具体实施方式
一种智能枕头,其结构示意图如图1所示,本发明提供的枕头能够检测使用者睡觉时的脸部姿态,根据脸部姿态调整枕头的高度从而为使用者提供一个舒适的睡眠用品。枕头一般由枕套和枕芯2组成,本文中主要是对枕芯2的改进,为了介绍方便,文中枕头既是枕芯2,枕芯2包括颈部区域3和头部区域4,颈部区域3的高度高于头部区域4的高度。本发明提供的枕头为加长型枕头,设有肩垫1,冬天由于头部在被子外面,很容易肩部受凉导致落枕,有时由于肩部有凉意,从而蒙头睡,但是把头部放在被窝里影响呼吸,呼吸的空气是被窝里不流通的气体,不利于呼吸道健康。所以本发明中在枕头中增设了肩垫1部位,肩垫1活动连接在枕芯2的颈部区域3下,可以选用拉链或者暗扣,连接点设置在颈部区域3下,避免了使用者使用时的异物硌感,天气炎热时可以取下,天冷时安装使用。此外肩垫1的两边角设有两个小的磁铁,睡觉时,睡眠者的无意识翻动就会导致肩垫1掉落,肩垫1出安装两个磁铁在使用时吸合一起围在脖颈处,从而更好的解决了肩部的着凉问题。
如图1所示,枕头的大体形状是波浪状外形,包括向上凸起的适于颈部的颈部区域3和连接在颈部区域3后的放置头部的头部区域4,颈部区域3适合仰卧状态下的颈部状态。但是根据性别、年龄、身高等不同条件,每个人所需要的合适的枕高是不同的,所以本发明中的颈部区域3是空心结构,如图2剖面图所示,颈部区域3内部设有一个空腔5,空腔5内安置了一个增高部6,增高部6可以在空腔5中移动,枕头还包括有控制器7和充气泵,充气泵连接增高部6,控制器7控制增高部6的高度。如图3所示,控制器7通过第一连接杆8、第二连接杆9和第三连接杆10等三个连接杆连接增高部6,控制器7连接第一连接杆8,第一连接杆8通过第一连接体连接第二连接杆9,第二连接杆9通过第二连接体连接第三连接杆10,连接体控制连接杆的正常运动和卡合停止,控制器7安装在枕头的旁边,第一连接杆8伸入空腔5内,第二连接杆9带动增高部6左右移动,第三连接杆10根据控制器7指令带动增高部6前后移动,三个连接杆之间的相互运动配合从而保证了增高部6能够及时的运动到使用者的颈部下,在使用者侧卧的时候或使用者随意移动的时候,枕头及时增高从而保证使用者的舒适性。
第一连接杆8和第三连接杆10是伸缩卡合结构,能够长短伸缩,改变连接杆的长度,第二连接杆9的一侧是中空结构,第二连接杆9通过第一连接体在第一连接杆8的固定下左右运动,即第一连接杆在第二连接杆内,第二连接杆依靠第一连接体左右活动,第二连接体上设有凸起可以固定在第二连接杆9端头内,停止在控制器7的指令位置处,由于第三连接杆10也是伸缩结构,第三连接杆自身的前后伸缩带动增高部6前后移动。此外,由于性别不同、年龄不同、身高不同,导致每个人需要的枕高也是不同的,所以本发明中的增高部6中只有微量的气体,当增高部6移动颈部下时,增高部6的表面设有一个颈部压力传感器,当控制器7监测到颈部压力传感器符合人体的压力数据时才是最佳状态,不符合最佳状态数据时,增高部6开始充气直到颈部压力传感器监测到的数据符合系统中的最佳数据,当控制器7监测到使用者仰卧需要放气时,增高部6放气,保证使用者的最佳使用状态。
