרטט. יישומים הצפויה כוללים ספורט אימון, שיפור כללי של קואורדינציה, הערכת הפגיעה איזון מיומנות, ובעקבות שיקום השלד, שרירים, או. נוירולוגיות.

Protocol

כל השיטות המתוארות כאן אושרו על ידי ועדת בריאות מחקר אתיקה באוניברסיטת אלברטה.

1. בנייה והרכבה של רכיבים מבניים

1. לבנות ממשק מצורף עבור בסיסים המיספרי להחלפה: לרתך אגוז הבסיס צלחת לרתך פלדה.
2. להשתמש במחשב מספריים מבוקר (CNC) לטחינת מכונה לבנות מארז גלילי, מכסה, ובסיס מפוליאתילן כמוצג באיור1. בולט הבסיס על הבסיס ובסיס לתושבת.
   הערה: התכונות מיל עבור החזקה של ברגים וחלקים אחרים לפי הקבצים הציור וכן שלושה ממדי הדגם בתנאי (ראה הקבצים המשלימים 1 ו- 2). כל הרכיבים המבניים דגם אחיד המתאים ויש ציור הזמינים להורדה והוא יכול לשמש כדי לשכפל את תהליך הבניה.
3. השתמש במכונת הטחינה לבנות שרוול של גלילי פוליוויניל כלוריד על גבי מוט הברגה, כפי שמוצג באיור1. להפוך את השרוול 37 מ מ אורך, עם הקוטר החיצוני של 32 מ מ.
4. לרתך פלנצים פלדה מכל צד של תקלות פלדה, כפי שמוצג באיור1. בולט הבעיה לחזית של הבסיס.
5. השתמש במכונת CNC מפנה לבנות 5 זהות צילינדרים מפוליאתילן, כל אחד עם גובה של 63 מ מ קוטר של 152 מ מ. במרכז המשטח העליון של כל גליל, לחתוך חור 32 מ מ עומק 38 מ מ כך שהוא יתאים את השרוול גלילי (לראות צעד 1.3. מעל) עם יש הפרעות.
6. על המשטח התחתון של כל גליל, השימוש של CNC הפעלת מכונת לחתוך בסיס מעוקל בצורה אחידה עם רדיוס ייחודי של עקמומיות לכל אחד 5 צילינדרים, שמירה על הגובה הכולל של 63 מ מ, כפי שמוצג באיור2.
   הערה: את רדיוס עקמומיות וגובה של הבסיס לקבוע את היציבות של המכשיר. רדיוס המוצע של עקמומיות עבור הגובה הזה הם בין 110 מ מ (מאוד לא יציב) 250 מ מ (מעט לא יציב), כפי שמוצג בטבלה 1.
7. בניית קובץ מצורף תמיכה רגל כמוצג באיור 3, על ידי הראשון ריתוך 70 מ"מ פלדה בטרמפים הכנס בניצב בקצה אחד של הבלטה 575 מ מ פלדה. בקצה השני, מלחציים הדום גלילי 300 מ"מ פלדה כדי ההבלטה.
   הערה: עבור מידות החלק מפורט, ראה קובץ משלים 1 (ציורים) וקובץ משלים 2 (דגמי תלת-ממד מלא).
8. השתמש חבל מאד, מסור לחתוך פלדה מלבני בר (29 מ"מ על ידי 100 מ מ) באורך של-160 מ מ כך זה שוקל 3.6 ק ג. להוסיף את סרגל פלדה שבגב התושבת לאזן את הקובץ המצורף תמיכה רגל, כפי שמוצג באיור1.
9. להרכיב את המכשיר כפי שמוצג באיור4. לחבר את התמיכה הרגל על-ידי הוספת סיכות הקרס דרך הבעיה ותצמיד הוספה. להתאים את המיקום של המלחציים לגובה שאר רגל הרצוי. שרשור המוט לתוך הבסיס הרבעה כך כ- 35 מ מ של המוט המגיחה מתוך הבסיס.  הכנס את המוט בולט לתוך הבסיס המעוגל הרצוי.
10. להחיל המכסה אחיזה קלטת או ריפוד מתאים אחר. שים את המכסה.

