CN107945467A - 一种基于臀部压力分布特征的便携式坐姿监测与提醒系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于臀部压力分布特征的便携式坐姿监测与提醒系统，包括坐姿采集模块，后台数据服务系统模块以及手机APP客户端，其中坐姿采集模块包括柔性阵列式压力传感器、数据处理单元以及MCU,柔性阵列式压力传感器实时采集使用者臀部作用于坐垫的压力分布信息，MCU通过无线通信单元将使用者臀部压力分布信息传送至后台数据服务系统模块，后台数据服务系统模块对传入的数据进行分析处理并将最终坐姿信息发送至手机APP客户端，手机APP客户端实时显示使用者当前的坐姿情况，并且能够达到实时预警的效果。本发明基于臀部压力分布特征的设计，易于携带，同时能够实时分析使用者坐姿情况并给出反馈提醒。

Description

一种基于臀部压力分布特征的便携式坐姿监测与提醒系统

技术领域

本发明涉及坐姿矫正装置技术领域，特别涉及一种基于臀部压力分布特征的便携式坐姿监测及提醒系统。

背景技术

坐姿是人体活动最常用的状态，而长期不良坐姿会对人体特别是儿童青少年产生很多危害，例如坐姿不良将导致近视、斜视、驼背、颈椎病、腰椎病、肌肉损伤等身体健康疾病，对青少年的身体发育非常不利且难以矫正，同时也可能导致细胞血管阻塞、部分组织坏死，严重损害青少年的身体健康。利用人体解剖学的生理知识可知，当人体处于不同坐姿时，腿部、臀部、背部、脊椎等部位所承受的压力均大不相同，人体长时间处于不良坐姿时，其各个部位的压力会分布极其不均匀，因此会给人体带来不可估量的伤害。虽然人体的坐骨相对粗壮，且肌肉分布较多，但当其承受更大的压力时，其相应的肌肉组织以及神经传导会受到伤害，此时人体会感觉到不适。而当人体处于良好坐姿时，压力分布均匀，此时人体骨骼以及肌肉所承受的负担减小，身体舒适，可提高青少年的学习效率。事实上，现代心理学研究表明，个体的外在动作行为隐含丰富的内心心理活动信息，行为习惯的养成与心理人格的成长休戚相关。因此，青少年在学习过程中的坐姿微动作习惯不仅事关其身体健康，也会影响其心智健康及综合素质的提高；反过来，青少年的心理行为特征也会反向影响到坐姿微动作习惯的形成。故而，对青少年坐姿习惯的关注一方面要从工程技术的角度优化对坐姿习惯的监测与矫正，实现对其坐姿微动作的无扰精准识别；同时，将坐姿微动作信息与其心理变化以及环境因素等进行关联分析，找到其内在心理成因并实施引导，从而更加合理有效地实现错误坐姿的矫正和正确坐姿习惯的养成，促进青少年身心健康的全面发展。

良好的坐姿等日常行为习惯对青少年生长发育和身体健康的重要性已广为人知，虽然如今市场上也存在各种各样的坐姿矫正器具或者人体工学桌椅，然而，此类产品主要基于人体工学原理进行结构和功能设计，虽然有一定的科学性因素，但难以兼顾青少年个体特征以及难以实现与青少年学习生活环境的相容性等固有缺陷，导致上述产品在使用过程中对青少年正常的日常生活和学习活动造成较大干扰，很难达到设计的显著功效，更没有各种广告宣传中夸张的神奇效果。且它们只适合固定在某个地方，不具有一定的便携性。

发明内容

本发明要解决的技术问题为：针对坐姿监测的现有缺陷和现有技术的不足，基于臀部压力分布特征，提出一种基于臀部压力分布特征的便携式坐姿监测与提醒系统，可以运用到坐姿监测和提醒上，这将会对使用者坐姿矫正效果有极大的提高。

