CN113040753A - 坐姿监测系统 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种坐姿监测系统，包括传感器模块、微处理器、错姿提醒模块、电源模块、按键模块、指示灯模块。传感器模块用于检测人体坐姿数据。微处理器与传感器模块相连接并包括坐姿判断模块，坐姿判断模块用于根据坐姿数据结合角度阈值、时间阈值、人体动静状态来判断坐姿是否异常，当坐姿异常时发出提醒控制信号。错姿提醒模块与微处理器相连接，基于提醒控制信号进行提醒。电源模块用于供电。按键模块与微处理器相连接，用于控制坐姿监测系统的开关。指示灯模块与微处理器相连接，用于指示坐姿监测系统的工况。本发明能够将人体上身角度结合角度阈值、时间阈值、人体动静状态进行综合判断，从而准确判断坐姿并提醒，防止人体某些特殊动作导致误提醒。

Description

坐姿监测系统
技术领域
本发明涉及一种用于监测人体坐姿的坐姿监测系统。
背景技术
坐姿不良会对人体造成脊柱弯曲、脊柱侧凸等危害，影响身体健康、体态形象，因此需要对坐姿进行监测。现有的对人体坐姿进行监测的系统只能监测出人体部分错误坐姿的情况且监测不准确，对左、右倾斜等错误坐姿无法识别出，无法排除弯腰等特殊情况，容易对人体的动作产生误判断。而且现有的坐姿监测系统无法连接智能终端，实现不了对坐姿数据的实时监测、统计分析。
发明内容
本发明的目的是提供一种能够对人体坐姿进行检测且能够防止误判断的坐姿监测系统。
为达到上述目的，本发明采用的技术方案是：
一种坐姿监测系统，用于监测用户的坐姿，所述坐姿监测系统包括：
传感器模块，所述传感器模块用于检测用户的坐姿数据并输出包含所述坐姿数据的传感信号，所述坐姿数据包括人体背部脊柱中线相对于铅垂线所成角度；
微处理器，所述微处理器与所述传感器模块相连接，所述微处理器包括坐姿判断模块，所述坐姿判断模块用于根据获得的所述坐姿数据结合人体动静状态、预设的角度阈值、预设的时间阈值综合判断坐姿是否异常，并在坐姿异常时发出坐姿提醒控制信号；
错姿提醒模块，所述错姿提醒模块与所述微处理器相连接，所述错姿提醒模块基于所述坐姿提醒控制信号进行坐姿提醒；
电源模块，所述电源模块用于为所述传感器模块、所述微处理器、所述错姿提醒模块供电；
按键模块，所述按键模块与所述微处理器相连接，所述按键模块用于控制所述坐姿监测系统开关和设置所述坐姿监测系统工作模式。
指示灯模块，所述指示灯模块与微处理器相连接，用于指示坐姿监测系统的工作状态。
优选的，所述微处理器还包括坐姿类型判断模块，所述坐姿类型判断模块用于根据所述坐姿数据判断人体坐姿异常所属类型，并根据不同类型发出对应的坐姿类型提醒控制信号；所述错姿提醒模块基于所述坐姿类型提醒控制信号进行坐姿类型提醒。
优选的，所述错姿提醒模块包括振动提醒器和/或语音提醒器和/或智能提醒终端。
优选的，当所述错姿提醒模块包括所述智能提醒终端时，所述坐姿监测系统还包括射频模块，所述射频模块与所述微处理器相连接或集成于微处理器模块中，并与所述智能提醒终端通信。
优选的，所述坐姿监测系统还包括通过所述射频模块与所述微处理器通信的智能设置终端，所述智能设置终端包括用于设置所述微处理器中所需的所述角度阈值和所述时间阈值的坐姿判断参数设置模块。
优选的，所述智能设置终端和所述智能提醒终端集成，并构成独立的智能装置或内嵌于智能设备中。
