一种多维度测试人体自主平衡能力的装置及测试方法

本发明设计人体平衡能力测试领域，特别是一种多维度测试人体自主平衡能力的装置及测试方法。

背景技术：

平衡能力是人体的一项重要生理机能，平衡能力测试在医疗实践和竞技运动中日益受到重视，但长期以来由于测试方法多样，测试水平良莠不齐，因而出现了许多滥用和误用现象。

现有技术中，人体平衡能力测试通常参考《国民体质测定标准手册(幼儿部分)》中走平衡木的测试标准，该标准仅适合儿童使用，首先平衡木的宽度是固定的，该宽度仅安装手册中标准制定，脚掌宽度以及身高等因素对测试的影响较大，因此成人不适用于此种测试。

现有技术中，部分设备采用单脚站立的方式测试，另一只脚落地记为测试失败，通过单脚站立的时间判定测试人员的平衡能力，此种测试方法的测试局限性较大，首先测试存在危险性，测试人员容易过分准求通过测试摔倒。另外，该测试方法得到的结果仅有是否通过测试这种单一的测试结果，不能获取测试过程中，测试人员的生理变化情况，不利于后续数据累计和研究。

技术实现要素：

为解决上述问题，本发明提出一种多维度测试人体自主平衡能力的装置，该装置可获取人体平衡测试过程中身体姿态变化、人体注意力变化和中心转移变化等多个数据，根据数据判定人体平衡能力。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。

为实现上述目的，本发明采用的技术方案是：

在第一个技术方案中，一种多维度测试人体自主平衡能力的装置，包括测试台、承托柱、踏板、立架、垂向导轨、滑块、视觉识别摄像头、标的手环和脑电波贴片，其中，所述承托柱水平安装在测试台顶面，承托柱露出测试台的部分为圆柱状，所述踏板主体为平板，踏板的中部向上凸起形成圆弧状的容置槽，所述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，所述容置槽内环面与承托柱外环面的曲率匹配，所述立架设置在测试台的后方，所述垂向导轨安装在立架中部，所述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；

所述标的手环穿戴在测试人员手腕部位，所述视觉识别摄像头可获取标的手环的移动路径；所述脑电波贴片用于贴附在测试人员的前额，以获取测试人员的脑波信息。

在第一个技术方案中，作为优选的，所述测试台顶部对应踏板左右两侧分别设有距离传感器，所述踏板底面对应距离传感器位置设有标的片，所述距离传感器和与其对应的标的片配合，获取踏板左右倾斜的幅度。

在第一个技术方案中，作为优选的，所述承托柱内设有电磁铁，所述踏板上对应电磁铁的位置设有铁条，该电磁铁与铁条配合，增加容置槽内环面与承托柱外环面的摩擦力。

在第一个技术方案中，作为优选的，所述测试台内部对应踏板左右两侧位置分别设有电缸，该电缸的伸出端朝向踏板底面，所述电缸的伸出端可穿过测试台并接触踏板底面。

在第一个技术方案中，作为优选的，所述承托柱顶面具有曲面的安装槽，所述踏板容置槽曲面部分安装在安装槽内，该安装槽用于避免踏板在承托柱上沿承托柱轴向窜动。

在第一个技术方案中，作为优选的，所述测试台内设有控制处理器，多维度测试人体自主平衡能力的装置还包括计算机，其中，

所述距离传感器与所述标的片配合，距离传感器用于获取踏板两侧距离测试台顶面的距离数据；

所述脑电波贴片贴附在测试人员前额，脑电波贴片用于获取测试人员的脑电波频率数据；

所述视觉识别摄像头与所述标的手环配合，视觉识别摄像头用于获取测试人员在平衡测试过程中手臂摆动的位置数据；

所述控制处理器分别与所述距离传感器、脑电波贴片和视觉识别摄像头分别信号连接，以获取距离数据、脑电波频率数据和位置数据，所述控制处理器以测试时间为基准，以距离数据、脑电波频率数据和位置数据对应测试时间获取测试结果数据组；

所述计算机与所述控制处理器信号连接，该计算机获取测试结果数据组并通过内置的存储介质存储测试结果数据组，计算机绘制并显示以测试时间为横轴、测试结果数据组为纵轴的测试结果图表。

