CN105054708A - 基于三维压力检测的智能枕头及其使用方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种基于三维压力检测的智能枕头及其使用方法，属于床上用品技术领域，枕头包括肩垫、波浪外形的枕芯和控制器，枕芯包括颈部区域和头部区域，肩垫可拆卸连接在枕芯的颈部区域的端头，枕芯的颈部区域的高度高于头部区域的高度，颈部区域的内部设有空腔和增高部，控制器安装在枕头的一侧，增高部安置在空腔内连接控制器。本发明在颈部区域中设置了空腔，空腔内安置了增高部对枕头的自由调节，本发明中还设置了控制器对增高部进行自动调节，估算出脸部的姿态和颈部的位置，及时将增高部移动到颈部下方，解决了现有技术的枕头高度固定单一、不能根据使用者的睡姿发生变化的问题。

Description

基于三维压力检测的智能枕头及其使用方法

技术领域

本发明涉及床上用品技术领域，尤其是一种根据使用者的仰卧、侧卧状态自动调整的基于三维压力检测的智能枕头及其使用方法。

背景技术

枕头作为一种日常用品，一般认为，枕头就是人们为睡眠的舒适而采用的填充物，而从现代医学研究上认识，人体的脊柱，从正面看是一条直线，但侧面看是具有四个生理弯曲的曲线，为了保护颈部的正常生理弯曲，维持人们睡眠时正常的生理活动，人们睡眠时必须采用枕头。枕头一般由枕芯和枕套两个部分构成。枕头可分为高枕和低枕，但是高枕是引起落枕、颈椎病的常见原因之一。此外，高枕会增大颈部与胸部角度，使气管通气受阻，易导致咽干、咽痛和鼻鼾。高枕还能使胸背肌肉长期紧张，胸部受压，妨碍正常呼吸，长此下去必定给身体带来不良影响。正常人长期睡低枕，同样也会改变颈椎生理状态。因头部的静脉无瓣膜，重力可使脑内静脉回流变慢，动脉供血相对增加，从而出现头涨、烦躁、失眠等不适，低枕对于高血压和动脉粥样硬化病人尤其有不良影响。一般健康枕头的高度要根据人体的身高，体重来判断。然而有时习惯了一种睡姿又想换一种睡姿时又得更换枕头，更换比较麻烦，而且又得增加一笔额外的开支。所以，需要一种枕头，能够随着睡姿的改变，改变枕头的高度。

发明内容

为了克服现有技术的枕头高度固定单一、不能根据使用者的睡姿发生变化的不足，本发明提供一种基于三维压力检测的智能枕头及其使用方法。

一种基于三维压力检测的智能枕头，所述枕头包括肩垫、波浪外形的枕芯和控制器，枕芯包括颈部区域和头部区域，肩垫可拆卸连接在枕芯的颈部区域的端头，枕芯的颈部区域的高度高于头部区域的高度，颈部区域的内部设有空腔和增高部，控制器安装在枕头的一侧，增高部安置在空腔内连接控制器。所述枕头还包括第一连接杆、第二连接杆和第三连接杆，控制器连接第一连接杆，第一连接杆活动连接第二连接杆，第二连接杆活动连接第三连接杆，第三连接杆连接增高部，控制器通过连接杆控制增高部的位置。所述枕头还包括采集睡眠者脸部姿态的摄像头和检测枕头上压力大小的三维压力传感器，摄像头安装在枕头上方，三维压力传感器安置在枕头内部连接到控制器，控制器根据三维压力传感器检测到的数据控制摄像头工作。所述三维压力传感器包括控制单元、与控制单元分别连接的X方向电容单元组和Y方向电容单元组，所述X方向电容单元组和Y方向电容单元组均包括电容单元模块，所述电容单元模块采用由两个以上的条状电容单元组成的梳齿状结构，每个条状电容单元包括上极板的驱动电极和下极板的感应电极。

