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財團法人自行車工業研究發展中心
委託學術機構研究計畫結案報告
計畫名稱:平衡訓練軟體與健康管理系
統之研發
執行期間:96 年 3 月 至 96 年 12 月
計畫主持人: 羅見順
執行機構:國立虎尾科技大學
中華民國 96 年 12 月 21 日
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目錄 緒論...................................... 1
主要器材.................................. 3
軟體架構與說明............................ 4
參考文獻.................................. 10
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緒論
根據衛生署國民健康局調查,跌倒是老人事故傷亡的第二大主
因,全台灣地區 65 歲以上老人跌倒盛行率達 20.5%,230 萬名老人
中有 47 萬名老人跌倒過,其中有四分之一即 12 萬 5 千人跌倒後受
傷,「老人跌倒的結果往往超過預期所想的嚴重,加上復原慢,容易
造成惡性循環」。(來自:銀髮健康遠距照顧家族俱樂部)
在『增進老年人平衡功能-預防跌倒』一文內指出,平衡感的減
退是老化過程中的重要的指標之一,一般健康成年人在 60 歲過後便
開始有平衡感減退的初期表徵,之後會更加速退化,而改善的方法之
一來說,運動則是可促進老年人的平衡感,而有垂直或水平方向的移
動及需要耐力和快速轉的運動,對老年人的平衡感較有幫助。
本計畫參考國內醫學復健相關研究文獻,針對靜態平衡、動態平
衡、綜合平衡,設計了此款可練習且可檢視的軟體;並延伸開發出多
媒體互動式遊戲,供玩家進行遊戲的同時,也達到訓練平衡感的功能。
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軟硬體架構 本計畫中所使用的平衡訓練機由財團法人自行車工業研究發展
中心自行研發,包括一個可站立之平衡平台,可透過 USB介面連接至
一部主機與螢幕,在主機其上設計一套專用平衡訓練軟體,來協助使
用者做平衡訓練。
圖 1、系統軟硬體架構
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平衡訓練軟體架構與說明 平衡訓練軟體架構設計如圖 2所示,其中包括訓練模式、檢視模式與
遊戲模式。訓練模式與檢視模式中共包括三種主要的平衡訓練方式,
其中包括靜態平衡、直線平衡與綜合平衡。訓練模式提供給使用者初
次使用基本訓練使用,使其透過練習熟悉三種平衡方式。檢視模式提
供給使用者做檢測使用,讓使用者透過檢測計分來評估使用者的平衡
能力。
圖 2、軟體功能架構圖
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平衡訓練與檢測方法
靜態平衡 檢測第一關-反光點平衡
這一類為靜態站立平衡能力。
首先讓使用者先靜止站立,眼睛看著螢幕,在視覺進入腦中後,由肢體反應壓移
球體至適當位置,來檢測使用者是否可以照視覺上面的方向作壓移動作,可探討
身體壓力中心晃動情形。
進行過程
畫面一開始會有八個暗點與中央的主球
利用腳踏板傾斜的方向來移動中央的主球,以主球觸碰四周的光點以熄滅該光
點,每次消滅一個光點必頇返回原位,準備下一次的行動,必頇在限定時間內完
成固定次數的動作,方可過關。
計分公式:
0~90秒過關:100分
90~120:80分
120~150:60分
超過 150:0分
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第二關: 檢測第二關-直線平衡
這一類為動態平衡能力。
讓使用者站在板子上,眼睛看著螢幕,而螢幕內的直線板會稍微移動,在視覺進
入腦中後,由肢體反應壓移板子回歸直線前進,來檢測使用者是否是可以依照直
線往前進行,可探討外力干擾下維持平衡的反應。(9.Relative Contributions of
Balance and Voluntary Leg-Coordination Deficits to Cerebellar Gait
Ataxia.pdf)
檢測過程
畫面一開始會有直線平衡板與紙球於正中央,檢測者需利用腳踏板控制底下
的平衡板,只要腳踏板傾向某個方向,畫面裡的平衡板也會跟著該方向傾斜,紙
球會受到引力而移動,要盡量保持球的位置於正中央直到終點,主要測試人體在
前傾的狀態下是否能持續維持平衡。
研究過程
本次檢測主題為人體保持前傾能否持續保持平衡,故取消後退的功能,也就
是踏板往後也不會有所動作,只針對前傾的狀態做檢測。
首先,必頇將相關的物件進行 physicalize,並注意所對應的 mesh 是否正
確,並設置 Modify Physics Globals 重力參數為 -9.81,模仿地球上之萬有引
力的效果進行計算,設定好後才能達到藉由木板傾斜使球體滾動的效果,且搭配
設計好的 Grid後做計分與出界的判斷,再配合 Get Square From 3D pos 偵測主
