CN113331586A

CN113331586A - 一种新型柔性电子坐姿矫正装置

Info

Publication number: CN113331586A
Application number: CN202110746969.3A
Authority: CN
Inventors: 张小虎; 秦衡峰; 曾杨莉; 黄石甫; 张浩然
Original assignee: Xiangtan University
Current assignee: Xiangtan University
Priority date: 2021-07-01
Filing date: 2021-07-01
Publication date: 2021-09-03

Abstract

为了解决青少年坐姿不良及传统坐姿矫正设备使用不方便、不便于携带等问题，本发明提出了一种新型柔性电子坐姿矫正装置，它可以起到提醒使用者进行实时的矫正，而且方便安装与拆卸，外观优美，适用场景广泛。本发明所涉及的装置还可以设置和记录学习时间，超过规定的学习时间可以进行提醒使用者放松视力，从而达到保护视力的效果。本发明公开的一种新型柔性电子坐姿矫正装置，具体包括角度检测传感器11～14，超声波传感器15，扬声器模块16，静音提醒装置17，魔术贴21～24，传感器转接及驱动板31，柔性材料前面料32，柔性材料后面料33，主控制器盒4。本发明所述主控制器盒4包括人机交互显示屏41、输入矩阵键盘42、主控电路板43、电池44、电池盒45等。

Description

一种新型柔性电子坐姿矫正装置

技术领域

本发明涉及一种新型柔性电子坐姿矫正装置，具体涉及一种青少年用坐姿异常提醒的新型柔性多功能电子坐姿矫正装置。

背景技术

由于社会生活方式的转变，人们坐着工作和学习的时间越来越多，由此引起脊椎结构的破坏，影响身体健康。医学研究显示，坐姿、读写姿势不正确，会影响孩子骨骼的健康生长，这也是我国中小学生近视率居高不下的主要原因之一。很多儿童由于姿势不良，导致了脊椎结构发生了变化，在成年后很难进行矫正。

目前针对坐姿矫正使用比较多的是矫正带、矫正课桌、矫正座椅等机械装置，利用机械结构强制使用者挺直，调整姿势。这样的调整方式有很大的局限性，不仅会给人们造成束缚感和压迫感，而且不能根据使用者的情况进行尺寸调整，并且不能够便携式的拆卸和携带。而且目前市场上针对青少年脊柱矫正的器械造价普遍较为昂贵，量身定做一个脊柱矫正的支具费用大概4000-5000元左右。

对比专利号CN 102810240 A、CN 210044203 U、CN 212873718 U、CN 110507461A、CN 207912078 U等专利提出的坐姿矫正方案，本发明具有切实的新颖性及创造性和实质性进步。如专利号CN 207912078 U的专利提出了一种驼背矫正衣。该专利所述驼背矫正衣，根据驼背的姿势发出不同的声音，提醒人们主动调整坐姿或走姿，容易达到矫正的效果并且不会有束缚感，穿着较舒适。该发明在设计上仍不够完善，如穿着和收纳不够方便，且对于使用者坐姿和脊柱状态没有精确的测量，没有可以根据身高等身体特征数据进行调整的功能且没有对不同身体特征的人进行区分，且没有定时提醒放松眼部等功能，基于以上现状，对于坐姿矫正装置及方法仍需要改进。

针对青少年坐姿现状及原因分析，本发明提出了一种新型柔性电子坐姿矫正装置，其采用角度检测传感器11～14、超声波传感器15采集使用者的坐姿、脊椎及脖颈的位置及角度信息，对使用者的异常坐姿进行提醒。本发明所述的一种新型柔性电子坐姿矫正装置不仅可以起到提醒使用者进行实时的矫正，还可以便携式的安装与拆卸，外观优美，便于在家庭学校等场合使用。发明所涉及的装置还可以设置学习时间，记录学习时间，超过规定的学习时间可以提醒使用者放松视力，从而达到保护视力的效果。因此，本发明提出的一种新型柔性电子坐姿矫正装置具有切实的新颖性及创造性和实质性进步。