本发明采用的技术方案为：一种基于臀部压力分布特征的便携式坐姿监测与提醒系统，包括设在坐垫内的坐姿采集模块，后台数据服务系统模块以及手机APP客户端；所述坐姿采集模块包括柔性阵列式压力传感器、数据处理单元以及MCU，该柔性阵列式压力传感器输出端分别与数据处理单元的输入端相连，所述数据处理单元分别与MCU的输入端相连；所述MCU将监测的使用者坐姿信息通过其输出端连接的无线通信单元传送至用于分析处理坐姿信息的后台数据服务系统模块；所述后台数据服务系统模块通过无线网络对当前坐姿信息进行显示的手机APP客户端相连，因此手机APP客户端可以通过无线网络发送命令到所述后台数据服务系统模块或所述后台数据服务系统模块发送使用者当前坐姿信息至手机APP客户端。

优选的是，所述坐姿采集模块整体包括以下部分：从坐垫的顶部开始，第一层为PU层，直接与人体臀部接触；第二层为EVA泡棉板，具有缓冲减震的作用；第三层为柔性阵列式压力传感器，用于获取当前使用者的臀部压力分布信息；第四层为环氧板，用于将柔性阵列式压力传感器布置在此板上面，所述环氧板下面通过固定电路板、路由器以及移动电源，其中路由器和移动电源通过卡槽固定；第五层，一个封盖，将电路板、路由器以及电源封装在内部；其中外侧装有一个开关，以控制整个装置的开启和关闭，使用者打开开关即可进行坐姿的监测和提醒，当不需要进行坐姿监测和提醒关闭开关即可；另装有一个指示灯，当装置有电正常工作时，指示灯颜色为绿色，当装置电源电量耗尽时，灯处于熄灭状态；另有一个电源接口，以方便移动电源充电。

优选的是，所述柔性阵列式压力传感器采用上下层结构，由两片超薄耐高温聚酯薄膜组成，上层薄膜内铺设60行的状导体，下层薄膜内铺设60列的带状导体，则形成了60行*60列的压力传感器阵列，一共具有3600个有效传感器节点。实时监测使用者臀部作用于坐垫的压力分布信息。

所述臀部压力分布信息是通过其信号检出电路输出电压信号做一定处理计算得到，输出电压和压力分区间成线性关系，则可以通过直线拟合得到输入-输出关系，因此，只要对输出电压做一定处理计算就可以解算出使用者臀部压力分布信息。

优选的是，所述后台数据服务系统模块能够实时对使用者坐姿的判断结果进行统计，分别记录正确坐姿、不规范坐姿以及离座三种情况的次数，并通过无线网络将分析处理后的坐姿信息或坐姿情况统计结果发送至手机APP客户端。

所述后台数据服务系统模块首先寻找二维压力矩阵对称的中心线，通过中心线划分出左右两个区域，统计左右两个区域的压力点数以及左右侧前后帧之间的压力波动变化，当超过一定范围时，即判断出现不规范坐姿，并对不规范坐姿做进一步分析；在二维压力矩阵具有均匀性、波动性以及对称性的基础上，使用者作用于坐垫内的柔性阵列式压力传感器会产生一个压力重心和几何中心，当身体前后倾时，压力重心移动的比几何中心快，当压力重心与几何中心的差超过一定范围时，即判断出前后倾；这里将不规范坐姿具体分为身体前倾，身体后倾、身体左倾、身体右倾、左腿翘右腿、右腿翘左腿、抖腿。

优选的是，所述手机APP客户端内设有报警单元，后台数据服务系统模块定时将当前坐姿信息发送至手机APP客户端，当监测到使用者的当前坐姿信息于不规范坐姿时，报警单元可以发出语音报警提示信息，以便使用者调整坐姿。

本发明专利有益效果：

本发明以坐垫形式呈现，易于携带，使用时把其放在座椅上打开开关即可。

本发明能够基于使用者臀部压力分布特征来判定使用者坐姿是否规范，其中坐姿采集模块通过柔性阵列式压力传感器获取使用者臀部作用于坐垫的压力分布信息，并通过无线通信单元发送至后台数据服务系统模块，后台数据服务系统模块通过对接收到的使用者臀部压力分布信息进行分析处理以得出使用者的坐姿信息，并通过无线网络将使用者当前坐姿信息发送至手机APP客户端，以达到对使用者坐姿实时无干扰监控和提醒。

