Un dispositivo di Vibrotactile Feedback per la valutazione di equilibrio seduti e formazione

Riepilogo

Una piattaforma di seduta è stata sviluppata e assemblata che destabilizza passivamente la postura da seduti in esseri umani. Durante la stabilizzazione dell'attività dell'utente, un'unità di misura inerziale registra movimento del dispositivo ed elementi vibranti forniscono feedback basato su prestazioni al sedile. Il dispositivo portatile e versatile può essere utilizzato in paradigmi di formazione, valutazione e riabilitazione.

Abstract

Perturbazioni posturali, tracciamento del movimento e feedback sensoriale sono moderne tecniche utilizzate per sfida, valutare e treno seduto in posizione verticale, rispettivamente. L'obiettivo del protocollo sviluppato è quello di costruire e gestire una piattaforma di seduta che può essere passivamente destabilizzata, mentre un'unità di misura inerziale quantifica il suo moto ed elementi vibranti forniscono feedback tattile all'utente. Gli allegati intercambiabili sedile alterano il livello di stabilità del dispositivo in modo sicuro sfida seduta equilibrio. Un microcontrollore integrato permette di fine-tuning dei parametri feedback per aumentare la funzione sensitiva. Misure posturographic, tipici dei protocolli di valutazione di equilibrio, di riassumono i segnali di movimento acquisiti durante le prove cronometrate equilibrio. Nessun protocollo di seduta dinamica per data fornisce sfida variabile, quantificazione e feedback sensoriale senza vincoli di laboratorio. I nostri risultati dimostrano che gli utenti non disabili delle modifiche significative mostre dispositivo nelle misure degli quando difficoltà di equilibrio è alterato o vibrazionale feedback fornito. Il dispositivo portatile e versatile ha applicazioni potenziali in riabilitazione (dopo lesione scheletrica, muscolare o neurologica), formazione (per sport o consapevolezza spaziale), intrattenimento (via virtuale o augmented reality) e ricerca (di disordini di seduta).

Introduzione

Seduta dritta è un prerequisito per altre funzioni sensitivo-motorie umane, compresi i movimenti esperti (ad esempio, digitando) e perturbato equilibrio attività (ad es., cavalcando un treno). Per riabilitare e migliorare le funzioni di seduta e correlate, vengono utilizzate tecniche di allenamento moderno equilibrio: superfici instabili perturbano seduta^1,2 e tracciamento del movimento quantifica equilibrio competenza^3,4 . Esiti di formazione equilibrio migliorano quando vibrazione viene consegnato al corpo con modelli che corrispondono a prestazioni⁵. Tale feedback sensoriale è evidentemente efficace come una riabilitazione e metodo di allenamento; ancora, gli attuali metodi di feedback sensoriale sono orientati verso l'equilibrio in piedi e richiedono apparecchiature basate su laboratorio^6,7.

Lo scopo del lavoro qui presentato è quello di costruire un dispositivo portatile che può essere seduto sopra e destabilizzato passivamente ai vari gradi, mentre strumenti integrati registrare la propria posizione e forniscono feedback vibrazionale per la superficie di seduta. Questa combinazione di strumenti integra il lavoro precedente il wobble sedie^2,4 e vibrazionale feedback^5,6,7, rendendo i benefici di questi strumenti, più potente e accessibile. Sono anche presentati una procedura addestrare seduta dritta e un'analisi dei risultati quantitativi, seguendo la letteratura stabilita su misure degli⁸. Questi metodi sono adatti per lo studio degli effetti della seduta equilibrio esercizio con una superficie instabile quando combinato con feedback vibrazionale. Attese applicazioni includono formazione sportiva, generale miglioramento della coordinazione motoria, valutazione del pregiudizio equilibrio competenza e in seguito di riabilitazione scheletrico, muscolare o neurologica.

Protocollo

Tutti i metodi descritti qui sono stati approvati dal comitato di etica della ricerca salute dell'Università di Alberta.