综上，本发明解决了青少年坐姿不良的矫正问题，改良了传统坐姿矫正设备使用不方便、不便于携带、造价昂贵等问题，外观优美，适用场景广泛，可以有效降低我国中小学生的近视和脊柱弯曲变形发病率，具有新颖性及创造性。

发明内容

为了解决上述青少年坐姿不良及传统坐姿矫正设备使用不方便、不便于携带等问题，本发明提出了一种新型柔性电子坐姿矫正装置，其具有便于安装与拆卸、外观优美、适用场景广泛等优点，可以有效降低我国中小学生的近视和脊柱弯曲变形发病率。

本发明提出了一种新型柔性电子坐姿矫正装置，其包括角度检测传感器11、12、13、14，超声波传感器15，扬声器模块16，静音提醒装置17，魔术贴21、22、23、24，传感器转接及驱动板31，柔性材料前面料32，柔性材料后面料33，主控制器盒4。本发明所述主控制器盒4包括人机交互显示屏41、输入矩阵键盘42、主控电路板43、电池44、电池盒45。

本发明所述一种新型柔性电子坐姿矫正装置在使用过程中应紧密贴合于使用者的贴身衣物、或骨骼外皮肤。本发明的技术方案为使用角度检测传感器11、12、13、14获取使用者脊椎的角度数据，进行判断其坐姿；此外，在本装置上端设计了一个立式的突出部分，其上安装了超声波传感器15及扬声器模块16(如图4所示)，通过超声波模块获取使用者脖颈与装置上端突出部分的距离，从而判断使用者是否有脖颈前倾的情况，进一步判断使用者的坐姿是否正常。当注意的是本发明所述一种新型柔性电子坐姿矫正装置使用的传感器数量只是一种较优实现，原理类似，只是传感器数量不同的方案应当算作本发明的保护范围。

本发明所述一种新型柔性电子坐姿矫正装置通过以上判断过程获取使用者的坐姿是否正确，如果使用者坐姿不良则装置启动提醒程序。提醒程序的其中一种方案是通过如上所述的扬声器模块16播放相应的语音。其中在如图书馆、自习室、教室等一些场合不适合用语音方式对使用者进行提醒，本装置还设计了三种静音提醒方案：方案一，静音提醒装置17是低压放电装置，此方案通过对使用者背部进行低压放电从而达到提醒的效果；方案二，静音提醒装置17是机械传动装置，此方案通过对使用者背部进行适当的按压，使得使用者通过触觉感知从而到达提醒的效果；方案三，静音提醒装置17是机械震动装置，此方案通过静音提醒装置17产生一定的机械震动，使得使用者通过触觉感知从而到达提醒的效果。

本发明所述一种新型柔性电子坐姿矫正装置还可以设置学习时间，通过内部定时器进行学习计时，超过规定的学习时间可以由上所述的提醒程序提醒使用者放松眼睛，从而达到保护视力的效果。

本发明所述一种新型柔性电子坐姿矫正装置可以设置身高体重等身体参数，针对不同体型特征的使用者都具有适配性。其中控制决策方法使用了模糊控制技术，模糊控制以现代控制理论为基础，同时与自适应控制技术、人工智能技术、神经网络技术的相结合。对所述装置系统定义变量、输入数据模糊化、创立经验函数、逻辑判断及反模糊化输出等过程。具体地，通过设定的身体特征参数，判断传感器采集的信息进行精确的判断。

本发明所述一种新型柔性电子坐姿矫正装置为了方便收纳，采用了柔性材料前面料32，柔性材料后面料33作为装置主体，所述柔性材料前面料32，柔性材料后面料33是防水防漏电的柔性材料制成，所述传感器转接及驱动板31为柔性电路板。其中电路的线路也是从柔性材料前面料32和柔性材料后面料33中间穿过，所述的角度检测传感器11～14尺寸较小，可折叠收纳。