后台数据服务系统模块用于对坐姿采集模块采集的使用者坐姿信息进行分析处理，可以得出使用者当前坐姿是否属于不规范坐姿，并且能够实时对使用者坐姿的判断结果进行统计，分别记录正确坐姿、不规范坐姿以及离座三种情况的次数，并通过无线网络将分析处理后的坐姿信息或坐姿情况统计结果发送至手机APP客户端。上述具体分析处理的算法表现为：使用者作用于坐垫内的柔性阵列式压力传感器会产生M行*N列的二维压力矩阵，当使用者保持标准坐姿时，臀部对坐垫压力的峰值出现在坐骨结节处，并且在坐骨结节的两侧呈现基本对称分布；当使用者者坐姿变化时，臀部对坐垫的压力分布将发生显著变化，例如：后靠时，上半身重心后移，股骨(即大腿骨)对坐垫的压力变大；身体前倾时，上半身重心前倾，大腿根部对坐垫的压力变大；跷二郎腿以及左右倾斜时，大腿根部与左右侧压力呈现左右不对称；当使用者出现抖腿时，接触压力值处于上下波动状态，帧与帧之间的接触压力变化差值较大。首先后台数据服务系统模块接收到使用者臀部压力分布数据，臀部压力分布数据具体表现为二维压力矩阵，后台数据服务系统模块首先寻找二维压力矩阵对称的中心线，通过中心线划分出左右两个区域，统计左右两个区域的压力点数以及左右侧前后帧之间的压力波动变化，当超过一定范围时，即判断出现不规范坐姿，并对不规范坐姿做进一步分析；在判断二维压力矩阵的均匀性、波动性以及对称性的基础上，使用者作用于坐垫内的柔性阵列式压力传感器会产生一个压力重心和几何中心，当身体前后倾时，压力重心移动的比几何中心快，当压力重心与几何中心的差超过一定范围时，即判断出前后倾；这里将不规范坐姿具体分为身体前倾，身体后倾、身体左倾、身体右倾、左腿翘右腿、右腿翘左腿、抖腿。

手机APP客户端内部设置报警单元，从而当使用者当前的坐姿属于不规范坐姿时，所述后台数据服务系统模块可将使用者不规范坐姿信息通过无线网络发送至手机APP客户端，随之报警单元即会发出语音报警提示信息，从而更好地帮助使用者调整坐姿。

附图说明

图1为本发明一种基于臀部压力分布特征的便携式坐姿监测与提醒系统整体示意图；

图2为本发明一种基于臀部压力分布特征的便携式坐姿监测与提醒系统的系统结构框图；

图3为本发明一种基于臀部压力分布特征的便携式坐姿监测与提醒系统详细示意图；

图4为本发明一种基于臀部压力分布特征的便携式坐姿监测与提醒系统的开关、指示灯以及电源接口示意图；

图5为本发明一种基于臀部压力分布特征的便携式坐姿监测与提醒系统的后台数据服务系统的坐姿识别与统计算法流程图；

图中：1—坐姿采集模块，2—后台数据服务系统模块，3—手机APP客户端，4—柔性阵列式压力传感器，5—数据处理单元，6—MCU，7—无线通信单元，8—电路板，9—移动电源，10—路由器，11—PU层，12—EVA泡棉板，13—环氧板，14—封盖，15—电源接口，16—指示灯，17—开关。

