CN104765952A - 一种刷牙姿态检测与评价系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种刷牙姿态检测与评价系统，包括设在牙刷内部的数据采集模块、数据接收模块、姿态检测模块、数据评价模块和评价结果输出模块，通过这些模块可以检测出刷牙姿态以及牙刷在牙齿上的区域、刷牙时间、震动次数，利用这些信息可以检测和评价用户刷牙动作的正确性，并向用户提供牙齿方面的保健建议等，从而实现培养使用者正确的刷牙习惯，达到智能生活的目的。

Description

一种刷牙姿态检测与评价系统

技术领域

本发明主要涉及智能设备技术，尤其涉及智能牙刷刷牙姿态检测与评价方法。

背景技术

随着社会进步，身体健康越来越被更多人重视，但由于城市生活的快节奏以及不良的生活习惯，人们总是常常因为懒惰而忽视刷牙，这表现在忘记刷牙、刷牙时间不够、刷牙动作不规范，从而导致口腔压齿不清洁，造成很多口腔疾病。通常都是发生口腔疾病才开始注重，但仅通过医生的宣传降解口腔清洁动作规范还是远远不够的，因为难以使普通人引起兴趣，因此仍然存在刷牙不规范，难以坚持下去的问题。

刷牙是使用牙刷去除牙菌斑、软垢和食物残渣，保持口腔清洁的重要自我口腔保健方法，也是人们自我清除菌斑，预防牙周病发生、发展和复发的最主要手段。保持正确的刷牙方法和习惯，可以最大程度的帮助控制牙菌斑，维护口腔健康或延长修复体的使用寿命。但很多人的刷牙方法不正确，表现在，刷牙动作不正确、覆盖面不全、刷牙时间不够等。

本发明公开了一种刷牙姿态的检测和评价系统。此系统包括数据采集模块，数据接收模块、姿态检测模块、数据评价模块。通过这些模块可以检测出刷牙姿态以及牙刷在牙齿上的区域、刷牙时间、震动次数，利用这些信息可以检测和评价用户刷牙动作的正确性，并向用户提供牙齿方面的保健建议等。

发明内容

发明目的：本发明的目的是针对现有技术的不足而提供了一种刷牙姿态检测与评价系统，可以检测和评价用户刷牙动作的正确性，并向用户提供牙齿方面的保健建议等。

技术方案：为了实现发明目的，本发明采用以下技术方案：一种刷牙姿态检测与评价系统，包括设在牙刷内部的数据采集模块、数据接收模块、姿态检测模块、数据评价模块和评价结果输出模块，其中：所述数据采集模块包括加速器、陀螺仪和磁力计，并在刷牙过程中根据预设频率采集数据；所述数据接收模块用于接收数据采集模块采集的数据，并生成固定的数据格式后，通过单个发送或批量发送的方式传递给姿态检测模块；

所述姿态检测模块包括牙刷姿态解析模块、初始位置判断模块、刷牙动作解析模块、刷牙区域解析模块、时间统计模块和震动次数统计模块，其中：

所述牙刷姿态解析模块根据加速器采集的数据计算牙刷的滚动角，并将该滚动角映射成牙刷的姿态，该牙刷的姿态包括刷头朝上、刷头朝下、刷头朝左、刷头朝右；

所述初始位置判断模块根据加速器采集的模块算出滚动角和俯仰角，从而判断牙刷是否在牙齿上规定的初始位置上；

所述刷牙动作解析模块则通过加速器计算刷牙动作，该刷牙动作包括左右刷牙、上下刷牙和静止；

所述刷牙区域解析模块，根据牙刷的初始位置计算获得牙刷相对于牙齿的偏航角，并结合牙刷姿态判断出牙刷处于牙齿上的区域；

所述时间统计模块，则根据刷牙区域解析模块的解析结果统计牙刷在每个刷牙区域上的停留时间，从而获得用户刷牙的总时长和各区域的分时长；

所述震动次数统计模块，则统计牙刷在每个区域的震动次数；

所述数据评价模块，将姿态检测模块的输出结果与标准刷牙动作模型比较，从而评价用户的刷牙动作正确性，评价指标包括刷牙区域覆盖度、刷牙总时长、各区域刷牙分时长、各区域牙刷震动次数。

所述数据接收模块生成数据格式如下：

数据类型

X轴数据

Y轴数据

Z轴数据

时间戳

所述数据接收模块采用批量数据发送时，生成数据格式如下：

（1）当牙刷处于规定的初始位置时，将压齿分为13个区域，使用9轴传感器得到加速器、陀螺仪和磁力计的数据，并根据传感器融合算法得到欧拉角；接着根据欧拉角中的偏航角判断刷头的朝向，同时根据欧拉角中的滚动角判断刷头所处区域，且在刷牙过程中还通过高斯牛顿方法对欧拉角数值进行自动矫正；

