CN113349586A - 一种自适应椅背结构及调节方法及系统 - Google Patents

Abstract

一种自适应椅背结构及调节方法及系统，包括椅背后框、薄膜压力传感器、腰靠结构、单片机、驱动机构和椅背面；椅背面套设在椅背后框外侧，薄膜压力传感器设置在椅背面内侧；椅背后框上设置有单片机和驱动机构，驱动机构连接单片机，腰靠结构固定连接在驱动机构的输出端。本发明的自适应椅背结构通过座椅内部的电机推杆、柔性薄膜网格状的压力传感器、腰靠滚动结构，可以获得每一位患者的背部压力分布，腰部的最佳支撑位置是第三、第四脊椎，经患者身高与体型测算后，将滚动结构调整至适应的腰部支撑点，从而提升患者的舒适性，使患者在长达近一小时、不可活动的治疗中不感到疲惫。

Description

一种自适应椅背结构及调节方法及系统

技术领域

本发明属于自适应椅背技术领域，特别涉及一种自适应椅背结构及调节方法及系统。

背景技术

随着时代的发展，办公室人群的工作强度更进一步的暴露在公众视野中。久坐导致的腰椎间盘突出、颈椎病等问题，在折磨着着越来越多的人。

目前传统的各类座椅均面临以下问题：①久坐难受，无法满足人的动态舒适性；②无法适应不同种身高的人群。

本发明即针对上述两个问题进行设计。

本发明方法的使用场景非常广泛，根本目的，都是为了满足久坐人群在固定姿势下的舒适性需求。

发明内容

本发明的目的在于提供一种自适应椅背结构及调节方法及系统，以解决上述问题。

为实现上述目的，本发明采用以下技术方案：

一种自适应椅背结构，包括椅背后框、薄膜压力传感器、腰靠结构、单片机、驱动机构和椅背面；椅背面套设在椅背后框外侧，薄膜压力传感器设置在椅背面内侧；椅背后框上设置有单片机和驱动机构，驱动机构连接单片机，腰靠结构固定连接在驱动机构的输出端。

进一步的，腰靠结构包括腰靠和腰靠固定板，腰靠固定设置在腰靠固定板上。

进一步的，驱动机构包括电机驱动器和电动推杆；电机驱动器连接单片机，电机驱动器输出端连接电动推杆，电动推杆的输出端连接腰靠固定板。

进一步的，单片机还连接有电源，电源包括电源降压器和电源接口，电源降压器的一端连接单片机，另一端连接电源接口。

进一步的，一种自适应椅背结构的调节方法，包括以下步骤：

采集压力信号，基于腰椎压力分布，推测腰椎所在位置；

腰靠结构根据腰椎所在位置进行移动，移动后再次对于座椅上压力节点平均值Gcav进行测定；

腰靠结构静止后，单片机继续接收薄膜压力传感器的信息，并不断对于Gcav值进行计算评估，跟据不同的作座椅材质，给出不同的评估量，实现自动调节。

以下为详细发明内容：

首先对于未支撑的情况下压力均值进行计算，记为平均压力pav，最大压力记为pmax，计算出每一个测量节点附近的圆形压力梯度值，记为Gc，列举出Gc的计算方法如下：

(1.1)式中：pmax为最大压力值；rj为相应圆上压力点的个数；此时示意为对于五个压力点的计算，则结节处的压力梯度Gc为5个圆型压力梯度的平均值；

对于Gc在步长d上求导：

跟据以上式(1.1)，与式(1.3)，选择Gc为0的圆形节点处，并且如式(2)，计为P_target(x_t，y_t)即为精准推测第四、第五腰椎所在处；

P_target＝(Gc(r_i)＝0)∪(Gc′(d)＜0) (2)

由此，驱动目前推杆所在Pstart(x0，y0)垂直方向上缩短至y_end＝(yt-y0)。

移动后再次对于座椅上压力节点平均值Gcav进行测定，建模算法为：

再次根据式(1.1)计算结节处的圆形压力梯度值，并对于半径为r_i的压力节点平均值梯度进行计算，计作G_cav，如式(3)：

进一步的，推杆启动静止后，单片机仍然继续接收薄膜压力传感器的信息，并不断对于Gcav值进行计算评估，跟据不同的作座椅材质，给出基于材质系数k的不同偏差接受评估量δ，如式(4)，当G_cav＜δ时，推杆不进行改变；否则，再次执行上述步骤，进行自动调节；

