本發(fā)明涉及一種基于IMU的交互式坐姿矯正裝置、坐姿矯正器及監(jiān)測軟件，屬于健康矯正技術領域。

背景技術：

隨著社會經濟的發(fā)展，青少年的整體視力水平不斷下降，校園里多數孩子都佩戴了眼鏡。在學習過程中，不正確的坐姿是導致近視很重要的一個原因。不正確的坐姿不僅會使孩子的學習效率降低，成績下降進而失去信心，同時也會影響身體健康，致使視力下降和脊柱彎曲，阻礙青少年骨骼的正常發(fā)育。保持一個良好的坐姿對于青少年來說是很重要的，但是由于自身缺乏自覺意識，在學習過程中不自主就會彎腰駝背甚至趴在桌子上，而家長和老師也不可能每時每刻都在孩子身邊對其提醒，久而久之孩子的身心健康將會因為坐姿而受到影響。因此設計一種智能坐姿提醒裝置，在孩子坐姿不正確時給予提醒，幫助孩子改正不良坐姿是很有意義的。

現有技術中的坐姿矯正裝置主要分為兩類：

第一類是坐姿矯正裝置，如專利號為CN2181410、CN215186等。這類裝置主要是通過彈性材料強制對人體進行坐姿矯正，裝置對人體有很強的限制性和壓迫感，嚴重時還可能對孩子的骨骼發(fā)育產生阻礙。并且采用強制的手段來矯正坐姿治標不治本，當卸下裝置后人體還是有彎腰駝背的趨勢。所以該類采用純被動式坐姿提醒裝置的效果不明顯。

第二類是坐姿提醒裝置。在人體坐姿不正確時給予提醒，督促孩子自覺坐正。目前坐姿提醒裝置主要分為座椅式和佩戴式。座椅式坐姿提醒裝置是通過在座椅上安裝紅外裝置或者利用超聲波測距原理來檢測人體坐姿并給予提醒，靈敏度高，穩(wěn)定性好，但是成本比較高并且不方便更換地方使用。還有一種是通過傾斜開關和相應的機械結構來監(jiān)測人體坐姿，該類裝置結構簡單，便攜性好，但是因為該類裝置利用水銀重力的原理來對坐姿進行監(jiān)測，里面的水銀開關容易破碎導致水銀溢出，安全性較低，并且水銀受溫度影響較大，低溫時水銀開關響應性差，甚至會出現失靈的情況。另一方面多數利用水銀開關的坐姿提醒裝置都是通過機械結構來調整預設角度，難免因為機械結構的原因限制了預設角度調整，具體體現在用戶只能根據設計好的機械結構在幾個給定的預設角度中進行選擇，而且裝置壽命比較短。