上述枕头中，所述电容单元模块包括由两个以上宽度a₀长度b₀的条状电容单元组成的第一条状电容单元组和两个以上宽度ka₀长度b₀的条状电容单元组成的第二条状电容单元组。所述每个条状电容单元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，b_0驱＝b_0感+δ_右+δ_左，其中，b_0驱为条状电容单元的驱动电极长度，b_0感为条状电容单元的感应电极长度，所述差位δ_左＝δ_右，且其中d₀为条状电容单元介质厚度，G为弹性介质的抗剪模量，τ_max为最大应力值。所述梳齿状结构包括20个以上条状电容单元、与条状电容单元一一对应连接的引线，相邻两条状电容单元之间设有电极间距a_δ，所述平行板面积S＝M(a₀+2a_δ+ka₀)b₀/2，其中，M为条状电容单元数量，b₀为条状电容单元的长度，a₀条状电容单元的宽度。所述第一条状电容单元组和第二条状电容单元组的条状电容单元引线通过并联方式或者独立连接到控制单元。所述枕头表面设有多个耳部区域，耳部区域凹陷设置枕头表面，耳部区域周围形成有一圈翼部。所述枕头的头部区域内设有吸杆，吸杆顶端固定有吸力部件，吸力部件贴合在头部区域内耳部的下方形成耳部区域。

一种基于三维压力检测的智能枕头的使用方法，所述方法步骤包括：步骤一、学习阶段：使用者平躺在床上，头部放在枕头的头部区域中，随后翻转，每一个姿态保持一至两分钟，姿态保持时，按下控制器上设置的暂停按钮，同时摄像头采集脸部图像信息；步骤二、控制器中利用学习阶段获得的图像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、三维压力传感器监测枕头受到的压力大小，控制器检测到压力大小突变，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，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，控制器发出增高部运动指令；步骤四、评价阶段：如果脸部姿态估计有误差，增高部停止位置不对，使用者手动调整，并按下暂停按钮，进行图像采集，充实脸部数据库。所述步骤三中颈部的位置确定是由控制器设置的定位单元完成的，定位单元以三维压力传感器为坐标，枕头中设有多个三维压力传感器，均匀安置在枕头中。所述使用方法中，控制器分析脸部图像信息后，确定颈部位置的同时确定耳部是否被压到，如果耳部被压到，的耳部下方的枕头内部形成耳部区域。

本发明有如下积极效果：本发明中是对常用的波浪性枕头进行了改进，在颈部区域中设置了空腔，空腔内安置了增高部对枕头的自由调节，本发明中还设置了控制器对增高部进行自动调节，此外，控制器对使用者睡眠时的脸部姿态进行识别估计，估算出脸部的姿态和颈部的位置，及时将增高部移动到颈部下方，并根据使用者的颈高调整增高部的高度，以配合使用者的使用舒适性。本发明中还设置了耳部区域对使用者压到的耳朵进行缓冲保护。

附图说明

图1是本发明中的枕头的示意图。

图2是本发明中的枕头的剖面示意图。

图3是本发明中的枕头的控制器控制增高部的工作原理图。

图4是本发明的具体实施方式的条状电容单元及其坐标系。

图5是本发明的具体实施方式的条状电容单元示意图。

图6是本发明的具体实施方式的条状电容单元右向偏移示意图。

图7是本发明的具体实施方式的条状电容单元左向偏移示意图。

图8是本发明的具体实施方式的宽度为a₀和ka₀的电容对受力偏移图。

图9是本发明的具体实施方式的平行板三维力压力传感器结构图。

图10是本发明的具体实施方式的单元电容对的信号示意图。

图11是本发明的具体实施方式的平行板电容器剖面结构。

图12是本发明中的枕头的使用方法流程图。

图13是本发明中的枕头上设有耳部区域实施例一的示意图。

图14是本发明中的耳部区域实施例一的示意图。

图15是本发明中的耳部区域实施例二的剖面工作示意图。

图中，1为肩垫，2为枕芯，3为颈部区域，4为头部区域，5为空腔，6为增高部，7为控制器，8为第一连接杆，9为第二连接杆，10为第三连接杆，11为耳部区域，12为暂停按钮，13为上PCB基板，14为下PCB基板，15为驱动电极铜箔，16为感应电极铜箔。