（2）当牙刷不处于规定的初始位置时，将压齿分为4个区域，仅用滚动角并结合刷毛朝向判断刷头处于牙齿上的区域。

有益效果：本发明与现有技术相比，具有以下优点：通过模块可以检测出刷牙姿态以及牙刷在牙齿上的区域、刷牙时间、震动次数，利用这些信息可以检测和评价用户刷牙动作的正确性，并向用户提供牙齿方面的保健建议等，从而能提高使用者正确的刷牙方法和习惯，保持口腔清洁，预防牙周病发生。

附图说明

图1为本发明所述刷牙姿态检测和评价系统的总体流程示意图；

图2为本发明所述姿态检测模块的工作流程示意图。

具体实施方式

下面结合附图和实施例，对本发明的技术方案进行详细说明，但本发明要求保护的范围不局限于实施例表示的范围，故凡依本发明专利申请范围所述的构造、特征及原理所做的等效变化或修饰，均包括于本发明专利申请范围内。

如图1和2所示，本发明公开了一种刷牙姿态的检测系统。此系统包括数据采集模块，数据接收模块、姿态检测模块、数据评价模块。

数据采集模块：该模块是硬件传感器，包括加速器、陀螺仪和磁力计，上述传感器被安装在牙刷内部，用户在刷牙时通过一定频率采集数据。

数据接收模块：该模块主要用来接收传感器数据，包括加速器，陀螺仪和磁力计传来的数据，并且列出数据的格式；对于每一类传感器，采样数据分为X、Y、Z三个轴的数值，传递的数据的分为单个发送和批量发送两种。

对于单个发送，数据格式为：

数据类型

X轴数据

Y轴数据

Z轴数据

时间戳

 数据类型为加速器、陀螺仪或者磁力计等运动传感器。

对于批量发送，根据所选用的传感器，一次性采样多个传感器数据并一次发送，数据格式为：

 3. 姿态检测模块：该模块用来解析各类传感器数据，该模块可以细分成下面几个子模块：

3.1牙刷姿态解析模块：通过加速器数据计算牙刷的滚动角，再将该角度映射成牙刷的姿态。最终得出的牙刷姿态分为四种，分别是刷头朝上、朝下、朝左和朝右。

初始位置判断模块：改模块使用加速器数据算出滚动角和俯仰角，从而判断牙刷是否在牙齿上规定的初始位置。比如可以规定牙刷开始时需要放在门牙上。

刷牙动作解析模块：通过加速器来判断刷牙的动作，该动作包括左右刷牙、上下刷牙以及牙刷是否静止。

刷牙区域解析模块：通过牙刷的姿态和初始位置，可判断牙刷在口腔中的区域， 根据模块（3.2）的输出分两种情况。

（3.4.1）第一种情况是模块（3.2）判断出牙刷处于规定的初始位置，有了初始位置就可以得到牙刷相对于牙齿的偏航角，从而结合模块（3.1）的牙刷姿态可以判断出牙刷在牙齿上的13个区域。

计算偏航角可以分成两种方法,一种是使用9轴传感器,得到加速器,陀螺仪和磁力计的数据，然后使用传感器融合算法得到欧拉角。但因为磁力计极易受到周围磁场的影响，所以此种方法需要考虑到磁力器的矫正。基于牙刷的使用特性，不可能要求用户每次使用前做一次严格的8字旋转来矫正磁力器，所以须采用在正常使用过程中的自动矫正算法，比如高斯牛顿方法。另外一种方法是只使用加速器和陀螺仪，但是需要解决陀螺仪的漂移问题，可以使用某种互补滤波方法。

(3.4.2) 第二种情况是模块（3.2）判断出牙刷不处于规定的初始位置，这种情况下只有滚动角和俯仰角，从而只能通过模块（3.1）的牙刷姿态将牙齿粗略的分成4个区域。（上左，上中，上右合成刷头朝上区域，下左，下中，下右合成刷头朝下区域，左外，右内，门牙合成刷头朝右区域，左内，右外合成刷头朝左区域）。具体而言：使用9轴传感器得到加速器、陀螺仪和磁力计的数据，并根据传感器融合算法得到欧拉角,根据欧拉角中的偏航角可以得出刷头的朝向,因此可以判断出在刷左侧,右侧或是中间的牙齿,根据欧拉角中的滚动角可以判断出刷毛的朝向,因此可以判断出在刷外侧或内侧,上排或下排牙齿。比如, 牙刷初始摆放在门牙上, 假设此时测量的偏航角为0, 并且牙刷向左移动时偏航角增大, 那么当偏航角大于某一个临界值 (比如30度) 时, 可以有效判定此时在刷左侧牙齿。假设刷毛朝上时的滚动角为0,顺时针转动时滚动角逐渐增大,那么当滚动角测量值为180度左右时,可以有效判定此时刷毛朝下。综合以上信息, 可以有效判定此时在刷牙齿的左下咀嚼面。刷牙过程中通过高斯牛顿方法对欧拉角数值进行自动矫正；当牙刷不处于规定的初始位置时，将牙齿分为4个区域，并只用滚动角进行判断, 根据刷毛的朝向可以判断出在刷外侧或内侧,上排或下排牙齿。

