文摘

介绍了OptiPush生物反馈系统的设计和验证,商用,handrim生物力学检测轮系统记录并提供stroke-by-stroke生物反馈和11推进目标变量。测试系统的显示准确的测量轮角误差(0.02%),车轮速度误差(0.06%),和handrim负载。最大的错误在静态力和力矩测量分别为3.80%和2.05%,分别。测量部队也发现高度线性斜率(0.985 < < 1.011)和高度相关的引用部队(r²> .998)。动态测量平面的部队(和)和轴扭矩也低误差(0.83−0.96 N N力为0.10到0.14 Nm扭矩),高度相关(r与预期力和扭矩值> .986)。总的来说,OptiPush生物反馈系统提供准确的测量轮动力学和handrim生物力学,可能是一个有用的工具为提高手动轮椅推进。

1。介绍

手动轮椅推进的研究进展在过去的几十年里,所以有工具用来评估和改善推进。轮椅推进的早期调查集中在生理能源成本(1- - - - - -3使用常见的医疗设备如肺活量计)。1976年,布鲁巴克和罗斯(4执行第一个调查的轮椅handrim加载使用定制的测试站。站包括一个检测光束,可以测量切向力应用于handrim。其他早期测量所涉及的handrim动力学相似,检测装置(5,6]。轮椅推进研究的不断进步,包括动作捕捉技术的公司(7和惯性辊系统8,9),导致独立的发展,检测轮(10- - - - - -13]。

几个研究小组已经开发出检测轮系统可以测量三维handrim力和力矩(11- - - - - -13]。两个系统(12,13)是在一个商业,6自由度负载细胞。在这两种设计,负载细胞安装车轮的中心,和一个接口板高度handrim负载细胞。SmartWheel第三系统,使用一个数组的应变仪,连着三梁连接handrim轮,和光学编码器测量handrim动力学以及车轮角和速度(10,11]。由罗里·库珀博士和他的同事在匹兹堡大学,SmartWheel是商用通过三条河流控股有限责任公司(美国AZ台面)和已经被许多研究者和临床医生学习手动轮椅推进和使用(14- - - - - -17]。

虽然每个检测轮系统展示了良好的精度和线性度,以及测量典型的推进力和力矩的能力,他们的能力是有限的改善推进技术。没有一个系统提供实时反馈选择变量更容易解释的格式。SmartWheel软件可以显示实时的切向力和速度以及一组计算变量包括峰值力,推动长度,和节奏;然而,显示不能分离变量或显示性能目标,使得用户很难理解和他们应该改善多少。插装轮子的局限性也归因于固定车轮直径。SmartWheel可用在多种尺寸,从22′′到26′′,但是每个尺寸需要购买额外的轮子。研究人员,临床医师,用户可以受益于一个更通用的工具,促进改善轮椅推进生物力学。

扩大在以前的系统,我们开发了一种新的检测轮系统,名叫OptiPush生物反馈系统,测量handrim生物力学和为各种各样的轮椅用户提供实时生物反馈。系统旨在推进生物力学研究,帮助培训用户提高他们的推进技术。随着OptiPush与临床医生和研究人员已经得到普及,它是重要的细节设计和测量精度。本研究的目的是(1)描述OptiPush系统和(2)的设计验证OptiPush测量车轮的角,速度,和三维handrim力和力矩。

2。材料和方法

2.1。机械设计

OptiPush轮(图1)是由太阳CR20轮(太阳组件、密尔沃基WI,美国),修改后的中心,handrim,安装支架,三个铝横梁,一个仪表模块(IM)。我房屋设备的传感器和电子元件(在下一节中描述)。测量负载应用到handrim, IM连接直接handrim通过安装支架和横梁。梁的长度的支架可以调整,以适应不同handrim大小。每个梁的外端固定在三种修改handrim选项卡。IM-handrim大会是直接通过IM螺纹安装在车轮轮毂板。这种模块化仪器系统设计允许将不同大小的轮子(20′′,22′′,24′′,25′′,和26′′直径)。对于一个25′′(559毫米),OptiPush轮的总质量是6.0公斤。一旦组装,轮安装在轮椅上的紧缩的边锋轴轴接收器。