1. costruzione e montaggio di componenti strutturali

1. Costruire un'interfaccia di attacco per basi semisferiche intercambiabili: saldare un dado di base ad una piastra in acciaio saldatura.
2. Utilizzare un controllo numerico (CNC) Fresatrice per costruire un telaio cilindrico, coperchio e base in polietilene come mostrato in Figura 1. Bullone piastra di base per la base e la base al telaio.
   Nota: Le caratteristiche di mulino per il fissaggio dei bulloni e altre parti sono secondo i file di disegno e modello solido 3D file fornito (Vedi supplementari file 1 e 2). Tutti i componenti strutturali hanno un corrispondente modello solido e disegno che sono disponibili per il download e può essere utilizzato per replicare il processo di costruzione.
3. Utilizzare una fresatrice per costruire una manica di cloruro di polivinile cilindrica che si inserisce su una barra filettata, come illustrato nella Figura 1. Rendere il manicotto 37 mm di lunghezza, con un diametro esterno di 32 mm.
4. Saldatura, flange in acciaio per ogni lato di un gancio di traino in acciaio, come mostrato nella Figura 1. Bullone attacco alla parte anteriore della base.
5. Utilizzare un tornio CNC per costruire 5 cilindri identici da polietilene, ciascuno con un'altezza di 63 mm e un diametro di 152 mm. Nel centro della superficie superiore di ogni cilindro, tagliare un foro 32 mm ad una profondità di 38 mm in modo che si adatta il manicotto cilindrico (vedere passaggio 1.3. sopra) con qualche interferenza.
6. Sulla superficie inferiore di ogni cilindro, è necessario utilizzare una macchina di tornitura CNC per tagliare una base curva uniformemente con un unico raggio di curvatura per ognuno dei 5 cilindri, mantenendo l'altezza complessiva di 63 mm, come mostrato nella Figura 2.
   Nota: Il raggio di curvatura e l'altezza della base determinano la stabilità del dispositivo. Suggerito raggi di curvatura per questa altezza sono tra 110 mm (molto instabile) e 250 mm (leggermente instabile), come illustrato nella tabella 1.
7. Costrutto di un allegato di supporto gamba come mostrato nella Figura 3, saldando prima un acciaio 70mm hitch inserire perpendicolarmente ad una estremità di un'estrusione di 575 mm in acciaio. A altra estremità, morsetto un poggiapiedi in acciaio cilindrici 300 mm per l'estrusione.
   Nota: Per dimensioni parte dettagliata, vedere complementare File 1 (disegni) e complementare File 2 (modelli solidi 3D).
8. Utilizzare una sega a nastro per tagliare una barra (29 mm per 100 mm) di acciaio rettangolare ad una lunghezza di circa 160 mm, in modo che pesa 3,6 kg. Inserire la barra d'acciaio sul retro del telaio per controbilanciare l'allegato supporto gamba, come illustrato nella Figura 1.
9. Montare il dispositivo come mostrato in Figura 4. Collegare il supporto inserendo perni attraverso l'intoppo e inserto del legamento. Regolare la posizione del morsetto per l'altezza di riposo desiderato del piede. Infilare l'asta nel perno base tale che sporge di circa 35 mm dell'asta dalla base.  Inserire l'asta sporgente nella base curva desiderata.
10. Applicare il nastro grip o un altro rivestimento adatto al coperchio. Mettere il coperchio.