具体实施方式

一种基于三维压力检测的智能枕头，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三维压力传感器，当控制器7监测到颈部三维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开始充气直到颈部三维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三维压力传感器，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三维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，为了提高三维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，所以本发明中对三维压力传感器进行了改进。

本发明中采用的三维压力传感器是接触式平行板三维力压力传感器，所述传感器包括控制单元、与控制单元分别连接的X方向电容单元组和Y方向电容单元组，所述X方向电容单元组和Y方向电容单元组均包括电容单元模块，所述电容单元模块采用由两个以上的条状电容单元组成的梳齿状结构，每个条状电容单元包括上极板的驱动电极和下极板的感应电极。所述电容单元模块包括由两个以上宽度a₀长度b₀条状电容单元组成的第一条状电容单元组和两个以上宽度ka₀长度b₀条状电容单元组成的第二条状电容单元组。所述每个条状电容单元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，b_0驱＝b_0感+δ_右+δ_左，其中，b_0驱为条状电容单元的驱动电极长度，b_0感为条状电容单元的感应电极长度。所述差位δ_左＝δ_右，且其中d₀为介质厚度，G为弹性介质的抗剪模量，τ_max为最大应力值。所述梳齿状结构包括20个以上条状电容单元、与条状电容单元一一对应连接的引线，相邻两条状电容单元之间设有电极间距a_δ。所述平行板面积S＝M(a₀+2a_δ+ka₀)b₀/2，其中，M为条状电容单元数量，b₀为条状电容单元的长度，a₀条状电容单元的宽度。所述第一条状电容单元组和第二条状电容单元组的条状电容单元引线通过并联或者独立连接到控制单元。所述条状电容单元的宽度其中，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。所述第一条状电容单元组和第二条状电容单元组与控制单元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、条状电容单元的转换特性

(1)激励信号和坐标系

将条状电容单元置于图4所示的直角坐标系中，极板平面长度b₀、宽度a₀、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响应；法向应力σ_n＝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τ_x＝Fx/A，τ_y＝Fy/A。

根据弹性力学中的虎克定律，σ_n和τ_x，τ_y都将使弹性体产生相应的变形。其中，

${\mathrm{\σ}}_n=E\·{\mathrm{\ϵ}}_n=E\·{\mathrm{\δ}}_n/d_0=\frac{F_n}{A}---\left(1\right)$

$\±{\mathrm{\τ}}_x=\±{\mathrm{\γ}}_x\·G=\±G\·{\mathrm{\δ}}_x/d_0=\±\frac{F_x}{A}---\left(2\right)$

$\±{\mathrm{\τ}}_y=\±{\mathrm{\γ}}_y\·G=\±G\·{\mathrm{\δ}}_y/d_0=\±\frac{F_y}{A}---\left(3\right)$

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为电容器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：

$C_0=\frac{{\mathrm{\ϵ}}_0\·{\mathrm{\ϵ}}_r\·a_0\·b_0}{d_0}---\left(4\right)$

式中，ε₀真空介质电常数为8.85PF/m，ε_r＝2.5为电介质的相对介电常数。d₀受σ_n的激励产生相对变形ε_n＝δ_n/d₀＝σ_n/E，代入(4)得到输入输出特性

$C_n={\mathrm{\ϵ}}_0\·{\mathrm{\ϵ}}_r\frac{a_0\·b_0}{d_0\left(1-{\mathrm{\ϵ}}_n\right)}={\mathrm{\ϵ}}_0\·{\mathrm{\ϵ}}_r\frac{a_0\·b_0}{d_0\left(1-\frac{F_n}{AE}\right)}---\left(5\right)$