具体实施方式

实施例一：

为进一步了解本发明内容，结合附图和实施例对本发明做详细描述：

图1为本发明一种基于臀部压力分布特征的便携式坐姿监测与提醒系统整体示意图，包括坐姿采集模块1，后台数据服务系统模块2以及手机APP客户端3。

图2为本发明一种基于臀部压力分布特征的便携式坐姿监测与提醒系统的系统结构框图，其中坐姿采集模块1包括柔性阵列式压力传感器4、数据处理单元5以及MCU6,柔性阵列式压力传感器4实时采集使用者臀部作用于坐垫的压力分布信息，MCU6通过无线通信单元7将使用者臀部压力分布信息传送至后台数据服务系统模块2，后台数据服务系统模块2对传入的数据进行分析处理并将最终坐姿信息发送至手机APP客户端3，手机APP客户端3接收到后台数据服务系统模块2的坐姿信息分析结果，实时显示使用者当前的坐姿情况，并且能够达到实时预警的效果。

图3为本发明一种基于臀部压力分布特征的便携式坐姿监测与提醒系统详细示意图，坐姿采集模块1整体包括以下部分：从坐垫的顶部开始，第一层为PU层11，直接与人体臀部接触；第二层为EVA泡棉板12，具有缓冲减震的作用；第三层为柔性阵列式压力传感器4，用于获取当前使用者的臀部压力分布信息；第四层为环氧板13，用于将柔性阵列式压力传感器4布置在此板上面，所述环氧板13下面通过固定电路板8、移动电源9以及路由器10，其中移动电源9和路由器10通过卡槽固定；第五层，一个封盖14，将电路板8、移动电源9以及路由器10封装在内部。

图4为本发明一种基于臀部压力分布特征的便携式坐姿监测与提醒系统的开关、指示灯以及电源接口示意图，所述坐垫采集模块1外侧装有一个开关17，以控制整个装置的开启和关闭，使用者打开开关17即可进行坐姿的监测和提醒，当不需要进行坐姿监测和提醒关闭开关17即可；另装有一个指示灯16，当装置有电正常工作时，指示灯16颜色为绿色，当装置电源电量耗尽时，指示灯16处于熄灭状态；另有一个电源接口15，以方便移动电源充电。

所述柔性阵列式压力传感器4柔性好，易于弯曲，且感知效果好，准确率高，由于平铺在坐垫内的柔性阵列传感器是由多个传感器组成，可以监测到坐垫一定区域内任何一处的压力值，且对于不同胖瘦的人群同样适用；并且采用上下层结构，由两片超薄耐高温聚酯薄膜组成，上层薄膜内铺设60行的状导体，下层薄膜内铺设60列的带状导体，则形成了60行*60列的压力传感器阵列，一共具有3600个有效传感器节点；用于实时监测使用者臀部作用于坐垫的压力分布信息；使用者作用于坐垫内的柔性阵列式压力传感器4产生M行*N列的二维压力矩阵，当使用者保持标准坐姿时，臀部对坐垫压力的峰值出现在坐骨结节处，并且在坐骨结节的两侧呈现基本对称分布；当使用者坐姿变化时，臀部对坐垫的压力分布将发生显著变化，后靠时，上半身重心后移，股骨(即大腿骨)对坐垫的压力变大；身体前倾时，上半身重心前倾，大腿根部对坐垫的压力变大；跷二郎腿以及左右倾斜时，大腿根部与左右侧压力呈现左右不对称；当使用者出现抖腿时，接触压力值处于上下波动状态，帧与帧之间的接触压力变化差值较大。

图5为本发明一种基于臀部压力分布特征的便携式坐姿监测与提醒系统的后台数据服务系统的坐姿识别与统计算法流程图，具体过程如下：首先后台数据服务系统模块2接收到使用者臀部压力分布数据，臀部压力分布数据具体表现为二维压力矩阵，后台数据服务系统模块2首先寻找二维压力矩阵对称的中心线，通过中心线划分出左右两个区域，统计左右两个区域的压力点数以及左右侧前后帧之间的压力波动变化，当超过一定范围时，即判断出现不规范坐姿，并对不规范坐姿做进一步分析；在判断二维压力矩阵的均匀性、波动性以及对称性的基础上，使用者作用于坐垫内的柔性阵列式压力传感器4会产生一个压力重心和几何中心，当身体前后倾时，压力重心移动的比几何中心快，当压力重心与几何中心的差超过一定范围时，即判断出前后倾；这里将不规范坐姿具体分为身体前倾，身体后倾、身体左倾、身体右倾、左腿翘右腿、右腿翘左腿、抖腿；所述后台数据服务系统模块能够实时对使用者坐姿的判断结果进行统计，分别记录正确坐姿、不规范坐姿以及离座三种情况的次数，并通过无线网络将分析处理后的坐姿信息或坐姿情况统计结果发送至手机APP客户端3，从而实现了对使用者的坐姿实时无干扰监控和提醒。