2. il dispositivo di strumentazione

1. Acquisire un microcontrollore (Vedi la Tabella materiali), un'unità di misura inerziale e otto contattori vibrante. Collegare i contattori di unità e di vibrazione di misura inerziale al microcontrollore.
2. Programma del microcontrollore tale legge antero-posteriore (AP) e medio-laterale (ML) inclinazione angoli dall'unità di misura inerziale e attiva o disattiva la vibrazione contattori basato sugli angoli di inclinazione. Vedi complementare 3 File (script di esemplare microcontrollore) e punto 2.2.1.
   Nota: Unità di misura inerziale che utilizzano accelerometri e giroscopi sono soggette a errori. Eseguire una calibrazione posizionale dei sensori: appoggiare il dispositivo su una superficie piana e utilizzare questa posizione come punto di partenza per tutte le seguenti misure. Utilizzare un sistema di motion capture o un approccio simile per convalidare le misure di angolo di inclinazione e assicurare che esse siano sufficientemente accurate in tutto l'intervallo previsto di uso (spaziale e temporale). Garantire che la vibrante contattori funzionano a una frequenza di non più di 200 Hz, in modo da indurre una risposta individuale dei recettori sensoriali in pelle umana o muscolo⁹.
   1. Caricare lo script di microcontrollore che genera segnali di vibrotactile basati su un segnale di controllo di retroazione che rappresenta una somma ponderata di AP (o ML) angolo di inclinazione e velocità.
      Nota: Il computer attiva tre contattori più vicini alla parte anteriore di destra, di sinistra, o quella posteriore della superficie quando il segnale di controllo supera una soglia in quella direzione; o cinque contattori se una soglia di AP e ML sono superate contemporaneamente; nessuno dei contattori sono attivi quando il segnale di controllo è inferiore alla soglia in entrambe le direzioni (cioè, nella zona di no-feedback).
3. Fissare l'unità di misura inerziale nel centro del telaio. Organizzare la vibrante contattori su un ottagono regolare con un raggio di 10 cm, centrato 8 cm anteriore del centro del telaio, in modo che essi si trovano sotto il sedile di una persona di media grandezza¹⁰. Una fotografia di una potenziale è illustrata nella Figura 4.
   Nota: Se i contattori vibrante non sono abbastanza potenti per vibrare l'utente, per migliorare l'interfaccia tra incorporato e pelle tagliando fori nel coperchio e fissazione i vibratori per riposare filo con la superficie. Se il metodo utilizzato per proteggere i vibratori in luogo causa smorzamento delle vibrazioni, è consigliabile utilizzare un recinto di montaggio di due parti con un perno di posizionamento loose-fit, come mostrato nella Figura 5.
4. Collegare il microcontrollore per un computer portatile o desktop computer tramite un bus seriale universale (USB) o altro metodo di comunicazione adatto. Aprire l'interfaccia utente, illustrato nella Figura 6.
   Nota: In alternativa, collegare il microcontrollore per una batteria o altra fonte di alimentazione. Ciò migliora la portabilità del dispositivo, ma preclude un'interfaccia utente.