球當時所處的位置,針對參數進行 TEST運算是否偏離中央,並依不同的區域設
不同的扣分基數,直到抵達終點後,匯入 Score Array 進行加總運算,並轉換場
景(Launce Secne)到第三關。
為了偵測人體傾斜時的微量變化,故設限木板的傾斜角度極限為 2度,藉此
關察微小變化。在 VT環境下的角度參數:π/180徑度=1度度≒0.0175,Set Euler
Orientation控制木板的 3D Frame角度,並設 x、y參數並乘上 0.0175(還原成
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度數方便調整)來調整木板傾斜角度,當接收到輸入訊號時(搖桿方向鍵或鍵盤方
向鍵)進行累加,並用 Threshold限制 X、Y 軸參數之最大值與最小值為2。
計分公式:
保持在中央跑道: -0分
在次要的左右跑道上: 每 0.5秒 -1分
在次要的左右跑道上(更外圍): 每 0.5秒 -3分
在最外圍跑道: 每 0.5秒 -7分
掉落跑道外:直接零分結束。
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第三關: 檢測第三關-綜合平衡
這一類為自我干擾平衡能力
使用者站在板子上,眼睛看著螢幕,螢幕內的球體落下後,控制板子將球體移至
中心空洞落下,此可檢測前傾、前伸等綜合平衡的自主動作。(7.Dynamic
Regulation of Sensorimotor Integration in Human Postural Control.pdf)
檢測過程
一開始畫面會有一個中心打洞的木板,木板會對應著腳踏板一起傾斜,需藉
由控制腳踏板來改變木板的角度,系統會派出一個球,檢測者需藉由改變木板傾
斜的方向角度來達到球滾動的效果,且使球能順利的滾進木板中心的洞口,若成
功達成,系統會逐漸增加球的個數,直到五顆球都能順利控制進中央後,即完成
測試。
研究過程
本次檢測主題為多方面的綜合,需控制方向調整球的動向,還要即時控制傾
銷角度,防止球彈跳出去,需要多項平衡技巧,故稱綜合訓練。木板使用 Motion
controller,並設定 Force使木板浮空,並依照第二關所提的技術限制木板轉動
的角度。計分觸發使用 Grid設置區域,當球觸碰到指定的網格時,便會進行判
斷是得分或是出界。並將五顆球分別附與不同的質量與摩擦力,增加球滾動時的
差別。
記分公式:
(進入中央之球數/所有的球數)*100=所得分數
當有一個球掉出則需再次挑戰,若四次重玩機會用完後,則強制結束給分。
本程式使用 Virtools 開發平台編寫。
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平衡遊戲設計
遊戲內容
玩家扮演著一個靈魂被困在球體裡的冒險家,玩家可以藉由腳踏板的傾斜方
位來控制球體的移動,途中會遇到各種險峻的路段,與大自然的力量阻止玩家前
進,此時玩家可以考慮藉由撞擊其他球體物件,來交換主體以渡過難關。以下為
重要關卡說明:
1. 坑洞斜坡
坑洞斜坡,可以換成質量較輕的木球,藉由快速的滾動越過小洞。
2. 磁鐵貓與厚重木門關卡
厚重的木門頇靠質量重的鐵球推動,但是調皮的磁鐵貓擋在門前,鐵球根本無法
通過,此時要先利用非鐵質的球,繞過山道啟動機關,讓磁鐵貓腳下的木橋掉落,
顧著玩磁鐵的磁鐵貓當然也無法幸免於難。
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4. 游渡湖泊
木門被推開後,映入眼廉的竟是一片湖泊,這時充滿氣體的皮球可大顯神威了,
藉大自然阻力為助力通過難關;
5. 勾刺樹洞
充滿勾刺的樹洞,表皮不夠堅硬的球體可是會遭殃,換成剛猛的鐵球,或勉強能
承受住勾刺的木球皆可通過;
6. 旋轉石橋
旋轉石橋考驗玩家的技術,要抓準時機快速通過。
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7. 風之谷
風谷底下吹起強烈陣風,玩家可換成質量重的鐵球便可安然渡過;
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8. 快速轉彎
終於到了最後一關,高速馳騁的快感,小心啦,別樂過頭了,轉彎處還是要記得
減速喔。
9. 遊戲結局
通過之後總算來到了盡頭,主角會找到變回人類姿態的辦法嗎?
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參考文獻
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---林銀秓 國立師範大學體育學系碩士論文
2. 老年人之周全性評估
---張家銘、蔡智能 國立成功大學醫學院附設醫院 內科部 老年科
3. 增進老年人平衡功能
---蔡文鐘醫師 林口長庚醫院復健科
4. 老人跌倒之評估
---陳晶瑩醫師、陳慶餘主任 台大醫院家庭醫學部
5. 平衡運動平台的系統控制與設計
---李金育 國立成功大學醫學工程研究所碩士論文
6. 內政部衛生署:衛生統計
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