2. instrumenting את המכשיר

1. רוכשים של מיקרו-בקר (ראה את הטבלה של חומרים), יחידת מדידה אינרציאלית, שמונה tactors רוטטת. לחבר את המדידה אינרציאלית יחידה, רוטטת tactors מיקרו-בקר.
2. התוכנית מיקרו-בקר כך כתוב גישה antero-אחוריים (AP) ו הטיה (ML) medio-לרוחב זוויות של יחידת המידה אינרציאלית והופך את tactors רוטטת או ביטול בהתאם הזוויות הטיה. ראה קובץ משלים 3 (מיקרו למופת סקריפט) , וצעד 2.2.1
   הערה: יחידות מידה אינרציאלית לנצל תאוצה, סביבון נוטים שגיאה. לבצע כיול לפי מיקום של החיישן: להניח את המכשיר על משטח רמת ולהשתמש עמדה זו כמו תוכנית בסיסית עבור כל המדידות הבאות. השתמש מערכת לכידת תנועה או גישה דומה לאמת את המידות זווית הטיה ולהבטיח כי הם מדויקים דיים לאורך כל הטווח הצפוי של שימוש (המרחבי ואת זמני). להבטיח ש-tactors רוטטת לפעול בתדר של לא יותר מ- 200 הרץ, כדי לגרום לתגובה של אחד לאחד של קולטני חישה עור אנושי או שריר⁹.
   1. להעלות את התסריט מיקרו-בקר מחולל רמזים vibrotactile מבוסס על אות בקרת משוב המייצג סכום משוקלל של זווית הטיה AP (או מ"ל) והמהירות.
      הערה: המחשב מפעיל שלושה tactors הכי קרוב לחזית ימינה, שמאלה, או האחורי של פני השטח כאשר האות שליטה חורג סף בכיוון הזה; או tactors 5 אם סף AP, ML הם עלתה בו זמנית. אף אחד tactors פעילים כאשר האות שליטה הוא מתחת לסף בשני הכיוונים (קרי, באזור לא-משוב).
3. אבטח את יחידת המידה אינרציאלית במרכז של המארז. לארגן את tactors רוטטת על מתומן רגיל עם רדיוס של 10 ס מ, ממורכז הקדמי של המרכז של המארז 8 ס"מ כך הם ישקר מתחת למושב של אדם בגודל ממוצע¹⁰. תצלום של סידור פוטנציאלי אחד מוצג באיור4.
   הערה: אם tactors רוטטת אינם חזקים מספיק כדי רטט המשתמש, לשפר את הממשק בין tactor לבין העור על ידי חיתוך חורים לתוך המכסה ולאחר קיבעון ויברטורים לנוח לשטוף עם השטח. אם השיטה להשגתה של ויברטורים במקום גורמת לשבור של הרטט, שקול להשתמש מארז שני חלקים הרכבה עם סיכה איתור התאמה רופף, כמוצג באיור5.
4. להתחבר מיקרו הנייד או השולחני למחשב באמצעות אפיק טורי אוניברסלי (USB) או שיטה אחרת תקשורת מתאימה. לפתוח את ממשק המשתמש, המוצגת באיור 6.
   הערה: לחלופין, להתחבר מיקרו של סוללה או מקור כוח אחר. זה משפר את הניידות של המכשיר, אך מונע ממשק משתמש.

