CN103432677B - 清醒度维持装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种清醒度维持装置，所述清醒度维持装置为头戴式装置，由传感控制器和套在头部的头戴式载体组成，通过机械固定和电气连结成为一体；所述传感控制器包括MEMS陀螺仪、控制模块、电源模块，所述头戴式载体包括振动模块及承载振动模块的可戴载体；所述MEMS陀螺仪对三轴角速度信号进行实时数据采集和数据处理；所述控制模块计算和识别人员头部动作的类别，并执行与头部动作对应的指令操作；所述振动模块向人员提供清醒振动刺激。本发明装置可实现方便及时的清醒振动刺激，且振动模式可选，振动强度、频率可调，刺激效果显著持续，有利于维持人员良好的清醒度，应用场合广泛。

Description

清醒度维持装置

技术领域

本发明涉及清醒度维持应用领域，特别涉及清醒度维持装置。

背景技术

困倦是人体常见的生理现象，即使人员充分休息，但在单调枯燥的环境或特定的时段下也难以避免。倦意产生时，如果不及时进行有效的外来刺激，使人恢复清醒，人员就容易陷入到磕睡中，在某些场合甚至会给人带来安全隐患或不良后果，如驾驶交通工具、值勤、学习等。

目前，国内外众多机构开发防睡驾驶产品，其原理均为监测磕睡时人员的生理特征参量达到设定阈值，本质上是被动地等待人员的清醒度下降到磕睡程度再报警，因而不能有效起到维持清醒的作用；国内已公开一篇关于清醒状态维持装置的专利，专利公开号是CN102473355A，该专利的方法是结合车辆行驶状态，显示用于刺激驾驶员的视觉图像，并产生声音和振动用于刺激，但这种装置结构复杂，需要手动操作，安装使用不便，缺乏便携性，且成本昂贵，不利于广泛应用推广；国内另一篇公开的关于头脑清醒器的专利，专利公开号是CN2335598Y，该专利采用两个温度不同的半导体致冷器冷端与头部接触，使人保持清醒，其缺点是需要手动操作，缺乏便携性，起效缓慢，且冷端接触刺激没有变化导致易丧失刺激效果。

发明内容

本发明提供一种清醒度维持装置，装置佩戴在人员头部，能识别人员的有效头部动作并将其转换为操作指令，在人员任何有清醒刺激需求的时刻，不须动手操作，通过便捷的头部动作，即可立即对头部实施振动清醒刺激，且可调节刺激振动模式、振动强度和交替振动频率，刺激效果显著持久，便携性强，能有效迅速提升人员的清醒度。

为实现上述方案，本发明的一个形态的清醒度维持装置是，所述清醒度维持装置为头戴式装置，由传感控制器和头戴式载体组成，传感控制器和头戴式载体通过机械固定和电气连结成为一体；所述传感控制器包括MEMS陀螺仪、控制模块、电源模块，MEMS陀螺仪的安装应保证其X、Y、Z三轴方向分别与人员头部的左右、前后和上下方向保持一致；所述头戴式载体可套在头部，包括振动模块及承载振动模块的可戴载体，振动模块包括不少于两只的振动元件，可戴载体的结构形状满足覆盖头脑轮廓并能稳定佩戴，各振动元件沿可戴载体的形状在其内部合理均匀布置，与头脑皮层通过柔性介质保持接触。

所述清醒度维持装置内部模块的作用是：

MEMS陀螺仪，对装置三轴角速度信号进行实时数据采集和数据处理，供控制模块读取。

控制模块，读取MEMS陀螺仪所采集三轴旋转角速度数据，识别头部动作的运动轴和方向，并根据积分计算所得三轴的运动角度与角度阈值的比较结果，综合判定发生单向头部动作的类别；执行与头部动作对应的指令操作。

振动模块，包括多只振动元件及各自的驱动电路，接收控制模块输出的振动信号，向人员头部提供清醒振动刺激。

电源模块，包括充电接口、锂电池、电源指示灯和电源开关键。

所述清醒度维持装置的内部模块的工作原理是：

控制模块在运行中读取MEMS陀螺仪所采集在X、Y、Z三轴上的旋转角速度数据，识别头部动作的运动轴和方向，并根据积分计算所得X、Y、Z三轴的运动角度与角度阈值的比较结果，综合判定单向头部动作的类别。

