基于虚拟现实的人体平衡能力评测及训练系统设计与实现
发布时间：2022-02-15 00:58
人体平衡能力是衡量身体健康程度的重要指标。平衡能力弱或平衡障碍通常表现为站立或行走不稳,容易造成跌倒。随着人口老龄化的加剧,我国每年有4000万老人因平衡障碍而发生跌倒事故,给家庭和社会造成了很大负担,因此平衡能力评测和训练具有非常重要的社会和经济价值。然而现阶段人体平衡能力评估过程复杂、训练方案单一、相关设备复杂昂贵、灵活性差。本文针对上述现阶段平衡能力评测与训练存在的问题,基于虚拟现实技术研制一种新型人体平衡能力评测与训练系统,具体工作内容如下:（1）首先针对人体平衡能力评测与训练系统的可靠性、安全性、灵活性、舒适性要求,确定系统的简单、快速、有效以及能够对平衡能力受损原因分析的评测设计目标,和能够充分调动患者主动参与训练积极性和专注性的训练设计目标。然后基于虚拟现实技术提出系统整体设计思想,建立系统的架构,利用传感器技术、人机交互技术设计并制作系统的硬件平台与人机交互界面。（2）根据上述系统设计目标,首先,参考医学量表,科学筛选睁眼站立、闭眼站立、睁眼站立于海绵垫上、睁眼抬头站立以及“画圆”动作等五个评估动作,基于虚拟现实技术设计平衡能力评测方案,为平衡能力评估奠定基础。然后,采...
【文章来源】：郑州大学河南省211工程院校
【文章页数】：85 页
【学位级别】：硕士
【部分图文】：
国外平衡能力评测与训练系统
1绪论7国内平衡能力评测与训练系统的研究起步较晚，主要存在于高校研究当中[38-39]。目前国内实际使用的平衡评测与训练系统种类较少，相比国外平衡评测与训练系统，显得功能单一，且价格昂贵。国内平衡能力评测与训练系统主要有北京金豪商贸有限公司生产的PC708静态平衡训练仪（图1.2a），该产品适用于医疗机构，对具有平衡功能障碍的患者进行平衡能力的监测和评估，并通过图像引导使患者有意识的控制重心，达到训练目的，可以改善平衡功能、稳定性和行走功能。石家庄渡康医疗机械有限公司生产的平衡功能检测与训练系统DK-PHY（图1.2b），该系统可对人体直立、直坐的重心变化及手指的轻触摆动进行实时检测、显示和分析，从而帮助医生对人体平衡功能异常进行诊断，同时通过视觉反馈帮助患者进行平衡功能的矫正与训练，并使治疗师及时掌握患者的训练情况，及时调整训练方案。图1.2国内平衡能力评测与训练系统1.2.3虚拟现实技术在康复医学领域中的应用现状虚拟现实技术是一种跨学科的综合技术，是一种通过计算机产生虚拟环境，为用户创造一种身临其境的感觉，借助传感器技术，使用户可以投入并沉浸于虚拟环境中的技术[40]。随着科学技术的发展，虚拟现实技术在康复领域中有了广泛的应用[41]。如金星[42]等人，采用基于虚拟现实技术的康复训练对脑外伤恢复期患者进行平衡能力训练，训练结果表明，相比采用传统训练方式的对照组，采用基于虚拟现实技术的康复训练的实验组治疗效果明显高于对照组。Hoffman的讨论表明，未来几年来，虚拟现实技术在康复领域的应用是一个很有前景的发展方向[43]。在虚拟环境中，用户可借助传感器与虚拟环境进行交互，将这种技术应用到平衡能力康复治疗中，可以突破传统平衡能力康复治疗的局
2系统整体设计13位置放置，以四个压力传感器的中心位置为坐标原点，水平向右为X轴，水平向上为Y轴，建立直角坐标系。在直角坐标中，四个压力传感器对应的坐标分别为A（x1,y1），B（x2,y2），C（x3,y3），D（x4,y4），压力传感器上方铺有人体压力支撑板，人体站立于支撑板上方时，其压力中心坐标点为(,)copcopPxy，其具体数值可由式2.1和式2.2计算得出：CDABcopABCDFFFFxFFFF（2.1）ADBCcopABCDFFFFyFFFF（2.2）COP的测量精度对分析结果具有很大的影响，为了满足COP测量精度以及测试的稳定性，压力传感器的选择最为重要，本文选择使用中诺ZNBS-P型高精度压力传感器，如图2.4所示，该传感器精度为千分之一，单个传感器量程选择为30kg，四个传感器总量程达120kg，满足测试需求，且传感器上下留有螺孔，便于安装固定。