CN106643708A - 一种基于imu的交互式坐姿矫正装置、坐姿矫正器及监测软件 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种基于IMU的交互式坐姿矫正装置、坐姿矫正器及监测软件，属于健康矫正技术领域。为了解决现有技术成本高、矫正效果不明显、响应速度慢、安全性差、使用寿命短的缺点，而提出一种基于IMU的交互式坐姿矫正装置，包括：传感器信息接收模块，用于接收传感器采集的测量信息；卡尔曼滤波模块，用于将测量信息进行滤波处理，得到滤波后的加速度、角速度以及磁场信息；数字运动处理模块，用于根据滤波后的测量信息计算得到方位信息；坐姿信息计算模块，用于根据方位信息与预设的基准信息得到坐姿信息；坐姿判断模块，用于将坐姿信息与预设的坐姿信息阈值比较，得到判断结果，并根据判断结果进行矫正。本发明适用于人体坐姿矫正。

Description

一种基于IMU的交互式坐姿矫正装置、坐姿矫正器及监测软件

技术领域

本发明涉及一种基于IMU的交互式坐姿矫正装置、坐姿矫正器及监测软件，属于健康矫正技术领域。

背景技术

随着社会经济的发展，青少年的整体视力水平不断下降，校园里多数孩子都佩戴了眼镜。在学习过程中，不正确的坐姿是导致近视很重要的一个原因。不正确的坐姿不仅会使孩子的学习效率降低，成绩下降进而失去信心，同时也会影响身体健康，致使视力下降和脊柱弯曲，阻碍青少年骨骼的正常发育。保持一个良好的坐姿对于青少年来说是很重要的，但是由于自身缺乏自觉意识，在学习过程中不自主就会弯腰驼背甚至趴在桌子上，而家长和老师也不可能每时每刻都在孩子身边对其提醒，久而久之孩子的身心健康将会因为坐姿而受到影响。因此设计一种智能坐姿提醒装置，在孩子坐姿不正确时给予提醒，帮助孩子改正不良坐姿是很有意义的。

现有技术中的坐姿矫正装置主要分为两类：

第一类是坐姿矫正装置，如专利号为CN2181410、CN215186等。这类装置主要是通过弹性材料强制对人体进行坐姿矫正，装置对人体有很强的限制性和压迫感，严重时还可能对孩子的骨骼发育产生阻碍。并且采用强制的手段来矫正坐姿治标不治本，当卸下装置后人体还是有弯腰驼背的趋势。所以该类采用纯被动式坐姿提醒装置的效果不明显。

第二类是坐姿提醒装置。在人体坐姿不正确时给予提醒，督促孩子自觉坐正。目前坐姿提醒装置主要分为座椅式和佩戴式。座椅式坐姿提醒装置是通过在座椅上安装红外装置或者利用超声波测距原理来检测人体坐姿并给予提醒，灵敏度高，稳定性好，但是成本比较高并且不方便更换地方使用。还有一种是通过倾斜开关和相应的机械结构来监测人体坐姿，该类装置结构简单，便携性好，但是因为该类装置利用水银重力的原理来对坐姿进行监测，里面的水银开关容易破碎导致水银溢出，安全性较低，并且水银受温度影响较大，低温时水银开关响应性差，甚至会出现失灵的情况。另一方面多数利用水银开关的坐姿提醒装置都是通过机械结构来调整预设角度，难免因为机械结构的原因限制了预设角度调整，具体体现在用户只能根据设计好的机械结构在几个给定的预设角度中进行选择，而且装置寿命比较短。