綜上所述，現有技術的坐姿提醒矯正裝置存在成本高、效果不明顯，響應性低、安全性低、使用壽命短等缺陷。

技術實現要素：

本發(fā)明的目的是為了解決現有技術成本高、矯正效果不明顯、響應速度慢、安全性差、使用壽命短的缺點，而提出一種基于IMU的交互式坐姿矯正裝置，包括：

傳感器信息接收模塊，用于接收傳感器采集的測量信息；

卡爾曼濾波模塊，用于將所述測量信息進行濾波處理，得到濾波后的加速度、角速度以及磁場信息；

數字運動處理模塊，用于根據所述加速度、角速度以及磁場信息通過計算得到方位信息；

坐姿信息計算模塊，用于根據所述方位信息與預設的基準信息得到坐姿信息；

坐姿判斷模塊，用于將所述坐姿信息與預設的坐姿信息閾值比較，得到判斷結果，并根據所述判斷結果進行矯正。

本發(fā)明還提出一種基于IMU的交互式坐姿矯正器，包括：

至少一個測量傳感器，適于設置在易于監(jiān)測人體脊柱彎曲程度的人體部位上，用于采集能夠表征人體脊柱彎曲程度的測量信息；

處理器，用于實現如前述裝置所述的功能；

所述測量傳感器與所述處理器連接，用于向所述處理器發(fā)送所述測量信息。

本發(fā)明還提出一種坐姿矯正監(jiān)測軟件，其特征在于，包括：

坐姿數據接收模塊，用于接收通過前述的裝置發(fā)送的坐姿數據；

坐姿圖像顯示模塊，用于根據所述坐姿數據繪制能夠表征用戶坐姿信息的坐姿圖像；

坐姿比較模塊，用于當接收到至少兩個坐姿數據時，將坐姿數據之間進行比較并將每個坐姿數據與預設的坐姿數據閾值進行比較，得到比較結果；

坐姿數據顯示模塊，用于顯示所述比較結果以及所述坐姿圖像。

本發(fā)明的有益效果為：對脊柱各個部分的方位信息進行直接測量，相比較間接測量方式準確度更高；通過多個傳感器的監(jiān)測得到豐富的脊柱姿態(tài)信息，可以根據脊柱姿態(tài)信息設置脊柱彎曲模式，并能夠在實際使用中識別這些脊柱彎曲模式；可以在手機、電腦端生動直觀的以動畫形式實時顯示脊柱姿態(tài)；可以根據用戶需求在手機、電腦端通過無線通信自由設定用戶能夠接受的脊柱彎曲閥值和提醒時長閥值，較其他裝置自由度和交互性更好；可以采用APP監(jiān)測的模式也為其社交功能擴展打下基礎。具有低功耗監(jiān)測模式，在保證對用戶坐姿監(jiān)測的同時也能夠有效的降低系統(tǒng)功耗、提高續(xù)航能力。提醒方式自由靈活可選擇語音或者振動方式給予提醒。本發(fā)明通過將多個IMU安裝在人體脊柱皮膚表層和頭部直接測量得到人體脊柱的彎曲情況并通過手機APP進行實時監(jiān)測和自由調整可彎曲裕度，測量的數據準確性高，實時性好，且具有使用壽命長、價格低廉、便攜性好、安全性高等優(yōu)點。

附圖說明

圖1為本發(fā)明的基于IMU的交互式坐姿矯正裝置的結構示意圖；

圖2為本發(fā)明的基于IMU的交互式坐姿矯正裝置的工作流程圖；

圖3為本發(fā)明的基于IMU的交互式坐姿矯正裝置的坐姿判斷流程圖；

圖4為本發(fā)明的基于IMU的交互式坐姿矯正裝置的坐姿歐拉角示意圖。

具體實施方式

具體實施方式一：本實施方式的基于IMU的交互式坐姿矯正裝置可以是集成在處理器中的軟件功能模塊，也可以是滿足功能要求的軟件固化成的硬件。

本實施方式的基于IMU的交互式坐姿矯正裝置如圖1所示，包括：

傳感器信息接收模塊，用于接收傳感器采集的測量信息。

卡爾曼濾波模塊，用于將所述加速度、角速度和磁場信息進行濾波處理，得到濾波后的加速度、角速度以及磁場信息。

數字運動處理模塊，用于根據所述加速度、角速度以及磁場信息通過計算得到方位信息。

坐姿信息計算模塊，用于根據所述方位信息與預設的基準信息得到坐姿信息。

坐姿判斷模塊，用于將所述坐姿信息與預設的坐姿信息閾值比較，得到判斷結果，并根據所述判斷結果進行矯正。

具體實施方式二：本實施方式與具體實施方式一不同的是：報警模塊包括預警判斷單元、計時單元以及提醒單元，其中預警判斷單元用于在檢測到所述判斷結果為坐姿不正確時控制計時單元開始計時，若預定的計時時間內所述判斷結果始終為坐姿不正確，則提醒單元在預定的計時時間結束時發(fā)出提醒信號。

本實施方式給了一種根據判斷結果進行校正的具體方式，即檢測判斷結果是否正確，若在一段時間內判斷結果始終為不正確，就發(fā)出提醒信號便于用于進行矯正。判斷結果是否正確可以是通過坐姿信息與預設坐姿信息比較，可以通過判斷大于或者小于等于來判斷是否為坐姿正確。

其它步驟及參數與具體實施方式一相同。

具體實施方式三：本實施方式與具體實施方式一或二不同的是：提醒信號用于控制振動電機、發(fā)光器件、揚聲器或其任意組合發(fā)出相應的提示信息，提示信息用于提醒用戶對坐姿進行主動矯正。