(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F_n在分母中，故C_n＝f(F_n)的关系是非线性的，因转换量程中的最大值σ_nmax与介质弹性常数E相比，ε_n是个很小的量，即分母中ε_n<<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：

$C_n=C_0\left(1+\mathrm{\&epsiv;}\right)=C_0\left(1+\frac{F_n}{A\&CenterDot;E}\right)---\left(6\right)$

可见在C_n与F_n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，

S_n1＝C₀/AE＝ε₀ε_r/d₀E(7)

而按(5)式则

$S_{n2}=\frac{{\mathrm{dC}}_n}{{\mathrm{dF}}_n}=C_0\&CenterDot;\frac{1}{1-2\mathrm{\&epsiv;}}=C_0\&CenterDot;\frac{1}{1-2\frac{F_n}{A\&CenterDot;E}}---\left(8\right)$

S_n2随F_n而变，F_n愈大，S_n2愈大，在整个转换特性上呈轻微非线性。

(4)切向应力τ_x和τ_y激励下的电容变化

切向应力τ_x和τ_y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τ_x和τ_y改变了条状电容单元的空间结构，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τ_x作用下的错位偏移δ_x。

在图5中当τ_x为零时，a_0上＝a_0下是正对的，基板之间有效截面A_τ＝a₀·b₀；在图6中，在τ_x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δ_x，从而使上下极板之间在计算电容时的有效面积A_τ＝(a₀-δ_x)·b₀；图7中，当τ_x为左向时，错位偏移δ_x则向左，而A_τ＝(a₀-δ_x)·b₀，τ_x在左向和右向时，有效面积的减少量相同，由此产生的电容为：

$C_{\mathrm{\&tau;}x}=\frac{{\mathrm{\&epsiv;}}_0\&CenterDot;{\mathrm{\&epsiv;}}_r\&CenterDot;\left(a_0-{\mathrm{\&delta;}}_x\right)\&CenterDot;b_0}{d_0}---\left(9\right)$

根据剪切虎克定律

τ_x＝γ_x·G＝G·δ_x/d₀(10)

将(10)代入(9)可得

$C_{\mathrm{\&tau;}x}=C_0-\frac{{\mathrm{\&epsiv;}}_0\&CenterDot;{\mathrm{\&epsiv;}}_r\&CenterDot;{\mathrm{\&delta;}}_x\&CenterDot;b_0}{d_0}=C_0-\frac{{\mathrm{\&epsiv;}}_0\&CenterDot;{\mathrm{\&epsiv;}}_r\&CenterDot;b_0\&CenterDot;{\mathrm{\&tau;}}_x}{G}=C_0-\frac{{\mathrm{\&epsiv;}}_0\&CenterDot;{\mathrm{\&epsiv;}}_r{F}_x}{{\mathrm{Ga}}_0}---\left(11\right)$

(11)式即为切应力下的输入—输出特性，C_τ与τ_x呈线性关系。

而其灵敏度

$S_{\mathrm{\&tau;}x}=\frac{{\mathrm{dC}}_{\mathrm{\&tau;}x}}{{\mathrm{dF}}_x}=\frac{{\mathrm{\&epsiv;}}_0\&CenterDot;{\mathrm{\&epsiv;}}_r}{{\mathrm{Ga}}_0}$

(12)

公式(9)-(12)类似的分析同样适用与τ_y与C_τy的特性与技术指标，只不过式中条状电容单元的长边b₀应设置于OX轴方向，而其短边a₀则在OY方向。

2、接触式平行板电容设计

(1)平行板电容的平面设计

设定的原始指标法向最大接触应力σ_nmax为200Kpa，如果法向受力A为正方形10×10mm²，则最大法向力F_Zmax为σ_nmax·A＝20N。切向最大接触应力τ_max为70Kp，切向应力的受力分布面均为10×10mm²，则最大切向力分量F_xmax＝F_ymax＝τ_max·A＝7N。