3. למופת הערכת ופרוטוקול האימון

1. גייס משתתפים בהסכמה חופשיים של הפרעות נוירולוגיות או שרירים ושלד, כאב גב אקוטי או כרוני. רישום גיל, משקל וגובה של כל משתתף. לאחר מכן, לכל משתתף לבצע את ההליך הבא.
2. לפתוח את ממשק המשתמש (איור 6). מצפן הגרף מציג זווית הטיה של המכשיר ובנוסף חצי מהירות ההטיה שלה כיוון AP (הציר האנכי) והכיוון ML (ציר אופקי).
3. לפני איזון בכל משפט, להורות המשתתף עוטים ביטול רעש אוזניות, מקפלים שלו או את הידיים שלה על פני החזה, לשמור על תנוחה זקופה ככל האפשר, ואות מילולית הנסיין להיות מוכן.
4. לבצע 20 30 שניות שבו האיזון מחקרים סדרת¹¹, לוקח הפסקות כמתחייב למניעת עייפות, לעצור בכל עת במידת הצורך.
   1. רצף הניסויים כדלקמן (דוגמא בלבד): באופן אקראי לבחור אחד מתוך שני שילובים "לבסס יציבות רמת/עין תנאי", להלן בשם מאזן תנאים (בסיס קשה יותר, בסיס פתוח; או פחות קשה עיניים, עיניים עצומות)¹². לבצע 4 משפטים של התנאי לאיזון הראשון כדי להכיר את המשתתף עם המשימה, כדי לזהות את הפקד המתאים סף אות עבור tactors רוטטת במושב (ראה שלב ' ר 3.4.5 להלן).
      הערה: קשה יותר לשמור על איזון על בסיס עם רדיוס קטן של עקמומיות מאשר על בסיס עם רדיוס גדול של עקמומיות (טבלה 1 מציגה את היציבות היחסית של כל חמשת הבסיסים להחלפה). 4 משפטים נמצאו כדי להספיק להשיג ביצועים יציבים של איזון פעילות².
   2. שנבחרו באופן אקראי 3 של הניסויים במשך שישה ייערכו משפטים שליטה: לכבות את tactors רוטטת לתקופת המבחנים כאלה. כדי לבטל את המשוב הרטט או לבטל, להחליף את המחוון משוב לערך הרצוי בממשק המשתמש. חזור על הרצף הזה של עשרה ניסויים התנאי השני איזון.
   3. תווית את המצב הנוכחי של קושי ועין על-ידי בחירת מהתפריטים הנפתחים במדור משפט פרמטרים של ממשק המשתמש. לחץ על רשומה כדי להתחיל את המשפט.
      הערה: בטיחות המשתתפים הוא בעל חשיבות עליונה. הנסיין צריך לפקח על כל הפעילויות איזון, להיות מוכנים לסייע במקרה של אובדן שיווי משקל. . פנו את האזור של כל סכנות פוטנציאליות, להיות מודע פרוטוקולי חירום מקומיים.
   4. עבור ניסויים עם עיניים פקוחות, להורות את המשתתף להתמקד נקודה קבועה ישר קדימה כדי לעזור לשמור על איזון. עבור ניסויים עם עיניים עצומות, השתמש כיסוי כדי להבטיח כי המשתתף הוא משולל לחלוטין משוב חזותי.
      הערה: לקבלת איזון פרדיגמות שם התנועה של כפות הרגליים צריך להיות מוגבל, לצרף את התמיכה הרגל של הוספת משקל-נגד מתחת למכסה.
   5. אלגוריתם מחשבת איזה ספי משוב AP ו מ לשימוש ומציג אותם בעמודה Q3 של ממשק המשתמש. אחרי 4 משפטים להכרות, להעתיק את הערכים מוצגים בעמודה Q3 לתוך עמודת כותבים ולאחר מכן לחץ על רענן כדי לעדכן את הסף משוב המוצג בגרף מצפן (ורוד) בהתאם להכרות הרביעי ניסוי.
      הערה: ערכי הסף מחושב המוצג בעמודה Q3 של הממשק שווים ל הרביעון השלישי לכל כיוון ההטיה (AP, מ"ל) במהלך המשפט הקודם. ערכת משוב זו מבוססת על הרעיון כי איזון פונקציה משופרת בעת משוב ממוטב עבור כל בודדים^13,14, תוך מתן משוב מידי אולי לרעת למידה¹⁵. ברגע ערכי סף שני נבחרו עבור אדם מסוים, הם יכול להישמר קבועה עבור אותו אדם להיות מסוגל להעריך שיפורים לאורך זמן או עם התערבות.
5. AP ו- ML הטיה זוויות מאוחסנים באופן אוטומטי, בזמן אמת, בקובץ טקסט עבור ניתוח, לנתח את האותות AP ו- ML לאפיין ישיבה ביצועים עבור כל אחד מן התנאים ניסיוני.
   1. בתחום הזמן, לחשב בצעדים הבאים posturographic כל הזמן סדרה⁸: שורש ממוצע הריבועים (מידת השונות של התנועה) והמהירות רשע (מידת המהירות הממוצעת זוויתי של התנועה).
   2. בתחום התדר, לחשב בצעדים הבאים posturographic כל הזמן סדרה⁸: תדירות centroidal (מדד תדירות הכולל של התנועה), תדירות פיזור (מידת השונות שתדירותם של התנועה)⁸ .
6. השתמש מעורב מודל לינארי כדי להעריך ולאפיין את ההשפעות של שני גורמים תופעות קבועות (1) תנאי שיווי המשקל (יציבות רמת ועין תנאי משולב), vibrotactile (2) משוב, על כל אחד האמצעים posturographic (משתנים תלויים), בהתחשב הקורלציה של מדידות חוזרות ונשנות של כל משתתף¹⁶ (גורם אפקטים אקראיים אחד).
   1. מבחן מובהקות של ההשפעות קבוע על ידי חישוב היחס של השונות בין האמצעים קבוצה השונות של שנשאר משהו ולאחר השוואת התוצאה על התפלגות-F.

