CN113907747A - 一种智能脊柱弯曲监测系统及方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种智能脊柱弯曲监测系统及方法，包括第一监测装置、第二监测装置和第三监测装置；第一监测装置、第二监测装置和第三监测装置分别安装在背心与人体脊柱对应的上部、中部和下部位置，用于检测人体脊柱的上部弯曲角度、中部弯曲角度和下部弯曲角度；本发明通过第一监测装置、第二监测装置和第三监测装置进行多个点位进行脊柱弯曲角度监测，可以精确测量被测曲面的动态弯曲曲率和弯曲角度，而且其弯曲测量结果不受布料拉伸变形的影响，突破市面上常见的紧绷式防驼背背心，给穿戴者更好的体验感，利用智能系统来提醒并矫正青少年的脊柱弯曲的现象，对青少年对身体不造成负担及损坏，以健康的方式来达到预防脊柱弯曲功效。

Description

一种智能脊柱弯曲监测系统及方法

技术领域

本发明涉及脊柱弯曲监测技术领域，尤其涉及一种智能脊柱弯曲监测系统及方法。

背景技术

关于驼背的防与治，国内外的医疗机构、科研机构均有研究，但目前国内市场上对青少年防驼背的产品还处于中低端水平，主要停留在如“背背佳”这种有极大束缚感的弹力束身产品，它是通过紧身、弹性来抑制青少年的驼背现象。曾经还有一款产品为“健资坐视宝”，它是耳挂式设计，当学生读写姿势不正确，眼睛离书本太近，就会发出轻微的“叮咚”声，提醒孩子随时注意保持坐姿端正。

国外对于防驼背这方面也有一些研究发明如“visomate(威士美)视力保护器。 该产品与”坐视宝“有着异曲同工的设计，是根据电脑用户的坐姿要求设计，将产品放于显示器正上方，当头部与显示器的距离在60cm内，亮起蓝灯；在35cm以内，将亮起LED红灯，在该距离内，如果用户在15秒内仍不纠正坐姿，远离显示屏，该产品将响起蜂鸣声，以此来提醒用户纠正坐姿。

现有的智能技术存在的问题之一是目前市场不够规范，其防驼背可靠性大都没有经过严格的科学鉴定。且尚有需要不断改进的方面，如穿戴性方面服装设计的美观性、智能模块的数据收集与传输的便利性等，以及价格方面，目前智能服装仍处于较高价位，难以达到市场的普及。

同时，传统的应变传感器要求其与人体完美贴合，一旦产生滑动测量结果将毫无意义，容易出现无法持续测量或测量精度差的问题，且现有的脊柱监测装置大多采用单点监测，容易出现监测空白导致判断出现差错，难以达到防驼背的效果。

发明内容

本发明主要解决现有的技术中脊柱监测装置采用单点监测导致测量精度差的问题；提供一种智能脊柱弯曲监测系统及方法。

本发明的上述技术问题主要是通过下述技术方案得以解决的：一种智能脊柱弯曲监测系统，包括第一监测装置、第二监测装置和第三监测装置；所述第一监测装置、第二监测装置和第三监测装置分别安装在背心与人体脊柱对应的上部、中部和下部位置，用于检测人体脊柱的上部弯曲角度、中部弯曲角度和下部弯曲角度；所述第一监测装置、第二监测装置和第三监测装置均包括：贴片式角度检测传感器，用于检测脊柱弯曲角度信息；单片机，获取贴片式角度检测传感器的角度检测信息，根据检测信息进行阈值对比，判断脊柱弯曲是否为不良姿态，与贴片式角度检测传感器连接；报警模块，包括震动报警电路和声音报警电路，在单片机判断脊柱弯曲为不良姿态时进行震动和声音报警，与单片机连接；供电模块，为贴片式角度检测传感器、单片机和报警模块供电。通过设置第一监测装置、第二监测装置和第三监测装置，实现脊柱弯曲角度的多点监测，提高脊柱弯曲角度检测的准确性，使得测量精度更高，通过报警模块进行坐姿提示，与传统的强行矫正不同，本发明通过声音提示和震动提示进行坐姿提醒，不会对人体脊柱进行损害，有利于使用者更加健康的成长。

作为优选，还包括第一无线通信模块和智能终端，所述第一监测装置通过第一无线通信模块与智能终端连接。智能终端为手机，在手机内设置APP，接收并显示监测信息，使得家长能远程对孩子的坐姿状态进行实时掌控。