时间统计模块：结合模块(3.4)的解析结果和时间戳数据，可以统计牙刷在每个刷牙区域上的停留时间，从而计算出用户的刷牙总时长和各区域的分时长。

震动次数统计模块：根据模块（3.3）的解析结果，可以统计出牙刷在每个区域上的震动次数。

．数据评价模块：根据姿态模块的输出结果，评价用户的刷牙动作正确性。评价指标包括刷牙区域覆盖度、刷牙总时长、各区域刷牙时长、各区域牙刷震动次数。评价模块首先设定一个标准的刷牙动作模型，该标准模型中，规定各指标的满分标准，例如覆盖面指标达到13个为满分，刷牙总时长指标达到3分钟为满分，等等，各指标得分按照比率方式计算。在计算各项指标得分后，采用加权评分方式，计算总得分，给出总体评价。

．评价结果输出：根据评价结果，结合总分和各分项指标得分，给出刷牙评价描述，同时可给出改进建议。

Claims (4)

1.一种刷牙姿态检测与评价系统，其特征在于：包括设在牙刷内部的数据采集模块、数据接收模块、姿态检测模块、数据评价模块和评价结果输出模块，其中：所述数据采集模块包括加速器、陀螺仪和磁力计，并在刷牙过程中根据预设频率采集数据；所述数据接收模块用于接收数据采集模块采集的数据，并生成固定的数据格式后，通过单个发送或批量发送的方式传递给姿态检测模块；

所述姿态检测模块包括牙刷姿态解析模块、初始位置判断模块、刷牙动作解析模块、刷牙区域解析模块、时间统计模块和震动次数统计模块，其中：

所述牙刷姿态解析模块根据加速器采集的数据计算牙刷的滚动角，并将该滚动角映射成牙刷的姿态，该牙刷的姿态包括刷头朝上、刷头朝下、刷头朝左、刷头朝右；

所述初始位置判断模块根据加速器采集的模块算出滚动角和俯仰角，从而判断牙刷是否在牙齿上规定的初始位置上；

所述刷牙动作解析模块则通过加速器计算刷牙动作，该刷牙动作包括左右刷牙、上下刷牙和静止；

所述刷牙区域解析模块，根据牙刷的初始位置计算获得牙刷相对于牙齿的偏航角，并结合牙刷姿态判断出牙刷处于牙齿上的区域；

所述时间统计模块，则根据刷牙区域解析模块的解析结果统计牙刷在每个刷牙区域上的停留时间，从而获得用户刷牙的总时长和各区域的分时长；

所述震动次数统计模块，则统计牙刷在每个区域的震动次数；

所述数据评价模块，将姿态检测模块的输出结果与标准刷牙动作模型比较，从而评价用户的刷牙动作正确性，评价指标包括刷牙区域覆盖度、刷牙总时长、各区域刷牙分时长、各区域牙刷震动次数。

2.根据权利要求1所述刷牙姿态检测与评价系统，其特征在于：所述数据接收模块采用单个数据发送时，生成数据格式如下：

数据类型 X轴数据 Y轴数据 Z轴数据 时间戳

。

3.根据权利要求1所述刷牙姿态检测与评价系统，其特征在于：所述数据接收模块采用批量数据发送时，生成数据格式如下：

。

4.根据权利要求1所述刷牙姿态检测与评价系统，其特征在于：所述刷牙区域解析模块判断牙刷处于牙齿的区域的方法，包括以下两种情形：

（1）当牙刷处于规定的初始位置时，将压齿分为13个区域，使用9轴传感器得到加速器、陀螺仪和磁力计的数据，并根据传感器融合算法得到欧拉角；接着根据欧拉角中的偏航角判断刷头的朝向，同时根据欧拉角中的滚动角判断刷头所处区域，且在刷牙过程中还通过高斯牛顿方法对欧拉角数值进行自动矫正；

（2）当牙刷不处于规定的初始位置时，将压齿分为4个区域，仅用滚动角并结合刷毛朝向判断刷头处于牙齿上的区域。