图2.4中诺ZNBS-P型高精度压力传感器由于需要进行数据采集与传输，按照经济实用的原则，选择使用了Arduinonano3.0超小型单片机，和HC05蓝牙模块，并配备了外接直流电源供电。同时设计了盒盖式的硬件封装方式，制作了压力支撑板底槽和上盖。将四个压力传感器的下方分别固定于底槽距离各边缘5cm处，使用沉头螺钉固定，底槽内部留有单片机、外接电源、蓝牙模块、电源开关、充电装置的固定卡槽，底槽侧面留有电源开关按钮、充电插口、电源指示灯孔。上盖模型采用平整平面设计，并在四周相应位置留有沉头螺孔，压力传感器上方采用沉头螺钉固定于上盖对应螺孔处，压力传感器下方采用沉头螺钉固定于底槽对应螺孔处。利用Solidworks工具设计的硬件系统整体模型图如图2.5
【参考文献】：
期刊论文
[1]肌电生物反馈结合康复训练促进脑卒中偏瘫患者下肢运动功能恢复的价值分析[J]. 朱小丁. 双足与保健. 2019(16)
[2]太极拳干预前后屈膝站立时COP运动信号的样本熵研究[J]. 王明伟,王建军,李立,吴香芝. 体育与科学. 2019(03)
[3]我国脑卒中防治仍面临巨大挑战——《中国脑卒中防治报告2018》概要[J]. 王陇德,刘建民,杨弋,彭斌,王伊龙. 中国循环杂志. 2019(02)
[4]健康人和偏瘫患者腰骶部外力干扰下的平衡特征研究[J]. 王盛,朱奕,王彤. 中国康复. 2019(01)
[5]心率变异信号的多尺度分析[J]. 朱妍雯,姚景昆. 电子测试. 2019(02)
[6]虚拟现实技术在我国康复医学领域中的研究进展[J]. 宋杨杨,陈校云,张曙欣,冯力,胡可慧,黄婉茹,裴治纲. 中国医疗设备. 2019(01)
[7]基于Kinect的平衡能力评估系统[J]. 杨文璐,葛晓艳,李世杰,谢宏. 传感器与微系统. 2018(06)
[8]Berg平衡量表在康复医学科患者防跌倒坠床的应用[J]. 陶冶. 健康之路. 2018(05)
[9]称重原理——力矩平衡和静不定原理[J]. 周祖濂. 衡器. 2017(01)
[10]虚拟现实平衡游戏训练对帕金森病患者平衡功能的效果[J]. 林志诚,陈阿贞,江一静,陈登钟,叶晓倩,游咏梅. 中国康复理论与实践. 2016(09)
博士论文
[1]人体站立平衡系统建模与平衡能力评价方法研究[D]. 刘琨.燕山大学 2016
硕士论文
[1]基于视频分析的VR环境下人体平衡能力检测系统研究[D]. 吝文涛.西安理工大学 2018
[2]人体动态平衡能力测试系统的研制与实验研究[D]. 宋蕾蕾.鲁东大学 2016
[3]基于多元多尺度熵的人体平衡系统研究[D]. 刘东海.武汉理工大学 2013
本文编号：3625592
【文章来源】：郑州大学河南省211工程院校
【文章页数】：85 页
【学位级别】：硕士
【部分图文】：
国外平衡能力评测与训练系统
1绪论7国内平衡能力评测与训练系统的研究起步较晚，主要存在于高校研究当中[38-39]。目前国内实际使用的平衡评测与训练系统种类较少，相比国外平衡评测与训练系统，显得功能单一，且价格昂贵。国内平衡能力评测与训练系统主要有北京金豪商贸有限公司生产的PC708静态平衡训练仪（图1.2a），该产品适用于医疗机构，对具有平衡功能障碍的患者进行平衡能力的监测和评估，并通过图像引导使患者有意识的控制重心，达到训练目的，可以改善平衡功能、稳定性和行走功能。石家庄渡康医疗机械有限公司生产的平衡功能检测与训练系统DK-PHY（图1.2b），该系统可对人体直立、直坐的重心变化及手指的轻触摆动进行实时检测、显示和分析，从而帮助医生对人体平衡功能异常进行诊断，同时通过视觉反馈帮助患者进行平衡功能的矫正与训练，并使治疗师及时掌握患者的训练情况，及时调整训练方案。图1.2国内平衡能力评测与训练系统1.2.3虚拟现实技术在康复医学领域中的应用现状虚拟现实技术是一种跨学科的综合技术，是一种通过计算机产生虚拟环境，为用户创造一种身临其境的感觉，借助传感器技术，使用户可以投入并沉浸于虚拟环境中的技术[40]。随着科学技术的发展，虚拟现实技术在康复领域中有了广泛的应用[41]。如金星[42]等人，采用基于虚拟现实技术的康复训练对脑外伤恢复期患者进行平衡能力训练，训练结果表明，相比采用传统训练方式的对照组，采用基于虚拟现实技术的康复训练的实验组治疗效果明显高于对照组。Hoffman的讨论表明，未来几年来，虚拟现实技术在康复领域的应用是一个很有前景的发展方向[43]。在虚拟环境中，用户可借助传感器与虚拟环境进行交互，将这种技术应用到平衡能力康复治疗中，可以突破传统平衡能力康复治疗的局
