CN110096148B - 柔性睡姿矫正提醒仪 - Google Patents

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Abstract

本发明提供了一种柔性睡姿矫正提醒仪,该提醒仪包括一柔性压阻传感器,由两个膜组件构成,膜组件由PDMS和涂覆在PDMS表面的rGO层构成,该膜组件正面具有峰脊结构;峰脊结构的形貌呈正态分布;两个膜组件正面相对,其峰脊结构相互接触;柔性压阻传感器贴合接触婴儿头部,根据头部不同部位的骨骼肌肉分布,将柔性压阻传感器布置在睡帽内侧相应位置,柔性压阻传感器中的峰脊结构随婴幼儿睡姿状态头部受压位置产生接触形变,继而产生一系列的电信号,实现睡姿状态监测。本发明仪器不仅体积小方便佩戴,而且操作简单,可以给不同头型的婴幼儿提供相应的睡姿调整建议。同时,仪器生产制造简单成本较低,易形成产业化。

Description

柔性睡姿矫正提醒仪
技术领域
本发明涉及传感器、信号处理技术、动作反馈技术、运动医学领域、无线传感网络、物联网等领域。尤其涉及到了一种基于峰脊结构的压阻传感器的柔性可穿戴动作规范仪和动作规范方法属于智能控制领域。
背景技术
近年来,随着人民生活水平的提高,新生儿出生率逐年上涨,父母在收获孩子诞生喜悦的同时,又多了一份对孩子成长过程中健康问题的担忧,在其中,就有对于新生儿睡姿头型问题的困惑。由于婴幼儿骨骼未完全钙化,质地柔软,可塑性和活动性极强,尤其是骨骼间的连接处,家长若不对新生儿长期保持一种睡姿的情况引起重视,容易导致婴儿头型发育畸形,重则导致扁头综合征,会损伤正常脑容腔结构,影响脑容量发育,同时影响婴儿的口腔颌面部、耳鼻咽喉部及头颈部的发育与功能,不仅会损害婴幼儿的外观形象,导致面部五官不和谐,还会导致婴幼儿视神经发育的不平衡和精神发育的相对迟缓,影响婴幼儿的心理,生理和个人生活,危害儿童的正常发育。
如果我们不尽早重视和预防扁头综合征等一系列由于睡姿不正确导致的病症,那么将有越来越多的家庭受到困扰,这将不是简简单单的个例,再不及时解决将带来更严重的社会问题。
同时,及时的提前矫正,能塑造良好的五官形象,相较于后期通过整形手术以达到更好的形象面貌,睡姿矫正不仅能规避手术带来的危险性和痛苦,花销也更为经济。
现有产品如头型矫正头盔,其束缚性大、舒适性低、功能单一并且非智能,大多是在婴幼儿清醒阶段佩戴,而婴幼儿最关键的头型矫正时期是0-3个月,宝宝大部分处于睡眠时间。如若采用防偏头枕,虽能弥补头盔功能的不足,但会强制性将婴幼儿固定在某一睡姿状态,通过定时的更换来使婴儿睡出好的头型,导致婴儿完全失去了翻身的可能,缺乏科学性,使用不当还会影响睡眠,引发落枕。
发明内容
本发明的目的是根据现阶段我国出现的婴幼儿长时间保持同一睡姿而导致的健康问题,提供一种柔性睡姿矫正提醒仪,佩戴在婴幼儿头部,从而使家长在照顾小孩的过程中,能够及时发现新生儿在睡觉过程中长时间保持同一睡姿并及时科学合理调整婴幼儿睡姿,并且防止婴幼儿因长时间保持同一种睡姿而导致扁头畸形,扁头综合征等问题。
