CN106361456A - 一种智能牙刷的刷牙方式检测方法及系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种智能牙刷的刷牙方式检测方法及系统。本方法为：1)在牙刷中设置一加速度计传感器和一数据处理单元；将采集的三轴加速度数据AccX、AccY、AccZ发送给数据处理单元；2)数据处理单元计算AccX、AccY、AccZ各自变化程度，如果三项加速度数据均有变化且变化程度均未超过设定阈值或三项加速度数据的变化程度之和小于一设定巴氏阈值，则判断当前刷牙方式为巴氏刷牙；如果AccY的变化程度大于设定横刷牙阈值则判断当前刷牙方式为横刷牙；如果AccX的变化程度与AccZ的变化程度之和大于设定竖刷牙阈值，或者AccZ的变化程度大于设定竖刷牙阈值，则判断当前刷牙方式为竖刷牙。本发明实用性高。

Description

一种智能牙刷的刷牙方式检测方法及系统

技术领域

本发明涉及一种智能牙刷的刷牙方式检测方法及系统，能够检测各种刷牙方法，如巴氏刷牙法、横刷法、竖刷法。

背景技术

人们刷牙的时候常见的两种模式是相对于头部水平的、左右的、横着移动牙刷(即横刷法)以及相对于头部上下竖直移动牙刷(即竖刷法)。牙医通常认为横刷法对牙齿损害最大，竖刷法也损伤牙齿。

美国牙医学会推荐巴氏刷牙法，需要刷毛与牙长轴呈45°角，刷毛指向牙根方向(上颌牙向上，下颌牙向下)，轻微加压，使刷毛部分进入龈沟，部分至于龈缘上，以2～3颗牙为一组，以短距离水平颤动牙刷、以划小圆圈的方式集中刷少数牙齿。其它几种刷牙法(水平颤动刷牙法、龈沟清扫法、modified stillman刷牙法)的核心动作基本和巴氏刷牙法一样，都是小范围的颤动牙刷，只是在不同场合被人们冠以不同的名字而已。由于这些方法要求牙刷做的动作基本一致，用传感器检测时候可以不加区分的纳入一类，故此本发明中用检测巴氏刷牙法来代表所有这几种刷牙法的检测。

刷牙往往是一个自己看不到的过程，即使有镜子在面前，由于嘴唇和人脸对牙齿的遮挡，人们看不到牙刷的详细动作，也不能判断它的结果；此外，人们往往不知道什么样的刷牙动作是正确的。一类比较可靠的方法是检测牙刷的运动来判断刷牙动作，为了达到这个目的，可以在牙刷上安装运动传感器(即MEMS传感器、微机电传感器)，包括加速度传感器、陀螺仪传感器、磁力计传感器，图1给出示例。在图1的示例中，微处理器获取传感器的数据，进行处理，将处理结果通过无线单元发送给外界例如手机上，给用户观看。每个传感器都有三个互相垂直的轴向：X、Y、Z。

图1示例中，传感器的相对于牙刷的安放角度描述如下：传感器的X轴是牙刷毛的指向(刷牙的时候这个方向垂直于牙面)、传感器的Y轴是牙刷柄的指向方向、传感器的Z轴是垂直于X轴和Y轴的方向。

加速计的三个轴的数据用AccX、AccY、AccZ表示，陀螺仪的三个轴的数据用GyroX、GyroY、GyroZ表示，磁力计的三个轴的数据用MagX、MagY、MagZ表示。由AccX、AccY、AccZ、GyroX、GyroY、GyroZ、MagX、MagY、MagZ这9个数据或9个数据中的几个，可以构造出三个牙刷的欧拉角即抬头角pitch、翻转角roll、偏航角yaw，如图2所示，其计算公式已经应用多年，有很多文献给出，例如学术论文<Implementing a SensorFusion Algorithm for 3D Orientation Detection with Inertial/Magnetic Sensors>。计算yaw通常需要加速计和磁力计、或者加速计和磁力计和陀螺仪；仅仅用加速计不能计算出yaw，但是可以计算出pitch和roll，如图3所示，例如一种常见计算公式如下： $pitch=arctan\left(\frac{AccX}{{\mathrm{AccY}}^2+{\mathrm{AccZ}}^2}\right),roll=\arctan \left(\frac{AccY}{{\mathrm{AccY}}^2+{\mathrm{AccZ}}^2}\right).$ 图4示出了翻转角roll的意义，牙刷以牙刷柄所在的直线为轴向(即图1中的Y轴)做旋转则牙刷的翻转角roll发生变化。牙刷柄所在直线与地面的夹角为牙刷的抬头角pitch，牙刷柄所在的直线与地磁北方向(或者地磁南、或者地磁东、或者地磁西等，具体取决于如何定义，并不影响应用)的夹角为偏航角度yaw。