优选的，所述射频模块为蓝牙通信模块，所述射频模块通过总线与所述微处理器相连接或集成于微处理器模块中。
优选的，所述智能提醒终端包括模拟模块，所述模拟模块基于所述微处理器发送的所述坐姿数据进行模拟并显示具有对应坐姿的虚拟3D人物。
优选的，所述智能设置终端还包括用于设置久坐时间阈值的久坐时间设置模块和/或用于设置是否启动运动唤醒功能的运动唤醒设置模块；
所述微处理器还包括久坐判断模块，所述久坐判断模块用于获取用户连续坐立时间并判断所述连续坐立时间是否达到所述久坐时间阈值，并在所述连续坐立时间达到所述久坐时间阈值时发出久坐提醒控制信号，所述错姿提醒模块基于所述久坐提醒控制信号进行久坐提醒；
当所述运动唤醒功能启动时，所述微处理器连接用于进行动作检测并输出动作检测信号的动作检测模块，所述微处理器根据所述动作检测信号控制所述坐姿监测系统开关。
优选的，所述传感器模块包括六轴惯性传感器或九轴运动传感器；所述六轴惯性传感器包括三轴加速度计和三轴陀螺仪；所述九轴运动传感器包括三轴陀螺仪、三轴加速度计和三轴磁力计。
由于上述技术方案运用，本发明与现有技术相比具有下列优点：本发明能够将人体背部脊柱中线与铅垂线的夹角结合角度阈值、时间阈值、人体动静状态来对坐姿进行判断，从而可以准确判断坐姿并进行提醒，防止人体动作导致的误判断，提高准确性。
附图说明
附图1为本发明的坐姿监测系统的原理框图。
附图2为本发明的坐姿监测系统的工作流程图。
附图3为本发明的坐姿监测系统中采用的坐姿监测方法所建立的人体坐标系的示意图。
附图4为本发明的坐姿监测系统中坐姿异常判断示意图。
附图5为本发明的坐姿监测系统中坐姿异常类型判断示意图。
附图6为本发明的坐姿监测系统中模拟显示错误坐姿的流程图。
附图7为本发明的坐姿监测系统中角度阈值设置流程图。
附图8为本发明的坐姿监测系统中时间阈值设置流程图。
附图9为本发明的坐姿监测系统中久坐时间阈值设置流程图。
附图10为本发明的坐姿监测系统中运动唤醒功能设置流程图。
具体实施方式
下面结合附图所示的实施例对本发明作进一步描述。
实施例一：如附图1所示，一种用于监测用户的坐姿的坐姿监测系统，主要包括传感器模块、微处理器、错姿提醒模块、电源模块和按键模块。
传感器模块用于检测用户的坐姿数据并输出包含坐姿数据的传感信号。在这里，坐姿数据包括人体背部脊柱中线相对于铅垂线所成角度。因此，通常将该坐姿监测系统，尤其是传感器模块设置于人体背部。传感器模块包括六轴惯性传感器或九轴运动传感器。六轴惯性传感器包括三轴加速度计和三轴陀螺仪；九轴运动传感器包括三轴陀螺仪、三轴加速度计和三轴磁力计。本实施例中传感器模块采用六轴惯性传感器，它由一个三轴加速度计和一个三轴陀螺仪，利用扩展卡尔曼滤波算法对两种传感器的输出数据进行融合，可以得到精确的姿态测量，其俯仰角和滚转角的误差不超过1°，动态误差不超过3°。即在检测人体上身的中轴线相对于竖直方向所成角度时，包括分别测量对应前倾和后仰的俯仰角、对应左倾和右倾的倾斜角。