本實施方式披露了具體可以通過哪些硬件來發(fā)出提醒信號，可以通過電機發(fā)出振動信號，可以通過發(fā)光器件發(fā)出光信號，可以通過揚聲器發(fā)出聲音提示信號，也可以是上述各種信號的組合。還可以是通過電腦端或者手機端的屏幕動畫、振動或者發(fā)生來實現提醒的目的。在用戶感受到這些信號后，得知自己的坐姿是不正確的，即可對自己的坐姿進行主動的校正。發(fā)出提醒信號的硬件不限于上述提到的，還可以是通過風機發(fā)出適宜的風或者通過電熱絲發(fā)出適宜的熱，能夠達到提醒目的的、可被人體靈敏感知的信號均可，本發(fā)明不做限制。

其它步驟及參數與具體實施方式一或二相同。

具體實施方式四：本實施方式與具體實施方式一至三之一不同的是：方位信息包括在三維坐標系下的歐拉角；述坐姿信息為所述方位信息中的歐拉角與所述基準信息中的歐拉角的差值的絕對值。

本實施方式提出了方位信息的具體構成，方位信息也可以是旋轉四元數或者旋轉矩陣，上述兩種量可以轉化為歐拉角，因此獲取旋轉四元數或者旋轉矩陣也可以達到本發(fā)明的目的。

其它步驟及參數與具體實施方式一至三之一相同。

具體實施方式五：本實施方式與具體實施方式一至四之一不同的是：當坐姿信息大于坐姿信息閾值時，判斷結果為坐姿不正確，當坐姿信息小于或等于坐姿信息的閾值時，判斷結果為坐姿正確。、

本實施方式提供了判斷坐姿是否正確的方法，即將坐姿信息與坐姿信息閾值比較大小。也可以使用其他方式判斷坐姿是否正確，例如將坐姿信息閾值設置為具有多段區(qū)間的數組，將坐姿信息與這些數組進行匹配，判斷坐姿信息對應于哪個區(qū)間，而設置好的各個區(qū)間可以具有不同的、詳細的坐姿判斷結果，例如在區(qū)間A-B屬于背部姿勢不正確，區(qū)間C-D屬于腰部姿勢不正確等。

其它步驟及參數與具體實施方式一至四之一相同。

具體實施方式六：本實施方式與具體實施方式一至五之一不同的是：還可以包括無線通信模塊，用于將坐姿信息和/或判斷結果發(fā)送至移動終端，裝置通過所述無線通信模塊從移動終端接收坐姿信息閾值。

無線通信模塊可以是藍牙模塊或者wifi模塊，移動終端可以是手機或者平板電腦，也可以是其他種類的計算機。這樣設置可以在便攜式設備中實時地接收坐姿信息，或者向裝置發(fā)送坐姿信息閾值。

其它步驟及參數與具體實施方式一至五之一相同。

具體實施方式七：本實施方式與具體實施方式一至六之一不同的是：裝置還可以包括功耗管理模塊，用于當檢測到所述加速度信息在預定的時長內始終小于預定閾值時切換為低功耗模式。

本實施方式提供一種功耗管理模塊，來降低裝置的功耗。除了上述提供的智能的功耗降低方法之外，還可以使用手動的功耗降低方式，例如通過預先設置好的功能選擇模塊來選擇低功耗模式。

其它步驟及參數與具體實施方式一至六之一相同。

具體實施方式八：本實施方式與具體實施方式一至七之一不同的是：基準信息是由選定的測量信息得到的方位信息。

本實施方式提供了一種基準信息的獲得方式，即基準信息可以由測量得到，而不是人工預先設置。例如在用戶最初使用本裝置時，先取一個傳感器將其安裝在脊椎靠近腰部的位置，采集基準信息，于是之后的測量中都以這個固定的基準信息為準，進行后續(xù)的比較與測量。

具體實施方式九：本實施方式提供一種基于IMU的交互式坐姿矯正器，包括至少一個測量傳感器，適于設置在易于監(jiān)測人體脊柱彎曲程度的人體部位上，用于采集能夠表征人體脊柱彎曲程度的測量信息；處理器，用于實現具體實施方式一至八任意一項所述的基于IMU的交互式坐姿矯正裝置所述的功能。所述測量傳感器與所述處理器連接，用于向所述處理器發(fā)送所述測量信息。

本實施方式的坐姿矯正器除了具體實施一至八中的矯正裝置，還包括至少一個測量傳感器，傳感器用于采集測量信息并發(fā)送給處理器，處理器通過傳感器信息接收模塊接收到測量信息后，進行處理，最后得到判斷結果。這個過程及相關裝置在前述中詳盡說明了，此處不再贅述。

