CN204971681U - 一种智能电动牙刷控制装置 - Google Patents

Abstract

本实用新型涉及一种智能电动牙刷装置，包括牙刷头、能量单元、振动器及其驱动单元，微处理器单元、信号检测单元和振动器控制单元；基于该智能电动牙刷装置的控制方法，包括步骤A：信号检测单元采集振动器驱动电流信号送至微处理器单元；步骤B：微处理器单元依据振动器驱动电流变化量输出振动器控制信号到振动器控制单元；步骤C：所述振动器控制单元控制振动器及其驱动单元带动牙刷头运动。在用户操作不规范时，该装置能启动保护功能，降低牙刷振动的频率或者力度，甚至关断牙刷振动器，从而保护用户不受损伤；同时还能通过发出声音、点亮指示灯或者振动器振动方法警示用户。

Description

一种智能电动牙刷控制装置

技术领域

本实用新型涉及清洁牙齿、牙腔或假体的控制装置，尤其涉及具备动力驱动的牙刷控制装置。

背景技术

随着技术的不断发展和生活水平的提高，具有动力驱动的电动牙刷的应用也越来越广泛。有动力驱动的电动牙刷通过振动器带动牙刷的物理运动帮助人们更高效的完成清洁口腔并美白牙齿各种活动，改善刷牙的效果。

现有技术中，人们在用普通牙刷的时候，必须要特别用力将牙刷压在牙齿上刷，这样形成了用力将牙刷压在牙齿上的习惯，这样的习惯在使用具有动力驱动的电动牙刷时就会带来问题，会习惯性的在开始用电动牙刷的时候依然用很大的力将电动牙刷压在牙齿表面及牙龈表面进行刷牙动作，但电动牙刷本身具有高频振动或摆动特性，并不需要特别用力的压在牙齿及牙龈根部表面上，力度适当即可。如果此时还是沿用旧的刷牙习惯将电动牙刷压在牙齿表面及牙龈表面进行刷牙动作，由于外力与电动牙刷的高频振动同时作用，有可能对牙齿或牙龈等部位造成损伤，导致口腔皮肤薄膜破裂，口腔皮肤摩擦起泡等使用伤害的问题。

迫切需要一种智能电动牙刷装置及其控制方法，能在用户用比较大的力将电动牙刷压在牙齿上时，可以将电动牙刷频率降低或者停止或者发出警报，或者几者的组合，一方面达到了保护电动牙刷使用者的牙齿或者牙龈免受不恰当的操作，如太过于压制牙齿及牙龈等表面带来的高频振动损伤，另一方面也提示了电动牙刷使用者，可以及时做出相应或改变以避免损伤并渐渐改变实用习惯。

实用新型内容

本实用新型要解决的技术问题在于避免上述现有技术在使用者按使用普通牙刷的方式使用电动牙刷时容易导致口腔伤害的不足之处而提出一种安全可靠性高的智能电动牙刷控制装置。

本实用新型解决所述技术问题采用的技术方案是一种智能电动牙刷装置：包括牙刷头、用于牙刷装置供电的能量单元、振动器及其驱动单元，用于数据处理的微处理器单元，所述微处理器单元包括将送入其中的振动器驱动电流信号与预置在微处理器单元中的振动器驱动电流信号模型进行匹配运算的运算单元，所述振动器电流状态等级对应牙刷装置的使用状态等级，微处理器单元依据运算单元运算得到的不同的振动器电流状态等级输出振动器控制信号到振动器控制单元；用于信号采集检测的信号检测单元，包括用于采集振动器驱动电流信号送至微处理器单元的电流测量模块；和用于输出信号到控制振动器及其驱动单元带动牙刷头运动的振动器控制单元。

所述的智能电动牙刷装置，还包括与微处理器单元连接并受其控制的报警提示单元；所述报警提示单元与振动器控制单元和/或振动器及其驱动单元连接；通过振动器及其驱动单元带动牙刷头以不同振动的形式进行报警提示。

所述报警提示单元还包括声音报警提示单元和/或灯光报警提示单元；所述报警提示单元通过声音和/或灯光进行报警提示。

所述的智能电动牙刷装置，还包括一电容触摸检测模块，当使用者触摸时产生信号，使智能电动牙刷装置开始工作。

所述能量单元还包括用于能量单元无线充电的无线充电模块。

所述微处理器单元还包括用于智能电动牙刷装置与外部设备通信的蓝牙模块；所述信号检测单元还包括用于振动器加速度测量的加速度测量模块、用于振动器角速度测量的角速度测量模块和用于振动器运动方向测量的方向测量模块。