为到达到上述功能,本发明是通过以下技术方案实现的:一种柔性睡姿矫正提醒仪,包括:睡帽,睡姿状态信号采集单元,信号转换单元,数据处理单元,蓝牙发送模块,手机APP和纽扣电池;
所述睡姿状态信号采集单元布置在睡帽内侧;信号转换单元,数据处理单元,蓝牙发送模块和纽扣电池布置在睡帽外侧,不与婴儿头部直接接触;
所述睡姿状态信号采集单元包括柔性压阻传感器,柔性压阻传感器包括两个膜组件,所述膜组件由PDMS和涂覆在PDMS正面的rGO层构成,该膜组件正面具有与240目砂纸表面相同的峰脊结构;两个膜组件正面相对,其峰脊结构相互接触;柔性压阻传感器根据肌肉分布贴合接触背部,柔性压阻传感器中的峰脊结构随肌肉运动产生接触形变,继而产生一系列的电信号;
所述信号转换单元将柔性压阻传感器采集的睡姿状态头部受压部位产生的电信号转化为数字信号并传输到数据处理单元中;
所述数据处理单元将传输过来的数据进行处理并与数据库中的数据进行比对分析;
所述蓝牙发送模块将数据处理单元中数据比对结果发送到手机APP中;
所述手机APP根据系统处理结果提示同一睡姿时间是否保持过长;
所述纽扣电池为设备提供稳定持续的电源。
进一步地,柔性压阻传感器的信号输出是通过两个铜电极实现的,铜电极通过银胶粘贴于rGO层,两个铜电极关于膜组件中心对称。
进一步地,两个膜组件封装在PDMS内。
进一步地,所述具有峰脊结构的柔性压阻传感器通过如下步骤制备得到:
(1)将240目砂纸剪裁成贴合部分的大小尺寸,所述砂纸具有峰脊结构;
(2)将正庚烷,乙酸乙酯,十八烷基三甲氧基硅氧烷按照1000:50:20的质量比配置成疏水处理溶液,将步骤(1)所述的砂纸浸泡在该溶液中2小时,进行疏水处理;
(3)将PDMS与交联剂按10:1质量比混合均匀后,反复真空除气泡,旋涂在步骤(2)中疏水处理后的砂纸表面;将涂有PDMS的砂纸放在鼓风干燥机中,60℃加热2小时;固化后,在水中剥离砂纸,得到具有峰脊结构的PDMS。
(4)对步骤(3)中获得的具有峰脊微结构的PDMS表面进行氧等离子处理,增加其表面亲水性。
(5)将步骤(4)中氧等离子处理后的具有峰脊微结构的PDMS反复涂抹rGO溶液。待溶液干燥后进行组装,获得具有峰脊结构的柔性压阻传感器。
进一步地,所述rGO溶液的浓度为1mg/ml。
进一步地,所述rGO层的厚度大约在500μm左右。
进一步地,存储在数据处理单元中不同睡姿的信号通过以下方法获得:采集标准动作的数字信号范围,再将其存储在数据库中。
进一步地,所述信号转换单元和数据处理单元可单片集成。
进一步地,提醒仪的动作规范监测方法,包括以下步骤:
(1)根据头部不同部位的骨骼肌肉分布,将柔性压阻传感器布置在睡帽内侧相应位置,并将睡帽按规范佩戴在婴儿头部,使柔性压阻传感器紧密贴合在婴儿头部,进行睡姿状态信号采集;
(2)将信号传输到所述信号转换单元,将电信号转换为数字信号。
(3)将数字信号传输到数据处理单元中,对数据进行比对。