תוצאות

מראה בטבלה 2 , עבור כל תנאי הניסוי, האמצעים posturographic נגזר אבחנת AP ו- ML תמיכה משטח מטה, בממוצע מעל 144 האיזון מחקרים שבוצע על ידי 12 משתתפים (2 x 2 x 3 ניסויים למשתתף).

השפעה של שינוי מצב שיווי משקל: התנאי הבסיסי נבחר להיות תלויים במ?...

Discussion

שיטות לבניית מכשיר נייד, שעברו אינסטרומנטציה, ישיבה מוצגים. המכשיר הוא נייד, עמיד, בניין על מחקרים קודמים של לנענע כיסאות^2,4 ו-^6,5,משוב הרטט⁷ כדי להפוך את היתרונות של כלים אלה עוצמה ונגיש יותר . בצע את פרוטוקול ?...

Materials

Name	Company	Catalog Number	Comments
Chassis	McMaster-Carr	8657K421	Moisture-Resistant LDPE Polyethylene Sheet 1-1/2" Thick, 24" X 24"
Lid	McMaster-Carr	8657K414	Moisture-Resistant LDPE Polyethylene Sheet 1/4" Thick, 24" X 24"
Base	McMaster-Carr	8657K414	Moisture-Resistant LDPE Polyethylene Sheet 1/4" Thick, 24" X 24"
Grip-Tape	McMaster-Carr	6243T471	Nonabrasive Antislip Tape, Textured, 6" Wide Strip, 2' Long, Black
Base Nut	McMaster-Carr	90596A039	Steel Round-Base Weld Nut, 5/8"-11 Thread Size
Weld Plate	McMaster-Carr	1388K142	Low-Carbon Steel Sheet 1/16" Thick, 3" X 3", Ground Finish
Threaded Rod	McMaster-Carr	90322A170	3" 5/16"-18 Medium-Strength Alloy Steel Threaded Stud
Sleeve	McMaster-Carr	8745K19	Chemical-Resistant PVC (Type I) Rod 1-1/4" Diameter
Square Flange	McMaster-Carr	8910K395	Low Carbon Steel Bar, 1/8" Thick, 1" Wide
Hitch	McMaster-Carr	4931T123	Bolt-Together Framing Heavy-Duty Steel, 1-1/2" Square
Curved Base	McMaster-Carr	8745K48	PVC Rod, 6" Diameter
Hitch Insert	McMaster-Carr	6535K313	Bolt-Together Framing Heavy-Duty Steel, 1" Square
Extrusion	McMaster-Carr	6545K7	1045 Cold Drawn Steel Square Bar Stock, 1' X 1" Wide, Unpolished
Clamp	Vlier	TH103A	Adjustable Torque Knob
Footrest	McMaster-Carr	6582K431	4130 Steel Tubing, 1" X 1" Wide, 0.065" Wall Thickness, Unpolished Mill Finish
Counterwieght	McMaster-Carr	8910K67	Low-Carbon Steel Rectangular Bar 1-1/8" Thick, 4" Width
Clevis Pin	McMaster-Carr	97245A616	Zinc-Plated Steel Clevis Pin with Hairpin Cotter Pin, 3/16" Diameter, 1-9/16" Usable Length
Microprocessor	Arduino	MEGA 2560	Microcontroller board with 54 digital I/O pins and USB connection
Inertial Measurement Unit	x-io Technologies Ltd.	x-IMU	Inertial Measurement Unit and Attitude Heading Reference System with enclosure
Vibrating Tactor	Precision Microdrives	DEV-11008	Lilypad Vibe Board, available from SparkFun Electronics