一种压电传感器的卧姿检测方法及应用该方法的护理设备

1.本发明属于医疗康复技术领域，涉及一种压电传感器的卧姿检测方法及应用该方法的护理设备。


背景技术：

2.在人口老龄化的背景下，国家、社会、家庭对护理床类产品的需求与日俱增，尤其是对智能化程度高、性能好、功能多的护理床的需求已经日趋严重。由于起步较晚，我国的护理床产业与发达国家相比仍处于相对落后的地位，现有护理床产品都普遍存在功能不完善、功能单一的缺点。


技术实现要素：

3.本发明的目的就是提供一种压电传感器的卧姿检测方法及应用该方法的护理设备。
4.第一方面，本发明提供一种压电传感器的卧姿检测方法，其配合布置在床板或其他供使用者保持卧姿的设备上的压力传感器组使用。压力传感器组包括单个设置的头部压力检测区域、腰部压力检测区域，以及成对设置的背部压力检测区域、肩部压力检测区域、手臂压力检测区域、臀部压力检测区域、大腿压力检测区域、小腿脚踝压力检测区域。头部压力检测区域、背部压力检测区域、腰部压力检测区域、肩部压力检测区域、手臂压力检测区域、臀部压力检测区域、大腿压力检测区域、小腿脚踝压力检测区域的相对位置与使用者的头部压力检测区域、背部、腰部、肩部、手臂、臀部、大腿、小腿脚踝的相对位置分别对应。每个压力检测区域均由多个呈阵列状排布的多个压力传感器组成。
5.该检测方法具体如下：
6.当使用者躺在压力传感器组上时，将每个压力传感器测得的压力值作为一帧数据；将所有数据整合为一维数组；将一维数组中的各元素，根据对应压力传感器的实际位置，扩展到二维数组中的对应位置上。将二维数组转化为图像，二维数组中不同位置的元素与图像上不同像素点的像素值大小分别对应，得到反映使用者卧姿的图像。根据各压力检测区域的压力变化情况判断使用者的姿态变化情况。
7.作为优选，在头部压力检测区域检测到压力减小同时，若位于使用者左侧的背部压力检测区域的压力增大，则判断使用向左翻身；若位于使用者右侧的背部压力检测区域的压力增大，则判断使用者向右翻身；若两个背部压力检测区域均减小且臀部压力检测区域的压力增大，则判断使用者起身。
8.作为优选，若所有压力检测区域在预设时间内的变化幅度均小于变化幅度下限，或使用者在预设时间内左右往复翻身的次数达到阈值，则认为使用者出现异常状况，发出警报。
9.作为优选，所述的压力传感器采用一种压阻压电双模式压力传感器，其包括压阻部分和压电部分。压阻部分和压电部分叠置在一起，且信号线分别输出至控制器。
10.第二方面，本发明提供一种应用前述的压电传感器的卧姿检测方法的护理设备，包括床体结构和轮椅结构。所述的床体结构上设置有让位缺口；轮椅结构能够变形为平面床板状。轮椅结构能够进入到床体结构到让位缺口中，并变形为平面床板状；此时，床体结构和轮椅结构的顶面拼接成一个完整的床面。
11.所述的床体结构包括主体部分；主体部分左右两侧的中间位置上开设有呈矩形的让位缺口。让位缺口的主体部分的尾端连通，与主体部分的头端不连接。所述的轮椅结构包括椅身主体、轮椅座板、靠背调节机构和腿部调节机构；轮椅座板固定在椅身主体的顶面上。所述的靠背调节机构包括第三电动推杆和背板；背板的底部边缘与轮椅座板的后端铰接；第三电动推杆的一端与椅身主体铰接；第三电动推杆的另一端与背板的背面铰接。
12.所述的腿部调节机构包括第四电动推杆、脚踏板、曲腿板、传动杆、脚板支撑梁和座板支撑梁。曲腿板的内侧边缘与轮椅座板的前端铰接。曲腿板的外侧边缘与脚踏板的内侧边缘铰接。第四电动推杆的两端与椅身主体、曲腿板背面的中部分别铰接。所述的脚板支撑梁固定在脚踏板上。座板支撑梁均固定在轮椅座板的底面；传动杆的两端与脚板支撑梁、座板支撑梁分别铰接。轮椅座板、曲腿板、脚踏板、传动杆构成平行四边形机构，使得轮椅座板与脚踏板持续保持平行。