综上所述，现有技术的坐姿提醒矫正装置存在成本高、效果不明显，响应性低、安全性低、使用寿命短等缺陷。

发明内容

本发明的目的是为了解决现有技术成本高、矫正效果不明显、响应速度慢、安全性差、使用寿命短的缺点，而提出一种基于IMU的交互式坐姿矫正装置，包括：

传感器信息接收模块，用于接收传感器采集的测量信息；

卡尔曼滤波模块，用于将所述测量信息进行滤波处理，得到滤波后的加速度、角速度以及磁场信息；

数字运动处理模块，用于根据所述加速度、角速度以及磁场信息通过计算得到方位信息；

坐姿信息计算模块，用于根据所述方位信息与预设的基准信息得到坐姿信息；

坐姿判断模块，用于将所述坐姿信息与预设的坐姿信息阈值比较，得到判断结果，并根据所述判断结果进行矫正。

本发明还提出一种基于IMU的交互式坐姿矫正器，包括：

至少一个测量传感器，适于设置在易于监测人体脊柱弯曲程度的人体部位上，用于采集能够表征人体脊柱弯曲程度的测量信息；

处理器，用于实现如前述装置所述的功能；

所述测量传感器与所述处理器连接，用于向所述处理器发送所述测量信息。

本发明还提出一种坐姿矫正监测软件，其特征在于，包括：

坐姿数据接收模块，用于接收通过前述的装置发送的坐姿数据；

坐姿图像显示模块，用于根据所述坐姿数据绘制能够表征用户坐姿信息的坐姿图像；

坐姿比较模块，用于当接收到至少两个坐姿数据时，将坐姿数据之间进行比较并将每个坐姿数据与预设的坐姿数据阈值进行比较，得到比较结果；

坐姿数据显示模块，用于显示所述比较结果以及所述坐姿图像。

本发明的有益效果为：对脊柱各个部分的方位信息进行直接测量，相比较间接测量方式准确度更高；通过多个传感器的监测得到丰富的脊柱姿态信息，可以根据脊柱姿态信息设置脊柱弯曲模式，并能够在实际使用中识别这些脊柱弯曲模式；可以在手机、电脑端生动直观的以动画形式实时显示脊柱姿态；可以根据用户需求在手机、电脑端通过无线通信自由设定用户能够接受的脊柱弯曲阀值和提醒时长阀值，较其他装置自由度和交互性更好；可以采用APP监测的模式也为其社交功能扩展打下基础。具有低功耗监测模式，在保证对用户坐姿监测的同时也能够有效的降低系统功耗、提高续航能力。提醒方式自由灵活可选择语音或者振动方式给予提醒。本发明通过将多个IMU安装在人体脊柱皮肤表层和头部直接测量得到人体脊柱的弯曲情况并通过手机APP进行实时监测和自由调整可弯曲裕度，测量的数据准确性高，实时性好，且具有使用寿命长、价格低廉、便携性好、安全性高等优点。

附图说明

图1为本发明的基于IMU的交互式坐姿矫正装置的结构示意图；

图2为本发明的基于IMU的交互式坐姿矫正装置的工作流程图；

图3为本发明的基于IMU的交互式坐姿矫正装置的坐姿判断流程图；

图4为本发明的基于IMU的交互式坐姿矫正装置的坐姿欧拉角示意图。

具体实施方式

具体实施方式一：本实施方式的基于IMU的交互式坐姿矫正装置可以是集成在处理器中的软件功能模块，也可以是满足功能要求的软件固化成的硬件。

本实施方式的基于IMU的交互式坐姿矫正装置如图1所示，包括：

传感器信息接收模块，用于接收传感器采集的测量信息。

卡尔曼滤波模块，用于将所述加速度、角速度和磁场信息进行滤波处理，得到滤波后的加速度、角速度以及磁场信息。

数字运动处理模块，用于根据所述加速度、角速度以及磁场信息通过计算得到方位信息。

坐姿信息计算模块，用于根据所述方位信息与预设的基准信息得到坐姿信息。

坐姿判断模块，用于将所述坐姿信息与预设的坐姿信息阈值比较，得到判断结果，并根据所述判断结果进行矫正。

具体实施方式二：本实施方式与具体实施方式一不同的是：报警模块包括预警判断单元、计时单元以及提醒单元，其中预警判断单元用于在检测到所述判断结果为坐姿不正确时控制计时单元开始计时，若预定的计时时间内所述判断结果始终为坐姿不正确，则提醒单元在预定的计时时间结束时发出提醒信号。