发明“一种加速度和压力传感器在牙刷上的安装方法CN103565101A”、“一种智能牙刷套筒系统CN 203943758U”、发明“一种智能牙刷系统CN 204048584U”、发明“US7976388”都提出在牙刷上安装传感器。发明”Oral care system and method,WO 2015021895 A1”采用了pitch、roll、yaw三个欧拉角信息，并进一步利用这些传感器数据计算得出的欧拉角来判断牙刷的转动。发明“提供基本上即时反馈的牙刷CN102846394A”给出了用加速计数据的幅度和频率来判断用户刷牙是否过分用力的方法。然而，以上这几个专利都没有给出检测竖刷法、横刷法、巴氏刷牙法等这些正确或错误的刷牙法的检测方法，也就不能及时纠正用户的错误刷牙方式；而仅仅用幅度和频率也不能正确的判断巴氏刷牙法。

发明“US 2015/0044629 A1”提出了用偏航角yaw来估计牙刷正在刷哪个牙齿区域，但是它没有考虑到很多人在刷牙的时候是低头的、以及每个人刷牙的低头程度不同；事实上如果人低头角度达到90度，用yaw来做估计就是完全失效的。此外，该发明需要使用者必须遵循该发明要求的头部姿势才能有效，这在实际使用中不方便。

以上发明和公开的方法，有一些不足和缺点：没有检测竖刷、横刷这样的错误刷牙方法；不能检测或教育用户使用正确的巴氏刷牙法；没有提供一个只利用加速计传感器就能简单有效检测横刷、竖刷、巴氏刷牙法的方法；没有提供一个只利用加速计传感器就能简单有效的估计牙刷在刷哪个牙齿区域的方法；没有考虑人刷牙的时候低着头这个因素对估计的影响。

发明内容

针对现有技术中存在的技术问题，本发明的目的在于提供一种智能牙刷的刷牙方式检测方法及系统。本发明的系统包括一加速度计传感器和一数据处理单元。

一种智能牙刷的刷牙方式检测方法，其步骤包括：

1)在牙刷中设置一加速度计传感器和一数据处理单元；加速度计传感器将采集的三轴加速度数据AccX、AccY、AccZ发送给数据处理单元；其中，AccX为牙刷毛指向方向加速度数据、AccY为牙刷柄指向方向加速度数据、AccZ为垂直于牙刷毛和牙刷柄方向的加速度数据；

2)数据处理单元计算加速度数据AccX、AccY、AccZ各自变化程度，如果三项加速度数据均有变化且变化程度均未超过设定阈值或三项加速度数据的变化程度之和小于一设定的巴氏阈值，则判断当前刷牙方式为巴氏刷牙；如果加速度数据AccY的变化程度大于设定的横刷牙阈值则判断当前刷牙方式为横刷牙；如果加速度数据AccX的变化程度与加速度数据AccZ的变化程度之和大于设定的竖刷牙阈值，或者加速度数据AccZ的变化程度大于设定的竖刷牙阈值，则判断当前刷牙方式为竖刷牙。

进一步的，采用加速度数据的标准差作为所述变化程度。

进一步的，所述设定阈值的确定方法为：采用所述牙刷进行多次巴氏刷牙法刷牙并采集三轴加速度数据AccX、AccY、AccZ，然后对采集的加速度数据进行统计，分别得到加速度数据AccX标准差概率分布、加速度数据AccY标准差概率分布、加速度数据AccZ标准差概率分布；然后取加速度数据AccX标准差概率分布中心部分的两边界值作为加速度数据AccX的静止阈值和设定阈值，取加速度数据AccY标准差概率分布中心部分的两边界值作为加速度数据AccY的静止阈值和设定阈值，取加速度数据AccZ标准差概率分布中心部分的两边界值作为加速度数据AccZ的静止阈值和设定阈值；其中，小的边界值做为静止阈值，大的边界值作为对应的设定阈值。

进一步的，将所述加速度数据AccX的设定阈值、加速度数据AccY的设定阈值、加速度数据AccZ的设定阈值之和作为所述巴氏阈值。

进一步的，所述横刷牙阈值的确定方法为：采用所述牙刷进行多次横刷牙法刷牙并采集三轴加速度数据AccY，然后对采集的加速度数据进行统计，得到加速度数据AccY标准差概率分布；然后取加速度数据AccY标准差概率分布中心部分的两边界值，将小的边界值做为静止阈值，大的边界值作为所述横刷牙阈值。

进一步的，所述竖刷牙阈值的确定方法为：采用所述牙刷进行多次竖刷牙法刷牙并采集三轴加速度数据AccX、三轴加速度数据AccZ，然后对采集的加速度数据进行统计，得到加速度数据AccX标准差概率分布、加速度数据AccZ标准差概率分布；然后取加速度数据AccX标准差概率分布中心部分的两边界值和加速度数据AccZ标准差概率分布中心部分的两边界值，将两小的边界值之和做为静止阈值，将两大的边界值之和作为所述竖刷牙阈值。

进一步的，所述数据处理单元中预设一低头角度作为偏移量，当判断为巴氏刷牙时，所述数据处理单元根据采集的加速度数据AccX、AccY、AccZ计算牙刷的翻转角roll；如果roll值减去该偏移量后与180°相差超过正负30°且与0°相差超过正负30°，则判定当前巴氏刷牙方式正确。