13.所述的头部压力检测区域设置在床体结构顶面的头端中间位置；背部压力检测区域、腰部压力检测区域、肩部压力检测区域和手臂压力检测区域均设置在背板上；臀部压力检测区域设置在轮椅座板上。大腿压力检测区域和小腿脚踝压力检测区域均设置在曲腿板上。
14.作为优选，所述的床体结构还包括锁止结构。所述的锁止结构安装在让位缺口内，用于将轮椅结构与床体结构锁定在一起。所述的锁止结构包括导轨和电磁推杆；水平设置的两条导轨分别固定在让位缺口的两侧。电磁推杆固定在让位缺口一侧。电磁推杆的推杆上固定有限位销；轮椅结构上设置有定位销孔和分别位于轮椅结构两侧的两个滑块。轮椅结构进入让位缺口时，两个滑块与两条导轨分别滑动连接。轮椅结构移动到位时，电磁推杆上的限位销与轮椅结构上的定位销孔对齐。
15.作为优选，所述的床体结构还包括两个侧翻结构。两个侧翻结构分别设置在主体部分的头端的两侧；侧翻结构能够在动力元件的驱动下绕内侧边缘向上翻转。所述的侧翻结构包括侧翻板、侧翻连接杆、第一电动推杆、推杆支座；侧翻连接杆的内端与主体部分的顶面铰接；侧翻板固定在侧翻连接杆上。第一电动推杆的外壳与主体部分通过推杆支座铰接；第一电动推杆上的第一推出杆与侧翻连接杆的中部铰接。
16.作为优选，所述的床体结构还包括两个护栏结构。两个护栏结构均安装在主体部分上，且分别位于两个侧翻结构的相反侧。所述的护栏结构包括第二电动推杆、栏杆、支撑杆、第二推出杆；两根支撑杆的内端与主体部分上的不同位置分别铰接；两根支撑杆的外端与栏杆的两端分别铰接。主体部分、两根支撑杆和栏杆构成平行四边形机构。第二电动推杆的外壳与主体部分铰接；第二电动推杆的第二推出杆与其中一根支撑杆的中部铰接。通过控制第二电动推杆伸缩控制栏杆的高度。
17.作为优选，所述的轮椅结构还包括两个扶手机构。两个扶手机构分别设置在椅身主体的两侧；扶手机构包括两根连接杆和一个扶手。两根连接杆的一端与轮椅座板、曲腿板的中部分别铰接；两根连接杆的另一端铰接在一起。扶手的内端与连接曲腿板的连接杆固
定。两根连接杆随着轮椅座板与曲腿板的相对运动而发生运动；当曲腿板翻转至水平状态时，扶手跟随对应的连接杆运动至低于轮椅座板的状态。当曲腿板向下翻转时，扶手跟随对应的连接杆运动至高于轮椅座板的状态。
18.作为优选，该护理设备还包括导航避障系统。导航避障系统包括超声波传感器、红外传感器、位移传感器、视觉传感器、移动终端、控制器、人机交互终端；超声波传感器、红外传感器、位移传感器均安装在脚踏板的前端。视觉传感器安装在椅身主体的后端。
19.本发明具有的有益效果是：
20.1、本发明利用多个压力传感器的变化情况，识别出使用者的卧姿，并能够检测使用者的姿态变化情况，实现使用者危急状态的实时监测。
21.2、本发明中曲腿方案以电动推杆作为动力元件，利用四连杆的平行四边形机构，让电动推杆推动连杆从而带动脚踏板与曲腿板的同时运动，并且保证运动的平稳性，该机构的好处是能够利用一个动力元件同时控制两块板的运动，并且始终能控制运动到固定角度，可以解决重心偏移使轮椅有向后翻倒的趋势的问题。
22.3、本发明使用电力驱动，较其他驱动方式的响应速度更快，传动更平稳，噪声更小，便于控制。而且能够实现精确的传动比，严格的控制运动的实现。
附图说明
23.图1为本发明的整体结构示意图。
24.图2为本发明中轮椅结构的示意图。
25.图3为本发明中侧翻结构和护栏结构的示意图。
26.图4为本发明中锁止结构与轮椅结构连接的示意图。
27.图5为本发明中靠背调节机构的示意图。
28.图6为本发明中腿部调节机构的示意图。
29.图7为本发明中扶手机构的示意图。
具体实施方式
30.以下结合附图对本发明进行进一步说明。
31.实施例1
