Un appareil de rétroaction Vibrotactile pour l’évaluation de l’équilibre assis et formation

Summary

Une plate-forme d’assise a été développée et Assemblée qui déstabilise passivement la position assise chez les humains. Au cours de la tâche de stabilisation de l’utilisateur, une unité de mesure inertielle enregistre les mouvements de l’appareil et éléments vibrants réalisent axée sur la performance de vos commentaires au siège. Le dispositif portable, polyvalent peut être utilisé dans la réhabilitation, l’évaluation et paradigmes de la formation.

Abstract

Perturbations posturales, suivi de mouvement et la rétroaction sensorielle sont les techniques modernes utilisées pour contester, évaluer et former assis debout, respectivement. L’objectif du protocole développé est de construire et d’exploiter une plate-forme de séance qui peut être passivement déstabilisée, alors qu’une unité de mesure inertielle quantifie sa requête et éléments vibrants livrer la rétroaction tactile à l’utilisateur. Fixations interchangeables modifient le niveau de stabilité de l’appareil en toute sécurité les défi assis balance. Un microcontrôleur intégré permet le réglage fin des paramètres rétroaction pour augmenter la fonction sensorielle. Mesures posturographique, typiques des protocoles d’évaluation bilan, résument les signaux de mouvement acquis au cours des essais chronométrés balance. Aucun protocole d’assise dynamique à ce jour ne fournit défi variable, quantification et rétroaction sensorielle sans contraintes de laboratoire. Nos résultats démontrent que les utilisateurs non handicapés des modifications importantes pièce dispositif posturographique mesures lors de difficultés de balance sont altérée ou vibration feedback fourni. L’appareil portable et polyvalent a des applications potentielles dans la remise en état (suite à une lésion squelettique, musculaire ou neurologique), formation (pour les sports ou la conscience spatiale), divertissement (via virtuelle ou augmentée réalité) et la recherche (de troubles liés au coin).

Introduction

Assis debout est une condition sine qua non pour les autres fonctions sensorimotrices humaines, y compris les mouvements qualifiés (par exemple, taper) et perturbé l’équilibre des tâches (p. ex., à cheval sur un train). Pour remettre en état et améliorer les fonctions assises et connexes, les techniques d’entraînement moderne d’équilibre sont utilisés : surfaces instables perturbent la séance^1,2 , et suivi de mouvement quantifie bilan compétence^3,4 . Résultats bilan de la formation améliorent lorsque vibration est remises à l’organisme à l’aide de modèles qui correspondent à des performances⁵. Cette rétroaction sensorielle est évidemment efficace comme une remise en état et la méthode de formation ; Pourtant, les méthodes actuelles de rétroaction sensorielle sont orientés vers l’équilibre debout et nécessitent des équipements en laboratoire^6,7.

Le but du travail présenté ici est de construire un appareil portatif qui peut être assis et déstabilisé passivement à des degrés divers tandis que les instruments intégrés enregistrent sa position et offrent la vibration feedback à la surface d’assise. Cette combinaison d’outils intègre les travaux antérieurs sur l’oscillation chaises^2,4 et vibration feedback^5,6,7, rendant les avantages de ces outils plus puissant et accessible. Une procédure pour former l’assise verticale et une analyse des résultats quantitatifs, suite à la documentation établie sur mesures posturographique⁸sont également présentées. Ces méthodes ne conviennent pas pour étudier les effets de la séance d’exercice d’équilibre avec une surface instable lorsqu’il est combiné avec vibration feedback. Les applications prévues incluent formation sportive, une amélioration générale de la coordination motrice, évaluation du préjudice balance de compétence et à la remise en état suite squelettiques, musculaire ou neurologique.

Protocol

Toutes les méthodes décrites ici ont été approuvés par le Health Research Ethics Board de l’Université de l’Alberta.