进一步的，所述数据处理单元进一步检测设定时间内，roll值的变化是否出现两次相反的变化，即roll值两次超过设定的翻转阈值，如果出现，则判定当前巴氏刷牙的牙刷角度正确。

进一步的，所述数据处理单元中预设一低头角度作为偏移量；所述数据处理单元根据采集的加速度数据AccX、AccY、AccZ计算牙刷的抬头角pitch，根据抬头角pitch与该偏移量的差值确定当前刷牙的区域。

图5、图6、图7、图8给出的三个示例都采用了图1所示的传感器的相对于牙刷的安放角度的设定，即Y轴是牙刷柄的指向方向、X轴是牙刷毛的指向(刷牙的时候这个方向垂直于牙面)、Z轴是垂直于牙刷毛和牙刷柄的方向。

当用户横刷或者竖刷的时候，加速计传感器的某些轴的数据变化剧烈，而其它轴变化不剧烈。可以用标准差来辨别数据是否变化剧烈。Z轴的轴向对应着竖直上下，Y轴的轴向对应着横向，于是AccZ变化剧烈对应竖着刷牙，而AccY变化剧烈对应横着刷牙。图5示出了一个横刷的示例，只有AccY变化剧烈。图6示出了一个竖刷的示例，只有AccZ变化剧烈。

人在实际刷牙的时候，牙刷毛不会总是精确的正对着垂直于牙面，即牙刷有一些翻转，这种情况下，竖刷法会导致AccX和AccZ变化都剧烈，图7示出了这样一个示例。

当用户使用巴氏刷牙法刷牙的时候，会轻微颤动牙刷或以划小圆圈的方式晃动牙刷，相应的，传感器数据会出现小的周期性波动，即有变化但是变化不剧烈，图8示出了这样一个示例。值得注意的是，图8示例中AccZ的幅度较大，但是其标准差很小，仍然符合巴氏刷牙的判断标准；图8示例中AccZ的变化频率很快，但并不是用大力刷牙，而是温和的巴氏刷牙；故此，不能单纯用加速计数据的幅度和频率来判断巴氏刷牙法。

使用传感器数据来判断用户采用什么方法刷牙。统计加速计三个数据AccX、AccY、AccZ各自的变化剧烈程度，变化都不剧烈就认为是巴氏刷牙，即当三项数据都有变化且均未超过设定阈值，则判断为巴氏刷牙。

如果AccY变化剧烈则认为是横刷，如果AccX和AccZ变化剧烈则认为是竖刷。

有的医生所推荐的巴氏刷牙法除了轻微颤动牙刷以外，还要求刷毛与牙长轴呈45°角，刷毛指向牙根方向。这个角度指向信息可以由roll给出。通过检测roll的数值是否为45°或－45°或225°或135°，确定用户在做巴氏刷牙时候是否做到了刷毛与牙长轴呈45°角。

在人低头的情况下，可以用牙刷的抬头角pitch来估计牙刷正在刷哪个牙齿区域。pitch的绝对值如果大约等于0度，则判断为在刷门牙；而pitch的绝对值如果远大于0度且小于90度，则判断为牙刷正在刷口腔深处的牙、例如槽牙。

在使用牙刷的欧拉角例如抬头角pitch来估计牙刷正在刷哪个牙齿区域的过程中，采用贝塔函数作为牙弓的模拟曲线，通过对比欧拉角和牙弓曲线的切线角度，可以判断牙刷在刷哪个牙齿区域，而且不限于门牙和左右槽牙这三个大区域；通过对比欧拉角和牙弓曲线的切线角度，可以定位到更为细分的牙齿区域，每个牙齿区域对应着一个牙弓曲线的切线角度。

值得注意的是，人在抬头、水平目视前方、牙刷也处于水平状态刷牙的时候，牙刷显然是没有抬头的，也就是牙刷的抬头角pitch永远为0，这时候是不能用pitch来估计正在刷哪个牙齿区域的；反过来，当人低头刷牙的时候，如果低头达到90度也就是人眼视线垂直目视地面，那么不论刷哪个牙齿区域，牙刷都没有东南西北方向上的转动(也就是说偏航角yaw不会变化)，而全是上下抬牙刷头或低牙刷头的转动(抬头角pitch会发生变化)。故此，当人完全的低头刷牙的时候，类似公知方法”Oral care system and method,WO2015021895 A1“提出的用yaw来估计刷哪个牙齿区域的方法是失效的。当人低头刷牙的时候，牙刷刷门牙的时候，牙刷处于水平而导致抬头角pitch为0；牙刷刷槽牙的时候，牙刷立起来而导致抬头角pitch很大，在50度～90度之间，因人而异，也因人的低头程度而不同。故此，在假设人完全低头刷牙的情况下，也就是人低头90度的情况下，可以准确的利用抬头角pitch来估计正在刷哪个牙齿区域。