在第二个技术方案中，一种多维度测试人体自主平衡能力测试方法，使用第一个技术方案中的多维度测试人体自主平衡能力的装置，包括如下步骤，

步骤1、准备测试：引导测试人员双脚踩踏在踏板左右两侧的踩踏位，将标的手环佩戴在测试人员的双手手腕，将脑电波贴片贴附在测试人员前额，在计算机中输入测试人员的年龄信息，计算机根据测试人员的年龄信息以及对应的预设值，控制电磁铁产生磁力以调节承托柱和踏板之间摩擦力，调节滑块和视觉识别摄像头的高度，使视觉识别摄像头对应测试人员腰部位置，使视觉识别摄像头在测试人员摇晃手臂全过程可获取标的手环为准，完成测试准备工作；

步骤2、进行测试并获取测试数据：发出提示音，在提示音结束后电缸的伸出端下撤，同时距离传感器、脑电波贴片和视觉识别摄像头同时获取测试对应测试数据，距离传感器、脑电波贴片和视觉识别摄像头将测试数据传递到控制处理器进行预处理，预处理得到距离数据、脑电波频率数据和位置数据对应测试时间获取测试结果数据组，预处理的测试数据传递到计算机；

步骤3、测试数据再处理：计算机通过测试结果数据组对数据进行再处理，并将再处理后的数据储存并可视化显示。

在第二个技术方案中，作为优选的，在步骤3后进行步骤4，步骤4、更新平衡能力评判标准：计算机将再处理后的数据发动到云储存平台，云储存平台进行根据测试数据进行平衡能力评判标准迭代，云储存平台将迭代的平衡能力评判标准传递到计算机，对计算机内的可视化评判平衡能力评判标准进行更新。

在第二个技术方案中，作为优选的，

在步骤3中，设定平衡测试时间为60秒，单位数据获取间隔为0.5秒，形成120个数据组，首先处理距离数据，在距离数据小于阈值时，判定该时间段为无效时间，否则为有线时间；

将有效时间段内的距离数据以踏板左右平衡状态的距离数据为基准，形成有效距离数据，计算有效距离数据方差数据，以判断测试人员中心调整幅度；

将有效时间段内的位置数据以有效时间段内的位置数据的平均数为基准，形成有效位置数据，计算有效距离数据方差数据，以判断测试人员手臂摆动幅度；

将有效时间段内的脑电波频率数据以脑电波频率阈值为基准，获取测试人员脑电波频率与有效时间的对应数据；

将有效时间段内，对有效距离数据方差数据、有效位置数据方差数据和脑电波频率数据分别加权计算，并得到加权计算结果，其中有效距离数据方差数据权重大于有效距离数据方差数据权重，有效距离数据方差数据权重大于脑电波频率数据权重；

将加权计算结果除以测试人员年龄数据因子，以获得最终测试人员平衡能力测试结果。

使用本发明的有益效果是：

1.本测试装置可通过脑电波贴片获取测试人员脑电波数据，通过视觉识别摄像头获取测试人员手臂摆动幅度的数据，通过距离传感器获取测试人员中心转移幅度的数据，以多维度的方式计算测试人员的平衡能力。

2.本测试装置在结构上，采用双脚踩踏测试平衡能力的方式，避免测试人员意外跌倒的情况发生。对应儿童、成年人和老年人平衡能力的差别，通过电磁铁和铁条配合的方式，区别化降低测试难度，形成更多有效的测试数据，以计算测试人员的平衡能力。在承托柱上设置安装槽，可更换的踏板，在更换踏板后，距离传感器与标的片位置直接对准，不再需要调整踏板前后位置，避免影响测试结果。

