一種人體動態平衡的測力裝置設計

摘 要：隨著運動生物力學的發展以及在相關領域的應用需要，越來越多的研究人員開始從事人體平衡測力平臺的研究，和以往相比測力平臺的精確度有了很大的提高，但是目前的測力平臺都是在靜止的前提下測量人體的平衡能力其中的平衡算法也是以人體靜止為基礎的，對于人體的動態平衡能力判斷不足。因此本研究設計一種人體在動態情況下的測力裝置，使測力平臺能在一定的角度內轉動，測量人體在此動態情況下的重心軌跡變化，從而判斷人體的平衡能力。

關鍵詞：平衡；測力平臺；動態

DOI：10.16640/j.cnki.37-1222/t.2018.20.222

1 前言

人體的平衡能力是體現人身體綜合素質的重要指標，在人類的日常生活中有著重要的意義[1]。目前測力平臺都是在靜止的情況下測量人體的平衡能力。所以本研究通過自行設計的動態測力平衡裝置測量人體的平衡能力。動態測量既可以分析人體在視覺系統、本體感覺系統和前庭系統分別作用下的身體擺動，還可以進行外力干擾情況下的姿勢反應分析。人體受到外界干擾后，首先判斷擾動的類型、擾動的強度，然后調用相應的平衡策略進行調整[2]。因此設計動態平衡的測評裝置是非常有必要的。

2 儀器與測試方法

（1）儀器結構。該系統總體由硬件部分和軟件部分構成。硬件即機械結構部分，包括擺動平臺機構和數據采集裝置。擺動平臺機構在外置的擺動平臺電控裝置的控制下工作。其總體結構如圖 1 所示。

硬件部分的擺動機構由底座、伺服電機和電推桿三部分構成。擺動平臺有低幅、中幅和高幅三種擺動幅度，上位機可以設置好脈沖頻率，進而控制電推桿的速度來決定擺動幅度的大小。測力平臺置于擺動機構上面，工作時將采集到的人體重心數據通過測力板自帶的模擬數據采集裝置進行采集，然后將數據傳輸到研華4704型號的采集裝置中進行轉換，最終由4704的USB口將數據傳輸到上位機，通過計算機對數據進行分析計算、顯示和存儲。

擺動平臺采用直流電機帶動，角速度和擺動幅度均可以調節，因此適用范圍廣泛。整個裝置材料采用鋁合金，在保證強度的要求下，結構簡單，容易操作，設備輕便，同時縮短了制造周期，降低成本。擺動裝置中間采用鏤空設計，既可以防止電機觸碰上板，又可以減輕重量。

（2）電路設計。擺動平臺電控裝置集成在一個抗電阻燃的盒子中，包括采集模塊、驅動模塊、到位開關模塊和電源模塊。采集模塊用于數據采集，驅動模塊用于驅動電機，到位開關模塊控制水平位置以及防止發生頂缸現象，電源模塊用于為各模塊提供電源。

如圖2所示，采集模塊包括數據采集卡U1和步態測力板公頭J，數據采集卡U1上AI0～AI5輸入依次與步態測力板公頭J中的1～6腳連接；步態測力板公頭J中14～20腳與數據采集卡U1上的接地腳連接。數據采集卡U1上的接地腳接地，數據采集卡U1上的+5V腳接5V開關電源的正極。步態測力板通過步態測力板公頭J與上位機電連接。

驅動模塊包括數據采集卡U1和伺服電機驅動器D1，如圖3所示。數據采集卡U1上的DO0輸出引腳與驅動器D1的26腳連接，DO1與驅動器D1的30腳連接，驅動器D1的27和31腳與數據采集卡U1上的接地腳連接。驅動器D1的1腳和3腳接24V開關電源的正極，2腳和4腳接24V開關電源的負極。

3 總結

本文通過自行研究設計的測力平臺，使測力平臺可以特定的角度和轉速轉動，從而測量人體在受迫運動下的平衡能力，改變了以往只能在靜態的情況下測量人體的平衡能力。對于人體的平衡測定更加的全面客觀，對于以后的科學研究有一定的借鑒意義。

參考文獻：

[1]程珊，馬進，王濤等.健康青年靜態立位平衡功能的研究[J].現代生物醫學進展，2015，15（03）：458-462.

[2]王紅梅，徐秀林.人體動靜態姿勢平衡能力測試的理論與應用[J]. 中國組織工程研究，2010，14（43）：8095-8098.

作者簡介：沈煒（1993-），男，杭州富陽人，碩士在讀，主要研究方向：醫療儀器的設計。