本发明所述一种新型柔性电子坐姿矫正装置所述的主控制器盒4包括人机交互显示屏41、输入矩阵键盘42、主控电路板43、电池44、电池盒45，所述人机交互显示屏41可以提供人机交互界面用于显示时间，显示学习时间和显示坐姿问题等；所述输入矩阵键盘42用于输入身体参数，设定学习时间等；所述主控电路板43是以单片机为核心的控制电路，包括单片机最小系统、基本外设电路、驱动电路、滤波电路、传感器接口(包括ADC、IIC、SPI等接口)等功能电路；所述电池44为普通电池，作为优选的，可选用七号电池从而减小体积；所述电池盒45是整个主控制器盒4的支撑机架，底部拥有开槽可以放电池，并将其限位，中间留有存放主控电路板43的空间，上端口有卡扣，可以与人机交互显示屏41和输入矩阵键盘42组成的机盖卡死。

如上所述的主控制器盒4包含电池盒45，其特征在于其后设有卡扣机构46可以将主控制器盒4固定在皮带或者腰带上，佩戴方式如图3所示。

本发明所述一种新型柔性电子坐姿矫正装置所述主控电路板43按功能可以分为主控制器部分51，模拟信号传感器部分52，数字信号传感器部分53，输出显示部分54，驱动部分55，无线通讯部分56等，具体如图5所示。如上所述的主控制器部分51是以单片机为核心的最小系统，主要负责处理传感器的数据，分析判断做出相应的判断指令；如上所述的模拟信号传感器部分52用于采集模拟信号传感器的模拟信号量，并将其经过ADC转换成数字量传送给主控制器部分51，如上所述的数字信号传感器部分53主要负责接收包括使用IIC总线的角度检测传感器11～14，超声波传感器15等传感器的数据；如上所述的输出显示部分54主要是用于输出和显示信息的LCD屏幕和LED灯显示模块等；如上所述的驱动部分55主要包括扬声器模块16，静音提醒装置17等模块的驱动电路，如上所述的无线通讯部分56包括低功耗的蓝牙模块或其他无线通讯模块如WIFI模块，ZigBee模块，UWB模块，NRF模块或CAT1、NB-IOT、GPRS等无线通讯技术，作为优选的本装置可采用低功耗的蓝牙5.0无线传输模块。

本发明所述一种新型柔性电子坐姿矫正装置控制方式多样，可以使用人机交互显示屏41、输入矩阵键盘42配合输入进行控制，也可以采用如手机等智能设备通过如上所述的无线通讯部分56与其进行连接从而实现控制。

如上所述的无线通讯部分56主要用于连接本发明所述新型柔性电子坐姿矫正装置与智能手机等智能设备；本发明所述一种新型柔性电子坐姿矫正装置所述的主控制器部分51具有存储功能，可以将使用者使用本发明所述装置时的坐姿数据，并上传到手机，便于了解使用者的坐姿习惯，从而及时纠正。

为了方便穿戴，本发明所述一种新型柔性电子坐姿矫正装置所述魔术贴21、22，可用于将本装置直接贴附于衣物外侧，为了适用在学校等场合的应用和冬天衣物较厚的情况，本发明所述新型柔性电子坐姿矫正装置可以通过所述魔术贴23、24，从衣物内侧贴附。应当注意的是本发明所述一种新型柔性电子坐姿矫正装置利用所述魔术贴将装置贴合于衣物上的方式只是一种较优的贴合方式，本发明所保护的装置贴合方式不应该局限于该方式，如背带固定式，磁吸式，扣针悬挂等易于实现的方式都在本发明的保护范围之内。

本发明提出的一种新型柔性电子坐姿矫正装置，所述的角度检测传感器11～14，其采集的原始数据为角速度和角加速度，对采集的原始数据需要进行滤波处理。初步的处理是采用卡尔曼滤波算法，卡尔曼数据滤波算法是一种去除高斯噪声还原数据真实性的数据处理算法，卡尔曼滤波不要求信号和噪声都是平稳过程的假设条件。对于每个时刻的系统扰动和观测误差(即噪声)，只要对它们的统计性质作某些适当的假定，通过对含有噪声的观测信号进行处理，就能在平均的意义上，求得误差为最小的真实信号的估计值。其定义为：首先将一个离散控制过程的目标系统抽象成一个线性随机微分方程，用如下所示的微分方程表示：