为了保证增高部6的及时移动,就需要对使用者的头部状态进行检测,本发明中是对通过对脸部的姿态识别进行头部状态确定。枕头的控制器7中还设置了摄像头进行脸部图像采集,摄像头安装在枕头所在点的上方屋顶或者墙角处,采集视野大,图像清晰,不会由于使用者的随意移动导致采集图像失败。摄像头连接控制器7,控制器7通过分析采集到的图像进行脸部姿态判断,从而推测出头部状态,发出指令到连接体移动增高部6。本发明中摄像头不需要时刻拍照对使用者进行监测,枕头中均匀安置了数个压力传感器,优选情况是,五个传感器安置在枕头的四角与中心,时刻监测枕头受到的压力大小,当控制器7检测到压力大小突变时,摄像头采集图像信息,进行数据分析,增高部6及时移动到使用者的颈下。本发明中采用至少五个传感器是保证了压力传感器在枕头区域中使用者头部的随意移动时都能监测到头部的移动。
为了增大压力检测准确性,为了避免压力检测过程中切向力和法向力之间的相互影响导致的压力检测值准确度不高的问题,而且使用者在使用枕头状态时,枕头的状态不确定,受到头部的挤压,枕头不仅仅受到单独的法向压力,还有斜向力,总体而言枕头受到三维方向的各个方向力的作用,为了提高压力传感器检测的准确性,更好的实现智能枕头自动调整的数据基础,所以本发明中对压力传感器进行了改进。
本发明中采用的压力传感器是电容式三维力传感器,所述传感器包括控制单元、与控制单元分别连接的X方向差动电容单元组合和Y方向差动电容单元组合,所述X方向差动电容单元组合通过电容值相减计算X方向的切向力且消除Y方向切向力影响,所述Y方向差动电容单元组合通过电容值相减计算Y方向的切向力且消除X方向切向力影响,所述X方向差动电容单元组合和Y方向差动电容单元组合的电容值求和计算电容式三维力传感器的法向力且消除切向力影响。所述X方向差动电容单元组合和Y方向差动电容单元组合均包括两个以上相互形成差动的电容单元模块,所述电容单元模块采用由两个以上的条状电容组成的梳齿状结构,每个条状电容包括上极板的驱动电极和下极板的感应电极。所述每个条状电容的驱动电极和感应电极宽度相同,驱动电极的长度大于感应电极长度,驱动电极长度两端分别预留左差位δ左和右差位δ右,b0驱=b0感+δ右+δ左,其中,b0驱为条状电容的驱动电极长度,b0感为条状电容的感应电极长度。所述差位δ左=δ右,且其中d0为弹性介质厚度,G为弹性介质的抗剪模量,τmax为最大应力值。所述两组相互形成差动的电容单元模块的条状电容的驱动电极和感应电极沿宽度方向设有初始错位偏移,错位偏移大小相同、方向相反。所述梳齿状结构包括20个以上条状电容、与条状电容一一对应连接的引线,相邻两条状电容之间设有电极间距aδ。所述平行板面积S=M(a0+aδ)b0,其中,条M为条状电容数量,b0为条状电容的长度,a0条状电容的宽度。所述电容单元模块的每个条状电容的引线通过并联或者独立连接到控制单元。所述条状电容的宽度其中,d0为介质厚度,E为弹性介质的杨氏模量,G为弹性介质的抗剪模量。所述控制单元和电容单元模块之间设有中间变换器,中间变换器用于设置电压对电容或频率对电容的传输系数。
1、条状电容的转换特性
(1)激励信号和坐标系
将条状电容置于图4所示的直角坐标系中,极板平面长度b0、宽度a0、弹性介质厚度d0。三维激励施加于电容极板的外表面,产生的接触式作用力具有Fx、Fy和Fz三个方向分量,Fx和Fy的作用方向沿X轴和Y轴,Fz的作用方向沿OZ轴,即方向,法向和切向应力均为一种应力张量,从电极的引线间即可输出电容的响应;法向应力σn=Fn/A,其中A=a0·b0为极板法向受力面,Fn=Fz为法向分量;两侧表面上产生成对的切向应力τx=Fx/A,τy=Fy/A。
根据弹性力学中的虎克定律,σn和τx,τy都将使弹性体产生相应的变形。其中,
