CN109009600A

CN109009600A - 一种基于形变敏感元件的智能矫姿理疗装置

Info

Publication number: CN109009600A
Application number: CN201810790463.0A
Authority: CN
Inventors: 田跃; 张波; 鞠亚坤; 裴屹杰
Original assignee: Individual
Current assignee: University of Science and Technology Beijing USTB
Priority date: 2018-07-18
Filing date: 2018-07-18
Publication date: 2018-12-18

Abstract

本发明提供一种基于形变敏感元件的智能矫姿理疗装置，属于保健设备技术领域。该装置包括骨板、骨板固定带、形变敏感元件、微处理器、报警器和震动针刺仪或振动永磁体。其中，骨板为工字型，通过骨板固定带的锁定结构，将骨板固定为整体。骨板的上横板两端和下横板中部或中立板下部，分别放置形变敏感元件，当使用者脊椎变形偏离人体正确姿势造成绑缚人体上的骨板产生微小形变或弯曲时，形变敏感元件给出电信号，经过微处理器编程处理和电路控制，给出声音、光电、震动、无线传输报警信号给予警示。骨板的上横板两端和下横板两端均设置震动针刺仪或振动永磁体。该装置能够有效的智能校正矫姿，并能够起到按摩理疗的作用。

Description

一种基于形变敏感元件的智能矫姿理疗装置

技术领域

本发明涉及保健设备技术领域，特别是指一种基于形变敏感元件的智能矫姿理疗装置。

背景技术

近年来，儿童、青少年由于不能养成良好的坐、站、卧、行姿势习惯，致使骨骼在生长期内发生畸变、视力下降明显等后果，严重影响儿童和青少年们的身心健康、并且困扰到相关家庭，甚至在受害个体发育成型后，因身体畸形、视力衰减影响他们的日常生活、学习、工作、择业、择偶等诸多方面，因此保护儿童、青少年的身心健康、教育监督相关个体养成良好的坐、站、卧、行姿势己成为相关家庭每日必修课程。

在现有技术中，采用带弹性的编织材料制成背心或马甲类穿着品，依靠材料本身的弹性或增设固定硬质板以勒紧身体，限制人体部位不规范的动作发生，如坐、站、卧、行等情况的脊椎变形，以及骨折、伤残部位的固定与牵引拉伸等，从而达到矫姿目的。

采用现有技术时，在实际的应用中存在以下的缺陷：依靠紧缚材料本身的弹性对人体进行矫姿，缺乏有利于身体健康生长的矫正依据；材质自身的弹性随使用时间的延长而衰减；材料弹性对人身形成相当大的束缚力，严重制约身体的正常发育和生长、并且影响到身体的正常活动。

在中国发明专利“智能矫姿装置”（授权专利号CN 204562484 U）中，提出了一种“包括骨板外套，包括骨板、传感器、报警器和骨板固定带，所述骨板为工字型设置在骨板外套内，所述传感器分别设置在骨板上横板两端和骨板下横板中部的外侧面上，所述报警器设置在骨板外侧面上，并分别通过电源数据线与传感器相连接。” 检测传感器依据工作原理、检测对象、灵敏度、量程、使用环境不同，种类繁多，成百上千，各具有不同实施的技术路线。该发明专利特定标注指定了“所用传感器为倾斜角传感器”。

作为倾斜角传感器，主要是测量传感器与大地坐标水平面或铅直面的相对姿态角度。其工作原理一般为与惯性坐标系重力加速度相对倾斜的角度。影响青少年脊椎正常发育的因素不完全是固定在人体后背骨板相对地面的夹角，主要是左右臂支撑不对称或后背前后弯曲造成偏离正常动作姿势的相对变换的角度。仅凭一个或一组几个一维或三维倾斜角传感器，甚至增加了陀螺仪的六轴动态倾斜角传感器，它们的组合差分输出值，均是以地球重力加速度方向取向分量的对比值或校准修正值为依据，可以给出的是相对垂直面的空间倾斜角度。难于给出所希望获得的人体动作变化不规范而实现的矫姿报警信号。