同现有技术相比较，本实用新型的有益效果是：1.在智能电动牙刷装置的用户操作不规范时，能主动启动软件保护功能，降低牙刷振动的频率或者力度，甚至关断牙刷振动器，从而保护用户不受损伤，安全可靠性高；2.同时还能通过发出声音、点亮指示灯或者振动器振动等报警方法警示用户；3.通过装置的主动保护功能，主动降低振动器转速或者关断振动器，有利于优化整个系统工作能耗，延长系统工作时间；有利于保护振动器，延长振动器的使用寿命。

附图说明

图1是本实用新型智能电动牙刷装置的系统架构示意图之一；

图2是本实用新型智能电动牙刷装置的系统架构示意图之二；

图3是本实用新型智能电动牙刷装置的各模块连接示意图；

图4是微处理器单元30的电路原理图；

图5是信号检测单元40的电路原理图；

图6是报警提示单元80的电路原理图；U5为电容触摸检测IC，当人触摸时产生信号，设备开始工作。

图7是振动器及其驱动单元60的电路原理图；

图8是能量单元20的电路原理图；

图9是本实用新型智能电动牙刷装置的控制方法的工作流程示意图。

具体实施方式

以下结合各附图对本实用新型的实施方式做进一步详述。

如图1所示的本实用新型智能电动牙刷装置优选实施例之一中包括牙刷头10、用于牙刷装置供电的能量单元20、振动器及其驱动单元60、用于数据处理的微处理器单元30、用于信号采集检测的信号检测单元40和振动器控制单元50。能量单元20为微处理器单元30、信号检测单元40、振动器控制单元50和振动器及其驱动单元60提供电源供电。所述振动器包括电机在内的振动装置。

微处理器单元30是智能电动牙刷装置核心，负责数据处理，通过其内置的算法和信号检测单元40获得的实时状态信号启动软保护功能。信号检测单元40负责监测振动器及其驱动单元60的能量消耗，采集能耗数据，为智能算法提供数据支持。振动器控制单元50控制智能牙刷的振动模式，其所控制的振动可以是振动器也可以是其他运动部件发出的振动；振动器及其驱动单元60是功率电路，驱动振动器即振动器产生对用户有利的牙刷运动、利于牙齿清洁。能量单元20为整个系统提供工作动力和能源，能量单元可以是碱性电池或者锂电池等。振动器及其驱动单元60还可以是旋转电机及其驱动单元。

信号检测单元40采集用户刷牙过程中的各种数据输；用于识别用户刷牙过程中的动作力度，将测量的数据输出至微处理器单元。信号检测单元40不同于一般的机械装置，只有关、开两个信号量；而是提供刷牙过程中连续详细的与刷牙力度即压力相关的各种数据，为智能识别力度大小及准确判断提供了数据保障。

信号检测单元40具体实现的方法有多种，包括测量整个系统消耗的电流大小；还可以监测整个系统的供电电压幅度。信号检测单元40可以测量由于用户刷牙力度过大导致牙刷装置运动阻力变化引起的其他变化的物理量，来表示用户动作压力的大小。

信号检测单元40与微处理器单元30电连接，信号检测单元40将采集到的振动器驱动电流信号送至微处理器单元30。微处理器单元30与振动器控制单元50电连接，微处理器单元30依据振动器驱动电流变化量输出振动器控制信号到振动器控制单元50。振动器控制单元50与控制振动器及其驱动单元60电连接，振动器及其驱动单元60与牙刷头10连接，振动器控制单元50控制振动器及其驱动单元60带动牙刷头10运动。智能电动牙刷装置中的信号检测单元40通过电流测量芯片采集振动器驱动电流信号；微处理器单元30通过改变振动器控制信号的占空比实现振动器振动控制。

如图2所示为本实用新型智能电动牙刷装置优选实施例之二；其相比优选实施例之一的区别在于还包括报警提示单元80，报警提示单元80与微处理器单元30连接并受其控制；报警提示单元80与振动器控制单元50和/或振动器及其驱动单元60连接；通过振动器及其驱动单元60带动牙刷头的不同振动形式进行报警提示。在优选实施例二中的能量单元20还包括用于能量单元无线充电的无线充电模块；微处理器单元30还包括用于智能电动牙刷装置与外部设备通信的蓝牙模块；信号检测单元(40)还包括用于振动器加速度测量的加速度测量模块、用于振动器角速度测量的角速度测量模块和用于振动器运动方向测量的方向测量模块。