图6和图7所示的条状电容单元结构性变化，只说明电容输出与切向应力±τ_x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±τ_x得到增减电容的响应。为此本发明对条状电容单元上下极板的初始结构进行调整，宽度为a₀和ka₀的条状电容单元构成一对电容单元对(C_L与C_R)，具体如图8所示。

图8中，电容单元C_L和C_R电极尺寸b₀、d₀均相同，宽度一个为a₀，一个为ka₀，其中k为常数，优选大于1的整数。当τ_x＝0时，C_L＝C₀，C_R＝kC₀，在此基础上如在F_x激励下产生δ_x的错误偏移，将会形成如图6或7所示的偏移效果。

$C_L=\frac{{\mathrm{\&epsiv;}}_0\&CenterDot;{\mathrm{\&epsiv;}}_r\&CenterDot;b_0\&CenterDot;\left(a_0-{\mathrm{\&delta;}}_x\right)}{d_0}=C_0-\frac{{\mathrm{\&epsiv;}}_0\&CenterDot;{\mathrm{\&epsiv;}}_r\&CenterDot;b_0{\mathrm{\&tau;}}_x}{G}=C_0-\frac{{\mathrm{\&epsiv;}}_0\&CenterDot;{\mathrm{\&epsiv;}}_r{F}_x}{{\mathrm{Ga}}_0}$

(13)

$C_R=\frac{{\mathrm{\&epsiv;}}_0\&CenterDot;{\mathrm{\&epsiv;}}_r\&CenterDot;b_0\&CenterDot;\left({\mathrm{Ka}}_0-{\mathrm{\&delta;}}_x\right)}{d_0}={\mathrm{kC}}_0-\frac{{\mathrm{\&epsiv;}}_0\&CenterDot;{\mathrm{\&epsiv;}}_r\&CenterDot;b_0{\mathrm{\&tau;}}_x}{G}={\mathrm{kC}}_0-\frac{{\mathrm{\&epsiv;}}_0\&CenterDot;{\mathrm{\&epsiv;}}_r{F}_x}{{\mathrm{Ga}}_0}$

(14)

C_L和C_R电容单元对在同一个τ_x将产生δ_x和ΔC_τ的响应。

由此，公式(11)可修改为

$C_{\mathrm{\&tau;}x}=C_{\mathrm{\&tau;}0}-\frac{{\mathrm{\&epsiv;}}_0\&CenterDot;{\mathrm{\&epsiv;}}_r}{{\mathrm{Ga}}_0}{F}_x$

式中，为切应力为零时的初始电容，上式即为切应力输入输出特性，C_τx与F_x是线性关系，而其灵敏度

参见图9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，右上第一象限Ⅰ、左上第二象限Ⅱ、左下第三象限Ⅲ、右下第四象限Ⅳ，其中Ⅰ、Ⅲ象限为对τ_x做出响应的电容单元组合，而Ⅱ、Ⅳ象限为对τ_y做出响应的电容单元组合。外围线为10×10mm²的PCB板四根边缘线，影线部分表示失蜡铸造工艺的外模截面。将感应电极在下层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，置他们与几何基准线差距均为δ₀(0.1mm)。

电容单元模块采用梳齿结构，电容单元模块采用由两个以上的条状电容单元组成的梳齿状结构，每个条状电容单元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，故单个电容单元均为长条状。设每根条状电容单元宽为a₀，两条状电容之间的槽宽为a_δ，则每根条状电容单元的节距为ka₀+a₀+2a_δ。为了充分利用方形基板的平面空间，M(ka₀+a₀+2a_δ)b₀/2≈1方形基板表面积，M为条状电容数量，则有M(ka₀+a₀+2a_δ)＝20mm，式中，槽宽a_δ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S_n和切向灵敏度S_τ相等，按公式(7)和(12)，令a₀·G＝d₀·E，当d₀＝0.1mm，k＝1.5时，从而可以求出M。

