平衡能力训练及测试装置和平衡能力训练及测试方法与流程

1.本发明涉及平衡能力训练及测试装置和采用这种装置的平衡能力训练及测试方法。


背景技术：

2.人在站立姿态下的左右平衡能力是人神经系统和运动系统的综合体现，是人体复杂的感觉系统以及调节系统机能状态在维持静态或动态姿势及动作稳定性方面的外在反映，成因复杂，往往受多种生物学因素的影响。不同的感受器给中枢神经系统提供不同的刺激信息，例如，视觉系统提供周围环境及身体运动和方向的信息，本体感觉提供身体各部位的空间定位及肌紧张状态的信息，前庭系统提供加速度运动、瞬时直线加速运动及与直线重力加速有关的头部位置改变的信息，这些信息通过中枢神经系统综合分析后经锥体束下达神经冲动，调节肌肉的活动来随时纠正身体的姿势以维持其平衡，而维持人体的平衡能力除了要有稳定前庭感觉外，还必须有良好的躯干肌和下肢肌的肌张力，当肌力下降时，平衡能力也会降低。另外，平衡能力的控制不仅是一个综合的神经肌肉运动过程，而且还人体的一种运动技巧，当人体重心垂线偏离稳定基底时，可以通过主动的活反射性的活动使重心垂线返回到稳定基底内，从而实现平衡的控制。
3.对于儿童或老年人，由于神经系统和运动系统发育的有限性或机能的衰退，平衡能力相对较弱，而长期运动和生活习惯以及机体局部机能的减弱，也会对平衡能力产生影响。
4.目前有采用不同技术构思的若干平衡能力测试装置。例如，中国专利文献cn216060513u公开了公开了一种单腿多方向动态平衡能力测试工具套件，其特征在于，包括：中心圆座、测量杆、滚轮滑块；本发明可根据患者或运动员的病理状态或运动能力选择合适的多方向测试组合，在满足y字型、“米”字型平衡测试的基础上兼具扩展为四方向、五方向、六方向和十方向的平衡测试，不仅兼顾了当下主流的两种涉及单腿站立平衡能力的测试还兼容并蓄地实现更多方向的动态平衡测试拓展；同时让测试和筛查具备进退阶特征以及数据量测评估的精确高效；且可使组装过程快速便捷，连接后结构稳固。中国专利文献cn113729629a公开了一种平衡能力测试系统及其应用，属于人体工程技术领域。所述平衡能力测试系统包括：基座、俯仰运动箱和脚踏板；在所述基座的中部开有从上至下贯通的安装孔，所述俯仰运动箱设置在该安装孔内；所述俯仰运动箱能够进行俯仰运动；所述脚踏板设置在俯仰运动箱的上方，脚踏板能够进行前后运动。利用本发明系统能够进行静态测试、绕踝关节的俯仰运动、前后运动，能够采集人体作用在脚踏板上的压力变化，并能够测量出人体作用在脚踏板上的剪切力。利用本发明既可测试出人体平衡能力，还能够在该环境下进行训练进而提高人体的平衡能力。中国专利文献cn113143218a公开了一种多维度测试人体自主平衡能力的装置,其中，承托柱露出测试台的部分为圆柱状，踏板主体为平板，踏板的中部向上凸起形成圆弧状的容置槽，踏板通过容置槽搭接在承托柱的圆弧面上，且踏板在容置槽左右两侧形成测试人员踩踏位，容置槽内环面与承托柱外环面的曲率匹配，滑块
可滑动的安装在垂向导轨上，所述视觉识别摄像头安装在滑块上，且视觉识别摄像头的图像获取方向朝向测试台方向。本装置可准确判定人体平衡能力。本发明还提出一种多维度测试人体自主平衡能力的测试方法。
5.这些现有技术各有特色，分别适应于各自的场合和目的，但普通存在构造相对复杂或使用难度相对较高的问题。


技术实现要素：

6.本发明的目的是提供一种简便易行且安全性好的平衡能力训练及测试装置和平衡能力训练及测试方法。
7.本发明的技术方案是：平衡能力训练及测试装置，其包括基座和摆筒，所述基座的顶面设有凹槽，所述凹槽的槽壁呈柱面形；所述摆筒呈圆柱形，设有左右两个踏板，两踏板的顶面位于过摆筒中心轴线的同一平面上，所述摆筒的曲率半径小于所述凹槽的曲率半径且大于所述凹槽的深度。