进一步的，实际中大部分用户因为有水流出口腔的缘故，而选择低头刷牙但是不需要低头到90度，考虑到这个因素，允许用户事先输入一个低头角度，用做本发明系统中牙刷的欧拉角的偏移量，例如抬头角pitch的偏移量；或者系统直接预设一个经验值来代表大多数用户的低头角度平均值，用做本发明系统中牙刷的欧拉角的偏移量，常见的用户低头角度在30度至90度之间，典型值是45度。

本发明在定位牙齿方法上的主要特点在于两点：其一，基于人低头刷牙这个因素，用牙刷的抬头角pitch来估计正在刷哪个牙齿区域；其二，用贝塔函数来模拟牙弓曲线，进而可以用pitch角度对比贝塔函数曲线的切线角来估计正在刷哪个牙齿区域。

与现有技术相比，本发明的积极效果为：

1)其它专利发明没有检测具体的刷牙法的功能，即没有检测横刷、竖刷、巴氏刷牙法以及与巴氏刷牙法类似的那些刷牙法(例如水平颤动刷牙法、龈沟清扫法、modified stillman刷牙法)的功能；本发明具备这个功能，这是本发明与其他发明相比较最主要的积极效果。

2)一些其它专利发明需要人的头部保持不动才能有效实施，头部姿势、面部朝向不能改变；本发明在检测刷牙法(横刷、竖刷、巴氏刷牙法)的时候没有这个需求。因而本发明比其它发明更具有可实现性。

3)其它发明在检测牙刷刷到哪个区域的时候，要求人的头部姿势和面部朝向不能变化，本发明没有这个需求，故此更具有可实现性。

具体的，其它发明利用牙刷偏航角来估计正在刷哪个区域，当人的头部转动的时候比如转身180度去拿毛巾，牙刷会跟着头部一起转动，牙刷的偏航角跟着变化了，导致该发明方法误认为牙刷相对于头部发生了位置变化、也就是刷牙区域变了，但是事实上牙刷相对于头部的位置没变、刷牙牙齿的区域也没变，于是其它算法失效。

本发明没有这个问题，因为本发明不用牙刷的偏航角来估计牙齿区域。本发明用的是抬头角，与头部的转动无关。进一步阐述，本发明提出的方法与头部转动无关，而人的抬头或低头对本发明的效果确实有影响，不过影响不大。影响不大，是因为人刷牙的时候不会仰头刷牙，而低头程度也只能是介于0度(平视)到90度(彻底俯视)之间，大部分情况下人低头刷牙的时候大约低头20～70度，角度范围不大。相反地，人在刷牙的时候完全有可能转动头部超过90度甚至达到180度，例如刷着刷着转身拿毛巾、去烧水、甚至有人喜欢一边刷牙一边在客厅里来回走走。

4)其它发明在检测牙刷刷到哪个区域的时候，需要人抬着头，而本发明在检测“牙刷刷到哪个区域”的时候，允许人低头，也利用了人低头这个信息。实际中，由于刷牙会从口腔中流出水和泡沫，导致很多人喜欢低头刷牙，故此本发明更具可实现性。

附图说明

图1是牙刷上的传感器的安放角度示意图。

图2是使用三种传感器获得牙刷欧拉角pitch、roll、yaw的示意图。

图3是用加速计传感器获得牙刷欧拉角pitch、roll的示意图。

图4是牙刷翻转角roll的示意图。

(a)翻转角roll＝0°，(b)翻转角roll＝90°，(c)翻转角roll＝180°，(d)翻转角roll示意图；

图5是使用本发明牙刷进行横刷法检测时，加速计数据Acc X、Acc Y、Acc Z的一个实例。

图6是使用本发明牙刷进行竖刷法检测时，加速计数据Acc X、Acc Y、Acc Z的一个实例。

图7是在牙刷有一些翻转的情况下，使用本发明牙刷进行竖刷法检测时，加速计数据Acc X、Acc Y、Acc Z的一个实例。

图8是使用本发明牙刷进行巴氏刷牙法检测时，加速计数据Acc X、Acc Y、Acc Z的一个实例。

图9是使用本发明来检测巴氏刷牙法、横刷法、竖刷法的示例流程图。

图10是使用本发明来检测巴氏刷牙法、横刷法、竖刷法过程中所用到的阈值的分布的一个示例。

图11是牙刷翻转导致传感器的X轴、Z轴都以Y轴为轴向进行旋转的示意图。

(a)用投影轴代表与牙面垂直的方向，(b)投影轴与X轴具有一定夹角；

图12是本发明牙刷的抬头角pitch示意图，箭头指向重力方向也就是向下的方向，弧线代表低头情况下的牙弓(即牙齿排列出来的弓形)。

图13是本发明牙刷的抬头角pitch和翻转角roll联合使用示意图。

图14是在估计本发明牙刷在刷哪个牙齿区域得过程中，所用到的用来代表牙弓曲线的贝塔函数的曲线图。

具体实施方式

统计AccX、AccY、AccZ各自的变化剧烈程度，三个数据变化都不剧烈则为巴氏刷牙，三个数据中某些数据变化剧烈，而其它变化不剧烈，则判断为并非巴氏刷牙，而是竖刷牙或者为横刷牙。用牙刷传感器数据的标准差来判断数据是否变化剧烈。