在优选实施例二的基础上，本实用新型的智能电动牙刷装置中的报警提示单元80还包括声音报警提示单元和/或灯光报警提示单元；报警提示单元80还通过声音和/或灯光进行报警提示。

如图3所示是本实用新型智能电动牙刷装置的各模块连接示意图。图中的微处理器为TI公司型号为cc2540内核处理器；cc2540内核处理器自带有A/D转换器，并通过A/D转换器与电流测量专用芯片连接；电流测量专用芯片与振动器驱动单元连接，通过电流测量专用芯片测量得到的电流大小或者是电流变化量输出到振动器驱动单元；cc2540内核处理器通过I/O接口与振动器驱动单元和LED指示灯报警单元连接；cc2540内核处理器通过IIC接口与加速度传感器、陀螺仪传感器和地磁传感器连接，cc2540内核处理器还与能量单元连接。

如图4所示是上述优选实施例中的微处理器单元30的电路原理图；图中的微处理器为TI公司型号为cc2540的具有蓝牙BLE通讯功能的8051内核单片机。

如图5所是上述优选实施例中的信号检测单元40的电路原理图；图中芯片为MAX公司的一款电流测量专用芯片，该芯片与振动器串联实现电流信号测量；测量专用芯片内有低阻值电阻，通过测量低阻值电阻两端的电压，来测量通过芯片电流的大小；电流从RS+流进，RS-流出；Vout的电压值对应通过电流值的大小。

如图6所示是上述优选实施例中的报警提示单元80的电路原理图；图中U5为电容触摸检测IC，当触摸信号产生时牙刷装置开始工作；LED为各种状态指示灯。

如图7所示是上述优选实施例中的信号检测单元40的部分电路原理图，图中略去了振动器；图中U2为六轴传感器，包括3轴加速度传感器及3轴陀螺仪传感器，该部分对应优选实施例二中的加速度测量模块和角速度测量模块；U6为3轴地磁传感器，图中SETUP为3轴地磁传感器校准电容的引脚，该部分对应优选实施例二中的方向测量模块。

如图8所示是上述优选实施例中的能量单元20的电路原理图，电路主要实现无线充电、电压转换功能；设备充电过程不工作。能量单元20中包括无线充电模块可以实现无线充电功能；能量单元20中还可以包括电池，电池的种类和性质在此不做限定。

上述各实施例中，智能电动牙刷装置的工作方式是：牙刷头10、振动器及其驱动单元60中的振动器通过驱动电流产生振动，振动传递给与振动器及其驱动单元60连接的牙刷头10，从而牙刷头做高速振动，通过牙刷头上的软毛的高速振动来清洁牙齿及牙龈。

当用户操作不当时，例如用力过度，必将导致牙刷头上的结构件与振动器转轴之间阻力增大，从而驱动振动器转动的电流会明显加大。通过连续测量振动器的工作电流，再结合智能算法，就能判断用户操作的力度是否过大。

本实用新型还涉及一种智能电动牙刷装置的控制方法，包括:步骤A：信号检测单元40采集振动器驱动电流信号送至微处理器单元30；步骤B：所述微处理器单元30依据振动器驱动电流变化量输出振动器控制信号到振动器控制单元50；步骤C：所述振动器控制单元50控制振动器及其驱动单元60带动牙刷头10运动。

在步骤A和B中，振动器驱动电流信号送入微处理器单元30后与预置在其中的振动器驱动电流信号模型进行匹配运算，获知振动器电流状态等级，振动器电流状态等级对应牙刷装置的使用状态等级，微处理器单元30依据不同的振动器电流状态等级输出振动器控制信号到振动器控制单元50。

预置在微处理器单元中的振动器驱动电流信号模型是在大量用户实际使用产品基础上总结出来的经验数据库。利用模型进行匹配运算的要点在于牙刷使用状态等级与振动器电流状态等级关系的建立。并且在使用状态等级转换之间控制的柔和过度，不损伤用户牙龈。

振动器电流状态等级是以电流大小来区分，振动器电流状态等级依据振动器的控制信号的占空比大小区分为以下10级，其控制信号占空比和振动器状态的对应关系如下表1所示。电机或振动器的转速或振动频率是通过控制信号占空比的大小来进行控制。