本实施方式给了一种根据判断结果进行校正的具体方式，即检测判断结果是否正确，若在一段时间内判断结果始终为不正确，就发出提醒信号便于用于进行矫正。判断结果是否正确可以是通过坐姿信息与预设坐姿信息比较，可以通过判断大于或者小于等于来判断是否为坐姿正确。

其它步骤及参数与具体实施方式一相同。

具体实施方式三：本实施方式与具体实施方式一或二不同的是：提醒信号用于控制振动电机、发光器件、扬声器或其任意组合发出相应的提示信息，提示信息用于提醒用户对坐姿进行主动矫正。

本实施方式披露了具体可以通过哪些硬件来发出提醒信号，可以通过电机发出振动信号，可以通过发光器件发出光信号，可以通过扬声器发出声音提示信号，也可以是上述各种信号的组合。还可以是通过电脑端或者手机端的屏幕动画、振动或者发生来实现提醒的目的。在用户感受到这些信号后，得知自己的坐姿是不正确的，即可对自己的坐姿进行主动的校正。发出提醒信号的硬件不限于上述提到的，还可以是通过风机发出适宜的风或者通过电热丝发出适宜的热，能够达到提醒目的的、可被人体灵敏感知的信号均可，本发明不做限制。

其它步骤及参数与具体实施方式一或二相同。

具体实施方式四：本实施方式与具体实施方式一至三之一不同的是：方位信息包括在三维坐标系下的欧拉角；述坐姿信息为所述方位信息中的欧拉角与所述基准信息中的欧拉角的差值的绝对值。

本实施方式提出了方位信息的具体构成，方位信息也可以是旋转四元数或者旋转矩阵，上述两种量可以转化为欧拉角，因此获取旋转四元数或者旋转矩阵也可以达到本发明的目的。

其它步骤及参数与具体实施方式一至三之一相同。

具体实施方式五：本实施方式与具体实施方式一至四之一不同的是：当坐姿信息大于坐姿信息阈值时，判断结果为坐姿不正确，当坐姿信息小于或等于坐姿信息的阈值时，判断结果为坐姿正确。、

本实施方式提供了判断坐姿是否正确的方法，即将坐姿信息与坐姿信息阈值比较大小。也可以使用其他方式判断坐姿是否正确，例如将坐姿信息阈值设置为具有多段区间的数组，将坐姿信息与这些数组进行匹配，判断坐姿信息对应于哪个区间，而设置好的各个区间可以具有不同的、详细的坐姿判断结果，例如在区间A-B属于背部姿势不正确，区间C-D属于腰部姿势不正确等。

其它步骤及参数与具体实施方式一至四之一相同。

具体实施方式六：本实施方式与具体实施方式一至五之一不同的是：还可以包括无线通信模块，用于将坐姿信息和/或判断结果发送至移动终端，装置通过所述无线通信模块从移动终端接收坐姿信息阈值。

无线通信模块可以是蓝牙模块或者wifi模块，移动终端可以是手机或者平板电脑，也可以是其他种类的计算机。这样设置可以在便携式设备中实时地接收坐姿信息，或者向装置发送坐姿信息阈值。

其它步骤及参数与具体实施方式一至五之一相同。

具体实施方式七：本实施方式与具体实施方式一至六之一不同的是：装置还可以包括功耗管理模块，用于当检测到所述加速度信息在预定的时长内始终小于预定阈值时切换为低功耗模式。

本实施方式提供一种功耗管理模块，来降低装置的功耗。除了上述提供的智能的功耗降低方法之外，还可以使用手动的功耗降低方式，例如通过预先设置好的功能选择模块来选择低功耗模式。

其它步骤及参数与具体实施方式一至六之一相同。

具体实施方式八：本实施方式与具体实施方式一至七之一不同的是：基准信息是由选定的测量信息得到的方位信息。

本实施方式提供了一种基准信息的获得方式，即基准信息可以由测量得到，而不是人工预先设置。例如在用户最初使用本装置时，先取一个传感器将其安装在脊椎靠近腰部的位置，采集基准信息，于是之后的测量中都以这个固定的基准信息为准，进行后续的比较与测量。

