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

1. 老人動態穩定限度平衡研究

---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

7. Dynamic Regulation of Sensorimotor Integration in Human

Postural Control

---Peterka, Robert J. and Patrick J. Loughlin. Dynamic regulation of

sensorimotor integration in human postural control. J Neurophysiol

91: 410 – 423, 2004

8. Long-Term Retention of Gait Stability Improvements

---Bhatt, T. and Y.-C. Pai. Long-term retention of gait stability

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9. Relative Contributions of Balance and Voluntary

Leg-Coordination Deficits to Cerebellar Gait Ataxia.pdf

---Morton, Susanne M., and Amy J. Bastian. Relative contributions of

15

balance and voluntary leg-coordination deficits to cerebellar gait

ataxia. J Neurophysiol 89: 1844–1856, 2003

10. Sensory-Specific Balance Training in Older Adults Effect

on Proprioceptive Reintegration and Cognitive Demands.pdf

---Kelly P Westlake, Elsie G Culham. 2007 American Physical Therapy

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11. Spatio-Temporal Separation of Roll and Pitch

Balance-Correcting Commands in Humans.pdf

---Gru¨ neberg, C., J. Duysens, F. Honegger, and J.H.J. Allum.

Spatio-temporal separation of roll and pitch balance-correcting

commands in humans. J Neurophysiol 94: 3143–3158, 2005

12. Stimulus-Dependent Changes in the Vestibular Contribution

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---Cenciarini, Massimo and Robert J. Peterka. Stimulus-dependent

changes in the vestibular contribution to human postural control. J

Neurophysiol 95: 2733–2750, 2006.