表1

振动器控制信号占空比和振动器状态描述	振动器电流状态等级
		控制信号占空比0%，振动器关闭	1
控制信号占空比最大值为45%，电机振动微弱	2
		控制信号占空比55%，电机振动微弱	3
控制信号占空比65%，电机振动较弱	4
		控制信号占空比75%，电机振动较弱	5
控制信号占空比80%，电机振动正常	6
		控制信号占空比85%，电机振动正常	7
控制信号占空比90%，电机振动强烈	8
		控制信号占空比95%，电机振动强烈	9
控制信号占空比100%，电机振动最强烈	10

振动器电流状态等级与牙刷装置的使用状态等级的对应关系如表2所示。实际牙刷使用状态等级与振动器电流状态等级关系是1对多的关系。例如在实际牙刷使用状态等级在3，振动器电流状态为1至6。实际牙刷使用状态等级在4，振动器电流状态为1至8。

当牙刷处在设定好的工作模式下，以一定占空比的初始控制信号输出到被控制的电机或振动器，检测到电机或振动器的电流，根据实际测量到的电流大小进行振动器电流状态的分级，这个实时电流的分级或者是一段时间内电流大小或者是一段时间内电流变化量大小的分级对应了当前的牙刷状态，根据当前的牙刷状态微处理器输出不同的控制信号控制电机或振动器的控制信号占空比大小。在输出控制信号的时候还能依据当前状态进行合适的变化过渡，比如当前使用状态等级为3，振动器电流状态为5；下一个使用状态等级变为4，那么控制过程使振动器电流状态5变6，6变7，7变8这种缓慢柔和变化的过程，这样就使得牙刷头的运动也是缓和变化，不会发生突变。在牙刷头受到的外部压力过大，导致电流状态等级显示此时压力过大时，则会使电机停止工作，避免口腔损伤的发生。‘

即整个控制的过程是一个开环的控制，并非是闭环的控制。电机或振动器的初始运转设定了控制信号后，电机或振动器的实际运转速度和转速并不被测定，仅仅是通过流过电机和振动器的电流大小或者是电流的变化量大小来判断牙刷头当前的运动状态，只需要根据运动状态的判断结果直接输出控制信号的占空比来调节电机或振动器的行为即可。如果牙刷头受到的压力太大，则关闭电机或振动器；如果压力偏大，则降低控制信号的占空比，向下调节电机或振动转速，只要处理了这两种异常就可以让牙刷头在压力过大或者偏大是不会产生口腔损伤。

当然针对振动器驱动电流信号的运算和相关的运算模型以及模型的匹配方法还可以是其他的方法，包括将电流信号量或者电流变化量作为一个闭环控制量或者其他开环控制方法的控制变量的方法。

表2

牙刷使用状态等级	振动器电流状态等级	牙刷实际状态和振动器电流状态等级的对应关系，和实际控制情形描述
			1	1	牙刷头处于大力压住状态，电机停止振动
2	1-4	牙刷头处于受到较大力，电机振动较柔和
			3	1-6	牙刷头处于受到较小力，电机振动有力
4	1-8	牙刷头处于受到轻微力，电机振动强烈
			5	1-10	牙刷头处几乎无阻力，电机振动最强烈

在步骤A中所述信号检测单元40通过电流测量芯片采集振动器驱动电流信号；在步骤B中所述微处理器单元30通过改变振动器控制信号的占空比实现振动器振动控制。

上述智能电动牙刷装置的控制方法还包括步骤D：所述微处理器单元30连接并发送报警控制信号到报警提示单元80；所述微处理器单元30依据不同的振动器电流状态等级输出不同的报警控制信号；所述报警提示单元80与振动器控制单元50和/或振动器及其驱动单元60连接；依据报警提示单元80接受到的报警控制信号控制振动器及其驱动单元60带动牙刷头的以不同振动的形式进行报警提示。

上述智能电动牙刷装置的控制方法在步骤D中所述报警提示单元80还包括声音报警提示单元和/或灯光报警提示单元；所述微处理器单元30发送的报警控制信号包括声音和/或灯光报警控制信号；所述报警提示单元80通过声音和/或灯光进行报警提示。

如图9所示是本实用新型智能电动牙刷装置的控制方法的工作流程示意图中可见，信号检测单元40采集振动器驱动电流信号即测量到的消耗电流实时值，并将其送至微处理器单元30，微处理器单元30计算固定时间段内的平均电流值，并判断消耗的平均电流是否突然变化，若消耗的平均电流发生了突然变化则发出振动器控制指令和信号减弱或停止振动器振动，并执行包括报警提示在内的反馈动作；若消耗的平均电流没有发生突然变化即平均电流的变化量在预设的门限数值以下则继续进行连续的消耗电流监测。