具體實施方式十：本實施方式與具體實施方式九不同的是：測量傳感器為IMU傳感器。

也可以選用能夠獲取歐拉角以及加速度的其他類型的傳感器。

其它步驟及參數與具體實施方式九相同。

下面對本發(fā)明的基于IMU的交互式坐姿矯正器做進一步的說明。

具體而言，傳感器可以使用九軸慣性測量單元(IMU)傳感器，內含3軸加速度計、3軸陀螺儀和3軸磁力計，可根據用戶需求在人體脊柱不同位置的皮膚表層以及頭部選擇性安裝多個IMU傳感器用于實時獲取相應部位的加速度、角速度和磁場信息。因為通過傳感器對加速度、陀螺儀和磁場信息進行測量不可避免會因為傳感器的抖動而產生一定的噪聲，所以在進行數據處理前需要對其進行濾波處理。而卡爾曼濾波適用于實時數據的處理以及多傳感器數據的融合，利用前一個時刻的估計值和現在時刻的觀測值來得到當前時刻的最佳估計值用于實時數據處理。

本發(fā)明采用卡爾曼濾波算法對傳感器采集到的數據進行濾波處理。利用上一個時刻的狀態(tài)矢量對這一時刻狀態(tài)量進行先驗估計，然后根據觀測方程更新狀態(tài)量。然后不斷循環(huán)直到濾波完成。

在對傳感器數據進行濾波后可以采用內置的數字運動處理器(DMP)將3軸加速度、3軸角速度和磁場信息進行融合得到旋轉矩陣、四元數和歐拉角等方位信息用于后續(xù)算法處理。其中，主要使用歐拉角作為后續(xù)計算的依據，由于旋轉矩陣、四元數與歐拉角之間可以隨意轉換，因此也可以通過獲取旋轉矩陣和\或四元數來代替歐拉角進行后續(xù)的計算。

為了避免安裝不正所帶來的傳感器坐標系和人體坐標系不重合的問題，我們需要對系統(tǒng)進行初始化校正。具體步驟為將多個傳感器安裝在人體脊柱不同位置的皮膚表層以及頭部后保持正確坐姿5s,此時校正單元會以脊柱下端皮膚表層傳感器的坐標系作為基準，假設其和人體坐標系重合然后對其他傳感器的方位信息進行校正得到傳感器坐標相對于人體坐標的旋轉矩陣R_i0(i＝1,2,3…)或者相對旋轉四元數q_i0(i＝1,2,3…)，之后所有傳感器采集到的方位信息只需要和其旋轉矩陣或者相對旋轉四元數相乘即可得到人體脊柱各個部位的方位信息。具體的安裝部位以及方位信息的示意圖如圖4所示。

本發(fā)明相對于其他坐姿提醒裝置能夠有效地對坐姿不正確的多種模式進行辨別。在三維空間中一般采用歐拉角來表示物體的方位。所以系統(tǒng)在校正時刻記錄下安裝于脊柱下端皮膚表層的傳感器所計算得到的俯仰角PITCH(0)、偏航角YAW(0)和滾轉角ROLL(0)，作為整個坐姿辨別的基準，實時對各個部位的傳感器的方位信息進行監(jiān)測。同時由傾斜角計算單元，在采集到方位信息后實時計算各個傳感器相對于基準在三個軸向的角度差值：

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

d_yaw(i)＝y(tǒng)aw(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)為不同部位傳感器的俯仰角、偏航角和滾轉角信息。然后根據歐拉角差值計算得到3個軸向的傾斜角α_i、β_i和γ_i，如圖4所示。若發(fā)現安裝于脊柱各個位置皮膚表層的傳感器和基準之間的傾斜角在某個方向上都超過了預設的角度閥值則說明人體脊柱處于整體前傾、左右傾斜或者扭轉狀態(tài)。若安放于人體脊柱下端皮膚表層的傳感器計算得到的傾斜角很小，但是脊柱皮膚表層其他位置的傳感器的傾斜角至少有一個超過了預設的角度閥值則說明人體脊柱處于向前彎曲、左右彎曲或部分扭轉狀態(tài)，結合具體是哪個方向的傾斜角超過了閥值就可以確定人體脊柱的確切狀態(tài)。若用戶在頭部也佩戴了傳感器，裝置還能還原人體頸部的姿態(tài)信息，更加全面的對坐姿進行監(jiān)測。在將多個傳感器的信息進行匯總后結合裝置的3D動畫顯示程序，用戶可以在手機或電腦端看到脊柱姿態(tài)的重構模型，對坐姿監(jiān)測較其他裝置更加的直觀和具體。