2系统整体设计13位置放置，以四个压力传感器的中心位置为坐标原点，水平向右为X轴，水平向上为Y轴，建立直角坐标系。在直角坐标中，四个压力传感器对应的坐标分别为A（x1,y1），B（x2,y2），C（x3,y3），D（x4,y4），压力传感器上方铺有人体压力支撑板，人体站立于支撑板上方时，其压力中心坐标点为(,)copcopPxy，其具体数值可由式2.1和式2.2计算得出：CDABcopABCDFFFFxFFFF（2.1）ADBCcopABCDFFFFyFFFF（2.2）COP的测量精度对分析结果具有很大的影响，为了满足COP测量精度以及测试的稳定性，压力传感器的选择最为重要，本文选择使用中诺ZNBS-P型高精度压力传感器，如图2.4所示，该传感器精度为千分之一，单个传感器量程选择为30kg，四个传感器总量程达120kg，满足测试需求，且传感器上下留有螺孔，便于安装固定。图2.4中诺ZNBS-P型高精度压力传感器由于需要进行数据采集与传输，按照经济实用的原则，选择使用了Arduinonano3.0超小型单片机，和HC05蓝牙模块，并配备了外接直流电源供电。同时设计了盒盖式的硬件封装方式，制作了压力支撑板底槽和上盖。将四个压力传感器的下方分别固定于底槽距离各边缘5cm处，使用沉头螺钉固定，底槽内部留有单片机、外接电源、蓝牙模块、电源开关、充电装置的固定卡槽，底槽侧面留有电源开关按钮、充电插口、电源指示灯孔。上盖模型采用平整平面设计，并在四周相应位置留有沉头螺孔，压力传感器上方采用沉头螺钉固定于上盖对应螺孔处，压力传感器下方采用沉头螺钉固定于底槽对应螺孔处。利用Solidworks工具设计的硬件系统整体模型图如图2.5
【参考文献】：
期刊论文
[1]肌电生物反馈结合康复训练促进脑卒中偏瘫患者下肢运动功能恢复的价值分析[J]. 朱小丁. 双足与保健. 2019(16)
[2]太极拳干预前后屈膝站立时COP运动信号的样本熵研究[J]. 王明伟,王建军,李立,吴香芝. 体育与科学. 2019(03)
[3]我国脑卒中防治仍面临巨大挑战——《中国脑卒中防治报告2018》概要[J]. 王陇德,刘建民,杨弋,彭斌,王伊龙. 中国循环杂志. 2019(02)
[4]健康人和偏瘫患者腰骶部外力干扰下的平衡特征研究[J]. 王盛,朱奕,王彤. 中国康复. 2019(01)
[5]心率变异信号的多尺度分析[J]. 朱妍雯,姚景昆. 电子测试. 2019(02)
[6]虚拟现实技术在我国康复医学领域中的研究进展[J]. 宋杨杨,陈校云,张曙欣,冯力,胡可慧,黄婉茹,裴治纲. 中国医疗设备. 2019(01)
[7]基于Kinect的平衡能力评估系统[J]. 杨文璐,葛晓艳,李世杰,谢宏. 传感器与微系统. 2018(06)
[8]Berg平衡量表在康复医学科患者防跌倒坠床的应用[J]. 陶冶. 健康之路. 2018(05)
[9]称重原理——力矩平衡和静不定原理[J]. 周祖濂. 衡器. 2017(01)
[10]虚拟现实平衡游戏训练对帕金森病患者平衡功能的效果[J]. 林志诚,陈阿贞,江一静,陈登钟,叶晓倩,游咏梅. 中国康复理论与实践. 2016(09)
博士论文
[1]人体站立平衡系统建模与平衡能力评价方法研究[D]. 刘琨.燕山大学 2016
硕士论文
[1]基于视频分析的VR环境下人体平衡能力检测系统研究[D]. 吝文涛.西安理工大学 2018
[2]人体动态平衡能力测试系统的研制与实验研究[D]. 宋蕾蕾.鲁东大学 2016
[3]基于多元多尺度熵的人体平衡系统研究[D]. 刘东海.武汉理工大学 2013
本文编号：3625592
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