式中,E为弹性介质的杨氏模量(单位:GN/m2),G为弹性介质的抗剪模量(单位:GN/m2),δn为弹性介质的法向位移(单位:μm),而δx和δy为条状电容上下两极板的相对错位(单位:μm),其正负号由坐标轴指向决定。
(2)电容公式及其输入输出特性
矩形平行板电容器的初始电容为:
式中,ε0真空介质电常数为8.85PF/m,εr=2.5为电介质的相对介电常数。d0受σn的激励产生相对变形εn=δn/d0=σn/E,代入(4)得到输入输出特性
(3)法向应力作用下的线性度和灵敏度
a、法向线性度
在(5)式中Fn在分母中,故Cn=f(Fn)的关系是非线性的,因转换量程中的最大值σnmax与介质弹性常数E相比,εn是个很小的量,即分母中εn<<1,将(5)按级数展开并略去二次方以上的高阶无穷小,(5)式可简化为:
可见在Cn与Fn的转换特性中的法向线性度的最大相对误差接近于零。
b、灵敏度
按法向灵敏度的定义
按(6)式可得线性灵敏度,
Sn1=C0/AE=ε0εr/d0E (7)
而按(5)式则
Sn2随Fn而变,Fn愈大,Sn2愈大,在整个转换特性上呈轻微非线性。
(4)切向应力τx和τy激励下的电容变化
切向应力τx和τy并不改变极板的几何尺寸参数b0和a0,对介质厚度d0也不产生影响。然而τx和τy改变了平行板电容器的空间结构,正向面对的上下极板之间发生了错位偏移。现以OX方向为例,极板在τx作用下的错位偏移δx。
在图5中当τx为零时,a0上=a0下是正对的,基板之间有效截面Aτ=a0·b0;在图6中,在τx右向的作用下,上极板相对于下极板产生了向右的错位偏移δx,从而使上下极板之间在计算电容时的有效面积Aτ=(a0-δx)·b0;图7中,当τx为左向时,错位偏移δx则向左,而Aτ=(a0-δx)·b0,有效面积的减少量相同,由此产生的电容为:
根据剪切虎克定律
τx=γx·G=G·δx/d0 (10)
将(10)代入(9)可得
(11)式即为切应力下的输入——输出特性,Cτ与τx呈线性关系。
而其灵敏度
公式(9)-(12)类似的分析同样适用与τy与Cτy的特性与技术指标,只不过式中条状电容的长边b0应设置于OX轴方向,而其短边a0则在OY方向。
(5)差动电容单元的引进
图6和图7所示的电容器结构性变化,只说明电容输出与切向应力±τx输入的关系,电容增量都是负的,因此这种初始电容结构不适宜作为对±τx得到增减电容的响应。为此本发明对电容器上下极板的初始结构进行调整,构成一对差动电容对(CL与CR),具体如图8所示。
图8中,一对电容CL和CR电极尺寸a0、b0、d0均相同,初始错位偏移δ0也相同,区别在于左边电容器CL上层δ0尖角的指向为+OX,而右边电容器CR上层δ0尖角指向-OX。
当τx=0时, 即图中阴影部分所对应的电容,在此基础上如在-Fx激励下产生±δx的错误偏移,形成如图9所示的电容增减效果。
图9中CL和CR差动电容对同一个τx将产生±δx和±ΔCτ的响应。
δ0的大小应满足可取δ0=10μm,由此,公式(11)可修改为
式中,为切应力为零时的初始电容,(14)式即为切应力输入输出特性,Cτx与Fx是线性关系,而其灵敏度
2、接触式平行板电容设计
(1)平行板电容的平面设计