首先检测巴氏刷牙法。首先把AccX、AccY、AccZ的标准差加起来，然后所得的标准差之和与某一个阈值对比，如果小于阈值，就认为是巴氏刷牙。其它类似方法包括：将AccX、AccY、AccZ的标准差分别与一个阈值对比，如果都小于该阈值，就认为是巴氏刷牙。阈值的具体数值取决于不同厂家不同型号的传感器，每个型号的传感器的值域都不一样，导致了不能给出一个普遍适用所有传感器的阈值。阈值的确定方法可以如下：选定好传感器和相应的配套硬件之后，由牙医专业人士实施巴氏刷牙法，在该实验中多次统计AccX的标准差的分布，三个标准差都呈现出大致高斯分布(即正态分布)，取其位于中心80％概率分布的两个边界值分别作为静止阈值和巴氏阈值，小的边界值做为静止阈值，大的边界值作为AccX的巴氏阈值。类似的，可以给出AccY和AccZ的巴氏阈值，或者是AccX+AccY+AccZ的巴氏阈值。

然后检测横刷法或竖刷法。在图1的传感器的安放角度的设定下，AccY的标准差如果大于某个阈值则判断为是横刷牙，否则不是；AccX的标准差加上AccZ的标准差所得的和与一个阈值对比，如果比较结果是大于阈值，就认为是竖刷牙，否则不是。以上过程展示在图9给出的流程图中。相应的，图9中各个阈值的相对范围在图10给出，静止阈值最小，巴氏阈值比静止阈值大，横刷阈值和竖刷阈值都比巴氏阈值大。

横向刷牙只需要Y轴数据即可判断，而竖直上下刷牙需要结合X轴、Z轴两个轴的数据来判断，这是因为实际中人刷牙时候牙刷毛不可能是垂直指向牙齿表面的。图11(a)中，用投影轴代表与牙面垂直的方向，当牙刷毛精准的垂直于牙面的时候，X轴数据没有用处，因为用户刷牙时牙刷不会做“远离牙齿再接近牙齿”这个动作；然而，在实际刷牙中，牙刷会有一些翻转，导致牙刷毛不可能精准的与牙面垂直，如图11(b)，这时候如果用户采用竖刷法，那么X轴数据在投影轴上的投影和Z轴数据在投影轴上投影共同反映了用户刷牙的情况。

给出一个具体的例子说明图9所示例的检测流程。设置静止阈值＝0.01、巴氏阈值＝0.1、横刷阈值＝0.6、竖刷阈值＝0.8，加速计的采样率为每秒钟10个采样，每秒钟可以获取10个AccX数据，计算得出这10个数据的标准差，用以判断用户在这一秒钟内以何种方式刷牙。标准差最常见的计算公式如下：

$\mathrm{\&sigma;}=\sqrt{\frac{1}{N}\underset{i=1}{\overset{N}{\&Sigma;}}{(x_i-\mathrm{\&mu;})}^2}$

其中，μ是数据x_i的算术平均值。更具体的，以牙刷加速计X轴数据AccX为例，计算它的标准差VarX如下：

$VarX=\sqrt{\frac{1}{T}\underset{t=1}{\overset{T}{\&Sigma;}}{\left(AccX\right(t)-u)}^2}=\sqrt{\frac{1}{10}({\left(AccX\right(1)-u)}^2+\mathrm{...}+{\left(AccX\right(10)-u)}^2)}$

$u=\underset{t=1}{\overset{T}{\&Sigma;}}AccX\left(t\right)=\frac{1}{10}\left(AccX\left(1\right)+...+AccX\left(10\right)\right)$

这里T＝10代表一秒钟里的10次采样，u是平均值，VarX就是标准差；注意这里的标准差就是常见的二次方差的开根号。类似的可以计算出AccY、AccZ各自的标准差VarY和VarZ。静止阈值最小，首先把(VarX+VarY+VarZ)与静止阈值做对比，小于静止阈值则认为牙刷没有动也就是用户没有在刷牙，大于静止阈值则进入到下一个检测框中；判断(VarX+VarY+VarZ)是否小于巴氏阈值，如果是，则输出判断为用户在做巴氏刷牙，如果否，则进入到下一检测框中；判断VarY是否大于横刷阈值，如果是，则输出判断为用户在用横刷法，如果否，则进入到下一个检测框中判断(VarX+VarZ)是否大于竖刷阈值，如果是，则输出判断为用户在使用竖刷法。这个例子以及例子中的各个阈值参数是以示例性为目的，不应该理解为以任何形式限制本发明。