作为优选，还包括第二无线通信模块，所述第二监测装置和第三监测装置通过第二无线通信模块与第一监测装置连接，所述第二无线通信模块用于监测第二监测装置和第三监测装置监测到的脊柱弯曲角度信息传递给第一监测装置。通过单一监测装置进行远程信息传输，降低功耗，节约成本，使得智能产品能更好的进入大众市场。

作为优选，还包括蓝牙唤醒模块，所述第一无线通信模块包括蓝牙发送模块和蓝牙接收模块，所述第二无线通信模块包括第一WIFI发送模块、第一WIFI接收模块、第二WIFI发送模块和第二WIFI接收模块，所述蓝牙发送模块安装在第一监测装置内，所述蓝牙接收模块安装在智能终端内，所述第一WIFI发送模块安装在第二监测装置内，所述第二WIFI发送模块安装在第三监测装置内，所述第一WIFI接收模块和第二WIFI接收模块经蓝牙唤醒模块与蓝牙发送模块连接，所述蓝牙唤醒模块与第一监测装置内的单片机连接。通过设置蓝牙唤醒模块进一步降低远程蓝牙的功耗，降低成本。

作为优选，所述的贴片式角度检测传感器为柔性压力传感器。采用柔性压力传感器，使得柔性压力传感器能更好的匹配背心的设计，不容易损坏。

作为优选，还包括信号调节电阻、运算放大器和陀螺仪模块，所述信号调节电阻与贴片式角度检测传感器并联后接入运算放大器的正相输入端，运算放大器的负相输入端以及输出端连接陀螺仪模块的输入端，所述陀螺仪模块的输出端与单片机连接。通过改变信号调节电阻的大小可以改变电压采集数据的范围，从而改变传感器的灵敏度，设置运算放大器使得传感器的电阻大大减小，从而减少信号的丢失，提高电路测得数据的精确性。

作为优选，所述的背心与脊柱相对应的位置设置有用于容纳所述第一监测装置、第二监测装置和第三监测装置的长条形口袋。采用长条形口袋固定安装第一监测装置、第二监测装置和第三监测装置，方便第一监测装置、第二监测装置和第三监测装置拆卸，使得背心能进行清洗，同时，产品与人体脊柱不直接接触，提高安全性，传感器不需与人体完美贴合，只需将感应器装置固定在背心后的中线上，当人体脊柱发生驼背弯曲的行为，通过对背部脊柱不同三个位点的数据采集，可以精确反映出脊柱的弯曲状态，并且其弯曲检测结果不易受面料拉伸变形的影响。

本发明还提供一种智能脊柱弯曲监测方法，包括以下步骤：

S1：将第一监测装置安装在背心的长条形口袋的上部，将第二监测装置安装在背心的长条形口袋的中部，将第三监测装置安装在背心的长条形口袋的下部；

S2：通过第二无线通信模块在第一监测装置、第二监测装置和第三监测装置之间建立通信局域网；

S3：当第二监测装置和第三监测装置通过局域网将监测的脊柱弯曲角度信息传递给第一监测装置时，蓝牙唤醒模块将蓝牙发送模块唤醒，第一监测装置将自身监测的脊柱弯曲角度信息以及第二监测装置和第三监测装置监测的脊柱弯曲角度信息整合成一个数据包，通过蓝牙发送模块将数据包传递给与智能终端连接的蓝牙接收模块；

S4：智能终端显示第一监测装置、第二监测装置和第三监测装置监测的脊柱弯曲角度信息。

本发明的有益效果是：（1）通过第一监测装置、第二监测装置和第三监测装置进行多个点位进行脊柱弯曲角度监测，可以精确测量被测曲面的动态弯曲曲率和弯曲角度，而且其弯曲测量结果不受布料拉伸变形的影响；（2）第一监测装置、第二监测装置和第三监测装置在服装背心上可进行拆卸，方便清洗背心本身；（3）突破市面上常见的紧绷式防驼背背心，给穿戴者更好的体验感，利用智能系统来提醒并矫正青少年的脊柱弯曲的现象，对青少年对身体不造成负担及损坏，以健康的方式来达到预防脊柱弯曲功效。