微处理器与传感器模块相连接。微处理器的功能之一为对坐姿是否异常进行判断，故微处理器包括坐姿判断模块，坐姿判断模块用于根据获得的坐姿数据结合人体动静状态、预设的角度阈值、预设的时间阈值综合判断坐姿是否异常，并在坐姿异常时发出坐姿提醒控制信号。角度阈值、时间阈值既可以在微处理器内部的程序中设置，也可以通过外接设备进行设置。微处理器的另一功能是对坐姿类型进行判断，故微处理器还包括坐姿类型判断模块，坐姿类型判断模块用于根据坐姿数据判断人体坐姿异常所属类型，并根据不同类型发出对应的坐姿类型提醒控制信号。微处理器的再一功能是进行久坐判断，因此微处理器还包括久坐判断模块，久坐判断模块用于通过内置或外接的计时装置来获取用户连续坐立时间，并判断连续坐立时间是否达到久坐时间阈值，并在连续坐立时间达到久坐时间阈值时发出久坐提醒控制信号。微处理器还用于控制整个坐姿监测系统开关以及工作模式等。
错姿提醒模块与微处理器相连接，其功能包括：基于坐姿提醒控制信号进行坐姿提醒、基于坐姿类型提醒控制信号进行坐姿类型提醒、基于久坐提醒控制信号进行久坐提醒等。错姿提醒模块包括振动提醒器(如振动电机)和/或语音提醒器和/或智能提醒终端。其中，振动提醒器、语音提醒器可以直接与微处理器相连接，而智能提醒终端往往采用无线方式与微处理器连接，因此当错姿提醒模块包括智能提醒终端时，坐姿监测系统还包括射频模块，射频模块与微处理器相连接并与智能提醒终端通信，使得坐姿提醒控制信号、坐姿类型提醒控制信号、久坐提醒控制信号等均经射频模块发送给智能提醒终端。射频模块可以采用蓝牙通信模块，射频模块通过总线与微处理器相连接。智能提醒终端除了包括用于进行上述提醒的提醒模块外，还包括模拟模块，模拟模块基于微处理器发送的坐姿数据进行模拟并显示具有对应坐姿的虚拟3D人物。
该坐姿监测系统还可以包括智能设置终端，该智能设置终端通过射频模块与微处理器通信。智能设置终端包括用于设置微处理器中所需的角度阈值和时间阈值的坐姿判断参数设置模块，还包括用于设置久坐时间阈值的久坐时间设置模块和/或用于设置是否启动运动唤醒功能的运动唤醒设置模块。则当运动唤醒功能启动时，微处理器连接用于进行动作检测并输出动作检测信号的动作检测模块，微处理器根据动作检测信号控制坐姿监测系统开关。
上述智能设置终端和智能提醒终端集成，并构成独立的智能装置或内嵌于智能设备中(如作为APP安装在智能手机、智能手表、平板电脑、智能机器人等设备中)。
电源模块用于为传感器模块、微处理器、错姿提醒模块(主要指振动提醒器、语音提醒器)供电，故电源模块分别与传感器模块、微处理器、错姿提醒模块相连接。电源模块包括充电电池。
按键模块与微处理器相连接，按键模块用于控制坐姿监测系统开关和设置坐姿监测系统工作模式。当未设置运动唤醒功能时，可以功过按键模块控制坐姿监测系统开关并切换其工作状态。
上述坐姿监测系统还可以包括指示灯模块，它与微处理器相连接，用于指示坐姿监测系统的工作状态。
如附图2所示，上述坐姿监测系统中，判断坐姿是否异常采用的坐姿监测方法为：利用传感器模块实时检测人体背部脊柱中线相对于铅垂线所成角度作为坐姿数据，并向微处理器发送包含该角度信息的传感信号。微处理器读取传感器模块发来的传感信号并获得坐姿数据，进行数据处理而对坐姿进行判断，该判断包括三个方面，分别为：1、判断测得的角度否达到预设的角度阈值；2、判断人体保持该角度的时间是否达到预设的时间阈值；3、判断人体是否处于静坐状态。若人体背部脊柱中线与铅垂线所成角度达到或超过角度阈值，人体保持该达到或超过角度阈值的角度的时间达到或超过时间阈值，并且人体处于静坐状态而不是小幅运动或剧烈运动状态，则判断人体坐姿异常，此时需要进行坐姿提醒，则微控制器发出坐姿提醒控制信号给振动提醒器/语音提醒器，或者微控制器通过射频模块将坐姿提醒控制信号发给智能提醒终端。