8.优选的，所述踏板的近摆筒侧设有竖立的护板。
9.优选的，所述护板的外侧面上设有柔性表层。
10.优选的，所述踏板上设有竖向贯穿的通孔，所述护板的底部设有穿过踏板上的相应通孔的螺杆，所述螺杆的下端从踏板底面露出，旋接有护板紧固螺母。
11.优选的，所述踏板上用于穿过螺杆的通孔为沿径向的长条孔。
12.优选的，所述踏板上的用于穿过螺杆的长条孔的一侧孔壁或两侧孔壁上设有分级定位结构。
13.优选的，所述踏板的顶面设有踏板防滑结构。
14.优选的，所述摆筒为空心的或者为实心的。
15.优选的，所述凹槽的表面设有或者不设有防滑表层，所述摆筒的表面规则分布有若干防滑凸起或者不设有防护凸起。
16.优选的，所述摆筒上设有摆角检测/显示装置。
17.优选的，所述基座的下方设有底座，所述基座和底座之间设置压力称。
18.可以设置配套的摆筒角度(摆角)或角速度检测装置进行摆筒摆动状况的检测，或者以人员观察的方式记录摆筒的摆动次数。测试(检测)时，将摆筒至于凹槽中，摆筒自动移动到凹槽的中央，先将一侧的脚踩在相应侧的踏板上，该踏板支承在台面上，再将另一只脚踩到另一侧踏板上，自己或在他人的辅助下(必要时)平衡站稳，在睁眼(例如，双眼平视远方)或闭眼的情形下持续一定时间保持平衡站立状态，依据摆筒运动状态评价平衡能力。例如，由他人或系统自动观察或记录摆筒晃动情况及踏板平衡情况，判断或检测平衡能力，也可以自己感知平衡能力，双眼平视或闭眼，当一侧踏板触碰台面计数一次，持续一定时间后，依据踏板触碰台面的次数评判。对于需要进行精确测量的场合，可以设置三维陀螺仪进行角运动或运动轨迹测量，依据摆动频率(次数)及角幅度(一次摆动中的最大摆角)计算平衡能力。训练时，可以如前述平衡站立在踏板上后，一定时间内尽力维持不动，以训练静态平衡能力；或者，如前述平衡站立在踏板上后，一侧脚适度用力向下踩，另一侧脚在保持适度支承的情形下配合上移，使摆筒向一侧摆动，由使用者适当把控摆动幅度，或者直至该侧踏板与基座顶面接触，然后反向做同样的动作，重复若干次，以训练在相应情形下的动态平
衡能力以及相关肌群运动控制能力和力量，训练对摆动的感觉能力和适应能力。通过适当旋转或控制踏板在平衡状态(两侧踏板位于同一水平面时的状态)下踏板距其下方基座顶面的间距，可以控制摆筒的摆动幅度，以适应于使用者的能力和需求。
19.平衡能力训练及测试方法，采用本发明公开的任一种平衡能力训练及测试装置，在一定的时间内，基于摆动检测装置采集的运动信息计算摆筒在凹槽表面运动的总路程，据此进行平衡能力的判断，总路程越小，平衡能力越强。
20.例如，所述总路程可以为:
[0021][0022]
其中，s
t
为总路程，k为系数，与所用的平衡能力训练及测试装置相关，可以采用凹槽的曲面半径，为计算上的便利，也可以设定为1，在此情形下，可以将计算获得的s
t
理解为总路程的倍数，或者总“角路程”(或称累积摆动角度)，β
li
为第i次单向摆动的角幅度(该单向摆动的最大摆角)，i为单向摆动的次数，i＝1,2,3,
…
,n，n为本次检测的单向摆动的总次数，依据实际检测数据。
[0023]
对于不同的装置，由于各尺寸配合及摩擦力特性的差异，累积摆动角度可以通过具有统计意义的人群测试结果或者模拟实验进行标定，在此情形下，可以将上述公式调整为：
[0024][0025]
其中，a为标定修改系数，ka＝ak。
[0026]