实施例二：

一种基于臀部压力分布特征的便携式坐姿监测与提醒系统，包括坐姿采集模块1，后台数据服务系统模块2以及手机APP客户端3。

坐姿采集模块1包括柔性阵列式压力传感器4，数据处理单元5以及MCU6。其中单片机作为核心控制器，采用二次测量法对传感器进行扫描。利用放大器输入端等电位的原理，在同一时间下，允许一行和一列分别被选中与ADC电路连接，通过地址的循环依次得到每个节点的实时受力情况。

实施例三：

一种基于臀部压力分布特征的便携式坐姿监测与提醒系统，包括坐姿采集模块1，后台数据服务系统模块2以及手机APP客户端3。

在实施例一或实施例二的基础上，手机APP客户端3内设有报警单元，当监测到使用者当前坐姿为不规范坐姿时，其中我们将不规范坐姿分为身体前倾、身体后倾、身体左倾、身体右倾、左腿翘右腿、右腿翘左腿，当使用者出现以上几种不规范坐姿时，后台数据服务系统模块2将不规范坐姿信息发送至手机APP客户端3并进行语音播报提示。因此当使用者坐姿不规范时，报警单元就会实现警示提醒，更好地帮助使用者规范坐姿。

显然，本领域的技术人员可以对本发明的一种基于臀部压力分布的便携式坐姿监测与提醒系统进行各种改动和变型而不脱离本发明的精神和范围。这样，倘若本发明的这些修改和变型属于本发明权利要求及其等同技术的范围之内，则本发明也意图包含这些改动和变型在内。

Claims (7)

1.一种基于臀部压力分布特征的便携式坐姿监测与提醒系统，其特征在于：包括：坐姿采集模块(1)，后台数据服务系统模块(2)以及手机APP客户端(3)；其中：

所述坐姿采集模块(1)包括柔性阵列式压力传感器的输出端分别与数据处理单元的输入端相连，所述数据处理单元的输出端与MCU的输入端相连；所述MCU将获取的当前使用者坐姿信息通过无线通信单元传送给用于分析处理使用者坐姿信息的后台数据服务系统模块(2)，所述后台数据服务系统模块(2)根据使用者作用于柔性阵列式压力传感器而产生的M行*N列的二维压力矩阵，寻找二维压力矩阵对称的中心线，通过中心线划分出左右两个区域，统计左右两个区域的压力点数以及左右侧前后帧之间的压力波动变化并结合压力重心与几何中心的差值，当上述值超过一定范围时，即判断出现不规范坐姿，并对不规范坐姿做进一步分析；

所述后台数据服务系统模块(2)通过无线网络与对当前坐姿信号进行显示并进行语音报警提示的手机APP客户端(3)相连。

2.根据要求1所述的一种基于臀部压力分布特征的便携式坐姿监测与提醒系统，其特征在于：所述坐姿采集模块(1)整体包括以下部分：从坐垫的顶部开始，第一层为PU层，直接与人体臀部接触；第二层为EVA泡棉板，具有缓冲减震的作用；第三层为柔性阵列式压力传感器，用于获取当前使用者的臀部压力分布信息；第四层为环氧板，用于将柔性阵列式压力传感器布置在此板上面，所述环氧板下面通过固定电路板、路由器以及移动电源，其中路由器和移动电源通过卡槽固定；第五层，一个封盖，将电路板、路由器以及电源封装在内部。