因此，对于利用绑缚于人体所需测量矫正部位的骨板进行材料选型，在保证矫姿强度的基础上，选择具有一定的弯曲系数和弹性恢复能力，并与所选应变片式拉伸系数匹配的材料制作骨板尤为重要。当绑缚骨板随人体姿势变化，如左右臂扭动、不对称支撑，脊椎前后弯曲等状况发生时，被绑缚人体部位的骨板将受力产生形变，致使粘贴固定在骨板特定位置的应变型敏感元件，给出相应的电信号，利用微处理器（MCU——Micro-computerUnit）和相应电子电路实现矫姿超出预定值的声、振动、光，以及无线通讯连接的报警电信号，实现数据传输存储和记录等功能。

为达到矫姿功的目的，可以配合采用震动针刺仪或交变磁场振动的方式，实现人体疲劳部分理疗的功能。

发明内容

本发明要解决的技术问题是提供一种基于形变敏感元件的智能矫姿理疗装置，通过本装置，可以将人体部位，特别是人体脊椎非正常姿态通过弹性骨架和设置在特定位置的一组形变敏感元件变成电信号检出，通过电子电路和微处理器（MCU）实现矫姿智能监测与报警功能。本装置测量方法反应灵敏、可时实有效地提示校正使用者的坐、站、卧、行的姿势，以及骨折、伤残部位的固定或牵引拉伸等状况的姿态监测与警示，同时能够起到按摩理疗的作用，对使用人不会产生任何副作用，自身功能性强，使用寿命长不会快速衰减。

该装置包括骨板、形变敏感元件、电信号处理线路板、微处理器、报警器、电源模块、骨板固定带、骨板固定带锁紧机构、固定结构、震动针刺仪、数据传输导线、埋线沟槽、无线发射模块、选择开关、电信号采集放大模块、电器部分外加扣盖和骨板外套，其中，骨板包括骨板上横板、骨板下横板和骨板中竖板，骨板固定带包括肩部固定带、胸部固定带和腰部固定带，骨板固定带锁紧机构包括肩部固定带两端锁紧机构、胸部固定带两端锁紧机构和腰部固定带两端锁紧机构，固定结构包括肩部固定带与骨板固定结构、胸部固定带与骨板固定结构和腰部固定带与骨板固定结构；

骨板为倒工字型，骨板通过骨板固定带进行固定，骨板固定带一般为非弹性拉伸的布带，骨板固定带通过骨板固定带锁紧机构进行锁紧，骨板固定带锁紧机构可以是尼龙粘接搭扣或皮带等，骨板固定带通过骨板固定结构与骨板进行固定，骨板上横板两受力形变最大位置、骨板下横板中部和骨板中竖板下部分别设置形变敏感元件，骨板下横板上设置电信号处理线路板，电信号处理线路板内设置微处理器、报警器、电源模块、无线发射模块、选择开关和电信号采集放大模块，形变敏感元件通过数据传输导线联接到电信号处理线路板上，数据传输导线埋设在埋线沟槽中，电信号采集放大模块与微处理器通过编程控制电源模块和报警器，实现非正常姿态的智能预警报警功能；骨板上横板两端和骨板下横板两端均设置震动针刺仪，电信号处理线路板外部加盖电器部分外加扣盖，骨板整体封装在骨板外套中。

骨板通过注塑方式成形时，骨板中竖板上设置骨板上横板胸围固定穿梭孔，骨板上横板上设置骨板上横板双肩固定穿梭孔，骨板下横板上设置骨板下横板腰围固定穿梭孔。

骨板具有一定的刚度、弯曲系数和弹性恢复力，并与所选应变敏感元件的拉伸系数匹配，通过采用有机玻璃、塑料（包括ABS塑料、PVC、PA、PA、PP、PE、工程塑料及采用以上分类混合工艺制备的塑料等）、碳纤维材料、形状记忆合金材料、薄金属板中的一种制成。根据人体形变的不同特点和复位回复检测要求,还可以在上述可注塑的材料中,添加各种纤维状材料,增强工字板的形变强度或复位精度.达到满足其弯曲系数和弹性恢复能力与检测使用的形变敏感元件电信号测量量程相匹配的效果。