再基于PID算法进行调节电动推杆的移动。

进一步的，一种自适应椅背结构的调节系统，包括：

采集模块，用于采集压力信号，基于腰椎压力分布，推测腰椎所在位置；

测定模块，用于腰靠结构根据腰椎所在位置进行移动，移动后再次对于座椅上压力分布的均匀程度SPD以及压力节点平均值Gcav进行测定；

比较调节模块，用于腰靠结构静止后，单片机继续接收薄膜压力传感器的信息，并不断对于SPD值进行计算评估，跟据不同的作座椅材质，给出不同的评估量，实现自动调节。

与现有技术相比，本发明有以下技术效果：

本发明的自适应椅背结构通过座椅内部的电机推杆、柔性薄膜网格状的压力传感器、腰靠滚动结构，可以获得每一位患者的背部压力分布，腰部的最佳支撑位置是第三、第四脊椎，经患者身高与体型测算后，将滚动结构调整至适应的腰部支撑点，从而提升患者的舒适性，使患者在长达近一小时、不可活动的治疗中不感到疲惫。利用单片机，患者坐下座位的时候，通过柔性网格状压力传感器接受信号，进行模拟信号与数字信号转换，将数据传送至单片机核心进行处理，估算得到患者腰椎所在位置。跟据PID调整算法精准调控距离，驱动推杆中的直流电机、点弹簧等运动，精准控制活动腰靠到达患者的第三、第四脊椎。

该椅背包括紧贴椅背的柔性薄膜网格状的压力传感器，一个电动推杆，单片机，腰靠滚动结构，腰靠支撑板，椅背后框，以及推杆驱动器、电路供电电源等。该技术方案所涉及的椅背，是将目前椅背框架的稳固性和智能控制主导的舒适性进行结合，从而兼具上述稳固性和舒适性。

综上所述，该椅背在个靠背单元可扭动，提升乘坐者的使用舒适度，避免背部长时间保持同一姿势而酸痛的基础上；限制了靠背单元的扭动范围，使乘坐者对于座椅的使用更为放心。

附图说明

图1为外部结构示意图。

图2为内部结构说明图。

图3为压力分布测定示意图。

图4为PID调节思路图。

具体实施方式

以下结合附图对本发明进一步说明：

一种可以自适应的椅背结构装置，包括，椅背后框1，单片机2，电动推杆3，电源电机驱动结构4，薄膜压力传感器5，腰靠滚动结构6，腰靠固定板7，电机驱动器8，电源接口9。

腰靠自适应调节主要依靠，推杆3经螺钉连接带动腰靠固定板7上下移动。单片机2、电机驱动结构4等固定在椅背后框1上；薄膜压力传感器5与单片机2通过电路交换信息，薄膜压力传感器5固定在椅背面内部。

患者坐下前，推杆3平行于椅背所在平面，此时推杆3伸长量为y0＝max(y)，在最大伸长处，故腰靠在椅背平面内偏下方。

当人坐上椅子时，薄膜压力传感器检测到到压力增加，且一段时间(1s)内不恢复,单片机上电，分析压力信号，椅背调节进入启动阶段。首先基于腰椎压力分布，推测此患者腰椎所在位置。

压力分布指标的测量参考美国的Tekscan人体压力分布测量系统，这里基于座椅椅背，本发明采用以下数学建模方式：

驱动支流推杆前，首先对于目前未支撑的情况下压力均值进行计算，记为平均压力pav，最大压力记为pmax，可计算出每一个测量节点附近的圆形压力梯度值，记为Gc(GradientCircular下同)，以五个压力点的计算为例，列举出Gc的计算方法如下：

(1.1)式中：pmax为最大压力值；rj为相应圆上压力点的个数；此时示意为对于五个压力点的计算，则结节处的压力梯度Gc为5个圆型压力梯度的平均值；

对于Gc在步长d上求导：

跟据以上式(1.1)，与式(1.3)，选择Gc为0的圆形节点处，并且如式(2)，计为P_target(x_t，y_t)即为精准推测第四、第五腰椎所在处；

P_target＝(Gc(r_i)＝0)∪(Gc′(d)＜0) (2)

由此，驱动目前推杆所在Pstart(x0，y0)垂直方向上缩短至y_end＝(yt-y0)。

移动后再次对于座椅上压力节点平均值Gcav进行测定，建模算法为：

再次根据式(1.1)计算结节处的圆形压力梯度值，并对于半径为r_i的压力节点平均值梯度进行计算，计作G_cav，如式(3)：

基于PID算法进行调节，调节功能思路如图4：

但由于PID算法作为控制行业最经典的算法，应用与具体的实施方法已十分普及，不作为此专利的保护内容，故不在此赘述。

进一步的，推杆启动静止后，单片机仍然继续接收薄膜压力传感器的信息，并不断对于Gcav值进行计算评估，跟据不同的作座椅材质，给出系数k不同的评估量δ，如式(4)，当G_cav＜δ时，推杆不进行改变；否则，再次执行上述步骤，进行自动调节；