1. construction et assemblage de composants structures

1. Construire une interface de saisie pour bases hémisphériques interchangeables : souder un écrou de base à une plaque de soudure en acier.
2. Utilisez un numérique commandé par ordinateur (CNC) fraiseuse pour construire un châssis cylindrique, couvercle et base en polyéthylène comme illustré à la Figure 1. Boulonner la plaque de base à la base et la base du châssis.
   Remarque : Les caractéristiques de moulin pour la fixation de vis et autres pièces sont selon les fichiers de dessin et de modèle solide 3D fichiers fournis (voir supplémentaire fichiers 1 et 2). Tous les composants structurels ont un modèle solide correspondant et le dessin qui sont disponibles en téléchargement et peut être utilisé pour reproduire le processus de construction.
3. Utiliser une fraiseuse pour construire un manchon cylindrique en polychlorure de vinyle qui s’adapte sur une tige filetée, comme illustré à la Figure 1. Faire la manche 37 mm de long, avec un diamètre extérieur de 32 mm.
4. Brides de soudure en acier de chaque côté d’un acier d’attelage, comme illustré à la Figure 1. Boulon de l’attelage à l’avant de la base.
5. Utiliser une machine de tournage CNC pour construire 5 cylindres identiques en polyéthylène, chacun avec une hauteur de 63 mm et un diamètre de 152 mm. Dans le centre de la face supérieure de chaque cylindre, découpez un trou de 32 mm à 38 mm de profondeur afin qu’il tienne le manchon cylindrique (voir étape 1.3. ci-dessus) avec des interférences.
6. Sur l’intrados de chaque cylindre, utiliser un CNC tournage machine pour couper une base uniformément courbée avec un unique rayon de courbure pour chacun des 5 cylindres, maintenir la hauteur totale de 63 mm, comme illustré à la Figure 2.
   Remarque : Le rayon de courbure et de la hauteur de la base déterminent la stabilité de l’appareil. Suggérées rayons de courbure pour cette hauteur se situent entre 110 mm (très instable) et 250 mm (légèrement instable), comme indiqué dans le tableau 1.
7. Construire un attachement de soutien de jambe comme illustré à la Figure 3, par la première soudure acier 70 mm attelage insérer perpendiculairement à une extrémité d’une extrusion de 575 mm en acier. À l’autre extrémité, fixez un repose-pied en acier cylindrique de 300 mm à l’extrusion.
   Remarque : Pour les dimensions de la partie détaillée, voir supplémentaire 1 fichier (dessins) et complémentaire fichier 2 (modèles volumiques 3D).
8. Utiliser une scie à ruban pour couper un acier rectangulaire bar (29 mm par 100 mm) à une longueur d’environ 160 mm pour qu’il pèse 3,6 kg. Insérez la barre en acier à l’arrière du châssis afin de contrebalancer la fixation de support de jambe, comme illustré à la Figure 1.
9. Assembler l’appareil tel qu’illustré à la Figure 4. Connectez le support pour les jambes en insérant des axes par l’intermédiaire de l’attelage et attelage insert. Régler la position de la pince à la hauteur de l’appui pied désiré. Enfilez la tige dans le montant de base tels qu’environ 35 mm de la tige sort de la base.  Insérez la tige qui dépasse dans la base de courbe désirée.
10. Appliquer le grip tape ou un autre revêtement adapté au couvercle. Placez le couvercle.