X(k)＝AX(k-1)+BU(k)+W(k)

系统的观测值如下公式所示的微分方程表示：

Z(k)＝HX(k)+V(k)

卡尔曼数据滤波算法的五个公式如下所示：

X(k|k-1)＝AX(k-1|k-1)+BU(k)

P(k|k-1)＝AP(k-1|k-1)A'+Q

X(k|k)＝X(k|k-1)+K_g(k)(Z(k)-HX(k|k-1))

K_g(k)＝P(k|k-1)H'/(HP(k|k-1)H'＝R)

P(k|k)＝(I-K_g(k)H)P(k|k-1)

其采集的角度信息采用二阶权值互补滤波算法，即利用传感器测量的角速度和角加速度数据分别进行积分和二次积分运算可以得到两组角度值，通过对两组数据取权运算得到较为准确的角度估计值；同理可以对相应轴的角速度进行权值互补滤波。由于二阶互补滤波算法中存在二阶积分环节，将会产生一系列的高频噪声，于是需要用到一阶低通滤波算法，其参数一般取陀螺低通滤波的经验值：带宽是30hz左右，所以就按30hz来计算。一阶低通滤波器的系数表达式是：a＝f_c2πT。

本发明一种新型柔性电子坐姿矫正装置的有益效果为：

1、本发明所设计的坐姿矫正设备可以提醒使用者进行实时的矫正，达到了纠正使用者坐姿的有益效果；

2、本发明所设计的坐姿矫正设备改良了传统坐姿矫正设备使用不方便、不便于携带等问题，该装置为带状，便于收纳，穿戴简便；

3、本发明所设计的坐姿矫正设备可以通过设定学习时间，提醒使用者及时缓解眼疲劳，从而达到保护视力的作用；

4、本发明所设计的坐姿矫正设备可以通过蓝牙的通讯方式接入其他智能设备终端，如智能手机等，可以获取孩子的坐姿信息以便于有目的性地进行纠正；

5、本发明所设计的坐姿矫正设备可以通过智能设备、人机操作界面(控制及交互面板3)等进行操作，控制方式多样；

6、本发明所设计的坐姿矫正设备操作简单、使用方便且贴合生活实际，具有较强的实用性；

7、本发明所设计的坐姿矫正设备外观优美，适用场景广泛且成本较低，便于推广使用。

附图说明

图1是本发明所述一种新型柔性电子坐姿矫正装置的整体结构示意图；

图2是本发明所述一种新型柔性电子坐姿矫正装置所述的主控制器盒4的剖面图。

图3是本发明所述一种新型柔性电子坐姿矫正装置的装置佩戴模拟图。

图4是本发明所述一种新型柔性电子坐姿矫正装置的传感器位置指示图。

图5是本发明所述一种新型柔性电子坐姿矫正装置所述主控电路板43的功能分布图。

图6是本发明所述一种新型柔性电子坐姿矫正装置所述两种收纳方式。

图中标号说明：

角度检测传感器11、12、13、14

超声波传感器15

扬声器模块16

静音提醒装置17

魔术贴21、22、23、24

传感器转接及驱动板31

主控制器盒4

人机交互显示屏41

输入矩阵键盘42

主控电路板43

电池44

电池盒45

功能图标号5

主控制器部分51

模拟信号传感器部分52

数字信号传感器部分53

输出显示部分54

驱动部分55

无线通讯部分56

具体实施方式

为了便于理解本发明，下面将结合附图和具体实施例对本发明作进一步详细描述。附图中给出了本发明的较佳实施例。但是，本发明可以以许多不同的形式来实现，并不限于本文所描述的实施例。相反地，提供这些实施例的目的是使对本发明的公开内容的理解更加透彻全面。

具体实施例：

如图1所示，本发明提出了一种新型柔性电子坐姿矫正装置，其包括角度检测传感器11、12、13、14，超声波传感器15，扬声器模块16，静音提醒装置17，魔术贴21、22、23、24，传感器转接及驱动板31，柔性材料前面料32，柔性材料后面料33，主控制器盒4。