3.本测试方法中，对有效位置数据方差数据和脑电波频率数据分别加权计算，更为准确的测定测试人员的平衡能力，以得到最后的准确的测试结果。

附图说明

图1为本发明多维度测试人体自主平衡能力的装置的结构示意图。

图2为本发明多维度测试人体自主平衡能力的装置中附加装置示意。

图3为本发明多维度测试人体自主平衡能力的装置中电缸位置示意图。

图4为本发明多维度测试人体自主平衡能力的装置中承托柱和踏板配合示意图。

图5为本发明多维度测试人体自主平衡能力的装置中模块连接示意图。

图6为本发明多维度测试人体自主平衡能力的装置中脑电波获取单元的连接示意图。

图7为本发明多维度测试人体自主平衡能力的方法的流程图。

图8为本发明多维度测试人体自主平衡能力的方法中距离数据示意图。

图9为本发明多维度测试人体自主平衡能力的方法中位置数据示意图。

图10为本发明多维度测试人体自主平衡能力的方法中脑电波频率数据示意图。

附图标记包括：

10-测试台，11-承托柱，111-电磁铁，112-安装槽，12-踏板，121-容置槽，122-功能壳体，123-铁条，124-标的片，13-控制处理器，14-距离传感器，15-弹簧，16-电缸，20-立架，21-垂向导轨，30-滑块，31-视觉识别摄像头，32-标的手环，40-脑电波贴片，50-计算机，60-云储存平台。

具体实施方式

为使本技术方案的目的、技术方案和优点更加清楚明了，下面结合具体实施方式，对本技术方案进一步详细说明。应该理解，这些描述只是示例性的，而不是要限制本技术方案的范围。

实施例1

如图1-图6所示，本实施例提出一种多维度测试人体自主平衡能力的装置，包括测试台10、承托柱11、踏板12、立架20、垂向导轨21、滑块30、视觉识别摄像头31、标的手环32和脑电波贴片40，其中，承托柱11水平安装在测试台10顶面，承托柱11露出测试台10的部分为圆柱状，踏板12主体为平板，踏板12的中部向上凸起形成圆弧状的容置槽121，踏板12通过容置槽121搭接在承托柱11的圆弧面上，且踏板12在容置槽121左右两侧形成测试人员踩踏位，容置槽121内环面与承托柱11外环面的曲率匹配，立架20设置在测试台10的后方，垂向导轨21安装在立架20中部，滑块30可滑动的安装在垂向导轨21上，视觉识别摄像头31安装在滑块30上，且视觉识别摄像头31的图像获取方向朝向测试台10方向；标的手环32穿戴在测试人员手腕部位，视觉识别摄像头31可获取标的手环32的移动路径；脑电波贴片40用于贴附在测试人员的前额，以获取测试人员的脑波信息。

弹簧15安装在测试台10顶面，对应在标的片124下方对应的位置，避免标的片124因踏板12和测试台10接触被干扰。功能壳体122包覆在铁条123的外部。

测试台10顶部对应踏板12左右两侧分别设有距离传感器14，踏板12底面对应距离传感器14位置设有标的片124，距离传感器14和与其对应的标的片124配合，获取踏板12左右倾斜的幅度。

承托柱11内设有电磁铁111，踏板12上对应电磁铁111的位置设有铁条123，该电磁铁111与铁条123配合，增加容置槽121内环面与承托柱11外环面的摩擦力。

测试台10内部对应踏板12左右两侧位置分别设有电缸16，该电缸16的伸出端朝向踏板12底面，电缸16的伸出端可穿过测试台10并接触踏板12底面。

承托柱11顶面具有曲面的安装槽112，踏板12容置槽121曲面部分安装在安装槽112内，该安装槽112用于避免踏板12在承托柱11上沿承托柱11轴向窜动。

测试台10内设有控制处理器13，多维度测试人体自主平衡能力的装置还包括计算机50，其中，距离传感器14与标的片124配合，距离传感器14用于获取踏板12两侧距离测试台10顶面的距离数据；脑电波贴片40贴附在测试人员前额，脑电波贴片40用于获取测试人员的脑电波频率数据；视觉识别摄像头31与标的手环32配合，视觉识别摄像头31用于获取测试人员在平衡测试过程中手臂摆动的位置数据；控制处理器13分别与距离传感器14、脑电波贴片40和视觉识别摄像头31分别信号连接，以获取距离数据、脑电波频率数据和位置数据，控制处理器13以测试时间为基准，以距离数据、脑电波频率数据和位置数据对应测试时间获取测试结果数据组；计算机50与控制处理器13信号连接，该计算机50获取测试结果数据组并通过内置的存储介质存储测试结果数据组，计算机50绘制并显示以测试时间为横轴、测试结果数据组为纵轴的测试结果图表。