参见图10、图11和图12中的电极平面布置,在一个10×10mm2的基板中心作十字分隔,形成四个象限Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ,其中Ⅰ、Ⅱ象限为对τx做出响应的差动电容单元组合,而Ⅲ、Ⅳ象限为对τy做出响应的差动电容单元组合。外围线为10×10mm2的PCB板四根边缘线,对PCB基板应精确切割以保证形状和尺寸上的精准。影线部分表示失蜡铸造工艺的外模截面,其几何形状和尺寸也应在机械成型时保持精准,为脱模方便并可拼拆,更应维持尺寸精度,最终以保证消除三维力对电容响应的相互干扰。
电容单元模块采用由两个以上的条状电容组成的梳齿状结构,每个条状电容包括上极板的驱动电极和下极板的感应电极。由公式(12)a0愈小,切向应力响应的灵敏度越大,故单个电容均为长条状。设每根条状电容宽为a0,两条状电容之间的槽宽为aδ,则每根条状电容的节距为a0+aδ。为了充分利用方形基板的平面空间,使M(a0+aδ)b0≈1方形基板表面积,M为4个象限内的条状电容数,则有M(a0+aδ)=2*10mm,式中,槽宽aδ不宜过大,否则不利于使用基板上的有效平面空间,也不宜过小,要受到失蜡铸造工艺的约束。为使法向灵敏度Sn和切向灵敏度Sτ相同,按公式(7)和(12),令a0·G=d0·E,当d0=0.1mm时,则a0=0.15mm,若令aδ=0.05mm,则M=100,每个象限有25个条状电容。
为了实现τx和τy之间切向响应不相互产生影响,驱动电极长度两端预留δ0,因此b0驱=b0底+2·δ0,其中在b0驱两端长度预留理论上应保证 其计算值为 故在工艺上应保证b0驱-b0底≥0.01mm。这样在计算法向电容输出响应时已能保证τx和τy不对法向电容响应产生任何影响。
为了实现τx和τy不对法向电容响应不产生任何影响,每个条状电容的驱动电极与感应电极在各象限中的平面布置应保证一定的错位偏移,通过差动消除影响,取感应电极在下层PCB基板上的位置作为参照,则驱动电极在上层PCB基板上的布置应以PCB基板边缘线为基准。图中四个虚线方框为感应电极在下极板上的基准。而置他们与几何基准线差距均为δ0(0.1mm),以保证τx在Ⅰ、Ⅱ象限电容单元产生差动电容输出响应,而在Ⅲ、Ⅳ象限电容单元则产生对τy的差动电容响应,设置一个初始错位偏移δxo,其取值应保证其计算值与δ0类似,其初始错位偏移均设置δxo=δyo=0.01mm,以保证四个象限中的电容单元在τx和τy切向激励下能产生两组差动电容对。在图9中CτxI=CR和CτxII=CL为转换τx的差动电容对,而CτxIII=CL和CτxIV=CR则为转换τy的差动电容对。
(2)法向应力计算
由公式(6)可改写单个电容器的法向响应电容
其中,i=Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ,因每个象限中,N是每个象限的条状电容数量。
如再将其求和,可得
上式即为σn的电容总响应。
尽管单个电容的求和可通过电极引线的并联连接实现。但一旦并接好,就不再能实现求差组合,故实际的求和组合要通过中间变换器的输出再求和,见图10,求和的信号流程框图
图中,中间变换器K可以是电压对电容或频率对电容的传输系数,从而完成对法向响应的合成。
(3)切向应力计算
CⅠ对CⅡ和CⅢ对CⅣ可以实现两对差动组合,见图14,经差动技术处理,差动输出的总响应
上式中,无论是法向激励Fn或切向激励Fy均不对Oτx产生影响。即自动消除了σn和τy对τx的总输出的耦合或干扰,因为凡是在信号包含相减的运算中,等量和同符合的电容变化都自动消除。而Fy和Fx对σn的干扰可通过上层电极在b0方向增加几何长度2δ0消除,Oτy同理可求。