2. instrumentation de l’appareil

1. Acquérir un microcontrôleur (voir la Table des matières), une unité de mesure inertielle et huit tacteurs vibrants. Connecter les tacteurs de mesure inertielle unité et vibrant au microcontrôleur.
2. Programme du microcontrôleur tels qu’il lit antéro-postérieure (AP) et inclinaison (ML) médiolatérales des angles de l’unité de mesure inertielle et active les tacteurs vibrants ou non fondée sur les angles d’inclinaison. Voir supplémentaire 3 fichier (script de microcontrôleur exemplaire) et pas en 2.2.1.
   Remarque : Les unités de mesure inertielle qui utilisent des accéléromètres et gyroscopes sont sujettes à l’erreur. Effectuer un étalonnage positionnel des capteurs : reposer l’appareil sur une surface plane et utiliser ce poste comme point de référence pour toutes les mesures suivantes. Utiliser un système de capture de mouvement ou une approche similaire pour valider les mesures d’angle inclinaison et s’assurer qu’ils sont suffisamment précis dans l’ensemble de la gamme attendue de l’utilisation (spatiale et temporelle). S’assurer que les vibrantes tacteurs fonctionnent à une fréquence de pas plus de 200 Hz, afin d’induire une réponse univoque de récepteurs sensoriels dans la peau humaine ou muscle⁹.
   1. Téléchargez le script de microcontrôleur générant vibrotactile signaux basés sur un signal de commande de rétroaction qui représente une somme pondérée des AP (ou ML) angle d’inclinaison et de la vitesse.
      Remarque : L’ordinateur active trois tacteurs plus proches de la gauche, droite, avant, ou à l’arrière de la surface lorsque le signal de commande dépasse un certain seuil dans cette direction ; ou cinq tacteurs si un seuil d’AP et ML sont dépassés en même temps ; aucune des tacteurs est active lorsque le signal de commande est inférieur au seuil dans les deux sens (c'est-à-dire, dans la zone de non retour).
3. Fixez l’unité de mesure inertielle dans le centre du châssis. Organiser les tacteurs vibrants sur un octogone régulier avec un rayon de 10 cm, centrée antérieure du centre du châssis 8 cm afin qu’ils se trouveront sous le siège d’une personne de taille moyenne de¹⁰. Une photographie d’un éventuel arrangement est illustrée à la Figure 4.
   Remarque : Si les vibrations tacteurs ne sont pas assez puissants pour vibrer l’utilisateur, d’améliorer l’interface entre la peau et tacteur en coupant des trous dans le couvercle et fixation les vibrateurs à reposer rincer la surface. Si la méthode utilisée pour sécuriser les vibrateurs en place provoque un amortissement des vibrations, opter pour un boîtier de montage de deux parties avec un ergot de guidage loose-fit, comme illustré à la Figure 5.
4. Connectez le microcontrôleur à un ordinateur portable ou ordinateur de bureau ordinateur via un bus série universel (USB) ou autre moyen de communication approprié. Ouvrez l’interface utilisateur, illustré à la Figure 6.
   NOTE : Également connecter le microcontrôleur sur une batterie ou d’autre source d’alimentation. Cela améliore la portabilité de l’appareil, mais s’oppose à une interface utilisateur.