如图2所示，本发明所述主控制器盒4包括人机交互显示屏41、输入矩阵键盘42、主控电路板43、电池44、电池盒45。

如图3及图4所示，本发明所述一种新型柔性电子坐姿矫正装置在使用过程中应紧密贴合于使用者的贴身衣物、或骨骼外皮肤。本发明的技术方案为使用角度检测传感器11、12、13、14获取使用者脊椎的角度数据，进行判断其坐姿，所述角度检测传感器11～14安装于柔性材料前面料32，柔性材料后面料33之间，安装位置如图1所示；此外，在本装置上端设计了一个立式的突出部分，其上安装了超声波传感器15及扬声器模块16，通过超声波模块获取使用者脖颈与装置上端突出部分的距离，从而判断使用者是否有脖颈前倾的情况，进一步判断使用者的坐姿是否正常。其中利用卡尔曼滤波、二阶互补权值滤波及一节低通滤波等算法对采集的原始数据进行滤波处理。

通过以上判断过程获取使用者的坐姿是否正确，如果使用者坐姿不良则装置启动提醒程序。提醒程序的其中一种方案是通过如上所述的扬声器模块16播放相应的语音。其中在如图书馆、自习室、教室等一些场合不适合用语音方式对使用者进行提醒，本装置还设计了三种静音提醒方案：方案一，静音提醒装置17是低压放电装置，此方案通过对使用者背部进行低压放电从而达到提醒的效果；方案二，静音提醒装置17是机械传动装置，此方案通过对使用者背部进行适当的按压，使得使用者通过触觉感知从而到达提醒的效果；方案三，静音提醒装置17是机械震动装置，此方案通过静音提醒装置17产生一定的机械震动，使得使用者通过触觉感知从而到达提醒的效果。

本发明所述一种新型柔性电子坐姿矫正装置还可以设置学习时间，通过内部定时器进行学习计时，超过规定的学习时间可以由上所述的提醒程序提醒使用者放松眼睛，及时缓解眼疲劳，从而达到保护视力的效果。

综上，本发明本发明提出了一种新型柔性电子坐姿矫正装置的使用过程大致如下：正确佩戴本发明所述装置，通过主控制器盒4或者智能手机等方式设置学习时间，启动装置，在装置运行过程中检测到使用者坐姿不端会实时的对使用者进行提醒，超过规定的学习时间可以由上所述的提醒程序提醒使用者放松眼睛，及时缓解眼疲劳。

以下为本实施例的一些优化方案：

作为本发明的进一步优化，本发明所述一种新型柔性电子坐姿矫正装置采用柔性防水材料制成，可以柔性收纳，如图6所示为本装置两种收纳方式。

作为本发明的进一步优化，本发明所述一种新型柔性电子坐姿矫正装置所述角度检测传感器11～14为陀螺仪MPU6050。

作为本发明的进一步优化，本发明所述一种新型柔性电子坐姿矫正装置在一些实施方案中所述静音提醒装置17为机械震动装置，具体为震动马达。

作为本发明的进一步优化，本发明所述一种新型柔性电子坐姿矫正装置在一些实施方案中所述无线通讯部分56是指蓝牙5.0无线通信模块。

作为本发明的进一步优化，本发明所述一种新型柔性电子坐姿矫正装置所述超声波传感器15为HC-42超声波传感器。

作为本发明的进一步优化，本发明所述一种新型柔性电子坐姿矫正装置所述扬声器模块16为ISO1680录音播放模块。

作为本发明的进一步优化，本发明所述一种新型柔性电子坐姿矫正装置所述静音提醒装置17在一些实施例里为低压放电装置，在另一些实施例里为机械传动装置。

作为本发明的进一步优化，本发明所述一种新型柔性电子坐姿矫正装置所述电池44为普通7号电池。

上述结合附图对本发明进行了示例性描述，显然本发明具体实现并不受上述方式的限制，该装置还可用于其它材料的制备以及材料在场效应下的性能测试等，凡采用了本发明的方法构思和技术方案进行的这种非实质改进，或未经改进将发明的构思和技术方案直接应用于其他场合的，均在本发明的保护范围之内。