为了实现τ_x和τ_y之间切向响应不相互产生影响，条状电容单元的驱动电极长度两端预留差位δ₀，因此b_0驱＝b_0底+2·δ₀，其中在b_0驱两端长度预留差位理论上应保证 ${\mathrm{\&delta;}}_0\&GreaterEqual;d_0\&CenterDot;\frac{{\mathrm{\&tau;}}_{\max }}{G},$ 其计算值为 ${10}^{-5}\&times;\frac{70\&times;{10}^3}{2.4\&times;{10}^6}=2.9\&times;{10}^{-8}m={10}^{-2}um<<1um,$ 故在工艺上应保证b_0驱－b_0底≥0.01mm。这样在计算法向电容输出响应时，保证τ_x和τ_y不对法向电容响应产生任何影响。

为了实现τ_x和τ_y不对法向电容响应不产生任何影响，宽度为a₀和ka₀的条状电容单元构成一对电容单元对(C_L与C_R)进行公示推算消除相互之间的影响。保证τ_x在Ⅰ、Ⅲ象限电容单元产生对τ_x的电容响应，而在Ⅱ、Ⅳ象限电容单元则产生对τ_y的电容响应，以保证四个象限中的电容单元在τ_x和τ_y切向激励下能产生两组差动电容对。在图9中C_τxI＝C_R和C_τxIII＝C_L为转换τ_x的差动电容对，而C_τxII＝C_L和C_τxIV＝C_R则为转换τ_y的差动电容对。

(2)法向应力和切向力的计算

设图9中宽度为a₀的条状电容单元在受到切向力τ_x,产生一个切向位移d_x后的输出电容值为C₁，宽度为ka₀的条状电容单元在受到切向力τ_x,产生一个切向位移d_x后的输出电容值为C₂，则有：

$C_1=\frac{\mathrm{\&epsiv;}\left(a_0-d_x\right)b_0}{d_n}=\frac{{\mathrm{\&epsiv;a}}_0{b}_0}{d_n}-\frac{{\mathrm{\&epsiv;b}}_0{d}_x}{d_n}---\left(15\right)$

$C_2=\frac{\mathrm{\&epsiv;}\left({\mathrm{ka}}_0-d_x\right)b_0}{d_n}=\frac{{\mathrm{\&epsiv;ka}}_0{b}_0}{d_n}-\frac{{\mathrm{\&epsiv;b}}_0{d}_x}{d_n}---\left(16\right)$

由(15)-(16)得到：

$C_1-C_2=\frac{{\mathrm{\&epsiv;a}}_0{b}_0}{d_n}-\frac{{\mathrm{\&epsiv;ka}}_0{b}_0}{d_n}$ 计算得到：

$d_n=\frac{{\mathrm{\&epsiv;a}}_0{b}_0\left(1-k\right)}{C_1-C_2}---\left(17\right)$

由(15)*k-(16)得到：

${\mathrm{kC}}_1-C_2=\frac{{\mathrm{\&epsiv;d}}_x{b}_0}{d_n}-\frac{{\mathrm{\&epsiv;kd}}_x{b}_0}{d_n}=\frac{{\mathrm{\&epsiv;d}}_x{b}_0\left(1-k\right)}{d_n},$ 将(17)代入上式，可以得到：

$d_x=\frac{a_0\left({\mathrm{kC}}_1-C_2\right)}{C_1-C_2}---\left(18\right)$

根据 $d_n=d_0-\mathrm{\&Delta;}d=d_0\left(1-\frac{F_n}{E\&CenterDot;S_0}\right)$

可知： $F_n=\frac{\left(d_n-d_0\right)E\&CenterDot;S_0}{d_0}$

由 $\frac{d_x}{d_0}=\mathrm{\&gamma;}=\frac{\mathrm{\&tau;}}{G}=\frac{F_{\mathrm{\&tau;}}}{G\&CenterDot;S_0},$ 所以 $F_{\mathrm{\&tau;}x}=\frac{{\mathrm{GS}}_0{d}_x}{d_0}.$