横刷阈值和竖刷阈值的获取，类似巴氏阈值的获取，具体如下：阈值的具体数值取决于不同厂家不同型号的传感器，每个型号的传感器的值域都不一样，导致了不能给出一个普遍适用所有传感器的阈值。阈值的获取方法如下：选定好传感器和相应的配套硬件之后，由多个用户以及牙科专业人士实施横刷法，在该实验中多次统计AccY的标准差即VarY的分布，三个标准差都呈现出大致高斯分布(即正态分布)，取其位于中心80％概率分布的两个边界值，其中小的边界值作为横刷阈值来判定横刷(而大的边界值可以作为更强烈的判定条件，即一旦超过该阈值，给用户一个更强烈的提醒，提醒用户不仅在横刷，而且是速度很快的、伤害性的横刷)。

竖刷法的阈值的获取与横刷法类似，区别在于被统计量不是VarY，而是VarX+VarZ。

很多时候用户刷牙是非常随意的，比如划大圈式的刷牙，牙刷动作中既含有横刷动作也含有竖刷动作，可以都检测出来，也可以只检测出其中一个汇报给用户。

由于横刷对牙齿的损伤更大，在图9给出的流程中，设置横刷的检测优先级高于竖刷的检测优先级，即先判断是否横刷，如果是横刷，则不再判断竖刷动作。

本发明以数据变化剧烈程度或者标准差来判定刷牙法。例如图5中给出的示例，AccZ的幅度与AccY的最大幅度基本相同，但是只有AccY变化剧烈、因而判断为横刷，而AccZ没有变化剧烈、因而不能判断为竖刷。

值得注意的是，对于电动牙刷，牙刷的电动转动已经代替了巴氏刷牙的牙刷颤动动作，故此牙医推荐的电动牙刷的正确使用方法很简单：就是放在牙齿上、刷完之后换其它牙齿即可。由于电动牙刷的电动转动已经代替了巴氏刷牙的牙刷颤动动作，故此本发明在应用于电动牙刷的时候，不需要做巴氏检测，而只需要做横刷和竖刷检测并报告给用户即可，其检测方法与非电动牙刷的横刷检测和竖刷检测没有区别。

检测roll的值是否与45°或－45°或225°或135°相差不大，如果是，即可认为用户的巴氏刷牙的牙刷角度基本正确(考虑到在实际应用中用户不可能精准的将刷毛指向与牙长轴呈45°角的方向，系统可以允许一定的冗余量)。一个具体的例子：只要roll的值与180°相差超过正负30°且roll的值与0°相差超过正负30°，即可认为牙刷不是水平的而是大约与牙长轴呈45°角。

检测roll是否具备“在每个3秒钟时间窗内都有两次相反的大的变化”特征，可以确认用户是否在巴氏刷牙的基础上，还做到了牙刷角度正确；这里的两次相反的大的变化，要求Roll的变化大幅度超过在牙刷做颤动的时候的roll的变化，巴氏刷牙要求牙刷做颤动，颤动时候roll的变化大约为正负20度左右，这里为了检测“两侧相反的大的变化”，要求该大的变化达到50度以上，也就是roll突变正50度以上之后又突变负50度。这样做的原因是：有些医生推荐的巴氏刷牙法，要求在牙刷水平颤动以后有一个进一步的动作即翻转一下牙刷，以便获得医学上的好处，例如把食物残渣剔除，然后再继续水平颤动刷其他的牙齿；这个过程中，牙刷会向外翻转再向里翻转回到原始的角度；相应的，roll呈现出两次相反的大的变化。

用牙刷的抬头角pitch来估计牙刷正在刷哪个牙齿区域。在图12所示实例中，pitch的绝对值如果大约等于0度，则判断为在刷门牙；而pitch的绝对值如果远大于0度且小于90度(例如60度)，则判断为牙刷正在刷口腔深处的牙、例如槽牙。

发明“US 2015/0044629 A1”与本发明有明显区别，它提出了用偏航角yaw来估计牙刷正在刷哪个牙齿区域，该方法适用于用户抬头刷牙的情况。本发明提出用抬头角pitch来估计牙刷正在刷哪个牙齿区域，此方法适用于用户低头刷牙的情况。此外，yaw值的获取不能通过加速计这一个传感器获得，而需要多种传感器联合运作(例如需要加速计和磁力计和陀螺仪，见图1示例)；而pitch值的获取只需要加速计即可(见图2示例)，故此本发明实施起来更简单、更廉价。

同时使用pitch的值和roll的值来判断牙刷在刷左侧口腔深处的牙还是右侧口腔深处的牙。在图13所示实例中，roll的绝对值在0度附近并且pitch值远大于0(实验统计表明应大于阈值30度)，则判断为是在刷左侧口腔深处的牙；roll的绝对值在180度附近并且pitch值远大于0，则判断为是在刷右侧口腔深处的牙。