32.一种压电传感器的卧姿检测方法，配合布置在床板或其他供使用者保持卧姿的设备上的压力传感器组。压力传感器组包括单个设置的头部压力检测区域、腰部压力检测区域，以及成对设置的背部压力检测区域、肩部压力检测区域、手臂压力检测区域、臀部压力检测区域、大腿压力检测区域、小腿脚踝压力检测区域。头部压力检测区域、背部压力检测区域、腰部压力检测区域、肩部压力检测区域、手臂压力检测区域、臀部压力检测区域、大腿压力检测区域、小腿脚踝压力检测区域的相对位置与使用者的头部压力检测区域、背部、腰部、肩部、手臂、臀部、大腿、小腿脚踝的相对位置分别对应。
33.每个压力检测区域均由多个呈阵列状排布的多个压力传感器组成；以压力检测区域内所有压力传感器检测值的总和作为该检测范围的压力。压力传感器采用一种压阻压电双模式压力传感器。压阻压电双模式压力传感器并不是两种单一模式压力传感器的简单叠加，而是采用了一种具有分层结构的整体设计，分层结构避免了压阻信号和压电信号的相
互干扰，实现了对静态和动态压力信号的检测和区分。压阻压电双模式压力传感器的厚度小于两个单一模式传感器组合的厚度，而厚度的大小影响了传感器的灵敏度。通过测得的压阻信号和压电信号的相互协作，对于人体位姿变化这种复杂压力加载过程，能较好地实现对压力信号的检测。
34.该检测方法具体如下：
35.当使用者躺在压力传感器组上时，各压力传感器内的压阻部分和压电部分均检测自身受到的压力值，并输出压力信号；该两种压力信号数据以ascii码值的形式传输至上位机，matlab编写的程序将数据缓冲区的数据读取出来后，将其转换为16进制的字符串，使用循环以单字节(8位)的长度将字符一一索引出来并转换为十进制整数，相邻两个整数为同一个压力值的高低字节，将高字节左移8位之后与低字节运算完成数据拼接，转换后生成的整数即为一个压力值。
36.将压力传感器经处理后得到的压力值作为一帧数据；将所有数据整合为一维数组，再通过行的索引对数组进行重组，最终得到二维数组；每个压力值的坐标在二维数组中的位置与各压力检测区域的相对位置一一对应；二维数组上与所有压力传感器位置均不对应的元素取值为0。利用不同压力值对应不同的颜色，形成彩色人形图像。通过显示的彩色人形图像，可以依据颜色的深浅来判断压力的大小。将压力数据转换成彩色人形图像，有利于观察人体卧床时压力的分布特征与动态变化。
37.通过人体动作与身体各部位对床面的压力变化之间的内在关联，来判断人体的位姿变化。对于平躺状态向左翻身动作来说，头部微微抬起，头部压力减小，胸背部左侧肌肉收缩，胸背部压力增大，左侧手臂下压运动，压力增大，右侧手臂上抬运动，压力减小，左侧臀部肌肉收缩，压力增大，右侧臀部上抬运动，压力减小，左侧腿部肌肉收缩，压力增大，右侧腿部上抬运动，压力减小。以此类推，通过所述方法判断动态压力的变化，再根据映射关系，以彩色人形图像的颜色深浅变化来判断人体位姿的变化。
38.因此，在头部压力检测区域检测到压力减小同时，若位于使用者左侧的背部压力检测区域的压力增大，则判断使用向左翻身；若位于使用者右侧的背部压力检测区域的压力增大，则判断使用者向右翻身；若两个背部压力检测区域均减小且臀部压力检测区域的压力增大，则判断使用者起身。
39.若所有压力检测区域在预设时间内的变化幅度均小于变化幅度下限，或使用者在预设时间内左右往复翻身的次数达到阈值，则认为使用者出现异常状况，发出警报。
40.实施例2
41.一种应用如实施例1所述的压电传感器的卧姿检测方法的护理设备，具体为一种家居护理床；该家居护理床包括床体结构、轮椅结构、lcd屏幕、单片机和功放喇叭。床体结构上设置有让位缺口；轮椅结构能够变形为平面床板状。轮椅结构能够进入到床体结构到让位缺口中，并变形为平面床板状；此时，床体结构和轮椅结构的顶面拼接成一个完整的床面。