控制模块通过监测动作组合中的单向头部动作的顺序，及完成动作组合的总时间，分别与设定的动作组合和时间比较，判定组合头部动作的类别。

控制模块识别常用的单向头部动作的类别，包括右转头、左转头、抬头、点头、右侧头、左侧头；常用的组合头部动作类别，包括摇头。

装置预先赋予各类别头部动作操作指令属性，包括单向头部动作和组合头部动作，其中单向头部动作的操作指令属性只在清醒振动刺激持续期间方可有效。

装置以具有一定复杂度的组合头部动作作为启动或停止清醒振动刺激的指令，避免经常性的单向头部动作误触发清醒振动刺激，违背人员的真实意愿。

定义一个组合头部动作具有启动清醒振动刺激的指令属性，另一个组合头部动作具有停止清醒振动刺激的指令属性。两个用于启停的组合头部动作可以互不相同，也可以完全相同。

常用的组合头部动作类别包括摇头。

已定义为启动振动刺激指令属性的组合头部动作发生一次时，控制模块启动清醒振动刺激并维持；已定义为停止振动指令属性的组合头部动作一次时，控制模块停止清醒振动刺激。

控制模块可选择多种振动模式对各振动元件实施有序的振动控制，所述振动模式为根据各振动元件的空间位置，以预定的振动排列顺序，通过控制模块以I/O端口与振动元件一一对应的方式，在时域上向各振动元件分配交替的清醒刺激振动信号，使头脑皮层各部位按特定的顺序接受振动刺激；所述振动模式以子程序的形式存储于控制模块的存储器中，供程序调用。

定义一对方向相反的单向头部动作具有更换振动模式的指令属性，用于更换清醒刺激振动模式；在清醒刺激启动后，单向头部动作每发生一次，控制模块更换一个清醒刺激振动模式；该对方向相反的单向头部动作分别控制更换刺激振动模式存储序号排列的前后两个方向。

控制模块通过改变清醒刺激振动信号占空比，调整清醒刺激振动的强度。

定义另一对方向相反的单向头部动作具有调整清醒振动刺激强度的指令属性，用于调整清醒刺激振动的强度；在清醒振动刺激启动后，单向头部动作每发生一次，控制模块调整一个档位的清醒刺激振动强度；该对两个方向相反的单向头部动作分别控制振动强度调整的高低两个方向。

控制模块通过改变清醒刺激信号在各振动元件间交替输出的时间间隔，调整清醒刺激振动的交替振动频率。

定义另一对方向相反的单向头部动作具有调整交替振动频率的指令属性，用于调整振动模块各振动元件之间的交替振动频率。在清醒刺激启动后，单向头部动作每发生一次，控制模块调整一个档位的交替振动频率；该对方向相反的单向头部动作分别控制各振动元件之间的交替振动频率调整的高低两个方向。

常用的成对单向头部动作包括右转头与左转头、抬头与点头、右侧头与左侧头三对。

本发明的有益效果是：在产生倦意且急需清醒刺激的时刻，人员通过便捷的组合头部动作，即可方便及时地实施清醒振动刺激，并可调整振动强度、频率和模式，不须人手操作，起效迅速，且人脑前后和左右两侧在时域上交替和同步组合的振动变化多端，带给人员奇妙和立体的空间感觉，刺激效果持久性强，有助于迅速去除困倦，恢复清醒意识；装置便携性强，成本适中，利于普及推广应用，具有良好的公共利益。

附图说明

为清楚说明本发明实施例的技术方案，下面对实施例描述中所需的附图作简要介绍，显而易见，下面描述中的附图仅仅是本发明的一个实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以据此获得其他的附图。

图1为本发明中一个实施例的示意图；

图2为本发明中一个实施例的原理方框图；

图3为本发明中一个实施例的工作流程图。

具体实施方式

以下结合附图对本发明的原理和特征进行描述。显然，所描述的实施例仅仅是本发明的部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在不脱离本发明本质和精神的情况下所获得的所有其他实施例，都属于本发明公开和保护的范围。

图1是本发明中清醒度维持装置的一个实施例的示意图，所述清醒度维持装置为头箍式结构，套在人员头上。清醒度维持装置由传感控制盒100、头箍110、扁平振动马达120和扣带130组成，传感控制盒100固定在头箍110的前方，盒内集成MEMS陀螺仪200、控制模块210、电源模块230，MEMS陀螺仪200的安装应保证其X、Y、Z三轴方向分别与人员头部的左右、前后和上下方向保持一致，盒体上设有电源开关键101、电源指示灯102及电池充电插口103；六只扁平振动马达120，按照人员头部的左右两侧分布的形式，安装在头箍110的内部，并与传感控制盒100进行电气连结；扣带130用于调节佩戴头箍110的松紧程度；头箍110采用柔性材料，使扁平振动马达120的振动能量能够被传递到头脑皮层。