这里根据用户的设置决定控制信号的发送，若射频模块已连接智能提醒终端，且用户开启智能提醒终端提醒功能，则利用智能提醒终端进行提醒；若射频模块已连接智能提醒终端，但用户未开启智能提醒终端提醒功能，则根据是否设置静音模式而选择是否利用振动提醒器进行提醒；若射频模块未连接智能提醒终端，则直接根据是否设置静音模式而选择是否利用振动提醒器进行提醒。振动提醒器/语音提醒器或智能提醒终端接收到坐姿提醒控制信号后，即进行相应提醒，如振动提醒器振动，语音提醒器发声，或者坐姿提醒发出提醒信息并显示虚拟3D人物。
上述坐姿监测方法的原理在于：人体在正常行走、站立和坐时，其上半身应该保持直立，此时上半身的前倾/后仰角以及左倾/右倾角应该保持在很小的范围内。错误的姿势会导致过大前倾/后仰角或者左倾/右倾角，因此可以通过设置角度阈值来检测。人体在站立或者端坐时，偶尔会有俯身、低头或者弯腰动作发生。这种偶发性的动作会导致上半身的前倾/后仰角或者左倾/右倾角超过阈值，从而错误触发报警，这种情况可以通过增加人体动静状态识别来辅助判断。只有当上半身的前倾/后仰加速度或者左倾/右倾加速度在规定的范围内，且人体保持错误姿势超过设定的时间阈值，即认为出现不良姿势，从而触发报警，提醒用户调整好姿势。综上所述，不良姿势的检测和报警可以通过角度阈值和时间阈值来调节。两个阈值越小对姿势要求越苛刻，当人体上半身姿势稍微偏离标准姿势就会触发报警。两个阈值越大对姿势要求越宽松，只有当人体上半身姿势长时间、大幅度偏离标准姿势才会触发报警。人体动静状态识别可以有效判断人体的行为状态，减少甚至杜绝误报警。
进一步的，微处理器在判断人体坐姿异常后，再判断人体坐姿异常所属的类型，并根据人体坐姿异常的不同类型分别进行对应的提醒。对于人体的坐姿，依据人体背部脊柱中线相对于铅垂线所成角度的不同，将人体坐姿异常分为四个类型，分别为前倾、后仰、左倾和右倾。若人体背部脊柱中线相对于铅垂线所成角度未达到角度阈值，则认为其实正常坐姿。
判断人体坐姿异常所属类型的方法为：如附图3所，将人体置于人体坐标系中，人体坐标系的坐标原点o为人体重心，x轴垂直于人体冠状面，y轴垂直于人体矢状面，z轴垂直于人体横断面。则基于人体背部脊柱中线相对于铅垂线所成角度，计算人体背部脊柱中线在x轴与y轴两坐标轴所在的平面x-y平面的投影与y轴所成的映射角的角度，则依据映射角判断人体坐姿异常所属类型。可以在x轴与y轴两坐标轴所在的平面x-y平面内以人体坐标系的原点为中心划分分别对应人体坐姿异常的四个类型的区域，如x-y平面中，利用各个象限的中分线划分人体坐姿异常的四个类型所对应的区域，则依据映射角所属的区域判断人体坐姿异常所属类型。
具体的，如附图4、附图5所示，当人体倾斜时，人体背部脊柱中线与z轴正方向形成夹角α，人体背部脊柱中线映射到x-y平面(x轴与y轴两坐标轴所在的平面)内会形成一条映射线，该映射线与y轴形成夹角β。α和β满足：
Figure BDA0002339711410000041
Figure BDA0002339711410000042
其中，θ为人体上半身倾斜时，人体背部脊柱中线映射到x-z平面(x轴与z轴两坐标轴所在的平面)的映射线与z轴形成的的夹角，规定θ为绕y逆时针旋转形成时其值为正，绕y顺时针旋转形成时其值为负。θ为正值时对应后仰角，θ为负值时对应前倾角；