上式中，无论是法向激励F_n或切向激励F_y均不对O_τ产生影响。即自动消除了σ_n和τ_y对τ_x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，等量和同符号的电容变化都自动消除。而F_y和F_x对σ_n的干扰可通过上层电极在b₀方向增加几何长度2δ₀消除。同理可以求出F_τy。

(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11所示的三明治结构。图11中13为上PCB基板，14为下PCB基板，15为驱动电极，16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ε_γ＝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。而四个第一条状电容单元组和第二条状电容单元组的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，四个感应电极是指X方向宽度为a₀的感应电极和宽度为ka₀的感应电极，以及Y方向宽度为a₀的感应电极和宽度为ka₀的感应电极，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，整个电极板都对求Fn做出贡献，同时将两对电容组合组成系统，又可获得F_x和F_y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。

本发明中提供的三维压力传感器，检测精度高，体积小仅为10*10mm²，厚度薄，所以占用可移动监测点的体积也是非常小的，有利于减小监测点的体积。电容传感器的处理器器连接到枕头的控制器上，将监测到的受力值发送到控制器，三维压力传感器监测待测点的实时受力值，并保存在控制器中。

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三维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12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三维压力传感器相互之间的距离定位得来的，由于三维压力传感器间的距离是固定的，控制器7中设有定位单元，定位单元以三维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三维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。

实施例一：人们睡眠时的无意识翻动，侧卧会压到一只耳朵，造成醒来就会发现耳根酸痛，所以本发明中除了对枕头的改进追求适合颈部的高度之外，还对压到耳部酸痛的情况进行了解决。枕头表面设有多个耳部区域11，如图13所示，耳部区域11低于枕头的表面，形成一圈翼部环绕耳部区域11，耳部区域的示意图如图14所示，耳部区域11的材质硬度大于翼部区域的材质硬度，这样就会形成中空的蘑菇云状，翼部的材质较软，侧卧、仰卧、趴着等姿态时都不会挤压耳部、面部，侧卧的时候耳朵可以放在耳部区域11中，由于枕头上设有多个耳部区域11，耳朵放在耳部区域11的概率很大；如果耳朵没有放在耳部区域11中，由于耳部区域11的面积不大，并且数量多，耳朵也是压在部分翼部上，耳朵与耳部区域11形成空隙，减轻了耳朵受到的压力。

实施例二：本发明中另外提供了一种防止压到耳部的方案，如图15所示，空腔5的范围扩大延伸到头部区域4中，在头部区域4的耳部下设置有空腔，在头部区域下安置吸杆，在增高部6的旁侧设置一个吸杆，吸杆顶端设置一个吸力部件，吸力部件固定在吸杆顶端，吸杆是空心结构连接充气泵，吸力部件位于耳部下端时，增高部6运动到睡眠者颈部下时，吸力部件贴合在耳部下端，充气泵抽气吸力部件与枕头结合部受到引力下陷形成耳部区域11。吸杆的长度可调，吸杆是伸缩结构，根据控制器7的指令控制吸杆长度，控制器7中通过分析学习阶段采集到的图像信息，得出耳部距离颈部的信息，从而发出吸杆长度指令。吸杆长度通常情况下不需要改变，吸杆的设置保证了耳部区域11的灵活性，方便了睡眠者的睡眠舒适性和随意性。

上面结合附图对本发明进行了示例性描述，显然本发明具体实现并不受上述方式的限制，只要采用了本发明的方法构思和技术方案进行的各种非实质性的改进，或未经改进将本发明的构思和技术方案直接应用于其它场合的，均在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种基于三维压力检测的智能枕头，其特征在于，所述枕头包括肩垫(1)、波浪外形的枕芯(2)和控制器(7)，枕芯(2)包括颈部区域(3)和头部区域(4)，肩垫(1)可拆卸连接在枕芯(2)的颈部区域(3)的端头，枕芯(2)的颈部区域(3)的高度高于头部区域(4)的高度，颈部区域(3)的内部设有空腔(5)和增高部(6)，控制器(7)安装在枕头的一侧，增高部(6)安置在空腔(5)内连接控制器(7)，枕头还包括采集睡眠者脸部姿态的摄像头和检测枕头上压力大小的三维压力传感器，摄像头安装在枕头上方，三维压力传感器安置在枕头内部连接到控制器，控制器根据三维压力传感器检测到的数据控制摄像头工作，所述三维压力传感器包括控制单元、与控制单元分别连接的X方向电容单元组和Y方向电容单元组，所述X方向电容单元组和Y方向电容单元组均包括电容单元模块，所述电容单元模块采用由两个以上的条状电容单元组成的梳齿状结构，每个条状电容单元包括上极板的驱动电极和下极板的感应电极。