在使用牙刷的欧拉角例如抬头角pitch来估计牙刷正在刷哪个牙齿区域的过程中，通过对比欧拉角和牙弓曲线的切线角度，来判断牙刷在刷哪个牙齿区域。用贝塔函数模拟牙弓曲线，将贝塔函数的切线作为牙弓曲线的切线，于是可以获得牙弓曲线的每一处的切线角，即图14中的曲线的切线角度。贝塔函数的形式参见学术论文[基于贝塔函数探究牙弓曲线的主要决定因素]，其典型形式是其中D＝32.4是高度参数，W＝52.0是宽度参数，而β值为0.70～0.73能够最佳的模拟绝大部分亚洲人尤其是中国人的牙弓形状。也可以采用其它牙弓曲线函数，例如论文[牙弓曲线发生器的运动规划与仿真]给出的牙弓曲线函数。

允许用户输入一个低头角度，用做本发明系统中牙刷的抬头角pitch的偏移量和翻转角roll的偏移量；或者系统直接预设一个经验值来代表大多数用户的低头角度平均值，用做本发明系统中牙刷的抬头角pitch的偏移量和翻转角roll的偏移量。在应用上文所阐述的所有使用pitch和roll的方法之前，都将pitch减去该偏移量、roll减去该偏移量，然后再应用上文所阐述的方法。举例说明：当用户刷最里面的槽牙这个牙齿区域的时候：如果用户是低头90度的，那么牙刷柄所在直线是垂直于地面的、即牙刷的抬头角pitch是90度；如果用户是低头45度的，那么刷最里面槽牙的时候牙刷柄所在直线与地面成45度角、即牙刷的抬头角pitch是45度，偏移量为45度，故此需要先减掉该偏移量，再来应用估计方法。

另一种处理用户的低头角偏移量的方法，更直观但是稍微复杂，就是把牙弓曲线(也就是贝塔函数曲线)所在平面相应的向下旋转，然后将三维空间里的牙弓曲线的切线与牙刷的pitch角做对比，即可估计正在刷哪个牙齿区域。

用户输入的低头角度，可以由用户手工输入，也可以用一个经验值代替，经验值是45度，即很多用户刷牙的时候是低头大约45度角的。

检测出用户所使用的刷牙法，把相应的刷牙法的动画给用户看，或者依据检测结果给用户一个刷牙效果评分报告，例如巴氏刷牙法为满分，横刷为不及格分数；如果检测出用户在整个刷牙过程中一会儿横刷，一会儿竖刷，一会儿巴氏刷牙，则分数折中。

传感器可以在牙刷上，也可以是在一个套件上，把牙刷和套件通过物理方法贴合在一起，能达到同样效果。综上所述，本发明能够实时监测使用者的牙刷动作和刷牙技巧，对刷牙行为进行分析评价，给出刷牙建议。尽管本发明的内容已经做出了详细介绍，但应当认识到上述的描述不应被认为是对本发明的限制。在本领域技术人员阅读了上述内容后，对于本发明的多种显而易见的修改和替代，应该都在本发明的保护范围内。

Claims (16)

1.一种智能牙刷的刷牙方式检测方法，其步骤包括：

1)在牙刷中设置一加速度计传感器和一数据处理单元；加速度计传感器将采集的三轴加速度数据AccX、AccY、AccZ发送给数据处理单元；其中，AccX为牙刷毛指向方向加速度数据、AccY为牙刷柄指向方向加速度数据、AccZ为垂直于牙刷毛和牙刷柄方向的加速度数据；

2)数据处理单元计算加速度数据AccX、AccY、AccZ各自变化程度，如果三项加速度数据均有变化且变化程度均未超过设定阈值或三项加速度数据的变化程度之和小于一设定的巴氏阈值，则判断当前刷牙方式为巴氏刷牙；如果加速度数据AccY的变化程度大于设定的横刷牙阈值则判断当前刷牙方式为横刷牙；如果加速度数据AccX的变化程度与加速度数据AccZ的变化程度之和大于设定的竖刷牙阈值，或者加速度数据AccZ的变化程度大于设定的竖刷牙阈值，则判断当前刷牙方式为竖刷牙。

2.如权利要求1所述的方法，其特征在于，采用加速度数据的标准差作为所述变化程度。

3.如权利要求2所述的方法，其特征在于，所述设定阈值的确定方法为：采用所述牙刷进行多次巴氏刷牙法刷牙并采集三轴加速度数据AccX、AccY、AccZ，然后对采集的加速度数据进行统计，分别得到加速度数据AccX标准差概率分布、加速度数据AccY标准差概率分布、加速度数据AccZ标准差概率分布；然后取加速度数据AccX标准差概率分布中心部分的两边界值作为加速度数据AccX的静止阈值和设定阈值，取加速度数据AccY标准差概率分布中心部分的两边界值作为加速度数据AccY的静止阈值和设定阈值，取加速度数据AccZ标准差概率分布中心部分的两边界值作为加速度数据AccZ的静止阈值和设定阈值；其中，小的边界值做为静止阈值，大的边界值作为对应的设定阈值。