Claims

1.一种新型柔性电子坐姿矫正装置，其包括角度检测传感器11、12、13、14，超声波传感器15，扬声器模块16，静音提醒装置17，魔术贴21、22、23、24，传感器转接及驱动板31，柔性材料前面料32，柔性材料后面料33，主控制器盒4，所述主控制器盒4包括人机交互显示屏41、输入矩阵键盘42、主控电路板43、电池44、电池盒45。其特征在于：其采用角度检测传感器11～14、超声波传感器15采集使用者的坐姿、脊椎及脖颈的位置及角度信息，并对使用者的异常坐姿进行提醒。

2.根据权利要求1所述的一种新型柔性电子坐姿矫正装置，其特征在于：本装置上端设计了一个立式的突出部分，其上安装了超声波传感器15及扬声器模块16，所述角度检测传感器11～14安装于柔性材料前面料32，柔性材料后面料33之间。

3.根据权利要求1或2所述的一种新型柔性电子坐姿矫正装置，其特征在于：提供了一种语音提醒方案和三种静音提醒方案：所述语音提醒方案是通过如上所述的扬声器模块16播放相应的语音；三种静音提醒方案：方案一，静音提醒装置17是低压放电装置，此方案通过对使用者背部进行低压放电从而达到提醒的效果；方案二，静音提醒装置17是机械传动装置，此方案通过对使用者背部进行适当的按压，使用者通过触觉感知从而到达提醒的效果；方案三，静音提醒装置17是机械震动装置，此方案通过静音提醒装置17产生一定的机械震动，使用者通过触觉感知从而到达提醒的效果。

4.根据权利要求1到3任一所述的一种新型柔性电子坐姿矫正装置，其特征在于：所述魔术贴21、22，可用于将本装置直接贴附于衣物外侧，也可以通过所述魔术贴23、24将本装置直接贴附与衣物内侧。

5.根据权利要求1到4任一所述的一种新型柔性电子坐姿矫正装置，其特征在于：可以通过设置和记录学习时间，超过规定的学习时间可以通过根据权利要求3所述的提醒方案提醒使用者放松视力，从而达到保护视力的效果。

6.根据权利要求1到5任一所述的一种新型柔性电子坐姿矫正装置，其特征在于：所述的无线通讯部分56主要用于连接智能手机等智能设备，且本发明所述一种新型柔性电子坐姿矫正装置所述的主控制器部分51具有存储功能，可以将使用者使用本发明所述装置时的坐姿数据，并上传到手机。

7.根据权利要求1到6任一所述的一种新型柔性电子坐姿矫正装置，其特征在于：采用了柔性材料前面料32，柔性材料后面料33作为装置主体，所述柔性材料前面料32，柔性材料后面料33是防水防漏电的柔性材料制成，所述传感器转接及驱动板31为柔性电路板，本装置所涉及电路的线路是从柔性材料前面料32和柔性材料后面料33中间穿过，所述的角度检测传感器11～14尺寸较小，使得装置整体易折叠收纳。

8.根据权利要求1到7任一所述的一种新型柔性电子坐姿矫正装置，其特征在于：所述的主控制器盒4包含电池盒45，其特征在于其后设有卡扣机构46可以将主控制器盒4固定在皮带或者腰带上。

9.根据权利要求1到8任一所述的一种新型柔性电子坐姿矫正装置，其特征在于：利用卡尔曼滤波、二阶互补权值滤波及一节低通滤波等算法对所述角度检测传感器11～14采集的原始数据进行滤波处理，使用模糊控制技术对不同体型特征的使用者的坐姿数据进行适配性判断。

10.根据权利要求1到9任一所述的一种新型柔性电子坐姿矫正装置，其特征在于：提供了一种语音提醒方案，其一是：人机交互显示屏41、输入矩阵键盘42配合输入进行控制，其二是：采用手机等智能设备通过所述的无线通讯部分56与其进行连接从而实现控制。