CN109744785B - 一种基于柔性压力传感器阵列的智能自适应床垫 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种基于柔性压力传感器阵列的智能自适应床垫，包括：传感层，由柔性压力传感器阵列组成，用于实时检测其上表面各部分的压力信号；支撑层，设置在所述传感层的上表面，用于支撑人体；执行层，设置在所述传感层的下表面，用于调整传感层和支撑层的形状；控制器，分别与传感层和执行层连接，控制传感层实时监测上表面压力分布信号，并根据压力分布信号控制执行层变形。利用本发明，可以实时监测自身表面压力分布情况，并据此改变自身表面形状，使用户在任意睡姿下都能保持健康的全身压力分布。
Description
技术领域
本发明属于智能家居中的智能床垫领域，尤其是涉及一种基于柔性压力传感器阵列的智能自适应床垫。
背景技术
目前智能床垫领域已有多种相关产品及构想，其中多数可以提供若干和用户身体状态相关指标的测量，如心率，睡姿等，但是不具备反馈的功能。用户即使能够知道自身的睡眠状态，也无法有效地进行调整。其主要原因在于，检测相关参数的传感器是刚性的，如果床垫通过主动改变形状，来使用户处于更健康的睡眠姿态，将会使传感器也变形失效。由于未使用柔性电子技术，这些床垫使用的传感器往往阵列密度不高，只能粗略地检测床垫表面某几个点的压力大小等参数。
现有的部分智能床垫具备反馈的功能，但其改变的是床垫上表面的软硬度，而非床垫的上表面形状。如公开号为CN108185723A的中国专利文献公开了一种智能床垫，包括床垫本体，所述床垫本体的四周为包覆层，所述包覆层内部设置有床垫芯，其特征在于，所述床垫本体的前部设置有枕部，所述枕部内部设置有睡眠监测装置，所述包覆层的内壁上侧与床垫芯之间为从上往下依次设有检测层和加热层，所述检测层包括分别位于下部的薄膜温度传感器和上部的薄膜压力传感器，所述加热层下部设置有多个等距排布的气囊，所述每个气囊的一端均连接有一根软管，所述软管均穿过床垫本体上的开孔并延伸至控制箱内，所述控制箱内部设置有气泵和控制器。
上述智能床垫具有温湿度调控和调整床垫软硬度的特点，这样的调整无法按需改变床垫表面的压力分布，所以无法使用户恢复健康的睡眠姿态。同时，床垫也无法实现更多的高级功能，例如按摩和叫醒等。
另外，部分智能床垫不具有有效的检测功能，只能够在用户的控制下整体改变形状。其形状改变没有数据支撑，盲目而无法起到改善睡眠的效果。
发明内容
本发明的目的在于提供一种基于柔性压力传感器阵列的智能自适应床垫，可以实时监测自身表面压力分布情况，并据此改变自身表面形状，使用户在任意睡姿下都能保持健康的全身压力分布。
一种基于柔性压力传感器阵列的智能自适应床垫，包括：
传感层，由柔性压力传感器阵列组成，用于实时检测其上表面各部分的压力信号；
支撑层，设置在所述传感层的上表面，用于支撑人体；
执行层，设置在所述传感层的下表面，用于调整传感层和支撑层的形状；
控制器，分别与传感层和执行层连接，控制传感层实时监测上表面压力分布信号，并根据压力分布信号控制执行层变形。
本发明分为三个功能层，通过传感层实时监测上表面压力分布情况，通过执行层控制床垫表面形状的变化和维持，通过支撑层支撑人体。
所述的柔性压力传感器阵列包括两层柔性基底薄膜以及交叉叠合设置在两层柔性基底薄膜之间的两层导线，每层导线分别由若干根并行排列的导线组成，每个交叉点处设有一个压力敏感单元，其中一层导线连接有带多路复用器的扫描电路，另一层的导线连接信号采集装置。
扫描电路每次选通一条导线的所有压力敏感单元，通过控制器控制高频切换依次选通一层所有导线。床垫变形时传感层也会变形，但由于传感层具有一定柔性，其压力敏感单元的压阻性能不会因此改变。
传感层可通过压力敏感单元的电阻值变化、电容值变化、压电效应产生的电压值中的一种或多种来检测压力变化。由于室内环境智能调控系统的普遍应用及持续发展，本床垫的使用过程中默认不包含被褥等物品。
所述的两层柔性基底薄膜的材料为PDMS(聚二甲基硅氧烷)。所述的导线和压力敏感单元都是金属材料，通过物理或化学沉积的方法镀膜在PDMS薄膜上。