4.如权利要求3所述的方法，其特征在于，将所述加速度数据AccX的设定阈值、加速度数据AccY的设定阈值、加速度数据AccZ的设定阈值之和作为所述巴氏阈值。

5.如权利要求2所述的方法，其特征在于，所述横刷牙阈值的确定方法为：采用所述牙刷进行多次横刷牙法刷牙并采集三轴加速度数据AccY，然后对采集的加速度数据进行统计，得到加速度数据AccY标准差概率分布；然后取加速度数据AccY标准差概率分布中心部分的两边界值，将小的边界值做为静止阈值，大的边界值作为所述横刷牙阈值。

6.如权利要求2所述的方法，其特征在于，所述竖刷牙阈值的确定方法为：采用所述牙刷进行多次竖刷牙法刷牙并采集三轴加速度数据AccX、三轴加速度数据AccZ，然后对采集的加速度数据进行统计，得到加速度数据AccX标准差概率分布、加速度数据AccZ标准差概率分布；然后取加速度数据AccX标准差概率分布中心部分的两边界值和加速度数据AccZ标准差概率分布中心部分的两边界值，将两小的边界值之和做为静止阈值，将两大的边界值之和作为所述竖刷牙阈值。

7.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述数据处理单元中预设一低头角度作为偏移量，当判断为巴氏刷牙时，所述数据处理单元根据采集的加速度数据AccX、AccY、AccZ计算牙刷的翻转角roll；如果roll值减去该偏移量后与180°相差超过正负30°且与0°相差超过正负30°，则判定当前巴氏刷牙方式正确。

8.如权利要求7所述的方法，其特征在于，所述数据处理单元进一步检测设定时间内，roll值的变化是否出现两次相反的变化，即roll值两次超过设定的翻转阈值，如果出现，则判定当前巴氏刷牙的牙刷角度正确。

9.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述数据处理单元中预设一低头角度作为偏移量；所述数据处理单元根据采集的加速度数据AccX、AccY、AccZ计算牙刷的抬头角pitch，根据抬头角pitch与该偏移量的差值确定当前刷牙的区域。

10.一种智能牙刷的刷牙方式检测系统，其特征在于，包括所述智能牙刷中设有一加速度计传感器、无线发送单元和一数据处理单元；其中，

加速度计传感器，用于将采集的三轴加速度数据AccX、AccY、AccZ发送给数据处理单元；AccX为牙刷毛指向方向加速度数据、AccY为牙刷柄指向方向加速度数据、AccZ为垂直于牙刷毛和牙刷柄方向的加速度数据；

数据处理单元，用于计算加速度数据AccX、AccY、AccZ各自变化程度，如果三项加速度数据均有变化且变化程度均未超过设定阈值或三项加速度数据的变化程度之和小于一设定的巴氏阈值，则判断当前刷牙方式为巴氏刷牙；如果加速度数据AccY的变化程度大于设定的横刷牙阈值则判断当前刷牙方式为横刷牙；如果加速度数据AccX的变化程度与加速度数据AccZ的变化程度之和大于设定的竖刷牙阈值，或者加速度数据AccZ的变化程度大于设定的竖刷牙阈值，则判断当前刷牙方式为竖刷牙；

无线发送单元，用于将数据处理单元的判定结果发送给接收端。

11.如权利要求10所述的系统，其特征在于，采用加速度数据的标准差作为所述变化程度。

12.如权利要求11所述的系统，其特征在于，所述数据处理单元采集多次巴氏刷牙法刷牙的三轴加速度数据AccX、AccY、AccZ，然后对采集的加速度数据进行统计，分别得到加速度数据AccX标准差概率分布、加速度数据AccY标准差概率分布、加速度数据AccZ标准差概率分布；然后取加速度数据AccX标准差概率分布中心部分的两边界值作为加速度数据AccX的静止阈值和设定阈值，取加速度数据AccY标准差概率分布中心部分的两边界值作为加速度数据AccY的静止阈值和设定阈值，取加速度数据AccZ标准差概率分布中心部分的两边界值作为加速度数据AccZ的静止阈值和设定阈值；其中，小的边界值做为静止阈值，大的边界值作为对应的设定阈值。

13.如权利要求12所述的方法，其特征在于，将所述加速度数据AccX的设定阈值、加速度数据AccY的设定阈值、加速度数据AccZ的设定阈值之和作为所述巴氏阈值。

14.如权利要求10所述的系统，其特征在于，所述数据处理单元中预设一低头角度作为偏移量，当判断为巴氏刷牙时，所述数据处理单元根据采集的加速度数据AccX、AccY、AccZ计算牙刷的翻转角roll；如果roll值减去该偏移量后与180°相差超过正负30°且与0°相差超过正负30°，则判定当前巴氏刷牙方式正确。

15.如权利要求14所述的系统，其特征在于，所述数据处理单元进一步检测设定时间内，roll值的变化是否出现两次相反的变化，即roll值两次超过设定的翻转阈值，如果出现，则判定当前巴氏刷牙的牙刷角度正确。

16.如权利要求10所述的方法，其特征在于，所述数据处理单元中预设一低头角度作为偏移量；所述数据处理单元根据采集的加速度数据AccX、AccY、AccZ计算牙刷的抬头角pitch，根据抬头角pitch与该偏移量的差值确定当前刷牙的区域。