骨板为与手臂、关节、大腿、腰部、髋关节或膝盖相适应的形状。测试出身体部位运动或位置姿态变化时的受力点，将一个或一组多个应变敏感元件或压力敏感元件按报警需要位置放置，可以实现使用者不同部位的姿态监测与警示。

形变敏感元件为骨板形变检测的电阻应变片、容栅应变片或压电式敏感元件。形变敏感元件为应变片，包括金属丝应变片、金属箔片应变片、金属薄膜应变片、半导体应变片、容栅式应变片。当绑缚骨板随人体姿势变化，如左右臂扭动、不对称支撑，脊椎前后弯曲等状况发生时，骨板将受力产生形变，致使粘贴固定在骨板特定位置的一个或一组（一般少于20个）应变片给出相应的电信号，利用相应电子电路和微处理器（MCU——Micro-computer Unit）编程控制，实现矫姿超出预定值得声、振动、光，以及无线通讯连接的智能报警与数据记录功能。形变敏感元件也可以为压电式敏感元件，当绑缚骨板随人体姿势变化，如左右臂扭动、不对称支撑，脊椎前后弯曲等状况发生时，骨板将受力产生形变，导致微压力差发生改变给出电信号输出。利用微处理器MCU和相应电子电路实现矫姿超出预定值得声、振动、光，以及无线通讯连接的报警与数据记录功能。

报警器为光电管、声音或振动报警器。使用者可以选择手动开关选择所需要使用的报警方式。报警器由微处理器和电子电路控制，也可以通过无线发射wi-fi、蓝牙、红外等方式发送给手机，以手机APP方式给出报警。

微处理器（MCU）可以采用单片机，FPGA，PLC等元器件，将一组应变片采集的信号，根据不同年龄组或不同矫姿部位的需求，通过程序或人工智能算法给出报警阈值，通过电路控制与选择报警方式的开关（电子或机械手动式），根据用户需求给出不同方式。微处理器（MCU）也可以将检测与报警信号通过程序与电子电路实现无线发射，通过wi-fi、蓝牙、红外等方式发送给手机，以手机APP方式给出报警和数据存储功能。

震动针刺仪活动设置在骨板上横板两端和骨板下横板上或骨板中竖板上，能够根据使用者需要，手动调整位置或选定背部特定穴位固定。

震动针刺仪通过使用者控制，能够实现震动、加热和间歇针刺功能；震动针刺仪也可设置为振动永磁体，振动永磁体通过使用者控制，能够实现震动交变磁场的功能，达到磁疗的功能。

埋线沟槽、骨板上横板胸围固定穿梭孔、骨板上横板双肩固定穿梭孔和骨板下横板腰围固定穿梭孔均通过整体注塑方式预先留出。

骨板可以在靠近身体一侧的背面通过整体注塑的方法留出横穿固定带的扁长孔，使得本矫姿装置具有整体性。

骨板、固定带、报警器等部件，由装饰布艺材料包覆构成整体，可以类似于背心、坎肩、T恤衫、长袖上衣等形式。

本发明的上述技术方案的有益效果如下：

上述方案中，可以完整、实用、有效地实现智能校正矫姿，并在长期的正确使用下，对处于生长期的儿童、青少年群体的身体避免因长期不正确的坐、站、卧、行等习惯引发的身体畸形生长情况，对成熟期身体的畸形病变，也具有相当程度的矫正及抑制病情发展的作用，应用后可大大降低处于身体生长期人群，因长期采用不正确的坐立、站立、行走、躺卧姿势所引发的骨骼畸形生长的可能性，以及骨折、伤残部位的固定与牵引拉伸等，对使用者无任何身体伤害或副作用。而且，通过适当的理疗功能，能够缓解使用者疲劳，有助于使用者身体健康。