在進行坐姿模式識別之后，如果判斷用戶坐姿不正確則控制單元會向報警模塊發(fā)送預警信息。報警模塊包括判斷單元和計時單元以及提醒單元，計時單元在接收到控制單元信息后啟動開始記錄坐姿不正確的持續(xù)時間，當坐姿不正確的持續(xù)時間超過了時間閥值則會通過振動電機、LED或語音模塊等提醒用戶同時也會向手機、電腦監(jiān)測端報警。判斷單元還用于坐姿恢復正常后取消報警。

裝置還可設置有無線通信模塊用于將脊柱不同部位的方位信息通過WIFI或藍牙無線模式發(fā)送到手機或電腦端，結合3D動畫重構程序，用戶可以在手機、電腦上對坐姿進行實時監(jiān)測。并且對于不同用戶，可以自主設置脊柱彎曲的角度閥值和時間閥值然后通過通信模塊發(fā)送給裝置。

本發(fā)明還包括一種坐姿矯正監(jiān)測軟件，包括：

坐姿數據接收模塊，用于接收通過前述的裝置發(fā)送的坐姿數據；

坐姿圖像顯示模塊，用于根據坐姿數據繪制能夠表征用戶坐姿信息的坐姿圖像；

坐姿比較模塊，用于當接收到至少兩個坐姿數據時，將坐姿數據之間進行比較并將每個坐姿數據與預設的坐姿數據閾值進行比較，得到比較結果；

坐姿數據顯示模塊，用于顯示比較結果以及坐姿圖像。

通過App模式，用戶可以通過APP和朋友互動，比較坐姿監(jiān)測時長，以及可以將他們的坐姿標準程度和坐姿正確時長進行對比。老師或家長也可以利用APP對多個孩子的坐姿有個整體了解和比較。

考慮到裝置的續(xù)航性能，本發(fā)明還可以采用低功耗監(jiān)測模式，通過功耗管理模塊進行，當坐姿正確時，若測得所有傳感器加速度值都較小則判斷用戶處于靜止狀態(tài)，主控芯片和外設會進入休眠模式，只開啟加速度計監(jiān)測，只有當傳感器測得的加速度大于閥值且持續(xù)一段時間，主控芯片才會恢復正常工作模式進行數據處理。

<實施例1>

用戶打開裝置電源開關，裝置自動通過通信單元連接至手機、電腦端，在手機APP或者電腦端中通過拖動脊柱動畫模型來設置脊柱各個部分彎曲的閥值，然后設定不正確坐姿持續(xù)時間的閥值。

再將傳感器通過穿戴的方式安裝于人體脊柱不同位置的皮膚表層和頭部。保持身體坐直一段時間，系統(tǒng)自動進行初始化校正工作。如圖2和圖3所示，裝置實時采集各個傳感器的加速度、角速度和磁場信息，然后進行卡爾曼濾波。濾波后的數據通過數字運動處理單元計算得到脊柱各個部位的方位信息。然后由傾斜角差值計算單元計算出各個傳感器相對于初始化校正時刻基準的歐拉角差值和傾斜角差值。由坐姿判斷單元對坐姿正確與否進行判斷，同時坐姿判斷單元還能有效識別各種脊柱彎曲模式。當坐姿不正確后通過報警系統(tǒng)的計時單元對坐姿不正確的持續(xù)時間進行記錄，當其超過預設的閥值后采用語音模塊或者振動的形式對用戶進行提醒，只有當用戶坐姿恢復正常后才取消報警。

整個坐姿監(jiān)測過程都會將脊柱的姿態(tài)信息發(fā)送到手機端或電腦端然后通過動畫形式展現出來，方便家長對孩子坐姿的遠程監(jiān)控。裝置還采用低功耗監(jiān)測模式，在用戶坐姿正確且處于靜止時刻只開啟加速度監(jiān)測，只有當加速度大于某個閥值且持續(xù)一段時間后才恢復至正常模式。

本發(fā)明還可有其它多種實施例，在不背離本發(fā)明精神及其實質的情況下，本領域技術人員當可根據本發(fā)明作出各種相應的改變和變形，但這些相應的改變和變形都應屬于本發(fā)明所附的權利要求的保護范圍。