2.2。电气设计

OptiPush轮措施handrim加载使用商用6自由度负载细胞(三角洲;ATI工业自动化、顶点、数控、美国)。全程机械负荷极限负载细胞770牛顿(N)的部队在飞机轮(和),2310 N的力垂直于这个平面轮(),和70年牛·米(Nm)对所有三个轴扭矩。一个绝对旋转编码器(马;我们数字,温哥华,佤邦,美国)用于测量车轮角。编码器轴位置报告连续超过360°,没有缺口。蓝牙模块(BlueSentry rn - 800;粗纱网络,Inc . CA的洛斯加托斯市,美国),和一个8通道,16位模数转换器样品称重传感器和编码器信号,并将它们转换成一个蓝牙数字数据流。接收到数据流(使用蓝牙适配器)和记录由一个指定的计算机运行OptiPush软件。OptiPush轮内的所有组件都是由一个7.4 V 2600 mAh锂离子充电电池,可提供电源充电前三个多小时。两个电压调节器为每个组件创建所需的电压。

2.3。OptiPush软件

OptiPush软件记录、保存和显示的数据OptiPush轮。在200赫兹和过滤数据采样的四阶巴特沃思数字低通滤波器20 Hz截止频率18]。测量设置试验是用来确定每个负载细胞通道的动态补偿。数据采样,动态补偿和负载细胞移除校准矩阵应用于原始电压,导致的力和转矩输出(19]。数据划分为中风周期基于绝对扭矩对轮轴()。中风周期始于推动阶段,时期超过1海里,以恢复(或海岸)阶段,这个时期低于1纳米(图2)。

OptiPush软件包括多变量生物反馈、一本小说除了检测轮椅轮技术。使用武力、转矩和车轮角数据,软件计算11生物反馈变量:制动力矩,抑扬顿挫,海岸,接触角,影响,峰力、最大转矩、功率输出,推动距离,平滑度和速度(表1)。每个变量可以显示在一个条形图格式(图3)的运行平均过去5中风。目标价值可以设置为帮助轮椅使用者达到或维持所需的值。节奏,听觉beep也是可用的。这个生物反馈的有效性已被证明在一个单独的研究中,受试者能够利用生物反馈的重要和有针对性的改进推进几个指标(20.]。

2.4。系统验证

进行了静态和动态测试验证的能力OptiPush生物反馈系统精确测量轮角度,速度,和handrim力量和扭矩。对于所有动态测试,OptiPush轮在右边的XTR的轮椅(日出医疗、生有限公司),并连接到电动轮椅,轮椅可以跑步机(21]。右边的选择是任意的。系统的有效性被认为是独立于安装一边。两个安全肩带附加到前面的轮椅上,以防止它发展脱离带或向后倾斜。

2.5。轮角度测量

跑步机是运行在一个恒定的速度约为0.7 m / s。轮子的革命(有效直径:635毫米)手动计算,而OptiPush软件记录车轮角。跑步机是100转后停止计算。轮方向在启动和停止位置测量。方向盘角度衡量OptiPush软件相比,角计算车轮的革命。

2.6。速度的计算

OptiPush轮速度计算角速率乘以轮直径;因此,验证需要确定两个角速度的准确性(的变化率轮角)和车轮直径。鉴于之前验证轮角,OptiPush速度计算的准确性是基于实验计算的可变性轮直径的五个不同OptiPush轮尺寸(508毫米,559毫米,610毫米,635毫米,660毫米的有效直径)。所有轮胎充气的推荐的轮胎压力758帕(110 psi)。模拟典型的条件,一个85公斤的成年男性坐在轮椅上,这是安全的跑步机。跑步机的速度是大约1 m / s和运行,持续30秒。试验过程中,跑步机上带的革命和OptiPush轮数。为每个车轮的大小进行了两个试验。使用两组革命和跑步机皮带长度,转轮直径(D)计算 皮带的长度是5.69米。车轮直径的误差就确定两者之间的差异百分比计算。