42.所述的床体结构包括主体部分、侧翻结构1、护栏结构3和锁止结构4；主体部分左右两侧的中间位置上开设有呈矩形的让位缺口。让位缺口的主体部分的尾端连通，与主体部分的头端不连接。两个侧翻结构1分别设置在主体部分的头端的两侧；两个护栏结构3均安装在主体部分上，且分别位于两个侧翻结构1的相反侧。锁止结构4安装在让位缺口内，用
于将轮椅结构与床体结构锁定在一起。侧翻结构1能够在动力元件的驱动下绕内侧边缘向上翻转。通过两个侧翻结构1的翻转，能够将使用者推送至轮椅结构上。
43.如图3所示，侧翻结构1包括侧翻板10、侧翻连接杆11、第一电动推杆16、推杆支座15；侧翻连接杆11的内端与主体部分的顶面铰接；侧翻板10固定在侧翻连接杆11上。第一电动推杆16的外壳与主体部分通过推杆支座15铰接；第一电动推杆16上的第一推出杆9与侧翻连接杆11的中部铰接。利用第一电动推杆16作为动力元件，推动侧翻连接杆11，带动侧翻板10，通过导轮从而推动侧翻板10完成侧翻动作。
44.护栏结构3包括第二电动推杆14、栏杆12、支撑杆、第二推出杆13；两根支撑杆的内端与主体部分上的不同位置分别铰接；两根支撑杆的外端与栏杆12的两端分别铰接。主体部分、两根支撑杆和栏杆12构成平行四边形机构，使得栏杆12在运动过程中保持水平。第二电动推杆14的外壳与主体部分铰接；第二电动推杆14的第二推出杆13与其中一根支撑杆的中部铰接。通过控制第二电动推杆14伸缩控制栏杆12的高度。
45.如图4所示，锁止结构4包括导轨19和电磁推杆20；水平设置的两条导轨19分别固定在让位缺口的两侧。电磁推杆20固定在让位缺口一侧。电磁推杆20的推杆上固定有限位销；轮椅结构上设置有定位销孔和分别位于轮椅结构两侧的两个滑块。轮椅结构进入让位缺口时，两个滑块与两条导轨19分别滑动连接。轮椅结构移动到位时，电磁推杆20上的限位销与轮椅结构上的定位销孔对齐。此时，电磁推杆20通电，限位销弹出到定位销孔中，完成轮椅结构的锁止。
46.轮椅结构5包括椅身主体、轮椅座板18、靠背调节机构8、腿部调节机构7和扶手机构6；靠背调节机构8安装在椅身主体的后端；腿部调节机构7安装在椅身主体的前端；轮椅座板18固定在椅身主体的顶面上。
47.如图5所示，靠背调节机构8包括第三电动推杆22和背板21；背板21的底部边缘与轮椅座板18的后端铰接；第三电动推杆22的一端与椅身主体铰接；第三电动推杆22的另一端与背板21的背面铰接。通过第三电动推杆22的伸缩来带动背板绕着与轮椅座板18铰接位置进行转动。
48.如图6所示，腿部调节机构7包括第四电动推杆24、脚踏板17、曲腿板23、传动杆、脚板支撑梁和座板支撑梁。曲腿板23的内侧边缘与轮椅座板18的前端铰接。曲腿板23的外侧边缘与脚踏板17的内侧边缘铰接。第四电动推杆24的两端与椅身主体、曲腿板23背面的中部分别铰接。通过第四电动推杆24驱动曲腿板23相对于轮椅座板18翻转。
49.脚板支撑梁固定在脚踏板17上。座板支撑梁均固定在轮椅座板18的底面；传动杆的两端与脚板支撑梁、座板支撑梁分别铰接。传动杆、脚板支撑梁之间的转动轴线与脚踏板17、曲腿板23之间的转动轴线错开；传动杆、轮椅座板18之间的转动轴线与曲腿板23、轮椅座板18之间的转动轴线错开；轮椅座板18、曲腿板23、脚踏板17、传动杆构成平行四边形机构，使得轮椅座板18与脚踏板17持续保持平行。
50.如图7所示，两个扶手机构6分别设置在椅身主体的两侧；扶手机构6包括两根连接杆26和一个扶手25。两根连接杆的一端与轮椅座板18、曲腿板23的中部分别铰接；两根连接杆的另一端铰接在一起。扶手25的内端与连接曲腿板23的连接杆26固定。两根连接杆26随着轮椅座板18与曲腿板23的相对运动而发生运动；当曲腿板23翻转至水平状态时，扶手25跟随对应的连接杆运动至低于轮椅座板18的状态。当曲腿板23向下翻转时，扶手25跟随对