由于设置了凹槽，在不受外力的情形下，摆筒会自动移动到凹槽最低位置，且在平衡站立过程中，摆筒因摆动而偏离凹槽的中心位置时，会因凹槽的弧面作用而趋于复位，进一步地，在静/动摩擦力的协同作用下，形成与摆动作用反向的作用力和作用力矩，且摆动的幅度越大，该反向的作用力和作用力矩越大，由此在实现有效摆动，保证检测灵敏性/检测精度的同时，有利于因不平衡作用导致的摆筒摆动幅度和摆筒偏离凹槽中心的幅度，有利于保持使用者的身体稳定，减小倾斜和晃动幅度，有助于避免因过度倾斜和晃动带来的负面影响，摆筒不会从凹槽中滑脱，不会像在平面上可能出现的长距离滑动，同时，凹槽与台面等尺寸的配合，使摆筒在摆动到一定幅度后，下倾侧踏板的外端会支承在台面上，不再继续向该方向摆动，即使使用者的不平衡用力过猛也不会出现摆筒过度摆动或滑动的现象，有利于提高安全性，更好地满足普通使用者特别是运动能力相对较弱的使用者的安全性需求。由于所用摆筒和凹槽的特性，形成了摆筒滚动与摆动的一致性，在此情形下，采用总路程或累积摆动角度作为平衡能力的评价参数，该参数涵盖且综合表征了测试过程中的各种不平衡运动，实现了平衡能力的定量化评价。
附图说明
[0027]
图1是本发明一种实施例的结构示意图(平衡状态)；
[0028]
图2是本发明另一种实施例的结构示意图(极限倾斜状态)；
[0029]
图3是涉及摆筒摆角的示意图(非平衡状态)；
[0030]
图4是涉及一种护板安装固定的结构示意图；
[0031]
图5是涉及一种护板分级定位结构的示意图(俯视)。
具体实施方式
[0032]
参见图1-5，这种平衡能力训练及测试装置包括基座10和摆筒(或称转筒)30，所述基座的顶面(上表面)设有凹槽11，所述凹槽的槽壁呈柱面形，例如圆柱面；所述摆筒呈圆柱形，设有左右两个踏板40，两踏板的顶面(用于脚踏的面)位于过摆筒中心轴线的同一平面(摆筒的同一纵截面)上，所述摆筒的曲率半径小于所述凹槽的曲率半径且大于所述凹槽的深度，使得将摆筒至于凹槽内后，两踏板能够露在凹槽外面且与基座顶面(基座顶面的主体部分，呈水平的平面状，可称为台面)之间留有一定的间距，所述摆筒的底端支承在凹槽的最低部位，其余侧面与凹槽的槽壁之间留有间隙，且越往上间隙越大。
[0033]
所述踏板的近摆筒侧设有立面的(竖立的)护板(或称限位板)50，护板所在的平面垂直于踏板顶面上的径向(垂直于摆筒中心轴线的方向为径向，或者说为过相应点或在相应面上的摆筒半径方向)。
[0034]
可以采用任意适宜的现有技术实现护板在踏板上的安装和固定。
[0035]
使用时，可以将脚(鞋)的内侧贴近相应护板的外侧面，由此实现脚在护板上的径向(横向)定位，同时，通过夹持两侧护板有助于实现身体的稳定。
[0036]
所述护板的外侧面上优选设有柔性表层51，例如具有适宜硬度的发泡塑料贴面、橡胶贴面或厚绒布贴面等，以提高舒适度。
[0037]
护板的边缘(顶边、前侧边和后侧边)形状及外侧面形状可以基于人体工学或使用上的便利设计，通常不应具有尖锐的棱/角，各部分(各面)之间平滑过渡。
[0038]
所述踏板上设有竖向贯穿的通孔，所述护板的底部设有穿过踏板上的相应通孔的螺杆53，所述螺杆的下端从踏板底面露出，旋接有护板紧固螺母54，将护板设置到位后，旋紧相应的护板紧固螺母，将护板紧固在踏板上。
[0039]
所述护板紧固螺母可以采用蝶形螺母，以方便使用。
[0040]
护板的底面大于踏板上的相应通孔(通常，至少在前后方向上远大于通孔的孔径)，卡在通孔的上面，旋紧相应的护板紧固螺母后，与护板紧固螺母一同夹紧在踏板上。
[0041]
所述踏板上用于穿过螺杆的通孔优选为沿径向的长条孔44。可以依据实际需要，设定或调整护板在踏板径向上的位置，由此调整左右两护板之间的间距，调整由护板位置限定的使用者两脚之间的距离，调整使用者站立姿态及脚在摆筒上的作用力矩(距离)，以适用于不同使用者体型状况或不同的训练要求。
[0042]
所述踏板上的用于穿过螺杆的长条孔的一侧(前侧或后侧)孔壁或两侧(前侧和后侧)孔壁上设有分级定位结构，以实现螺杆在长条孔上的分级定位(定位点离散或者说不连续)。相对于连续的无级定位而言，分级定位更易于实现两侧护板与摆筒之间相对距离的一致性(左右两侧踏板上的分级定位结构镜像对称设置，使得两侧对应的定位点距摆筒轴线的距离相同)，保证左右脚对摆筒的作用距离相等，相同的用力产生相同的摆动力矩。