微处理器单元30内置的智能算法，分析信号检测单元40采集的电流数据，与数据模型做匹配，得出与电流数据匹配的用户动作压力等级数据，微处理器单元30能依据用户动作压力等级数据，做出用户行为判断，发出振动器控制指令和信号减弱或停止振动器振动，并提供相应的报警控制信号到报警提示单元。报警提示单元，提供了丰富的报警提示手段，包括发出声音、点亮指示灯或者振动器振动等报警方法。

振动器控制单元50接收微处理器单元30产生的振动器控制信号，并控制振动器及其驱动单元60执行相应动作，振动器或振动器为动作执行机构，通过该振动器或其他振动器的运动带动牙刷头运动，达到清洁牙齿等目的。

本实用新型的有益效果之一在于在智能电动牙刷装置的用户操作不规范时，智能电动牙刷装置能主动启动软件保护功能，降低牙刷振动的频率或者力度，甚至关断牙刷振动器，从而保护用户不受损伤。

本实用新型的有益效果之二在于在主动启动保护功能的同时还能通过发出声音、点亮指示灯或者振动器振动等报警方法警示用户。

本实用新型的有益效果之三在于通过装置的主动保护功能，主动降低振动器转速或者关断振动器，有利于优化整个系统工作能耗，有利于保护振动器防止意外损坏，延长系统工作时间和振动器的使用寿命。

本实用新型在不增加复杂、精密的结构部件的情况下，实现主动保护用户功能并提示用户，避免受到不必要的伤害，优化了整个系统工作能耗，延长了系统工作时间和振动器的使用寿命从而为人们的生活提供更好的服务。

以上所述仅为本实用新型的实施例，并非因此限制本实用新型的专利范围，凡是利用实用新型说明书及附图内容所作的等效结构或等效流程变换，或直接或间接运用在其他相关的技术领域，均同理包括在本实用新型的专利保护范围内。

Claims (9)

1.一种智能电动牙刷装置，包括牙刷头(10)、用于牙刷装置供电的能量单元(20)、振动器及其驱动单元(60)，其特征在于，还包括：

用于数据处理的微处理器单元(30)，所述微处理器单元(30)包括将送入其中的振动器驱动电流信号与预置在微处理器单元(30)中的振动器驱动电流信号模型进行匹配运算的运算单元，所述振动器电流状态等级对应牙刷装置的使用状态等级，微处理器单元(30)依据运算单元运算得到的不同的振动器电流状态等级输出振动器控制信号到振动器控制单元(50)；

用于信号采集检测的信号检测单元(40)，包括用于采集振动器驱动电流信号送至微处理器单元(30)的电流测量模块；

和用于输出信号到控制振动器及其驱动单元(60)带动牙刷头(10)运动的振动器控制单元(50)。

2.根据权利要求1所述的智能电动牙刷装置，其特征在于，还包括与微处理器单元(30)连接并受其控制的报警提示单元(80)；

所述报警提示单元(80)与振动器控制单元(50)和/或振动器及其驱动单元(60)连接；通过振动器及其驱动单元(60)带动牙刷头以不同振动的形式进行报警提示。

3.根据权利要求2所述的智能电动牙刷装置，其特征在于，所述报警提示单元(80)还包括声音报警提示单元和/或灯光报警提示单元；

所述报警提示单元(80)通过声音和/或灯光进行报警提示。

4.根据权利要求2所述的智能电动牙刷装置，其特征在于，还包括一电容触摸检测模块，当使用者触摸时产生信号，使智能电动牙刷装置开始工作。

5.根据权利要求2所述的智能电动牙刷装置，其特征在于，所述能量单元(20)还包括用于能量单元无线充电的无线充电模块。

6.根据权利要求2所述的智能电动牙刷装置，其特征在于，

所述微处理器单元(30)还包括用于智能电动牙刷装置与外部设备通信的蓝牙模块。

7.根据权利要求2所述的智能电动牙刷装置，其特征在于，

所述信号检测单元(40)还包括用于振动器加速度测量的加速度测量模块。

8.根据权利要求2所述的智能电动牙刷装置，其特征在于，

所述信号检测单元(40)还包括用于振动器角速度测量的角速度测量模块。

9.根据权利要求2所述的智能电动牙刷装置，其特征在于，

所述信号检测单元(40)还包括用于振动器运动方向测量的方向测量模块。