Figure BDA0002339711410000043
为人体上半身左右倾斜时，人体背部脊柱中线映射到y-z平面(y轴与z轴两坐标轴所在的平面)的映射线与z轴形成的的夹角，规定
Figure BDA0002339711410000044
为绕x轴顺时针旋转形成时，其值为正；绕x轴逆时针旋转形成时，其值为负。
Figure BDA0002339711410000045
为正值时对应左倾角，
Figure BDA0002339711410000046
为负值时对应右倾角。θ、
Figure BDA0002339711410000047
值可从传感器原始数据中解算获得。上述计算公式中arctan()为反正切函数。
α即为用于判断人体上半身弯曲程度的具体角度值。若此角度值等于或超过用户设定的角度阈值，则判断用户坐姿发生错误，系统发出错姿提醒信号。
β即为用于判断人体错姿类型的具体倾向角。根据θ、
Figure BDA0002339711410000048
的正负号，来判断β处于x-y平面中具体象限位置，将β归一化到0-360度中。对360度再做分类化处理，分类成前倾、后仰、左倾、右倾、正常五种坐姿状态。不同的角度阈值范围对应不同坐姿状态，且每种角度阈值范围可调节。
在此基础上，还可以统计人体坐姿异常的各个类型的出现次数或时间，并依据统计结果进行对应的提醒。例如，提醒用户向统计出的最常出现的坐姿异常的相反方向调整坐姿或者进行相应运动拉伸。
上述坐姿监测系统中，对用户的坐姿异常监测所进行的模拟流程如附图6所示，系统开机并连接智能提醒终端后，微处理器对用户坐姿进行监测，当用户坐姿异常时，坐姿数据发送给智能提醒终端，则智能提醒终端解析数据并控制虚拟3D人物做出与用户相同的姿势，来实时模拟用户的坐姿，生动形象地向用户展示出其坐姿状态，有利于用户及时准确的对错误姿态进行调整。
对用户的坐姿异常监测中角度阈值设置的流程如附图7所示，在智能设置终端中设置角度阈值，可以设置为滑块设置模式，通过滑动虚拟的滑块来设置10°-35°范围内的任一值作为角度阈值，该角度阈值可以根据用户自身的坐立习惯自由调整。
对用户的坐姿异常监测中时间阈值设置的流程图如附图8所示，在智能设置终端中同样可以采用滑块设置模式，设置1s-10s范围内的任一值作为时间阈值，则在此时间阈值内的错误坐姿不提醒，达到和超过该时间阈值的错误坐姿才进行提醒。
对用户的久坐监测中久坐时间阈值设置的流程图如附图9所示，在智能设置终端中可以打开或关闭久坐提醒功能。当对应开关打开时，用户连续坐立时间达到设置的久坐时间阈值，如30min时，提醒用户坐立时间过久，开关关闭时则无此功能。
运动唤醒功能的设置流程图如附图10所示，在智能设置终端上通过开关打开或关闭运动唤醒功能。当开关打开时，设备在用户的穿戴过程中自动开机，若用户脱下设备，设备静止达到一定时间后自动关机，无需用户手动操作，方便用户使用。
上述实施例只为说明本发明的技术构思及特点，其目的在于让熟悉此项技术的人士能够了解本发明的内容并据以实施，并不能以此限制本发明的保护范围。凡根据本发明精神实质所作的等效变化或修饰，都应涵盖在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种坐姿监测系统，用于监测用户的坐姿，其特征在于：所述坐姿监测系统包括：