[0043]
所述分级定位结构可以采用任意适宜现有技术。例如，安装在长条孔的孔壁上且能够伸出部分销头(销柱)的弹性销，相邻弹性销的间距相同且恰好容纳穿过此处的螺杆；或者，在长条孔的孔壁上等间距设置若干弧形弹簧片45，所述弧形弹簧片的中部水平凸起，
凸起程度及弹力应允许螺杆通过，在相邻弹簧片的邻接/连接部位，螺杆所受弹簧片的作用力最小，由此可以确定分级定位的位置。
[0044]
所述踏板的顶面设有踏板防滑结构42。
[0045]
所述踏板防滑结构可以为等间距分布的若干纵向(前后向)延伸的条形凸棱或等间距相间分布的若干纵向延伸的条形凸起和条形凹槽，或者为若干规则排列(例如，纵横对齐)的若干小凸起，或者踏板主体部分上设置橡胶等具有防护作用的踏板防滑表层。
[0046]
所述踏板的底面外侧可以设有弹性垫(例如，橡胶垫、弹簧)48，以减小踏板与基座顶面接触时的冲击，且具有一定的回弹力。
[0047]
所述凹槽的表面可以设有防滑表层12，也可以不设有防滑表层，所述摆筒的表面规则分布(密布)有若干防滑凸起(未绘出)或者不设有防护凸起。通过摆筒和凹槽之间设置这些相互配合的防滑结构，有助于避免或减轻摆筒在凹槽上的滑动，进而避免因滑动导致不稳定，并有助于保证摆筒与凹槽之间的静摩擦力，进一步保证摆筒摆动的稳定性，即使在所述凹槽的表面设有防滑表层而所述摆筒的表面不设有防护凸起的情形下，也具有一定的上述效应。
[0048]
基座顶面上可以设有耐磨防滑层13。
[0049]
所述摆筒可以为空心的，也可以为实心的，可以依据实际需要设置。空心或实心的设计不仅影响材料成本，而且还涉及摆筒的转动惯量和摆动特性，影响摆动的灵敏性、稳定性及摆动幅度等。
[0050]
所述摆筒上设有摆角检测/显示装置，以进行摆筒的摆角(或称转角，或转动角)检测和/或显示。
[0051]
所述摆角检测/显示装置可以设有垂杆60，所述垂杆的上部与中心轴33枢接(例如，通过轴承旋转连接)，所述中心轴位于摆筒的中心轴线上，固定设置在摆筒主体部分的前端或后端(端面的中央)，可以依据实际需要在垂杆的下端设置或者不设置坠件(重物)61，由此，垂杆在自身(包括坠件，如果有的话)重量的作用下，在摆筒的摆动过程中始终保持竖直状态。
[0052]
可以在摆筒的前端或后端设置与垂杆配套的角度刻度盘66或角度刻度线，用于指示摆筒的摆角(或者转角，或转动角)，刻度为0时对应于摆筒的平衡姿态，其他刻度对应于摆筒相对于平衡姿态的摆动角度。
[0053]
当角度刻度线(包括角度刻度盘上的角度刻度线)设置在上方时，垂杆的上面固定连接有与刻度线配套的指针65，用于刻度指示。
[0054]
角度刻度盘的面积可以与摆筒的端面面积相仿，可以将角度刻度盘设置成带有筒状连接部的罩状，在摆筒的相应端面上设置用于连接角度刻度盘的环形企口(环形阶梯结构)，将连接壳的一端固定连接在摆筒的端面上(例如，设置用于套接连接壳的环形企口，将筒状连接部套接在该企口上并相互粘结，或者在摆筒的端部和筒状连接部上分别设置相互配合的外螺纹和内螺纹，将筒状连接部在摆筒的端部，垂杆(以及指针，如果设有的话)位于角度刻度盘和摆筒端面围成的空间内。
[0055]
所述摆角检测/显示装置设有用于检测摆动角度的转角传感器。
[0056]
可以将转角传感器的固定件连接在摆筒主体部分上，转动件连接在垂杆上且使转动件的旋转轴线与垂杆的旋转轴线重合，在摆筒摆动时，转角传感器的转动件随垂杆一同
相对于摆筒主体部分旋转，由此形成与摆筒摆角一致的角运动输出。
[0057]