附图说明

图1为本发明的基于形变敏感元件的智能矫姿理疗装置结构示意图；

图2为本发明的基于形变敏感元件的智能矫姿理疗装置骨板与固定带安装结构示意图，其中，（a）为主视图，（b）为左视图；

图3为本发明的基于形变敏感元件的智能矫姿理疗装置电信号处理线路板模块示意图；

图4为本发明的基于形变敏感元件的智能矫姿理疗装置骨板一体化设计示意图，其中，（a）为主视图，（b）为左视图；

图5为本发明的基于形变敏感元件的智能矫姿理疗装置穿戴示意图，其中，（a）为主视图，（b）为左视图；

图6 为本发明的基于形变敏感元件的智能矫姿理疗装置与骨板外套安装联接示意图。

其中：1-骨板；2-形变敏感元件；3-电信号处理线路板；4-微处理器；5-报警器；6-电源模块；7-骨板上横板；8-骨板下横板；9-骨板中竖板；10-肩部固定带；11-胸部固定带；12-腰部固定带；13-肩部固定带两端锁紧机构；14-胸部固定带两端锁紧机构；15-腰部固定带两端锁紧机构；16-肩部固定带与骨板固定结构；17-胸部固定带与骨板固定结构；18-腰部固定带与骨板固定结构；19-震动针刺仪；21-数据传输导线；22-埋线沟槽；23-无线发射模块；24-选择开关；25-电信号采集放大模块；26-骨板上横板胸围固定穿梭孔；27-骨板上横板双肩固定穿梭孔；28-骨板下横板腰围固定穿梭孔；29-电器部分外加扣盖；30-骨板外套。

具体实施方式

为使本发明要解决的技术问题、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图及具体实施例进行详细描述。

本发明提供一种基于形变敏感元件的智能矫姿理疗装置。

如图1所示，该装置包括骨板1、形变敏感元件2、电信号处理线路板3、微处理器4、报警器5、电源模块6、骨板固定带、骨板固定带锁紧机构、固定结构、震动针刺仪19、数据传输导线21、埋线沟槽22、无线发射模块23、选择开关24、电信号采集放大模块25、电器部分外加扣盖29和骨板外套30，其中，骨板1包括骨板上横板7、骨板下横板8和骨板中竖板9，骨板固定带包括肩部固定带10、胸部固定带11和腰部固定带12，骨板固定带锁紧机构包括肩部固定带两端锁紧机构13、胸部固定带两端锁紧机构14和腰部固定带两端锁紧机构15，固定结构包括肩部固定带与骨板固定结构16、胸部固定带与骨板固定结构17和腰部固定带与骨板固定结构18。

如图2所示，骨板为倒工字型，骨板通过骨板固定带进行固定，骨板固定带通过骨板固定带锁紧机构进行锁紧，骨板固定带通过骨板固定结构与骨板进行固定，骨板上横板7两端、骨板下横板8中部和骨板中竖板9下部分别设置形变敏感元件2，骨板下横板8上设置电信号处理线路板3，如图3所示，电信号处理线路板3内设置微处理器4、报警器5、电源模块6、无线发射模块23、选择开关24和电信号采集放大模块25，形变敏感元件2通过数据传输导线21联接到电信号处理线路板3上，数据传输导线21埋设在埋线沟槽22中，电信号采集放大模块25与微处理器4通过编程控制电源模块6和报警器5，实现非正常姿态的智能预警报警功能；骨板上横板7两端和骨板下横板8两端均设置震动针刺仪19，电信号处理线路板3外部加盖电器部分外加扣盖29，骨板1整体封装在骨板外套30中。