附图说明

图1是本发明实施例的监测系统的结构示意图。

图2是本发明实施例的信号检测部分的电路原理图。

图中1、背心，2、第一监测装置，3、第二监测装置，4、第三监测装置。

具体实施方式

下面通过实施例，并结合附图，对本发明的技术方案作进一步具体的说明。

实施例：一种智能脊柱弯曲监测系统，如图1所示，包括背心1、第一监测装置2、第二监测装置3和第三监测装置4，背心与脊柱相对应的位置设置有用于容纳第一监测装置、第二监测装置和第三监测装置的长条形口袋，第一监测装置、第二监测装置和第三监测装置分别安装在背心与人体脊柱对应的上部、中部和下部位置，用于检测人体脊柱的上部弯曲角度、中部弯曲角度和下部弯曲角度。

第一监测装置、第二监测装置和第三监测装置均包括：贴片式角度检测传感器，用于检测脊柱弯曲角度信息；单片机，获取贴片式角度检测传感器的角度检测信息，根据检测信息进行阈值对比，判断脊柱弯曲是否为不良姿态，与贴片式角度检测传感器连接；报警模块，包括震动报警电路和声音报警电路，在单片机判断脊柱弯曲为不良姿态时进行震动和声音报警，与单片机连接；供电模块，为贴片式角度检测传感器、单片机和报警模块供电。

其中，贴片式角度检测传感器为柔性压力传感器，柔性材料是与刚性材料相对应的概念，一般，柔性材料具有柔软 、低模量 、易变形等属性 。常见的柔性材料有：聚乙烯醇( P V A ) 、聚酯 ( P E T ) 、聚酰亚 胺 ( P I ) 、聚萘二甲酯乙二醇酯( P E N ) 、纸片 、纺织材料等，而柔性传感器则是指采用柔性材料制成的传感器，具有良好的柔韧性、延展性、甚至可自由弯曲甚至折叠，而且结构形式灵活多样，可根据测量条件的要求任意布置，能够非常方便地对复杂被测量进行检测，新型柔性传感器在电子皮肤、医疗保健、电子、电工、运动器材、纺织品、航天航空、环境监测等领域受到广泛应用，具有灵敏度高，低耗能，检测精确，抗干扰性好等优点。

本发明还设置有第一无线通信模块、第二无线通信模块、蓝牙唤醒模块和智能终端，第一监测装置通过第一无线通信模块与智能终端连接，第二监测装置和第三监测装置通过第二无线通信模块与第一监测装置连接，第二无线通信模块用于监测第二监测装置和第三监测装置监测到的脊柱弯曲角度信息传递给第一监测装置，第一无线通信模块包括蓝牙发送模块和蓝牙接收模块，第二无线通信模块包括第一WIFI发送模块、第一WIFI接收模块、第二WIFI发送模块和第二WIFI接收模块，蓝牙发送模块安装在第一监测装置内，蓝牙接收模块安装在智能终端内，第一WIFI发送模块安装在第二监测装置内，第二WIFI发送模块安装在第三监测装置内，第一WIFI接收模块和第二WIFI接收模块经蓝牙唤醒模块与蓝牙发送模块连接，蓝牙唤醒模块与第一监测装置内的单片机连接。

本发明设置有自主检测提醒模式和家长监控提示模式，在自主检测提醒模式下，使用者根据震动或蜂鸣器的提示进行自主坐姿矫正，在家长监控提示模式下，家长根据手机中APP显示的脊柱弯曲角度进行远程提示。

如图2所示，本发明还设置有调节电阻R2、运算放大器U1和陀螺仪模块进行信号处理，信号调节电阻R2与贴片式角度检测传感器R1并联后接入运算放大器U1的正相输入端，运算放大器U1的负相输入端以及输出端连接陀螺仪模块的输入端，陀螺仪模块的输出端与单片机连接。由于贴片式角度检测传感器R1经过弯曲会使得电阻产生变化，因此VOUT端的电压就会产生变化，连接到单片机的模拟口可以采集到电压的变化，转变为数字量，从而测得出弯曲传感器的变化，另外通过改变信号调节电阻R2的电阻大小可以改变电压采集数据的范围，从而改变传感器的灵敏度。由于贴片式角度检测传感器R1的电阻很大(22k-40k)，所以加入阻抗缓冲区使得输出电阻大大减小，从而减少信号的丢失，提高电路测得数据的精确性。

本发明在背心的长条形口袋中还设置有电量显示屏，用于显示第一监测装置、第二监测装置和第三监测装置的剩余电量，由于第一监测装置、第二监测装置和第三监测装置其弯曲测量结果不受布料拉伸变形的影响，所以在实际应用过程中，不要求传感器与被测的身体曲面完美粘合，只需要贴合面料，并允许小范围波动。