图2是本发明中清醒度维持装置的一个实施例的原理方框图，所述清醒度维持装置的功能模块包括：MEMS陀螺仪200、控制模块210、振动模块220、电源模块230；MEMS陀螺仪采用美国InvenSense公司的MPU-6050产品，控制模块采用单片微机，振动模块采用六只微型扁平振动马达120。

清醒度维持装置启动后，控制模块210执行应用程序，从MEMS陀螺仪MPU-6050专用寄存器中读取在X、Y、Z三轴上的旋转角速度数据，根据数据的正负极性判定头部动作的方向，再对旋转角速度进行数学积分，计算出头部动作在X、Y、Z三轴上的旋转角度，分别与X、Y、Z三轴上的角度阈值比较，比较结果用于判定动作是否有效及动作类别。

单向动作的判定条件是：

当Z轴旋转角速度ωz为正，且计算旋转角度Yaw大于角度阈值Yaw 0时，控制模块210判定发生右转头动作。

当Z轴旋转角速度ωz为负，且计算旋转角度Yaw大于角度阈值Yaw 0时，控制模块210判定发生左转头动作。

当X轴旋转角速度ωx为正，且计算旋转角度Pitch大于角度阈值Pitch 0时，控制模块210判定发生发生抬头动作。

当X轴旋转角速度ωx为负，且计算旋转角度Pitch大于角度阈值Pitch 0时,并在设定的时间T0内检测到X轴的旋转角速度ωx由负转为正时，控制模块210判定发生点头动作。T0一般设定为1秒。

当Y轴旋转角速度ωy为正，且计算旋转角度Roll大于角度阈值Roll 0时，控制模块210判定发生右侧头动作。

当Y轴旋转角速度ωy为负，且计算旋转角度Roll大于角度阈值Roll 0时，控制模块210判定发生左侧头动作。

组合头部动作的判定条件是：

当控制模块210检测到在设定时间T1内发生右转头与左转头两次以上的交替变化时，判定为发生摇头动作，T1一般设定为1秒。

在符合动作和思维习惯的前提下，装置预先定义各类头部动作的操作指令属性，以满足应用程序开发和人员对装置使用的需求。

本实施例定义相同的摇头动作分别作为启动和停止清醒振动刺激的指令动作；定义抬、点头分别为提升、降低振动强度的指令动作；定义右、左转头动作分别为提高、降低振动交替频率的指令动作；定义右、左侧头动作分别为向前、后更换振动模式的指令动作。

预先编制多个振动模式以子程序的形式存储于控制模块的存储器中，供程序调用。

图3为是本发明中清醒度维持装置的一个实施例的工作流程图，在按下电源开关101后，电源指示灯102亮，应用程序运行，控制模块210通过MEMS陀螺仪200监测人员摇头动作的发生。在未发生摇头动作的情况下，人员的其他各类头部动作均不触发装置的清醒振动刺激。

当控制模块210监测到摇头动作发生时，视为人员发出启动清醒刺激振动指令，随即按默认的振动模式，向振动模块220发出清醒刺激振动信号，使人员通过敏感的头部皮肤接受振动刺激。清醒振动刺激启动后，控制模块210维持振动刺激。

在施加清醒振动刺激的持续期间，当控制模块210监测到抬头动作发生时，现实情况为人员发出提高振动幅度的指令，控制模块210即通过程序提高清醒刺激振动信号的占空比，提升清醒刺激的振动强度；当控制模块210监测到点头动作发生时，现实情况为人员发出降低振动幅度的指令，控制模块210即通过程序降低清醒刺激振动信号的占空比，降低清醒刺激的振动强度。抬头、点头动作每发生一次，控制模块210调整一个档位的清醒刺激振动强度。

在施加清醒振动刺激的持续期间，当控制模块210监测到右转头动作发生时，现实情况为人员发出提升交替振动频率的指令，控制模块210即通过程序减少交替输出清醒刺激信号之间的时间间隔，提升交替振动频率，并向各扁平振动马达120发送；当控制模块210监测到左转头动作发生时，现实情况为人员发出降低交替振动频率的指令，控制模块210即通过程序增加交替输出清醒刺激信号之间的时间间隔，降低交替振动频率，并向各扁平振动马达120发送。右转头、左转头动作每发生一次，控制模块210调整一个档位的交替振动频率。