如图4所示，骨板可以在靠近身体一侧的背面通过整体注塑的方法留出横穿固定带的扁长孔，使得本矫姿装置具有整体性。

该装置的穿戴如图5所示。

在具体制作过程中，肩部固定带与骨板固定结构16、胸部固定带与骨板固定结构17、腰部固定带与骨板固定结构18组合将骨板与骨板固定带构成一个整体，骨板固定带与骨板固定结构可以是尼龙粘接搭扣、皮带扣紧装置或缝纫为一个整体。

骨板上横板7两端和骨板下横板8或骨板中竖板9的下部，分别紧密粘贴或固定一组形变敏感元件2，一般多于2个，少于50个，工作原理基于物理学电阻应变效应、半导体能带应变电阻效应、容栅微位移应变效应或小量程压电效应。所选位置根据使用者不同年龄、身高、胖瘦、体型设计为不同尺寸的骨板系列产品的特定位置上。

本装置在工作时，利用应变片可以测量物体形变量的方式，三个应变片形变敏感元件2构成对工字板的监控，使用者通过肩部固定带11、胸部固定带12和腰部固定带13将骨板1固定在身上，无论是在坐立、站立、行走或躺卧时，使用者的躯干一旦弯曲、扭曲到一定程度，将会引发整个骨板变形，三个形变敏感元件2将检测到骨板形变，并将骨板的形变量转换成电信号，信号通过数据传输导线21传递到微处理器4（MCU）中，MCU对应变片的信号进行处理，处理完成的信号与提前标定的报警值进行比较，信号超过限定值将驱动电路进行报警（灯光，声音或震动），使用者在感知系统报警后，只要将身体姿势矫正，即可轻松解除报警，从而达到矫正的目的。

骨板外侧面上设置电信号处理线路板3，工作原理图如图3所示：包含微处理器4、报警器5、电源模块6、电信号采集放大模块25、选择开关24，和电信号处理线路板3与一个或一组形变敏感元件2通过数据传输导线21连接。通过选择开关24可以人为控制报警方式为光电、声音、震动模式。

骨板上横板7两端和骨板下横板8两端均可设置震动针刺仪19或振动永磁体20。在使用时，根据使用者的需要，在骨板上横板7和骨板下横板8上水平移动；在骨板中竖板9上实现上下移动；通过开关控制，能够实现震动、加热以及间歇针刺等理疗作用或磁疗作用。

为了实现产品化，将骨板1通过选材注塑为一个整体，其特征为：A、骨板上横板7、骨板下横板8、骨板中竖板9一体化；B、注塑成型粘贴形变敏感元件2位置与数据传输导线21的埋线沟槽22；C、肩部固定带10、胸部固定带11、腰部固定带12分别穿通扁孔——骨板上横板胸围固定穿梭孔26、骨板上横板双肩固定穿梭/27、骨板下横板腰围固定穿梭孔28；D、在骨板下横板8或骨板中竖板9的位置注塑预留空盒，将电信号处理线路板3与电源模块6放置其中，通过电器部分外加扣盖29，形成一体化设计。如图4所示。

在实际使用中如图5所示：智能矫姿理疗装置穿戴示意图。

如图6所示：安装了形变敏感元件、智能处理电路模块、报警器、震动针刺仪或振动永磁体的骨板1，可以缝制在布艺骨板外套30内，外套可以是背心、马甲、T-恤衫、运动衫等多种形式，使得本矫姿装置具有整体性和美观性。

以上所述是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明所述原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。

Claims

1.一种基于形变敏感元件的智能矫姿理疗装置，其特征在于：包括骨板（1）、形变敏感元件（2）、电信号处理线路板（3）、骨板固定带、骨板固定带锁紧机构、骨板固定结构、震动针刺仪（19）、数据传输导线（21）、埋线沟槽（22）、电器部分外加扣盖（29）和骨板外套（30），形变敏感元件（2）和电信号处理线路板（3）设置在骨板（1）上，电信号处理线路板（3）外部设置电器部分外加扣盖（29），骨板（1）为倒工字型，骨板（1）通过骨板固定带进行固定，骨板固定带通过骨板固定带锁紧机构进行锁紧，骨板固定带通过骨板固定结构与骨板进行固定，形变敏感元件（2）通过数据传输导线（21）联接到电信号处理线路板（3）上，数据传输导线（21）埋设在埋线沟槽（22）中，骨板（1）上设置震动针刺仪（19），骨板（1）整体封装在骨板外套（30）中。