本发明还提供一种智能脊柱弯曲监测方法，包括以下步骤：

S1：将第一监测装置安装在背心的长条形口袋的上部，将第二监测装置安装在背心的长条形口袋的中部，将第三监测装置安装在背心的长条形口袋的下部；

S2：通过第二无线通信模块在第一监测装置、第二监测装置和第三监测装置之间建立通信局域网；

S3：当第二监测装置和第三监测装置通过局域网将监测的脊柱弯曲角度信息传递给第一监测装置时，蓝牙唤醒模块将蓝牙发送模块唤醒，第一监测装置将自身监测的脊柱弯曲角度信息以及第二监测装置和第三监测装置监测的脊柱弯曲角度信息整合成一个数据包，通过蓝牙发送模块将数据包传递给与智能终端连接的蓝牙接收模块；

S4：智能终端显示第一监测装置、第二监测装置和第三监测装置监测的脊柱弯曲角度信息。

在实际应用中，把传感器、扬声器和显示器连入单片机中，并通上电源不断地采集数据，就可以得到穿戴者任意时刻的脊柱弯曲数据，再经过数据处理，以分析穿戴者的一天背部脊柱弯曲的状态。若一个穿戴者刚开始使用本发明时，系统会一直采集脊柱的数据，分析穿戴者的背部脊柱弯曲的状态，当得到的数据足够多，以至于可以得到这个人完整的习惯状态时，再通过手机端app或小程序来提醒使用者是否有问题，或者什么地方需要改正，在过度驼背时以扬声器报警来提醒使用者，在工作或者学习时注意自己的身体姿态。通过显示器可以选择不同模式来调整到自己最佳适合的模式。扬声器也可以通过显示器来开启或者关闭。也可以选择震动或静音模式。在手机端app中也可以去查看使用者一天当中的数据，什么时候脊柱过于弯曲，什么时候脊柱状态比较好，通过这样的方式来提醒使用者。以做到自我自觉的去改善脊柱弯曲的状况。也可以通过手机端app去设置弯曲程度来把握自我的脊柱状态。

本发明的背心选用具有一定透气性、硬挺性、柔软耐穿、并成本低廉的面辅料，选取了不同种类面料进行了穿着舒适性的对比测试，并对其测试结果进行了具体功能分析。测试项目包括对其面料软硬程度、易洗性、耐磨性、安全性、透气性等性能的分析比较，并进行了最终选取分析。同时优化了背心内外层结构，以利于背部脊柱弯曲度检测系统的安装与使用，既满足功能性，又尽量轻薄，兼顾美观以及青少年生理心理健康、弯曲测量结果不受面料拉伸变形影响等因素。

本发明通过采用可穿戴背部脊柱弯曲角度感应器与背部脊柱弯曲度检测系统相结合，弯曲测量结果将不受服装面料拉伸变形影响；传感器及检测感应系统与柔软贴身易清洁的面料相结合，设计的防驼背智能服装兼具舒适性与功能性。本发明可拆卸传感器、检测系统等装备，方便清洗背心本身，且传感器的穿戴十分方便，给使用者带来较好的使用体验并且有效地提升了本发明的性价比；突破市面上常见的紧绷式防驼背背心，给穿戴者较好的体验感。利用智能系统来提醒并矫正青少年的脊柱弯曲的现象。对青少年对身体不造成负担及损坏，以健康的方式来达到预防脊柱弯曲功效。

本发明不同于目前驼背矫正使用比较多的驼背矫正带，利用矫正带的弹性，强制人们挺直，调整姿势，这样的调整方式会给人们造成束缚感和不舒服感，而且不是人们自主进行的调整，很难达到效果，本发明选用柔软舒适的面料穿戴时不会有束缚感，且会通过警示震动提醒的方法使穿戴者及时调整姿势。

本发明通过采用可穿戴设备脊柱弯曲角度感应器与背部脊柱弯曲度检测系统相结合，利用感应器精确测量人体背部曲面动态弯曲曲率和弯曲角度的功能，对于穿戴者背部弯曲度的情况进行精准的掌控，不同于其他利用穿戴者与被测物品的距离远近来提醒穿戴者调整坐姿更准确、有效。