(4)将分析和比对结果通过蓝牙模块发送到手机APP中。
(5)手机APP进行睡姿状态监测并给予相应的提醒。
本发明的优点在于:
(1)通过实时监测睡姿状况来分析睡姿是否保持时间过长的这种监测方法是从睡姿的根源(姿态和时间)上去分析睡姿的正确性。因此,可以最直观、最准确的反映出睡姿状况。基于上述特点,该方法不仅简单而且直观有效,适用于各种头型的婴幼儿,也为日后产品的推广提供了有利条件。
(2)仪器所用传感器为原创发明的传感器,由于其结构的特殊性(近似正态分布式峰脊结构)具有非常高的灵敏性。因此保证了仪器监测睡姿的准确度和灵敏度。基于仪器的高灵敏度和高准确度,该仪器可以有效的保证婴幼儿长时间保持同一睡姿得到及时调整并且防止其对婴幼儿头部造成损伤。本仪器不仅体积小方便佩戴,而且操作简单,可以给不同头型的婴幼儿提供相应的睡姿调整建议。本发明仪器生产制造简单成本较低,易形成产业化,而且潜在用户基数大前景非常广阔。
附图说明
图1是传感器峰脊微结构图;
图2是睡姿状态信号采集单元贴合头部时的模拟效果图;
图3是本发明系统的流程框图。
图4为金字塔矩阵(图4A)、半球体矩阵(图4B)、圆柱体矩阵(图4C)以及峰脊结构的膜组件构成的柔性压阻传感器分别进行电阻变化率的测试结果(4D)。
图5是本发明峰脊结构的膜组件构成的柔性压阻传感器的工作原理图。
具体实施方式
如图3所示,一种柔性睡姿矫正提醒仪,包括:睡帽,睡姿状态信号采集单元,信号转换单元,数据处理单元,蓝牙发送模块,手机APP和纽扣电池;
所述睡姿状态信号采集单元布置在睡帽内侧;信号转换单元,数据处理单元,蓝牙发送模块和纽扣电池布置在睡帽外侧,不与婴儿头部直接接触;
所述睡姿状态信号采集单元包括柔性压阻传感器,如图1所示,柔性压阻传感器包括两个膜组件,所述膜组件由PDMS和涂覆在PDMS正面的rGO层构成,该膜组件是以240目砂纸(GB/T9258-2000)为模板制备得到,其正面具有峰脊结构,各个峰脊高度不同,但整体高度分布近似呈正态分布;两个膜组件正面相对,部分峰脊接触,部分峰脊不接触,;
当两个膜组件之间发生相对移动,后接触的峰脊以突变电阻的形式与原先接触的峰脊电阻并联,整个电路的电信号变化巨大,而后又以接触面积变化的形式在电路中继续影响电信号,随着峰脊的不断接触,并联电阻的增加,电信号变化显著,相较于传统的单一面积变化形式的接触结构,具有更好的灵敏度,便于监测受力情况。
将本发明以240目砂纸(GB/T9258-2000)为模板获得的柔性压阻传感器、以及表面分别具有金字塔矩阵(图4A)、半球体矩阵(图4B)、圆柱体矩阵(图4C)的膜组件构成的柔性压阻传感器分别进行电阻变化率的测试,结果如图4D所示,从图中可以看出,本发明以240目砂纸(GB/T9258-2000)为模板获得的柔性压阻传感器相对于其他类型的传感器具有更高的电阻变化率。这是因为随着负载的增加,两个膜组件之间原先接触的峰脊面积发生变化,电阻逐渐增大,同时,产生新的峰脊接触,形成新的电阻并联原先接触的峰脊电阻,如图5所示。