传感器模块，所述传感器模块用于检测用户的坐姿数据并输出包含所述坐姿数据的传感信号，所述坐姿数据包括人体背部脊柱中线相对于铅垂线所成角度；
微处理器，所述微处理器与所述传感器模块相连接，所述微处理器包括坐姿判断模块，所述坐姿判断模块用于根据获得的所述坐姿数据结合人体动静状态、预设的角度阈值、预设的时间阈值综合判断坐姿是否异常，并在坐姿异常时发出坐姿提醒控制信号；
错姿提醒模块，所述错姿提醒模块与所述微处理器相连接，所述错姿提醒模块基于所述坐姿提醒控制信号进行坐姿提醒；
电源模块，所述电源模块用于为所述传感器模块、所述微处理器、所述错姿提醒模块供电；
按键模块，所述按键模块与所述微处理器相连接，所述按键模块用于控制所述坐姿监测系统开关和设置所述坐姿监测系统工作模式；
指示灯模块，所述指示灯模块与微处理器相连接，用于指示坐姿监测系统的工作状态。
2.根据权利要求1所述的坐姿监测系统，其特征在于：所述微处理器还包括坐姿类型判断模块，所述坐姿类型判断模块用于根据所述坐姿数据判断人体坐姿异常所属类型，并根据不同类型发出对应的坐姿类型提醒控制信号；所述错姿提醒模块基于所述坐姿类型提醒控制信号进行坐姿类型提醒。
3.根据权利要求1或2所述的坐姿监测系统，其特征在于：所述错姿提醒模块包括振动提醒器和/或语音提醒器和/或智能提醒终端。
4.根据权利要求3所述的坐姿监测系统，其特征在于：当所述错姿提醒模块包括所述智能提醒终端时，所述坐姿监测系统还包括射频模块，所述射频模块与所述微处理器相连接并与所述智能提醒终端通信。
5.根据权利要求4所述的坐姿监测系统，其特征在于：所述坐姿监测系统还包括通过所述射频模块与所述微处理器通信的智能设置终端，所述智能设置终端包括用于设置所述微处理器中所需的所述角度阈值和所述时间阈值的坐姿判断参数设置模块。
6.根据权利要求5所述的坐姿监测系统，其特征在于：所述智能设置终端和所述智能提醒终端集成，并构成独立的智能装置或内嵌于智能设备中。
7.根据权利要求4所述的坐姿监测系统，其特征在于：所述射频模块为蓝牙通信模块，所述射频模块集成于微处理模块中或通过总线与微处理器相连接。
8.根据权利要求4所述的坐姿监测系统，其特征在于：所述智能提醒终端包括模拟模块，所述模拟模块基于所述微处理器发送的所述坐姿数据进行模拟并显示具有对应坐姿的虚拟3D人物。
9.根据权利要求5所述的坐姿监测系统，其特征在于：所述智能设置终端还包括用于设置久坐时间阈值的久坐时间设置模块和/或用于设置是否启动运动唤醒功能的运动唤醒设置模块；所述微处理器还包括久坐判断模块，所述久坐判断模块用于获取用户连续坐立时间并判断所述连续坐立时间是否达到所述久坐时间阈值，并在所述连续坐立时间达到所述久坐时间阈值时发出久坐提醒控制信号，所述错姿提醒模块基于所述久坐提醒控制信号进行久坐提醒；当所述运动唤醒功能启动时，所述微处理器连接用于进行动作检测并输出动作检测信号的动作检测模块，所述微处理器根据所述动作检测信号控制所述坐姿监测系统开关。
10.根据权利要求1所述的坐姿监测系统，其特征在于：所述传感器模块包括六轴惯性传感器或九轴运动传感器；所述六轴惯性传感器包括三轴加速度计和三轴陀螺仪；所述九轴运动传感器包括三轴陀螺仪、三轴加速度计和三轴磁力计。
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