具体实施方式九：本实施方式提供一种基于IMU的交互式坐姿矫正器，包括至少一个测量传感器，适于设置在易于监测人体脊柱弯曲程度的人体部位上，用于采集能够表征人体脊柱弯曲程度的测量信息；处理器，用于实现具体实施方式一至八任意一项所述的基于IMU的交互式坐姿矫正装置所述的功能。所述测量传感器与所述处理器连接，用于向所述处理器发送所述测量信息。

本实施方式的坐姿矫正器除了具体实施一至八中的矫正装置，还包括至少一个测量传感器，传感器用于采集测量信息并发送给处理器，处理器通过传感器信息接收模块接收到测量信息后，进行处理，最后得到判断结果。这个过程及相关装置在前述中详尽说明了，此处不再赘述。

具体实施方式十：本实施方式与具体实施方式九不同的是：测量传感器为IMU传感器。

也可以选用能够获取欧拉角以及加速度的其他类型的传感器。

其它步骤及参数与具体实施方式九相同。

下面对本发明的基于IMU的交互式坐姿矫正器做进一步的说明。

具体而言，传感器可以使用九轴惯性测量单元(IMU)传感器，内含3轴加速度计、3轴陀螺仪和3轴磁力计，可根据用户需求在人体脊柱不同位置的皮肤表层以及头部选择性安装多个IMU传感器用于实时获取相应部位的加速度、角速度和磁场信息。因为通过传感器对加速度、陀螺仪和磁场信息进行测量不可避免会因为传感器的抖动而产生一定的噪声，所以在进行数据处理前需要对其进行滤波处理。而卡尔曼滤波适用于实时数据的处理以及多传感器数据的融合，利用前一个时刻的估计值和现在时刻的观测值来得到当前时刻的最佳估计值用于实时数据处理。

本发明采用卡尔曼滤波算法对传感器采集到的数据进行滤波处理。利用上一个时刻的状态矢量对这一时刻状态量进行先验估计，然后根据观测方程更新状态量。然后不断循环直到滤波完成。

在对传感器数据进行滤波后可以采用内置的数字运动处理器(DMP)将3轴加速度、3轴角速度和磁场信息进行融合得到旋转矩阵、四元数和欧拉角等方位信息用于后续算法处理。其中，主要使用欧拉角作为后续计算的依据，由于旋转矩阵、四元数与欧拉角之间可以随意转换，因此也可以通过获取旋转矩阵和\或四元数来代替欧拉角进行后续的计算。

为了避免安装不正所带来的传感器坐标系和人体坐标系不重合的问题，我们需要对系统进行初始化校正。具体步骤为将多个传感器安装在人体脊柱不同位置的皮肤表层以及头部后保持正确坐姿5s,此时校正单元会以脊柱下端皮肤表层传感器的坐标系作为基准，假设其和人体坐标系重合然后对其他传感器的方位信息进行校正得到传感器坐标相对于人体坐标的旋转矩阵R_i0(i＝1,2,3…)或者相对旋转四元数q_i0(i＝1,2,3…)，之后所有传感器采集到的方位信息只需要和其旋转矩阵或者相对旋转四元数相乘即可得到人体脊柱各个部位的方位信息。具体的安装部位以及方位信息的示意图如图4所示。

本发明相对于其他坐姿提醒装置能够有效地对坐姿不正确的多种模式进行辨别。在三维空间中一般采用欧拉角来表示物体的方位。所以系统在校正时刻记录下安装于脊柱下端皮肤表层的传感器所计算得到的俯仰角PITCH(0)、偏航角YAW(0)和滚转角ROLL(0)，作为整个坐姿辨别的基准，实时对各个部位的传感器的方位信息进行监测。同时由倾斜角计算单元，在采集到方位信息后实时计算各个传感器相对于基准在三个轴向的角度差值：

d_pitch(i)＝pitch(i)-PITCH(0)(i＝0，1,2,3…) (10)

d_yaw(i)＝yaw(i)-YAW(0)(i＝0，1,2,3…) (11)

d_roll(i)＝roll(i)-ROLL(0)(i＝0，1,2,3…) (12)