综上，为椅背的自适应调节实施方案。

Claims (9)

1.一种自适应椅背结构，其特征在于，包括椅背后框(1)、薄膜压力传感器(5)、腰靠结构、单片机(2)、驱动机构和椅背面；椅背面套设在椅背后框(1)外侧，薄膜压力传感器(5)设置在椅背面内侧；椅背后框(1)上设置有单片机(2)和驱动机构，驱动机构连接单片机(2)，腰靠结构固定连接在驱动机构的输出端。

2.根据权利要求1所述的一种自适应椅背结构，其特征在于，腰靠结构包括腰靠(6)和腰靠固定板(7)，腰靠(6)固定设置在腰靠固定板(7)上。

3.根据权利要求2所述的一种自适应椅背结构，其特征在于，驱动机构包括电机驱动器(8)和电动推杆(3)；电机驱动器(8)连接单片机(2)，电机驱动器(8)输出端连接电动推杆(3)，电动推杆(3)的输出端连接腰靠固定板(7)。

4.根据权利要求1所述的一种自适应椅背结构，其特征在于，单片机(2)还连接有电源，电源包括电源降压器(4)和电源接口(9)，电源降压器(4)的一端连接单片机(2)，另一端连接电源接口(9)。

5.一种自适应椅背结构的调节方法，其特征在于，基于权利要求1至4任意一项所述的一种自适应椅背结构，包括以下步骤：

采集压力信号，基于腰椎压力分布，推测腰椎所在位置；

腰靠结构根据腰椎所在位置进行移动，移动后再次对于座椅上压力分布的均匀程度SPD以及压力节点平均值Gcav进行测定；

腰靠结构静止后，单片机继续接收薄膜压力传感器的信息，并不断对于SPD值进行计算评估，跟据不同的作座椅材质，给出不同的评估量，实现自动调节。

6.根据权利要求5所述的一种自适应椅背结构的调节方法，其特征在于，推测腰椎所在位置：

首先对于未支撑的情况下压力均值进行计算，记为平均压力p_av，最大压力记为p_max，计算出每一个测量节点附近的圆形压力梯度值，记为Gc，列举出Gc的计算方法如下:

(1.1)式中：p_max为最大压力值；r_j为相应圆上压力点的个数；此时示意为对于五个压力点的计算，则结节处的压力梯度Gc为5个圆型压力梯度的平均值；

对于Gc在步长d上求导：

跟据以上式(1.1)，与式(1.3)，选择Gc为0的圆形节点处，并且如式(2)，计为P_target(x_t，y_t)即为精准推测第四、第五腰椎所在处；

P_target＝(Gc(r_i)＝0)∪(Gc′(d)＜0)(2)

由此，驱动目前推杆所在P_start(x0，y0)垂直方向上缩短至y_end＝(yt-y0)。

7.根据权利要求5所述的一种自适应椅背结构的调节方法，其特征在于，移动后再次对于座椅上压力节点平均值Gcav进行测定，建模算法为：

再次根据式(1.1)计算结节处的圆形压力梯度值，并对于半径为r_i的压力节点平均值梯度进行计算，计作G_cav，如式(3)：

8.根据权利要求5所述的一种自适应椅背结构的调节方法，其特征在于，

推杆启动静止后，单片机仍然继续接收薄膜压力传感器的信息，并不断对于G_cav值进行计算评估，跟据不同的作座椅材质，给出基于材质系数k的不同偏差接受评估量δ，如式(4)，当G_cav＜δ时，推杆不进行改变；否则，再次执行上述步骤，进行自动调节；

基于PID算法进行调节电动推杆的移动。

9.一种自适应椅背结构的调节系统，其特征在于，包括

采集模块，用于采集压力信号，基于腰椎压力分布，推测腰椎所在位置；

测定模块，用于腰靠结构根据腰椎所在位置进行移动，移动后再次对于座椅上压力分布的均匀程度SPD以及压力节点平均值Gcav进行测定；

比较调节模块，用于腰靠结构静止后，单片机继续接收薄膜压力传感器的信息，并不断对于SPD值进行计算评估，跟据不同的作座椅材质，给出不同的评估量，实现自动调节。

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