实施例2

如图7-图10所示，本实施例提出一种多维度测试人体自主平衡能力测试方法，使用实施例1中的多维度测试人体自主平衡能力的装置，包括如下步骤，

步骤1、准备测试：引导测试人员双脚踩踏在踏板12左右两侧的踩踏位，将标的手环32佩戴在测试人员的双手手腕，将脑电波贴片40贴附在测试人员前额，在计算机50中输入测试人员的年龄信息，计算机50根据测试人员的年龄信息以及对应的预设值，控制电磁铁111产生磁力以调节承托柱11和踏板12之间摩擦力，调节滑块30和视觉识别摄像头31的高度，使视觉识别摄像头31对应测试人员腰部位置，使视觉识别摄像头31在测试人员摇晃手臂全过程可获取标的手环32为准，完成测试准备工作；

步骤2、进行测试并获取测试数据：发出提示音，在提示音结束后电缸16的伸出端下撤，同时距离传感器14、脑电波贴片40和视觉识别摄像头31同时获取测试对应测试数据，距离传感器14、脑电波贴片40和视觉识别摄像头31将测试数据传递到控制处理器13进行预处理，预处理得到距离数据、脑电波频率数据和位置数据对应测试时间获取测试结果数据组，预处理的测试数据传递到计算机50；

步骤3、测试数据再处理：计算机50通过测试结果数据组对数据进行再处理，并将再处理后的数据储存并可视化显示。

在步骤3后进行步骤4，步骤4、更新平衡能力评判标准：计算机50将再处理后的数据发动到云储存平台60，云储存平台60进行根据测试数据进行平衡能力评判标准迭代，云储存平台60将迭代的平衡能力评判标准传递到计算机50，对计算机50内的可视化评判平衡能力评判标准进行更新。

在步骤3中，设定平衡测试时间为60秒，单位数据获取间隔为0.5秒，形成120个数据组，首先处理距离数据，在距离数据小于阈值时，判定该时间段为无效时间，否则为有线时间；将有效时间段内的距离数据以踏板12左右平衡状态的距离数据为基准，形成有效距离数据，计算有效距离数据方差数据，以判断测试人员中心调整幅度；将有效时间段内的位置数据以有效时间段内的位置数据的平均数为基准，形成有效位置数据，计算有效距离数据方差数据，以判断测试人员手臂摆动幅度；将有效时间段内的脑电波频率数据以脑电波频率阈值为基准，获取测试人员脑电波频率与有效时间的对应数据；将有效时间段内，对有效距离数据方差数据、有效位置数据方差数据和脑电波频率数据分别加权计算，并得到加权计算结果，其中有效距离数据方差数据权重大于有效距离数据方差数据权重，有效距离数据方差数据权重大于脑电波频率数据权重；将加权计算结果除以测试人员年龄数据因子λ＝，以获得最终测试人员平衡能力测试结果。

实施例3

以下结合实施例1和实施2，对本装置和本方法进行详细说明。

在测试前，首先输入测试人员年龄，测试人员年龄预设为三个分组，分别为青少年组(15-30岁)、中年组(31-60)和老年组(61岁以上)，三组对应的年龄数据因子λ分别为，青少年组年龄数据因子λ为1，中年组年龄数据因子λ为1.1，老年组年龄数据因子λ为1.4。上述年龄数据因子λ的引入是由于随年龄增大，测试人员的平衡能力下降，在测试过程中，如老年人测试时，经常出现失去平衡的状态，产生过多的无效时间，对应产生过多的无效测试数据组。

例如，测试人员输入年龄为65岁时，测试人员年龄落入老年组，对应的老年组年龄数据因子λ为1.4，将标的手环32佩戴在测试人员手腕，调整标的手环32绑定在手腕上，调整滑块30和视觉识别摄像头31的高度，使得视觉识别摄像头31可以识别标的手环32。将脑电波贴片40贴附在测试人员的前额位置，测试人员站立在踏板12上，具体为站立在踏板12容置槽121两侧。此时电缸16处于伸出状态，电缸16的伸出端顶在踏板12的底面，使踏板12保持左右平衡，控制处理器13根据年龄数据因子λ＝1.4，对电磁铁111通电，使得电磁铁111吸引铁条123形成附加引力，以增加承托柱11和踏板12之间的摩擦力，承托柱11和踏板12之间的摩擦力与附加引力之间的关系为线性关系。