3. exemplaire évaluation et formation protocole

1. Recruter les participants consentants qui sont exempts de troubles neurologiques ou musculo-squelettiques et les maux de dos aigu ou chronique. Enregistrer l’âge, poids et taille de chaque participant. Ensuite, pour chaque participant, effectuer la procédure suivante.
2. Ouvrez l’interface utilisateur (Figure 6). Le graphique boussole montre angle d’inclinaison de l’appareil plus de la moitié de sa vitesse tilt dans la direction de l’AP (axe vertical) et la direction de ML (axe horizontal).
3. Avant chaque essai d’équilibre, demander au participant d’enfiler le casque antibruit, plier son ou ses bras sur la poitrine, maintenir une posture verticale autant que possible et cue verbalement l’expérimentateur d’être prêt.
4. Effectuer 20 30 secondes assis balance des essais en série¹¹, prendre des pauses au besoin pour éviter la fatigue, s’arrêter à tout moment si nécessaire.
   1. Les essais de séquence comme suit (exemple seulement) : choisir au hasard une des deux combinaisons « condition de stabilité oculaire/niveau de base », ci-après dénommés l’équilibre des conditions (yeux ouverts ; ou moins difficile à base de base plus difficile et les yeux fermés)¹². Effectuer quatre essais de la première condition d’équilibre afin de familiariser le participant avec la tâche et d’identifier les seuils signal contrôle approprié pour les tacteurs vibrations dans le siège (voir l’étape 3.4.5 ci-dessous).
      Remarque : Il est plus difficile de maintenir l’équilibre sur un socle avec un petit rayon de courbure que sur une base d’un large rayon de courbure (le tableau 1 montre la stabilité relative de tous les cinq bases interchangeables). Quatre essais se pour suffire obtenir un comportement stable du solde tâche².
   2. Choisir au hasard trois des six essais pour les essais de contrôle : éteindre les tacteurs vibrants pour la durée de ces essais. Pour activer la vibration feedback ou désactiver, activer/désactiver le curseur de la rétroaction à la position désirée dans l’interface utilisateur. Répétez cette séquence de dix essais pour la deuxième condition de l’équilibre.
   3. Étiqueter la condition actuelle de la difficulté et le œil en sélectionnant dans les menus déroulants dans la section Paramètres de première instance de l’interface utilisateur. Cliquez sur enregistrement pour commencer le procès.
      Remarque : La sécurité des participants est primordiale. L’expérimentateur doit superviser toutes les activités d’équilibre et être prêt à aider en cas de perte d’équilibre. Dégagez la zone des éventuels dangers potentiels et être au courant des protocoles d’urgence locaux.
   4. Pour les essais avec les yeux ouverts, demandez aux participants de se concentrer sur un point fixe droit devant afin de maintenir l’équilibre. Pour les essais avec les yeux fermés, utiliser un bandeau sur les yeux pour s’assurer que le participant est totalement dépourvu de rétroaction visuelle.
      Remarque : Pour les paradigmes d’équilibre où le mouvement des pieds doit être limité, fixez le support de pied et insérer le contrepoids sous le couvercle.
   5. Un algorithme calcule quels seuils de rétroaction AP et ML à utiliser et les affiche dans la colonne de Q3 de l’interface utilisateur. Après quatre essais de familiarisation, copiez les valeurs indiquées dans la colonne de la Q3 dans la colonne d’écrire et puis cliquez sur actualiser pour mettre à jour les seuils de rétroaction montrés sur le graphique boussole (roses) basé sur la quatrième familiarisation procès.
      Remarque : Les valeurs de seuil calculée affichées dans la colonne de Q3 de l’interface sont égales au troisième quartile pour chaque direction de l’inclinaison (AP, ML) au cours du procès précédent. Ce système de rétroaction est basé sur la notion que fonction balance est améliorée lorsque le feedback est optimisé pour chaque individuel^13,14, tout en donnant trop d’informations peut détriment d’apprentissage¹⁵. Une fois que les deux seuils ont été sélectionnés pour un individu donné, ils peuvent être maintenus constants pour cette personne d’être en mesure d’évaluer les améliorations au fil du temps, ou par une intervention.
5. Comme les AP et les ML les angles d’inclinaison sont automatiquement stockés, en temps réel, dans un fichier texte pour l’analyse, analyser les signaux AP et ML pour caractériser la performance de la séance pour chacune des conditions expérimentales.
   1. Dans le domaine temporel, calculer les mesures posturographique suivantes de chaque moment de la série⁸: root-mean-square (une mesure de la variance de la motion) et la vitesse moyenne (mesure de la vitesse angulaire moyenne de la motion).
   2. Dans le domaine fréquentiel, calculer les mesures posturographique suivantes de chaque moment de la série⁸: fréquence neutre (mesure de la fréquence globale de la requête) et la dispersion de fréquence (une mesure de la variation de fréquence de la motion)⁸ .
6. Utiliser un modèle linéaire mixte d’estimer et de caractériser les effets des deux facteurs d’effets fixes, (1) la condition d’équilibre (niveau et oculaires condition de stabilité combinée) et la rétroaction vibrotactile (2), sur chacune des mesures posturographique (variables dépendantes), compte tenu de la corrélation entre les mesures répétées de chaque participant¹⁶ (un facteur effets aléatoires).
   1. Test pour l’importance des effets fixes par le rapport entre la variance entre les moyennes de groupe à la variance des résidus de calcul et en comparant le résultat d’une distribution F.