2.7。力和扭矩测量

部队沿着首尾()和superior-inferior ()轴和转矩medial-lateral ()轴与静态和动态测试验证,而沿着medial-lateral力()轴和首尾的力矩()和superior-inferior ()轴与静态测试验证。对于每个测试,力和力矩测量OptiPush重量比较,位置,和运动(动态测试)的附加载荷。

2.7.1。静态测试

测试,,垂直,OptiPush轮定位,在标准的轮椅的位置。三个参考负荷(109.99 68.04 23.28 N, N, N),类似于以前使用(13),挂在handrim底部在八个不同的轮角度在45°增量(0°-315°),合力在平面上轮()应该等于每个负载的重量。两个小参考负荷(23.28 N和68.04 N)也挂在三种光束在点的附件handrim (handrim半径等于半径的负载)。负载应用之前,梁横向夷为平地可以计算负载的重量乘以handrim半径。测试,,水平,OptiPush轮定位与handrim面临向上。109.99 68.04 23.28 N, N, N负荷被挂在每个三光束产生的值。23.28和68.04 N负荷也挂在handrim这样结合力矩()应该等于每个负载的重量乘以handrim的半径。每一个静态测试持续了约10秒。

2.7.2。动态测试

动态测试是做进一步验证,,在更现实的测试条件。一次,两个物体(1.17公斤和2.30公斤)handrim担保。对于每个质量,跑步机是运行在三个不同的速度(0.5 m / s, 1.0 m / s, 1.5 m / s)至少10轮革命。轮子旋转在跑步机上皮带,附加质量应用一个向下的力(引力)和外部(离心)handrim(图4)。轮子的离心力在平面上(和)和转矩对轮轴()计算以下方程: 在哪里车轮角;车轮的角速度;handrim的半径;附加质量,是质量的角度。后的值和在测试过程中可以是零,错误提出了测量和计算值之间的差异。皮尔逊积差相关系数进行评估的值之间的关系,,。

3所示。结果

3.1。轮角和速度验证

跑步机测试显示良好的车轮角轮速度和准确性。OptiPush能够测量车轮角在总数的0.02%角。对于直径测试,车轮直径的绝对误差不大于0.04%,导致最大轮速度误差为0.06%。

3.2。力和力矩的验证

表2,3,4显示为每个静态测试和测量力百分比差异(错误)的实际值。总的来说,力量的最大绝对误差为3.8%,在转矩和最大绝对误差为2.04%。力的测量在所有三个方向都是高度线性斜率(0.985 < < 1.011)和高度相关的实际力量值()。表5显示了动态力和扭矩测试的结果。的测量值,,与实际的力量(高度相关;)。意味着错误生效范围从0.83−0.96 N N (1.55 N的最大标准差),和平均转矩中的错误范围从0.10到0.14 Nm(最大标准差为0.35海里)。

4所示。讨论

在一系列的静态和动态测试,提供精确的测量轮OptiPush角度,速度,力量和扭矩应用于handrim。错误轮角度和车轮速度都低于0.1%。这些值是在预期的变化在接触角和速度测量,在推动中风(15]。在两轮角的精度和速度依赖于旋转编码器的准确性,实验确认最终的计算是很重要的。唯一的其他检测轮包括一个旋转编码器是SmartWheel,车轮的角和速度测量精度的情况下使用。

力和力矩测量,最大误差分别为3.8%和2.04%,分别。这些错误是factory-determined误差内的负载细胞(每个轴的全面的负载极限的1.5%)和类似的其他仪器的轮子11,13]。这一事实力误差大于转矩误差预计,作为力的全程负载限制测量(770 N和;2310 N)大于负载限制扭矩测量(70海里)。线性度也高,符合先前的系统(11- - - - - -13]。在动态测试,测量,,都是高度相关的计算值。每个测量的误差很小,可以归因于跑步机振动和/或不准确的计算参考质量的影响。由于测量困难的重量中心质量handrim,有质量的相对角度中的错误。而这些错误可能会影响精度计算参考力和扭矩值,他们并不足以值得进一步调查。

5。结论

OptiPush轮和准确性的模块化设计,它可以测量轮角度,速度和handrim力和力矩使OptiPush生物反馈系统评估handrim生物力学的一个有效的工具。未来的调查测试多变量的影响生物反馈和发展培训协议改善推进生物力学。