3.根据要求1所述的一种基于臀部压力分布特征的便携式坐姿监测与提醒系统，其特征在于：所述坐姿采集模块(1)外侧装有一个开关，以控制整个装置的开启和关闭，使用者打开开关即可进行坐姿的监测和提醒，当不需要进行坐姿监测和提醒关闭开关即可；另装有一个指示灯，当装置有电正常工作时，指示灯颜色为绿色，当装置电源电量耗尽时，灯处于熄灭状态；另有一个电源接口，以方便移动电源充电。

4.根据要求1所述的一种基于臀部压力分布特征的便携式坐姿监测与提醒系统，其特征在于：所述柔性阵列式压力传感器实时监测使用者臀部作用于坐垫的压力分布信息，柔性阵列式压力传感器采用上下层结构，由两片超薄耐高温聚酯薄膜组成，上层薄膜内铺设60行的带状导体，下层薄膜内铺设60列的带状导体，则形成了60行*60列的压力传感器阵列，一共具有3600个有效传感器节点。

5.根据要求1或2所述的一种基于臀部压力分布特征的便携式坐姿监测与提醒系统，其特征在于：所述臀部压力分布信息是通过其信号检出电路输出电压信号做一定处理计算得到，输出电压和压力分区间成线性关系，则可以通过直线拟合得到输入—输出关系，只要对输出电压做一定处理计算就可以解算出使用者臀部压力分布信息。

6.根据要求1所述的一种基于臀部压力分布特征的便携式监测与提醒系统，其特征在于：所述后台数据服务系统模块(2)用于对坐姿采集模块采集的使用者坐姿信息进行分析处理，以得出使用者当前坐姿是否属于不规范坐姿，上述具体分析处理的算法表现为：使用者作用于坐垫内的柔性阵列式压力传感器产生M行*N列的二维压力矩阵，当使用者保持标准坐姿时，臀部对坐垫压力的峰值出现在坐骨结节处，并且在坐骨结节的两侧呈现基本对称分布；当使用者坐姿变化时，臀部对坐垫的压力分布将发生显著变化，后靠时，上半身重心后移，股骨(即大腿骨)对坐垫的压力变大；身体前倾时，上半身重心前倾，大腿根部对坐垫的压力变大；跷二郎腿以及左右倾斜时，大腿根部与左右侧压力呈现左右不对称；抖腿时，接触压力值处于上下波动状态，帧与帧之间的接触压力变化差值较大；首先后台数据服务系统模块(2)接收到使用者臀部压力分布数据，臀部压力分布数据具体表现为二维压力矩阵，后台数据服务系统模块(2)首先寻找二维压力矩阵对称的中心线，通过中心线划分出左右两个区域，统计左右两个区域的压力点数以及左右侧前后帧之间的压力波动变化，当超过一定范围时，即判断出现不规范坐姿，并对不规范坐姿做进一步分析；在二维压力矩阵具有均匀性、波动性以及对称性的基础上，使用者作用于坐垫内的柔性阵列式压力传感器会产生一个压力重心和几何中心，当身体前后倾时，压力重心移动的比几何中心快，当压力重心与几何中心的差超过一定范围时，即判断出前后倾；这里将不规范坐姿具体分为身体前倾，身体后倾、身体左倾、身体右倾、左腿翘右腿、右腿翘左腿、抖腿；所述后台数据服务系统模块(2)能够实时对使用者坐姿的判断结果进行统计，分别记录正确坐姿、不规范坐姿以及离座三种情况的次数，并通过无线网络将分析处理后的坐姿信息或坐姿情况统计结果发送至手机APP客户端(3)。

7.根据要求1所述的一种基于臀部压力分布特征的便携式监测与提醒系统，其特征在于：所述手机APP客户端(3)内设有报警单元，后台数据服务系统模块(2)定时将当前坐姿信息发送至手机APP客户端，当监测到使用者的当前坐姿信息于不规范坐姿时，报警单元可以发出语音报警提示信息以方便使用者调整坐姿。