2.根据权利要求1所述的智能枕头，其特征在于，所述电容单元模块包括由两个以上宽度a₀长度b₀的条状电容单元组成的第一条状电容单元组和两个以上宽度ka₀长度b₀的条状电容单元组成的第二条状电容单元组。

3.根据权利要求1所述的智能枕头，其特征在于，所述每个条状电容单元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，b_0驱＝b_0感+δ_右+δ_左，其中，b_0驱为条状电容单元的驱动电极长度，b_0感为条状电容单元的感应电极长度，所述差位δ_左＝δ_右，且其中d₀为条状电容单元介质厚度，G为弹性介质的抗剪模量，τ_max为最大应力值。

4.根据权利要求1所述的智能枕头，其特征在于，所述梳齿状结构包括20个以上条状电容单元、与条状电容单元一一对应连接的引线，相邻两条状电容单元之间设有电极间距a_δ，所述平行板面积S＝M(a₀+2a_δ+ka₀)b₀/2，其中，M为条状电容单元数量，b₀为条状电容单元的长度，a₀条状电容单元的宽度。

5.根据权利要求1所述的智能枕头，其特征在于，所述枕头还包括第一连接杆(8)、第二连接杆(9)和第三连接杆(10)，控制器(7)连接第一连接杆(8)，第一连接杆(8)活动连接第二连接杆(9)，第二连接杆(9)活动连接第三连接杆(10)，第三连接杆(10)连接增高部(6)，控制器(7)通过连接杆控制增高部(6)的位置。

6.根据权利要求1所述的智能枕头，其特征在于，所述枕头表面设有多个耳部区域(11)，耳部区域(11)凹陷设置枕头表面，耳部区域(11)周围形成有一圈翼部(12)。

7.根据权利要求1所述的智能枕头，其特征在于，所述枕头的头部区域(4)内设有吸杆，吸杆顶端固定有吸力部件，吸力部件贴合在头部区域(4)内耳部的下方形成耳部区域(11)。

8.一种根据权利要求1所述的基于三维压力检测的智能枕头的使用方法，其特征在于，所述方法步骤包括：

步骤一、学习阶段：使用者平躺在床上，头部放在枕头的头部区域中，随后翻转，每一个姿态保持一至两分钟，姿态保持时，按下控制器上设置的暂停按钮，同时摄像头采集脸部图像信息；

步骤二、控制器中利用学习阶段获得的图像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、三维压力传感器监测枕头受到的压力大小，控制器检测到压力大小突变，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，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，控制器发出增高部运动指令；

步骤四、评价阶段：如果脸部姿态估计有误差，增高部停止位置不对，使用者手动调整，并按下暂停按钮，进行图像采集，充实脸部数据库。

9.根据权利要求8所述的基于三维压力检测的智能枕头的使用方法，其特征在于，所述步骤三中颈部的位置确定是由控制器设置的定位单元完成的，定位单元以三维压力传感器为坐标，枕头中设有多个三维压力传感器，均匀安置在枕头中。

10.根据权利要求8所述的基于三维压力检测的智能枕头的使用方法，其特征在于，所述使用方法中，控制器分析脸部图像信息后，确定颈部位置的同时确定耳部是否被压到，如果耳部被压到，的耳部下方的枕头内部形成耳部区域。