2.根据权利要求1所述的基于形变敏感元件的智能矫姿理疗装置，其特征在于：所述骨板（1）包括骨板上横板（7）、骨板下横板（8）和骨板中竖板（9），骨板固定带包括肩部固定带（10）、胸部固定带（11）和腰部固定带（12），骨板固定带锁紧机构包括肩部固定带两端锁紧机构（13）、胸部固定带两端锁紧机构（14）和腰部固定带两端锁紧机构（15），固定结构包括肩部固定带与骨板固定结构（16）、胸部固定带与骨板固定结构（17）和腰部固定带与骨板固定结构（18）；骨板上横板（7）两端、骨板下横板（8）中部和骨板中竖板（9）下部分别设置形变敏感元件（2），骨板下横板（8）上设置电信号处理线路板（3），电信号处理线路板（3）内设置微处理器（4）、报警器（5）、电源模块（6）、无线发射模块（23）、选择开关（24）和电信号采集放大模块（25），电信号采集放大模块（25）与微处理器（4）通过编程控制电源模块（6）和报警器（5），实现非正常姿态的智能预警报警功能；骨板上横板（7）两端和骨板下横板（8）两端均设置震动针刺仪（19）。

3.根据权利要求2所述的基于形变敏感元件的智能矫姿理疗装置，其特征在于：骨板通过注塑方式成形时，骨板中竖板（9）上设置骨板上横板胸围固定穿梭孔（26），骨板上横板（7）上设置骨板上横板双肩固定穿梭孔（27），骨板下横板（8）上设置骨板下横板腰围固定穿梭孔（28）。

4.根据权利要求1所述的基于形变敏感元件的智能矫姿理疗装置，其特征在于：所述骨板（1）采用有机玻璃、塑料、碳纤维材料、形状记忆合金材料、薄金属板中的一种制成；骨板（1）为与手臂、关节、大腿、腰部、髋关节或膝盖相适应的形状。

5.根据权利要求1所述的基于形变敏感元件的智能矫姿理疗装置，其特征在于：所述形变敏感元件（2）为骨板形变检测的电阻应变片、容栅应变片或压电式敏感元件。

6.根据权利要求2所述的基于形变敏感元件的智能矫姿理疗装置，其特征在于：所述报警器（5）为光电管、声音或振动报警器。

7.根据权利要求2所述的基于形变敏感元件的智能矫姿理疗装置，其特征在于：所述震动针刺仪（19）活动设置在骨板上横板（7）两端和骨板下横板（8）上或骨板中竖板（9）上，能够根据使用者需要，手动调整位置或选定背部特定穴位固定。

8.根据权利要求1所述的基于形变敏感元件的智能矫姿理疗装置，其特征在于：所述震动针刺仪（19）通过使用者控制，能够实现震动、加热和间歇针刺功能；震动针刺仪（19）设置为振动永磁体，振动永磁体通过使用者控制，能够实现震动交变磁场的功能。

9.根据权利要求3所述的基于形变敏感元件的智能矫姿理疗装置，其特征在于：所述埋线沟槽（22）、骨板上横板胸围固定穿梭孔（26）、骨板上横板双肩固定穿梭孔（27）和骨板下横板腰围固定穿梭孔（28）均通过整体注塑方式预先留出。

10.根据权利要求1所述的基于形变敏感元件的智能矫姿理疗装置，其特征在于：所述骨板（1）缝制在布艺的骨板外套（30）内，骨板外套（30）为背心、马甲、T-恤衫、运动衫中的一种。