提示音做出倒计时提示，倒计时提示结束后，控制处理器13控制电缸16收回，视觉识别摄像头31、脑电波贴片40和距离传感器14同时获取数据，测试过程中，设定平衡测试时间为60秒，单位数据获取间隔为0.5秒，形成120个数据组。

在此过程中，以脑电波获取部分为例，脑电波贴片40获取到脑电波数据后，经过信号放大模块对脑电波模拟数据进行放大处理，放大处理后的脑电波模拟数据进行滤波处理，滤波处理脑电波模拟数据形成平滑的曲线，滤波处理脑电波模拟数据经过模数转换模块后，形成对与测试时间对应的数据组，预处理模块将上述的数据组传递到计算机50内，并由计算机50内置储存介质储存。本实施例中，信号放大模块、信号滤波模块、模数转换模块以及预处理模块均设置在控制处理器13中，预处理模块可采用单片机作为处理器。距离数据和位置数据的获取方式与脑电波获取部分类似，不再赘述。

如图8-图10所示，本实施例中，以13个数据组为例，详细说明本测试方法。

如图8所示，以踏板12接触到测试台10时距离传感器14检测到的数据值为1，以踏板12平衡状态时距离传感器14检测到的数据值为0，距离传感器14检测到的数据形成数轴，以测试时间为横轴，形成如图8所示的时间和距离数据的图像，其对应的数据如下表1所示，

表1

如表1所示，时间4和时间5的距离数据为1，判定时间4和时间5为无效时间，对应的数据组为无效数据组，即图8中a区域。有效数据组为时间1-时间3，时间6-时间13。对上述有效数据组计算方差结果q1＝0.25018。

如图9所示，以有效时间段内的位置数据的平均数为基准，即纵轴坐标为0，以测试时间为横轴，形成如图9所示的时间和位置数据的图像，其对应的数据如下表2所示，

表2

如表2所示，时间4和时间5的距离数据为1，判定时间4和时间5为无效时间，对应的数据组为无效数据组。有效数据组为时间1-时间3，时间6-时间13。对上述有效数据组计算方差结果为q21＝0.21577，q22＝0.21526，其中q21代表左臂摆动数据的方差，q22右臂摆动数据的方差，q21和q22的平均数q2＝0.215515。

如图10所示，脑电波数据中，当脑电波处于α波(范围8-13hz)阶段时，人体的运作就会更加快速、顺畅、敏锐。本方法中，在有限时间内，计算脑电波数据超过α波下限阶段的占比。脑电波频率与有效时间的对应数据如表3所示，

表3

如表2所示，时间4和时间5的距离数据为1，判定时间4和时间5为无效时间，对应的数据组为无效数据组。有效数据组为时间1-时间3，时间6-时间13。脑电波数据低于α波下限时间的时间点为时间1和时间2，脑电波数据超过α波下限时间占总时间为时间3和时间6-时间13，占比q3＝0.6923。

将有效时间段内，对有效距离数据方差数据、有效位置数据方差数据和脑电波频率数据分别加权计算。本实施例中，因距离数据方差数据直接表示中心偏移程度，因此q1权重最高为12，有效位置数据方差数据q2权重次之为5，脑电波频率数据q3最低为2，计算结果为q＝12q1^-1+5q2^-1+2q3^-1＝12x3.9971+5x4.6455+2x1.4445＝47.9652+23.2275+2.889＝74.0817，即得分为74.0817分。

本实施例以13个数据组为例，在实际测试中，设定平衡测试时间为60秒，单位数据获取间隔为0.5秒，形成120个数据组，可更为准确的获得最后的得分q。

本发明提出一种多维度测试人体自主平衡能力的装置，该装置可获取人体平衡测试过程中身体姿态变化、人体注意力变化和中心转移变化等多个数据，根据数据判定人体平衡能力，测试得到的结论更科学，更准确。

以上内容仅为本发明的较佳实施例，对于本领域的普通技术人员，依据本技术内容的思想，在具体实施方式及应用范围上可以作出许多变化，只要这些变化未脱离本发明的构思，均属于本专利的保护范围。