相较于表面分别具有金字塔矩阵、半球体矩阵、圆柱体矩阵的膜组件构成的柔性压阻传感器,其只能在负载增加的情况下,以接触面积变化,引起电阻变化监测形变,以240目砂纸(GB/T9258-2000)为模板获得的柔性压阻传感器,在负载增加的情况下,电阻变化不仅由原先接触峰脊的接触面积变化引起,而且后接触的峰脊还会形成新的电阻并联进入电路,改变模组之间的电阻大小,如下公式所示:
Figure BDA0002032432230000041
其中,Rb为膜组件内阻,Rd1、Rd2、Rd3…Rdi、Rd(i+1)…Rdn为膜组件衍生电阻。
基于上述柔性压阻传感器,本发明提供一种柔性睡姿矫正提醒仪,其中,所述信号转换单元将柔性压阻传感器采集的睡姿状态头部受压部位产生的电信号转化为数字信号并传输到数据处理单元中;
所述数据处理单元将传输过来的数据进行处理并与数据库中的数据进行比对分析;
所述蓝牙发送模块将数据处理单元中数据比对结果发送到手机APP中;
所述手机APP根据系统处理结果提示同一睡姿时间是否保持过长;
所述纽扣电池为设备提供稳定持续的电源。
柔性压阻传感器的信号输出是通过两个铜电极实现的,铜电极通过银胶粘贴于rGO层,两个铜电极关于膜组件中心对称。两个膜组件封装在PDMS内。
所述具有峰脊结构的柔性压阻传感器通过如下步骤制备得到:
(1)将240目砂纸剪裁成贴合部分的大小尺寸,所述砂纸具有峰脊结构;
(2)将正庚烷,乙酸乙酯,十八烷基三甲氧基硅氧烷按照1000:50:20的质量比配置成疏水处理溶液,将步骤(1)所述的砂纸浸泡在该溶液中2小时,进行疏水处理;
(3)将PDMS与交联剂按10:1质量比混合均匀后,反复真空除气泡,旋涂在步骤(2)中疏水处理后的砂纸表面;将涂有PDMS的砂纸放在鼓风干燥机中,60℃加热2小时;固化后,在水中剥离砂纸,得到具有峰脊结构的PDMS。
(4)对步骤(3)中获得的具有峰脊微结构的PDMS表面进行氧等离子处理,增加其表面亲水性。
(5)将步骤(4)中氧等离子处理后的具有峰脊微结构的PDMS反复涂抹rGO溶液。待溶液干燥后进行组装,获得具有峰脊结构的柔性压阻传感器。
优选地,所述rGO溶液的浓度为1mg/ml。所述rGO层的厚度大约在500μm左右。
存储在数据处理单元中不同睡姿的信号通过以下方法获得:采集标准动作的数字信号范围,再将其存储在数据库中。
所述信号转换单元和数据处理单元可单片集成。
提醒仪的动作规范监测方法,包括以下步骤:
(1)根据头部不同部位的骨骼肌肉分布,将多个柔性压阻传感器分别布置在睡帽内侧相应位置,并将睡帽按规范佩戴在婴儿头部,使柔性压阻传感器紧密贴合在婴儿头部,进行睡姿状态信号采集;
(2)将信号传输到所述信号转换单元,将电信号转换为数字信号。
(3)将数字信号传输到数据处理单元中,对数据进行比对。
(4)将分析和比对结果通过蓝牙模块发送到手机APP中。
(5)手机APP进行睡姿状态监测并给予相应的提醒。