作为优选，所述的两层导线均为蛇形走线，从而在形变过程中减小拉伸对电学性能的影响，防止导线在传感层形变中被拉断。
作为优选，所述的两层柔性基底薄膜为刚度图形化基底，不同区域的薄膜刚度不同，可实现拉伸应变的隔离，提高传感层的可拉伸性能。
所述支撑层的材料为柔软的硅胶，具有一定厚度，能够保证床垫表面形状过渡的平滑性以及床垫与用户的柔软安全接触，同时确保了床垫表面的变形性能。
所述的执行层为气囊式气缸阵列，所述气囊式气缸阵列通过网孔状支架固定，每个气缸分别外接气泵，由所述控制器单独控制每个气缸的伸缩，并支撑其上的重物。
所述控制器上设有中控芯片，所述传感层将压力分布的模拟信号转换为数字信号后传输给中控芯片，中控芯片调用经神经网络训练后的程序，根据压力分布得出此时使用者的睡姿，区分头部，胸部，腰部等区域，并将压力分布与该睡姿下的理想压力分布进行分析对比，计算出气缸行程差值，并通过控制器控制气缸伸缩。
作为优选，上述中控芯片可由无线方案替代。所述控制器上设有无线传输装置，所述无线传输装置与移动设备连接通信，所述传感层将压力分布的模拟信号转换为数字信号后通过无线传输装置传输给移动设备，移动设备调用经神经网络训练后的程序，根据压力分布得出此时使用者的睡姿，并将压力分布与该睡姿下的理想压力分布进行分析对比，计算出气缸行程差值，并通过控制器控制气缸伸缩。
作为优选，所述的气泵为外部包裹隔音材料的超静音气泵，所述超静音气泵通过加长气路设置在远离床垫的位置，从而在最大程度上减小气泵的声音，不影响用户睡眠。
与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：
1、本发明的智能自适应床垫具有密度更高的测量单元，可以以更高的分辨率测量床垫表面压力分布。
2、本发明的智能自适应床垫在变形后仍可以准确地测量床垫表面压力分布。
3、本发明的智能自适应床垫可以以用户睡姿和床垫表面压力分布数据为依据，科学而精确地控制床垫表面形状，并提供实时反馈。
4、本发明的智能自适应床垫具有高度的功能可定制性，传感层和执行层可独立于彼此，单独被外接程序控制。开放外接程序权限后，潜在应用场景不可估量。例如，可帮助身体不便者精细调整身体姿势以进行手术、排泄等动作，也可实现多种形式的按摩、叫醒、床沿跌落保护等功能。
5、本发明不同于传统床垫，不需要枕头和被褥等多余物品。枕头作为一种调节人体背部压力分布的古老方式，只能在床垫的固定位置提供固定高度的支撑。而在集成了传感层和可改变床垫形状的执行层的本床垫上，人的头部所到之处会自动抬升，形成类似枕的结构。落枕等问题将不复存在。
6、本发明所采集的使用者睡眠数据以及预先采集的使用者其他信息，可被匿名收集，并供现代医疗大数据研究使用。
附图说明
图1为本发明一种基于柔性压力传感器阵列的智能自适应床垫的整体结构示意图；
图2为本发明一种基于柔性压力传感器阵列的智能自适应床垫的传感层结构示意图。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明做进一步详细描述，需要指出的是，以下所述实施例旨在便于对本发明的理解，而对其不起任何限定作用。
如图1所示，一种基于柔性压力传感器阵列的智能自适应床垫，包括支撑层1、传感层2、执行层3和床垫底座5。
支撑层1设置在传感层2的上表面，厚度可根据需要设置，更厚的支撑层1会使床垫的形状改变更为缓和。执行层3设置在传感层2的下表面，执行层3为气囊式气缸阵列，通过网孔状支架4固定。床垫底座5位于最底层，厚度较厚，类似于普通床垫，用于支撑和保护内部结构。
传感层2的结构如图2所示，整体为两层柔性基底薄膜20，本实施例中，柔性基底薄膜20的材料为PDMS(聚二甲基硅氧烷)，上层柔性基底薄膜上设有若干条上层导线11，下层柔性基底薄膜上设有若干条下层导线16。上层导线11和下层导线16交叉叠合，每个交点设有一个压力敏感单元15。导线和压力敏感单元15都是金属材料，通过物理或化学沉积的方法镀膜在PDMS的柔性基底薄膜20上。