可以将基座安装在地面基础上，也可以在基座下方增设底座20，基座和底座之间设置压力称(或称体重秤，例如，现有人体称所用的压力检测机构及所需的安装和连接结构)28，由此可以称出使用者的体重。
[0058]
基座底面或底座顶面的边缘区域可以设置若干硬质垫块15，设置于基座底面的硬质垫块与底座顶面之间留有间距，设置于底座顶面的硬质垫块与基座底面之间留有间距，这些间距应保证正常的称重，当基座受到过重的压力时(例如，放置有过重的物体)，硬质垫块支撑在基座底面或底座顶面之间，避免将压力称压坏。
[0059]
所述压力称和底座可以采用一体化结构，或者说，将压力称的底座作为所述底座。
[0060]
可以将压力称的显示屏设置在基座顶面或侧面上能够被看到且不妨碍运动的部位，或者通过显示屏支架(立杆)支设于一定的高度，显示屏所显示的数据包括使用者的体重，还可以包括摆筒(包括踏等设置于摆筒上的件)重量以及该装置的其他参数(可预先输入)，以方便使用者了解相关信息。
[0061]
所述显示器的外侧可以设置透明的防护罩。例如，将显示器安装在基座顶面的相应安装槽内，在槽口的表面固定安装具有足够强度的透明防护板。
[0062]
可以依据摆筒的平衡垂线(在平衡状态的竖向线或铅垂线，例如，可以在摆筒端面上画出或刻出)lc与不平衡状态(摆动状态)下的实际垂线(例如，垂杆的中线或标准线)lv之间的夹角β作为摆动角度，转角传感器的实测角度即为该夹角角度，可以将转角传感器的输出接入相关数据处理装置，进行摆动过程的记录，据此进行平衡能力及相同相关数据的分析。当一侧踏板抵靠在基座顶面上时，摆动角度达到最大值，为β
l
。
[0063]
可以将摆动分解为或者视为若干次单向摆动(朝一个方向的摆动)，对于任一次单向摆动，当摆动到本次摆动的最大幅度时，转为向另一个方向摆动，每往复摆动一次，可视为两次单向摆动，设第i次单向摆动的角幅度为β
li
，经n次单向摆动后，累积摆动角度ω
t
为：
[0064][0065]
总路程s
t
为:
[0066][0067]
其中，系数k可以理解为凹槽的曲率半径(当凹槽表面为圆柱面时)或等效曲率半径(当凹槽表面近似于圆柱面时，即计算时可以以曲率半径为所称等效曲率半径的圆柱面替代该凹槽且计算出的路程误差在允许范围之内时)。
[0068]
为实现各装置之间评价参数的可比性，可以引入标定修改系数a对上述格式进行修正，即：
[0069][0070]
或者
[0071][0072]
测试的起始时间通常可以从被测试者在踏板上平衡站稳的起始时间开始，在此时刻之前的数据不计入测试数据。
[0073]
可以依据实际情形设定测试的时长。通常，不同测试时长的数据不具有可比性。
[0074]
由于平衡能力的具体表现是多样或多变的，无法从基本物理量中导出，也无法设定一个实物作为度量标准，因此需要结合测试装置及人在测试装置上平衡能力的表现形式给出一个能够与定性评价一致的定量评价方法或参数，上述s
t
或ω
t
综合表征了人在这种测试装置上平衡能力的表现，可用于平衡能力的评价参数。
[0075]
另外，经各年龄段志愿者人群的个体之间对比、个体自身多次实验数据的对比以及部分志愿者在经过大约2-6个月平衡能力训练前后的实验数据对比，上述评价参数对不同个体的评价结果与对相关个体的定性评价相符，同一个体多次实验的结果基本一致，同一个体训练后的测试结果优于训练前的测试结果，且训练时间与测试结果正相关，由此表明采用这些参数进行平衡能力评价是适宜的。测试结果中剔除了无效测试(踏板接触/支撑在基座顶面)结果以及意外因素影响下(被测试者因动作失误从踏板上脱落)的结果。
[0076]
本发明公开的各优选和可选的技术手段，除特别说明外及一个优选或可选技术手段为另一技术手段的进一步限定外，均可以任意组合，形成若干不同的技术方案。