其中pitch(i)、yaw(i)和roll(i)为不同部位传感器的俯仰角、偏航角和滚转角信息。然后根据欧拉角差值计算得到3个轴向的倾斜角α_i、β_i和γ_i，如图4所示。若发现安装于脊柱各个位置皮肤表层的传感器和基准之间的倾斜角在某个方向上都超过了预设的角度阀值则说明人体脊柱处于整体前倾、左右倾斜或者扭转状态。若安放于人体脊柱下端皮肤表层的传感器计算得到的倾斜角很小，但是脊柱皮肤表层其他位置的传感器的倾斜角至少有一个超过了预设的角度阀值则说明人体脊柱处于向前弯曲、左右弯曲或部分扭转状态，结合具体是哪个方向的倾斜角超过了阀值就可以确定人体脊柱的确切状态。若用户在头部也佩戴了传感器，装置还能还原人体颈部的姿态信息，更加全面的对坐姿进行监测。在将多个传感器的信息进行汇总后结合装置的3D动画显示程序，用户可以在手机或电脑端看到脊柱姿态的重构模型，对坐姿监测较其他装置更加的直观和具体。

在进行坐姿模式识别之后，如果判断用户坐姿不正确则控制单元会向报警模块发送预警信息。报警模块包括判断单元和计时单元以及提醒单元，计时单元在接收到控制单元信息后启动开始记录坐姿不正确的持续时间，当坐姿不正确的持续时间超过了时间阀值则会通过振动电机、LED或语音模块等提醒用户同时也会向手机、电脑监测端报警。判断单元还用于坐姿恢复正常后取消报警。

装置还可设置有无线通信模块用于将脊柱不同部位的方位信息通过WIFI或蓝牙无线模式发送到手机或电脑端，结合3D动画重构程序，用户可以在手机、电脑上对坐姿进行实时监测。并且对于不同用户，可以自主设置脊柱弯曲的角度阀值和时间阀值然后通过通信模块发送给装置。

本发明还包括一种坐姿矫正监测软件，包括：

坐姿数据接收模块，用于接收通过前述的装置发送的坐姿数据；

坐姿图像显示模块，用于根据坐姿数据绘制能够表征用户坐姿信息的坐姿图像；

坐姿比较模块，用于当接收到至少两个坐姿数据时，将坐姿数据之间进行比较并将每个坐姿数据与预设的坐姿数据阈值进行比较，得到比较结果；

坐姿数据显示模块，用于显示比较结果以及坐姿图像。

通过App模式，用户可以通过APP和朋友互动，比较坐姿监测时长，以及可以将他们的坐姿标准程度和坐姿正确时长进行对比。老师或家长也可以利用APP对多个孩子的坐姿有个整体了解和比较。

考虑到装置的续航性能，本发明还可以采用低功耗监测模式，通过功耗管理模块进行，当坐姿正确时，若测得所有传感器加速度值都较小则判断用户处于静止状态，主控芯片和外设会进入休眠模式，只开启加速度计监测，只有当传感器测得的加速度大于阀值且持续一段时间，主控芯片才会恢复正常工作模式进行数据处理。

<实施例1>

用户打开装置电源开关，装置自动通过通信单元连接至手机、电脑端，在手机APP或者电脑端中通过拖动脊柱动画模型来设置脊柱各个部分弯曲的阀值，然后设定不正确坐姿持续时间的阀值。

再将传感器通过穿戴的方式安装于人体脊柱不同位置的皮肤表层和头部。保持身体坐直一段时间，系统自动进行初始化校正工作。如图2和图3所示，装置实时采集各个传感器的加速度、角速度和磁场信息，然后进行卡尔曼滤波。滤波后的数据通过数字运动处理单元计算得到脊柱各个部位的方位信息。然后由倾斜角差值计算单元计算出各个传感器相对于初始化校正时刻基准的欧拉角差值和倾斜角差值。由坐姿判断单元对坐姿正确与否进行判断，同时坐姿判断单元还能有效识别各种脊柱弯曲模式。当坐姿不正确后通过报警系统的计时单元对坐姿不正确的持续时间进行记录，当其超过预设的阀值后采用语音模块或者振动的形式对用户进行提醒，只有当用户坐姿恢复正常后才取消报警。