应的连接杆运动至高于轮椅座板18的状态，以便于供坐姿的使用者扶持。
51.其中一个扶手25上安装有lcd屏幕；lcd屏幕与控制器连接。控制器内置程序后能够实现lcd屏幕操作的功能。控制器采用单片机。
52.如图2所示，导航避障系统包括超声波传感器27、红外传感器28、位移传感器29、视觉传感器30、移动终端、控制器、人机交互终端；超声波传感器27、红外传感器28、位移传感器29均安装在脚踏板的前端。视觉传感器30安装在椅身主体的后端，用于检测环境周围的信息；各传感器分别与移动终端连接，将各传感器收集到的信息分析并处理；移动终端与控制器无线连接，控制器接收移动终端与人机交互端发出的控制信号；控制器与人机交互终端无线连接，患者可通过人机交互端发出轮椅床的控制信息。
53.头部压力检测区域设置在床体结构顶面的头端中间位置；背部压力检测区域、腰部压力检测区域、肩部压力检测区域和手臂压力检测区域均设置在背板21上；臀部压力检测区域设置在轮椅座板18上。大腿压力检测区域和小腿脚踝压力检测区域均设置在曲腿板23上。
54.护理床所设定的背板角度范围为0-80度，侧翻板角度范围为0-45度。
55.该护理设备进行压力检测的过程如下：
56.步骤一，读取臀部、头部压力传感区域传感器的数值，根据测量点的数值确定头部的位置，依次读取肩部、背部、腰部压力传感区域的数值，确定肩部、背部、腰部、手臂的位置。读取大腿、小腿脚踝压力传感区域的数值，确定大腿、小腿脚踝的位置。
57.步骤二，获取使用者的标准位姿下的传感器数据，例如在平躺状态下，记录相关压力测量点的数据，根据测量点的位置得到使用者的身体尺寸参数，对相关数据进行记录，得到人体各个部位的压力参数进而得到各个部位的质量参数，将相关参数作为使用者的模板参数。
58.步骤三，以臀部位置为基准点，根据各个压力传感区域的数值以模板参数的各个部位的压力参数匹配所对应的肩部、背部、腰部、手臂、大腿、小腿脚踝位置姿态。
59.步骤四，根据测量得到的数据建立人体压力数据模型，对一些复杂的位姿进行归纳整理，结局身体扭转、偏移、重叠状态下的识别问题。
60.工作时，在床体状态时患者躺在床上，可以通过lcd遥控器控制运动，也可通过语音控制运动。当患者点击护栏升起/降低或者说出“护栏升起/降低”时，护栏11将缓慢升起/下降一定高度，可以防止患者摔落或是辅助患者借力，让患者的运动更加方便；当患者点击左/右边侧翻或者说出“左/右边升起”时，左/右边侧翻板10将缓慢侧翻一定角度，能够辅助患者进行翻身，防止患者长时间保持同一姿势从而引发慢性疾病；当患者点击抬背或者说出“后背抬起”时，床体背板21将缓慢抬起，能够让患者在床上也能起身，方便患者的日常生活；当患者点击轮椅或者说出“轮椅分离”时，两部分床架打开，然后床体中间部分开始变形成为轮椅5，床架的打开使轮椅5行驶出来拥有了足够的空间，方便患者对轮椅5的操作。另外，利用功放喇叭，将其连接到单片机上，在每一次床体开始运动时都会进行播报提醒，能够让患者拥有准备，防止床体在患者无准备时开始运动。
61.当监测到患者长时间保持同一姿态时，能够自动翻身；辅助患者进行翻身，定时翻身、抬背。
62.在该护理设备的基础上，还可以增设以下部分：
63.床椅对接系统。床椅对接系统包括超声波传感器、pid控制器、伺服电机；床椅对接通过安装在两侧的超声波传感器实现；利用传感器与安装在轮椅上的伺服电机构成闭环反馈系统，传感器发送和接受传感器发来的信息；在fpga中进行时钟计数来测算距离使用pid调节伺服电机的转速控制轮椅相对于床体的位置，防止二者相撞。功放喇叭。功放喇叭进行紧急呼叫。
64.触点按摩式床垫。触点按摩式床垫保证患者睡眠质量。