上层导线11外接带有多路复用器14的扫描电路，多路复用器14连接控制器13，由供电组件12进行供电。下层导线16外接信号采集装置17，每根下层导线16在接入信号采集装置17之前都经过反馈电阻18和放大器19的信号放大处理。
控制器13还与执行层3连接，执行层3的每个气缸分别外接气泵，每个气缸均单独设有电磁换向阀，控制器13一方面可以控制传感层2实时监测上表面压力分布信号，另一方面可以控制电磁换向阀使气缸伸缩。
本实施例中，控制器13上还设有蓝牙传输模块，使床垫与用户的个人电脑或智能手机进行通信，利用外部设备的运算装置处理信号，给出指令。即在使用过程中，传感层2将接收到的每个部位的模拟信号转换为数字信号，通过蓝牙传输给用户的个人电脑或智能手机，个人电脑或智能手机调用经神经网络训练后的程序，根据压力分布得出此时使用者的睡姿，并将压力分布与该睡姿下的理想压力分布进行分析比对，给出气缸行程差值，并通过控制器13控制气缸的电磁换向阀，控制每个电磁换向阀的充气与放气，从而达到控制气缸伸缩的效果，实现改变床垫形状，使其持续为身体每个部分提供最佳压力。通过循环上述过程，实现功能。
本发明的智能自适应床垫，传感层2采用了拥有超高分辨率的大面积柔性压力传感器阵列，可实现人体睡姿的全方位无死角智能识别，同时配合执行层3调整床垫的形状，可以根据每个人的体型、睡姿进行实时自调节的智能床垫，合理的分布人体压力，减轻腰椎和颈椎负担，给人带来舒适放松的深度睡眠体验。
以上所述的实施例对本发明的技术方案和有益效果进行了详细说明，应理解的是以上所述仅为本发明的具体实施例，并不用于限制本发明，凡在本发明的原则范围内所做的任何修改、补充和等同替换，均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (3)
1.一种基于柔性压力传感器阵列的智能自适应床垫，其特征在于，包括：
传感层，由柔性压力传感器阵列组成，用于实时检测其上表面各部分的压力信号；所述的柔性压力传感器阵列包括两层柔性基底薄膜以及交叉叠合设置在两层柔性基底薄膜之间的两层导线，每层导线分别由若干根并行排列的导线组成，每个交叉点处设有一个压力敏感单元，其中一层导线连接有带多路复用器的扫描电路，另一层的导线连接信号采集装置；两层柔性基底薄膜的材料为PDMS，导线和压力敏感单元都是金属材料，通过物理或化学沉积的方法镀膜在PDMS薄膜上；两层导线均为蛇形走线；两层柔性基底薄膜为刚度图形化基底，不同区域的薄膜刚度不同；
支撑层，设置在所述传感层的上表面，用于支撑人体；支撑层的材料为硅胶；
执行层，设置在所述传感层的下表面，用于调整传感层和支撑层的形状；所述的执行层为气囊式气缸阵列，所述气囊式气缸阵列通过网孔状支架固定，每个气缸分别外接气泵，由控制器单独控制每个气缸的伸缩；
控制器，分别与传感层和执行层连接，控制传感层实时监测上表面压力分布信号，并根据压力分布信号控制执行层变形；具体的，所述控制器上设有中控芯片，所述传感层将压力分布的模拟信号转换为数字信号后传输给中控芯片，中控芯片调用经神经网络训练后的程序，根据压力分布得出此时使用者的睡姿，并将压力分布与该睡姿下的理想压力分布进行分析对比，计算出气缸行程差值，并通过控制器控制气缸伸缩。
2.根据权利要求1所述的基于柔性压力传感器阵列的智能自适应床垫，其特征在于，所述控制器上设有无线传输装置，所述无线传输装置与移动设备连接通信，所述传感层将压力分布的模拟信号转换为数字信号后通过无线传输装置传输给移动设备，移动设备调用经神经网络训练后的程序，根据压力分布得出此时使用者的睡姿，并将压力分布与该睡姿下的理想压力分布进行分析对比，计算出气缸行程差值，并通过控制器控制气缸伸缩。
3.根据权利要求1所述的基于柔性压力传感器阵列的智能自适应床垫，其特征在于，所述的气泵为外部包裹隔音材料的超静音气泵，所述超静音气泵通过加长气路设置在远离床垫的位置。
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