在施加清醒振动刺激的持续期间，当控制模块210监测到右侧头动作发生时，现实情况为人员发出向后更换振动模式的指令，控制模块210即暂停输出当前振动模式的清醒振动信号，按序号排列从存储器中调用后一个振动模式，通过程序输出对应的清醒振动信号；当控制模块210监测到左侧头动作发生时，现实情况为人员发出向前更换振动模式的指令，控制模块210即暂停输出当前振动模式的清醒振动信号，按序号排列从存储器中调用前一个振动模式，通过程序输出对应的清醒振动信号。

清醒振动刺激的持续时间在设定时间T2内可由人员自主控制。当控制模块210监测到摇头动作发生时，视为人员发出停止振动刺激的指令，随即停止向各扁平振动马达120发送刺激信号。

当清醒振动刺激启动后的计时到达设定时间T2时，控制模块210停止向各扁平振动马达120发送刺激信号，T2一般取值为30-60秒。

Claims (7)

1.一种清醒度维持装置，其特征是：所述清醒度维持装置为头戴式装置，由传感控制器和头戴式载体组成，传感控制器和头戴式载体通过机械固定和电气连结成为一体；所述传感控制器包括MEMS陀螺仪、控制模块、电源模块、MEMS陀螺仪的安装应保证其X、Y、Z三轴方向分别与人员头部的左右、前后和上下方向保持一致；所述头戴式载体包括振动模块及承载振动模块的可戴载体，振动模块包括不少于两只的振动元件，可戴载体的结构形状满足覆盖头脑轮廓并能稳定佩戴，各振动元件沿可戴载体的形状在其内部合理均匀布置，与头脑皮层通过柔性介质保持接触；

所述清醒度维持装置的控制模块读取MEMS陀螺仪所采集的三轴旋转角速度数据，识别头部动作的运动轴和方向，并根据积分计算所得X、Y、Z三轴的运动角度与角度阈值的比较结果，判定单向头部动作的类别，包括抬头、点头、右转头、左转头、右侧头与左侧头；通过监测动作组合中各单向头部动作的完成顺序，及完成动作组合的总时间，分别与设定的动作组合和时间比较，判定组合头部动作的类别，包括摇头。

2.根据权利要求1所述的一种清醒度维持装置，其特征是：采用组合头部动作作为启动和停止振动的指令；已定义为启动振动指令属性的组合头部动作发生一次时，控制模块启动清醒振动刺激并维持振动；已定义为停止振动指令属性的组合头部动作发生一次时，控制模块停止清醒振动刺激；在清醒振动刺激启动后的计时到达设定时间时，控制模块停止清醒振动刺激。

3.根据权利要求1所述的一种清醒度维持装置，其特征是：控制模块以多种振动模式对振动模块的各振动元件实施有序的振动控制，所述振动模式为控制模块按照各振动元件的空间位置，以一定的振动排列顺序，通过控制模块微处理器多个I/O端口，以I/O端口与振动元件一一对应的方式，向各振动元件输出在时域上组合了交替与同步的清醒刺激振动信号；所述振动模式以子程序的形式存储于控制模块的存储器中，供程序调用。

4.根据权利要求1所述的一种清醒度维持装置，其特征是：控制模块通过改变清醒刺激振动信号占空比，调整清醒刺激振动的强度；控制模块通过改变清醒刺激信号在各振动元件间交替输出的时间间隔，调整清醒刺激振动的交替振动频率。

5.根据权利要求1所述的一种清醒度维持装置，其特征是：在清醒振动刺激启动后，以一对方向相反并已定义为调整振动强度指令属性的单向头部动作调整振动强度；单向头部动作每发生一次，控制模块调整一个档位的振动强度；一对方向相反的单向头部动作分别控制振动强度调整的高低两个方向。

6.根据权利要求1所述的一种清醒度维持装置，其特征是：在清醒振动刺激启动后，以一对方向相反并已定义为调整交替振动频率指令属性的单向头部动作调整振动模块各振动元件之间的交替振动频率；单向头部动作每发生一次，控制模块调整一个档位的交替振动频率；一对方向相反的单向头部动作分别控制振动模块各振动元件之间的交替振动频率调整的高低两个方向。

7.根据权利要求1所述的一种清醒度维持装置，其特征是：在清醒刺激启动后，以一对方向相反并已定义为更换振动模式指令属性的单向头部动作更换振动模式；单向头部动作每发生一次，控制模块更换一种振动模式；一对方向相反的单向头部动作分别控制更换振动模式序号排列的前后两个方向。