(4)主要材料选择及其特性参数
梳齿状平行板电容器的结构剖面图类似于图15所示的三明治结构。图15中,1为上PCB基板,2为下PCB基板,3为驱动电极,4为感应电极。
极板距d0=0.1mm,上下基板内侧空间除铜箔电极外,均为用失蜡铸造法充填的PDMS(聚二甲基硅氧烷)超弹绝缘介质。其机械和物理特性参数为杨氏模量E=6.2MPa,而其抗剪弹性模量为G=4.1MPa,介质极化时相对介电常数εγ=2.5。由于介质的E和G远小于铜的弹性模量E铜=103GPa。故电容器内部介质在应力状态下的变形远大于极板的变形。
(5)电极引线设计
无论是驱动电极或感应电极都需备有引出线,考虑各个驱动电极在信号电平上都是接地的,故四组驱动电极只需共用同一个引出线。而四个电容单元模块感应电极则需用各自独立的引出线,于是整个电容组件共有至少5个管脚从平面封装的侧面引出,以便整个组件顶部与底部外表面能方便地与测量对象接触。
本发明在新材料和新工艺的支撑下,完成了一种新型三维力敏感电容组合的设计,在10×10mm2的受力面上,无论是法向或切向,都可向介质较均匀的传递应力。文中四个单元电容呈两对组合分布。在空间力与传感器表面的接触中外力只有1个,电容响应却有4个,对4个电容求和可得到法向Fn的信息,即整个电极板都对求Fn做出贡献,同时将两对电容组合组成差动系统,又可获得Fx和Fy的信息,从而完整描述一个三维力。这4个单元电容组合既要完成其基本功能,又要互不干扰,这是靠巧妙的设计构思才得以实现,按设计参数一次转换的法向灵敏度和切向灵敏度和最大线性误差,借此可为同行研发者提供借鉴。
控制器将采集到的压力信号及其受力大小和矢量方向与图像采集的脸部信号根据时间单位结合在一起,方便控制器进行数据分析,而且使用本发明提供的压力传感器还能够计算出电容极板的偏移距离即极板的运动距离,可以记录下每个受力下的三维力的矢量关系图,从而结合使用者姿态,更准确的确定枕头增高部需要运动的距离。
控制器7对摄像头采集到的图像采用脸部姿态估计得方法进行数据分析,其中,脸部姿态估计的方法流程如图16所示,具体步骤为:步骤一、学习阶段:使用者平躺在床上,头部放在枕头上,随后随意翻转,做出仰卧、侧卧等睡眠时可能的姿态,每一个姿态保持一至两分钟,控制器7上设有暂停按钮12,使用者姿态保持时,按下暂停按钮12,摄像头采集同时的图像信息,控制器7记录下此时脸部和枕头的信息状态,不同姿态下,均保存下图像数据。
步骤二、控制器7中利用学习阶段获得数据进行多项式拟合处理,从图像中提取特征向量,形成脸部特征数据库。
步骤三、使用者使用枕头时,枕头受到压力,压力大小突变,摄像头采集枕头状态和脸部图像,对脸部数据进行特征提取,数据标准化处理,而后输入到脸部特征数据库中进行姿态匹配,估计出脸部姿态,确定颈部的位置,控制器7从而发出增高部6运动的指令,运动增高部6到颈部下。颈部位置的确定是由压力传感器相互之间的距离定位得来的,由于压力传感器间的距离是固定的,控制器7中设有定位单元,定位单元以压力传感器的位置为坐标,标记压力最大点,分析得出的颈部位置用压力传感器的位置坐标进行转化,从而控制器7方便的发出位置指令,命令增高部6运动到此处,增高部6在连接杆之间的相互配合移动到颈部下。
步骤四、评价阶段:枕头刚开始使用时可能会有数据库数据不足,脸部姿态估计有误差的情况,一旦增高部6最终停止位置不对,可以手动调整,并按下暂停按钮,进行图像采集,对脸部数据库进行充实,从而完善数据库。