本发明意在通过督促提醒穿戴者出现姿势不当时应自觉进行调整来预防驼背现象的发生，且不会干扰穿戴者日常的工作与学习。当前存在一种防驼背心，是通过发现穿戴者驼背后，对其进行震动按摩来提醒穿戴者。本发明与这种防驼背心有着不同技术方法的设计。

以上所述的实施例只是本发明的一种较佳的方案，并非对本发明作任何形式上的限制，在不超出权利要求所记载的技术方案的前提下还有其它的变体及改型。

Claims (8)

1.一种智能脊柱弯曲监测系统，其特征在于，包括：

第一监测装置、第二监测装置和第三监测装置；所述第一监测装置、第二监测装置和第三监测装置分别安装在背心与人体脊柱对应的上部、中部和下部位置，用于检测人体脊柱的上部弯曲角度、中部弯曲角度和下部弯曲角度；

所述第一监测装置、第二监测装置和第三监测装置均包括：

贴片式角度检测传感器，用于检测脊柱弯曲角度信息；

单片机，获取贴片式角度检测传感器的角度检测信息，根据检测信息进行阈值对比，判断脊柱弯曲是否为不良姿态，与贴片式角度检测传感器连接；

报警模块，包括震动报警电路和声音报警电路，在单片机判断脊柱弯曲为不良姿态时进行震动和声音报警，与单片机连接；

供电模块，为贴片式角度检测传感器、单片机和报警模块供电。

2.根据权利要求1所述的一种智能脊柱弯曲监测系统，其特征在于，

还包括第一无线通信模块和智能终端，所述第一监测装置通过第一无线通信模块与智能终端连接。

3.根据权利要求2所述的一种智能脊柱弯曲监测系统，其特征在于，

还包括第二无线通信模块，所述第二监测装置和第三监测装置通过第二无线通信模块与第一监测装置连接，所述第二无线通信模块用于监测第二监测装置和第三监测装置监测到的脊柱弯曲角度信息传递给第一监测装置。

4.根据权利要求3所述的一种智能脊柱弯曲监测系统，其特征在于，

还包括蓝牙唤醒模块，所述第一无线通信模块包括蓝牙发送模块和蓝牙接收模块，所述第二无线通信模块包括第一WIFI发送模块、第一WIFI接收模块、第二WIFI发送模块和第二WIFI接收模块，所述蓝牙发送模块安装在第一监测装置内，所述蓝牙接收模块安装在智能终端内，所述第一WIFI发送模块安装在第二监测装置内，所述第二WIFI发送模块安装在第三监测装置内，所述第一WIFI接收模块和第二WIFI接收模块经蓝牙唤醒模块与蓝牙发送模块连接，所述蓝牙唤醒模块与第一监测装置内的单片机连接。

5.根据权利要求1所述的一种智能脊柱弯曲监测系统，其特征在于，

所述贴片式角度检测传感器为柔性压力传感器。

6.根据权利要求1所述的一种智能脊柱弯曲监测系统，其特征在于，

还包括信号调节电阻、运算放大器和陀螺仪模块，所述信号调节电阻与贴片式角度检测传感器并联后接入运算放大器的正相输入端，运算放大器的负相输入端以及输出端连接陀螺仪模块的输入端，所述陀螺仪模块的输出端与单片机连接。

7.根据权利要求1所述的一种智能脊柱弯曲监测系统，其特征在于，

所述背心与脊柱相对应的位置设置有用于容纳所述第一监测装置、第二监测装置和第三监测装置的长条形口袋。

8.一种智能脊柱弯曲监测方法，使用于如权利要求1至7任一项所述的一种智能脊柱弯曲监测系统，其特征在于，包括以下步骤：

S1：将第一监测装置安装在背心的长条形口袋的上部，将第二监测装置安装在背心的长条形口袋的中部，将第三监测装置安装在背心的长条形口袋的下部；

S2：通过第二无线通信模块在第一监测装置、第二监测装置和第三监测装置之间建立通信局域网；

S3：当第二监测装置和第三监测装置通过局域网将监测的脊柱弯曲角度信息传递给第一监测装置时，蓝牙唤醒模块将蓝牙发送模块唤醒，第一监测装置将自身监测的脊柱弯曲角度信息以及第二监测装置和第三监测装置监测的脊柱弯曲角度信息整合成一个数据包，通过蓝牙发送模块将数据包传递给与智能终端连接的蓝牙接收模块；

S4：智能终端显示第一监测装置、第二监测装置和第三监测装置监测的脊柱弯曲角度信息。

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