整个坐姿监测过程都会将脊柱的姿态信息发送到手机端或电脑端然后通过动画形式展现出来，方便家长对孩子坐姿的远程监控。装置还采用低功耗监测模式，在用户坐姿正确且处于静止时刻只开启加速度监测，只有当加速度大于某个阀值且持续一段时间后才恢复至正常模式。

本发明还可有其它多种实施例，在不背离本发明精神及其实质的情况下，本领域技术人员当可根据本发明作出各种相应的改变和变形，但这些相应的改变和变形都应属于本发明所附的权利要求的保护范围。

Claims (10)

1.一种基于IMU的交互式坐姿矫正装置，其特征在于，包括：

传感器信息接收模块，用于接收传感器采集的测量信息；

卡尔曼滤波模块，用于将所述加速度、角速度和磁场信息进行滤波处理，得到滤波后的加速度、角速度以及磁场信息；

数字运动处理模块，用于根据所述加速度、角速度以及磁场信息通过计算得到方位信息；

坐姿信息计算模块，用于根据所述方位信息与预设的基准信息得到坐姿信息；

坐姿判断模块，用于将所述坐姿信息与预设的坐姿信息阈值比较，得到判断结果，并根据所述判断结果进行矫正。

2.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，还包括报警模块，所述报警模块包括预警判断单元、计时单元以及提醒单元，其中预警判断单元用于在检测到所述判断结果为坐姿不正确时控制所述计时单元开始计时，若预定的计时时间内所述判断结果始终为坐姿不正确，则提醒单元在预定的计时时间结束时发出提醒信号。

3.根据权利要求2所述的装置，其特征在于，所述提醒信号用于控制振动电机、发光器件、扬声器或其任意组合发出相应的提示信息，所述提示信息用于提醒用户对坐姿进行主动矫正。

4.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，所述测量信息包括加速度信息；所述方位信息包括在三维坐标系下的欧拉角；所述坐姿信息为所述方位信息中的欧拉角与所述基准信息中的欧拉角的差值的绝对值。

5.根据权利要求4所述的装置，其特征在于，当所述坐姿信息大于所述坐姿信息阈值时，判断结果为坐姿不正确，当所述坐姿信息小于或等于所述坐姿信息的阈值时，判断结果为坐姿正确。

6.根据权利要求5所述的装置，其特征在于，还包括无线通信模块，用于将所述坐姿信息和/或判断结果发送至移动终端，所述装置通过所述无线通信模块从所述移动终端接收坐姿信息阈值。

7.根据权利要求4所述的装置，其特征在于，还包括功耗管理模块，用于当检测到所述加速度信息在预定的时长内始终小于预定阈值时切换为低功耗模式。

8.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，所述基准信息是由选定的测量信息得到的方位信息。

9.一种基于IMU的交互式坐姿矫正器，其特征在于，包括：

至少一个IMU测量传感器，适于设置在易于监测人体脊柱弯曲程度的人体部位上，用于采集能够表征人体脊柱弯曲程度的测量信息；

处理器，用于实现如权利要求1至8中任意一项装置所述的功能；

所述测量传感器与所述处理器连接，用于向所述处理器发送所述测量信息。

10.一种坐姿矫正监测软件，其特征在于，包括：

坐姿数据接收模块，用于接收通过权利要求6的装置发送的坐姿数据；

坐姿图像显示模块，用于根据所述坐姿数据绘制能够表征用户坐姿信息的坐姿图像；

坐姿比较模块，用于当接收到至少两个坐姿数据时，将坐姿数据之间进行比较并将每个坐姿数据与预设的坐姿数据阈值进行比较，得到比较结果；

坐姿数据显示模块，用于显示所述比较结果以及所述坐姿图像。