Claims (9)

1.一种柔性睡姿矫正提醒仪,其特征在于,包括:睡帽,睡姿状态信号采集单元,信号转换单元,数据处理单元,蓝牙发送模块,手机APP和纽扣电池;
所述睡姿状态信号采集单元布置在睡帽内侧;信号转换单元,数据处理单元,蓝牙发送模块和纽扣电池布置在睡帽外侧,不与婴儿头部直接接触;
所述睡姿状态信号采集单元包括柔性压阻传感器,柔性压阻传感器包括两个膜组件,所述膜组件由PDMS和涂覆在PDMS正面的rGO层构成,该膜组件正面具有与240目砂纸表面相同的峰脊结构;两个膜组件正面相对,其峰脊结构相互接触;柔性压阻传感器根据肌肉分布贴合接触背部,柔性压阻传感器中的峰脊结构随肌肉运动产生接触形变,继而产生一系列的电信号;
所述信号转换单元将柔性压阻传感器采集的睡姿状态头部受压部位产生的电信号转化为数字信号并传输到数据处理单元中;
所述数据处理单元将传输过来的数据进行处理并与数据库中的数据进行比对分析;
所述蓝牙发送模块将数据处理单元中数据比对结果发送到手机APP中;
所述手机APP根据系统处理结果提示同一睡姿时间是否保持过长;
所述纽扣电池为设备提供稳定持续的电源。
2.根据权利要求1所述的一种柔性睡姿矫正提醒仪,其特征在于,柔性压阻传感器的信号输出是通过两个铜电极实现的,铜电极通过银胶粘贴于rGO层,两个铜电极关于膜组件中心对称。
3.根据权利要求1所述的一种柔性睡姿矫正提醒仪,其特征在于,两个膜组件封装在PDMS内。
4.根据权利要求1所述的一种柔性睡姿矫正提醒仪,其特征在于,所述具有峰脊结构的柔性压阻传感器通过如下步骤制备得到:
(1)将240目砂纸剪裁成贴合部分的大小尺寸,所述砂纸具有峰脊结构;
(2)将正庚烷,乙酸乙酯,十八烷基三甲氧基硅氧烷按照1000:50:20的质量比配置成疏水处理溶液,将步骤(1)所述的砂纸浸泡在该溶液中2小时,进行疏水处理;
(3)将PDMS与交联剂按10:1质量比混合均匀后,反复真空除气泡,旋涂在步骤(2)中疏水处理后的砂纸表面;将涂有PDMS的砂纸放在鼓风干燥机中,60℃加热2小时;固化后,在水中剥离砂纸,得到具有峰脊结构的PDMS;
(4)对步骤(3)中获得的具有峰脊微结构的PDMS表面进行氧等离子处理,增加其表面亲水性;
(5)将步骤(4)中氧等离子处理后的具有峰脊微结构的PDMS反复涂抹rGO溶液。待溶液干燥后进行组装,获得具有峰脊结构的柔性压阻传感器。
5.根据权利要求4所述的一种柔性睡姿矫正提醒仪,其特征在于,所述rGO溶液的浓度为1mg/ml。
6.根据权利要求1所述的一种柔性睡姿矫正提醒仪,其特征在于,所述rGO层的厚度大约在500μm左右。
7.根据权利要求1所述的一种柔性睡姿矫正提醒仪,其特征在于,存储在数据处理单元中不同睡姿的信号通过以下方法获得:采集标准动作的数字信号范围,再将其存储在数据库中。
8.根据权利要求1所述的一种柔性睡姿矫正提醒仪,其特征在于,所述信号转换单元和数据处理单元可单片集成。
9.根据权利要求1所述的一种柔性睡姿矫正提醒仪,其特征在于,提醒仪的动作规范监测方法,包括以下步骤:
(1)根据头部不同部位的骨骼肌肉分布,将柔性压阻传感器布置在睡帽内侧相应位置,并将睡帽按规范佩戴在婴儿头部,使柔性压阻传感器紧密贴合在婴儿头部,进行睡姿状态信号采集;
(2)将信号传输到所述信号转换单元,将电信号转换为数字信号;
(3)将数字信号传输到数据处理单元中,对数据进行比对;
(4)将分析和比对结果通过蓝牙模块发送到手机APP中;
(5)手机APP进行睡姿状态监测并给予相应的提醒。
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Application publication date: 20190806

Assignee: Hangzhou Yuxuansheng Lighting Technology Co.,Ltd.

Assignor: JIANG University OF TECHNOLOGY

Contract record no.: X2022330000929

Denomination of invention: Flexible sleeping posture correction reminder

Granted publication date: 20220812

License type: Common License

Record date: 20221229

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Application publication date: 20190806

Assignee: Zhejiang Tiankun Furniture Technology Co.,Ltd.

Assignor: JIANG University OF TECHNOLOGY

Contract record no.: X2023980041707

Denomination of invention: Flexible sleeping posture correction reminder device

Granted publication date: 20220812

License type: Common License

Record date: 20230914

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