3. valutazione esemplare e protocollo di allenamento

1. Reclutare partecipanti consenzienti che sono privi di disturbi neurologici o muscolo-scheletrici e mal di schiena acuto o cronico. Registrare l'età, il peso e l'altezza di ogni partecipante. Quindi, per ogni partecipante, eseguire la procedura seguente.
2. Aprire l'interfaccia utente (Figura 6). Il grafico bussola Mostra angolo di inclinazione del dispositivo oltre la metà la velocità di inclinazione nella direzione di AP (asse verticale) e ML direzione (asse orizzontale).
3. Prima di ogni prova di equilibrio, istruire il partecipante di indossare cuffie noise-cancelling, piegare la sua o le braccia sul petto, mantenere una postura eretta per quanto possibile e cue verbalmente lo sperimentatore di essere pronto.
4. Eseguire venti 30 secondi seduti equilibrio prove serie¹¹, prendendo le pause quanto garantito per evitare l'affaticamento, fermandosi in qualsiasi momento, se necessario.
   1. Le prove di sequenza come segue (esempio): selezionare casualmente una delle due combinazioni "base condizione di livello/occhio di stabilità", in prosieguo denominati bilanciare le condizioni (base più difficile e base aperta; o meno difficile gli occhi e gli occhi chiusi)¹². Eseguire quattro prove la prima condizione di equilibrio per familiarizzare il partecipante con l'attività e per identificare le soglie di segnale di controllo appropriato per i contattori vibrazione sul sedile (vedere il passaggio 3.4.5 qui sotto).
      Nota: È più difficile mantenere l'equilibrio su una base con un piccolo raggio di curvatura rispetto su una base con un grande raggio di curvatura (la tabella 1 Mostra la stabilità relativa di tutte le cinque basi intercambiabili). Quattro studi sono stati trovati per essere sufficiente per raggiungere una prestazione stabile di equilibrio attività².
   2. Selezionare casualmente tre delle prove successive sei essere prove di controllo: spegnere i contattori vibrante per la durata di queste prove. Per attivare il feedback vibrazionale o disattivare, attivare o disattivare il dispositivo di scorrimento sull'impostazione desiderata nell'interfaccia utente di Feedback . Ripetere questa sequenza di dieci prove per la seconda condizione di equilibrio.
   3. Etichettare la condizione di difficoltà e occhio corrente selezionando dal menu a discesa nella sezione Parametri di prova dell'interfaccia utente. Fare clic su Record per iniziare la prova.
      Nota: La sicurezza dei partecipanti è fondamentale. Lo sperimentatore deve supervisionare tutte le attività di equilibrio e preparato ad assistere in caso di perdita di equilibrio. Cancellare l'area di ogni potenziale pericolo ed essere consapevoli di protocolli di emergenza locale.
   4. Per le prove con gli occhi aperti, istruire i partecipanti a concentrarsi su un punto fisso dritto per aiutare a mantenere l'equilibrio. Per le prove con gli occhi chiusi, è possibile utilizzare una benda per garantire che il partecipante è completamente priva di feedback visivo.
      Nota: Per paradigmi di equilibrio dove il movimento dei piedi dovrebbe essere limitato, montare il supporto del piede e inserire il contrappeso sotto il coperchio.
   5. Un algoritmo calcola quali soglie di feedback AP e ML da utilizzare e li Visualizza nella colonna Q3 dell'interfaccia utente. Dopo quattro prove di familiarizzazione, copiare i valori riportati nella colonna Q3 nella colonna scrivere e quindi fare clic su Aggiorna per aggiornare le soglie di feedback mostrate sul grafico bussola (pink) basato sulla familiarizzazione quarta versione di prova.
      Nota: I valori di soglia calcolata visualizzati nella colonna Q3 dell'interfaccia sono uguali per il terzo quartile per ogni direzione di inclinazione (AP, ML) durante la prova precedente. Questo schema di feedback si basa sulla nozione che la funzione dell'equilibrio è migliorato quando feedback è ottimizzata per ogni singolo^13,14, fornendo al contempo troppo feedback può scapito¹⁵di apprendimento. Una volta che i valori di due soglia sono stati selezionati per un dato individuo, può essere mantenuti costante per quell'individuo di essere in grado di valutare i miglioramenti nel tempo o con un intervento.
5. Come l'AP e ML inclinazioni vengono automaticamente archiviati, in tempo reale, in un file di testo per l'analisi, analizzare i segnali AP e ML a caratterizzare la seduta prestazioni per ciascuna delle condizioni sperimentali.
   1. Nel dominio del tempo, calcolare le seguenti misure posturographic da ogni tempo serie⁸: root-mean-square (una misura della varianza del movimento) e la velocità media (una misura della velocità angolare media del moto).
   2. Nel dominio di frequenza, calcolare le seguenti misure posturographic da ogni tempo serie⁸: frequenza baricentrico (una misura di frequenza complessiva di movimento) e dispersione di frequenza (una misura della varianza nella frequenza di movimento)⁸ .
6. Utilizza un modello misto lineare per stimare e caratterizzare gli effetti di due fattori di fisso-effetti, (1) la condizione di equilibrio (livello e occhio condizione di stabilità combinati) e (2) vibrotactile feedback, su ciascuna delle misure degli (variabili dipendenti), considerando la correlazione di misurazioni ripetute da ogni partecipante¹⁶ (un fattore di effetti casuali).
   1. Test per la rilevanza degli effetti fissi calcolando il rapporto della varianza tra i mezzi di gruppo per la varianza dei residui e confrontando il risultato di una distribuzione F.

Risultati

La tabella 2 Mostra, per ogni condizione sperimentale, le misure degli ricavati da osservazioni l'AP e ML inclinazioni superficie di supporto, una media di oltre 144 equilibrio prove eseguite da 12 partecipanti (2 x 2 x 3 prove per ogni partecipante).

Effetto di cambiare la condizione di equilibrio: La condizione di base è stato scelto per essere dipende la condizione dell'occhio (cioè,

Discussione

Metodi per la costruzione di un dispositivo portatile, strumentato, seduta sono presentati. Il dispositivo è portatile e durevole, costruzione su precedenti studi di vacillazione sedie^2,4 e vibrazionale feedback^5,6,7 per rendere i benefici di questi strumenti più potenti e accessibili . Seguire il protocollo dell'Assemblea in senso inverso per preparare il dispositivo ...

Materiali

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