Results

Le tableau 2 montre, pour chaque condition expérimentale, les mesures posturographique dérivées des observations de l’AP et ML support surface s’incline, en moyenne plus de 144 essais de solde effectués par 12 participants (2 x 2 x 3 essais par participant).

Effet de la modification de la Condition d’équilibre : La condition de base a été choisie d’être tributaire de l’état d...

Discussion

Méthodes pour la construction d’un appareil portable, instrumentée, séance sont présentées. L’appareil est portable et durable, bâtiment sur des études antérieures de wobble chaises^2,4 et vibration feedback^5,6,7 pour rendre les avantages de ces outils plus puissant et accessible . Suivre le protocole de l’Assemblée en sens inverse pour préparer le disposi...

Materials

List of materials used in this article

Name	Company	Catalog Number	Comments
Chassis	McMaster-Carr	8657K421	Feuille de polyéthylène LDPE résistante à l’humidité de 1-1/2 po d’épaisseur, 24 po x 24 po
Lid	McMaster-Carr	8657K414	Feuille de polyéthylène LDPE résistante à l’humidité de 1/4 po d’épaisseur, 24 po x 24 po
Base	McMaster-Carr	8657K414	Feuille de polyéthylène LDPE résistante à l’humidité 1/4 po d’épaisseur, 24 po x 24 po
<>Grip-Tape	McMaster-Carr	6243T471	Ruban antidérapant non abrasif, texturé, bande de 6 po de large, 2 pi de long,
écrou noir><base	McMaster-Carr	90596A039	Écrou à souder à base ronde en acier, filetage 5/8 »-11
Plaque à souder	McMaster-Carr	1388K142	Tôle d’acier à faible teneur en carbone 1/16 » d’épaisseur, 3 » x 3 », finition rectifiée
Tige filetée	McMaster-Carr	90322A170	Goujon
fileté en acier allié de résistance moyenne de 3 » 5/16 »-18Sleeve	McMaster-Carr	8745K19	Tige en PVC résistant aux produits chimiques (type I) 1-1/4 » de diamètre
Square Flange	McMaster-Carr	8910K395	Barre d’acier à faible teneur en carbone, 1/8 » d’épaisseur, 1 » de large
Hitch	McMaster-Carr	4931T123	Charpente boulonnée en acier robuste, 1-1/2 » carré
base incurvée	McMaster-Carr	8745K48	Tige en PVC de 6 po, 6 po de diamètre
Insert d’attelage	McMaster-Carr	6535K313	Charpente boulonnée en acier robuste, 1 » carré
extrusion	McMaster-Carr	6545K7	1045 Barre carrée en acier étiré à froid, 1' x 1 » de large, non
polieClamp	Vlier	TH103A	Bouton de couple réglable
Repose-pieds	McMaster-Carr	6582K431	4130 Tube d’acier, 1 » x 1 » de large, Épaisseur de paroi de 0,065 po, finition d’usine non
polieCounterwieght	McMaster-Carr	8910K67	Barre rectangulaire en acier à faible teneur en carbone 1-1/8 po d’épaisseur, 4 po de largeur
Épingle à chape	McMaster-Carr	97245A616	Goupille à chape en acier zingué avec goupille fendue en épingle à cheveux, 3/16 » de diamètre, 1-9/16 » Longueur utile
Microprocesseur	Arduino	MEGA 2560	Carte microcontrôleur avec 54 broches d’E/S numériques et connexion
USBUnité de mesure inertielle	x-io Technologies Ltd.	Unité de mesure inertielle x-IMU et système de référence de cap d’attitude avec boîtier
Vibrating Tactor	Precision Microdrives	DEV-11008	Lilypad Vibe Board, disponible chez SparkFun Electronics