智能坐姿檢測儀的設(shè)計與實現(xiàn)

劉天宋

（常州劉國鈞高等職業(yè)技術(shù)學(xué)校 常州 213025）

1 引言

坐姿與健康密切相關(guān)，由于坐姿不當(dāng)，造成了許多中小學(xué)生近視、駝背，導(dǎo)致許多的白領(lǐng)患上頸椎、腰椎等疾?。?～2］。這些問題往往影響到人們正常的學(xué)習(xí)和工作，降低了他們的生活質(zhì)量，因此，在學(xué)習(xí)和工作中，保持正確的坐姿非常重要。但是，由于各種原因，長時間保持正確的坐姿是不可能的，因此，有必要開發(fā)一些坐姿檢測設(shè)備來輔助我們保持正確的坐姿。

當(dāng)前，坐姿檢測的方法主要有以下幾種：基于人工觀測的方法、基于視頻錄制分析的方法、基于可穿戴傳感器的方法和基于主觀問卷調(diào)查的方法［3］。人工觀測的方法主要是依靠專業(yè)人員采取繪圖、拍照或者文字記錄等方式來記錄人的坐姿，以用于后續(xù)進一步的分析［4］?；谝曨l錄制分析的方法［5］則是利用計算機或者錄像機來記錄人們的姿勢，然后通過計算機分析相應(yīng)的姿勢，但是，該方法因受限于技術(shù)等問題無法廣泛推廣?；诳纱┐鱾鞲衅鞯姆椒ǎ?］需要在用戶身上配置傳感器以獲取坐姿信息，該方法精度較高，但存在因長時間佩戴傳感器而導(dǎo)致的不舒服感。以上各種方法各有優(yōu)缺點，但都由于難以達到廉價性和擴展性，所以很難在學(xué)習(xí)和工作環(huán)境下推廣。

本文設(shè)計了一種智能坐姿檢測儀。該檢測儀包括殼體和控制電路兩大部分。殼體采用馬鞍形結(jié)構(gòu)設(shè)計，控制系統(tǒng)采用Arduino UNO作為主控板。利用接觸開關(guān)和超聲波傳感器獲取人體的坐姿信息，并通過實驗確定檢測坐姿是否正確的方法。最后，制作出了樣機，并對樣機進行了測試。

2 殼體設(shè)計

2.1 結(jié)構(gòu)設(shè)計

圖1為本坐姿檢測儀殼體的三維CAD模型爆炸圖。由圖1可見，該檢測儀包含左右側(cè)殼體、主殼體、智能串口屏、3組超聲波傳感器、4個接觸開關(guān)，傳感器和電路安裝支架等部分。其中，左側(cè)殼體、主殼體和右側(cè)殼體表面曲面形狀為馬鞍面，這既保證了機械部分的力學(xué)性能，由使得曲面形狀與人體腰椎的生理曲線吻合。該殼體樣機采用PLA材料通過FDM工藝3D打印技術(shù)制作，各零件間通過螺栓聯(lián)接在一起，所用PLA材料的主要性能如表1所示［7］。

表1 PLA材料相關(guān)參數(shù)

圖1 坐姿檢測儀殼體三維CAD模型爆炸圖

2.2 有限元分析

假設(shè)人體以最大限度的依靠在該檢測儀殼體上，如圖2所示。以一名身高為175cm，體重為75kg的男性為例，此時該檢測儀殼體的應(yīng)力分布和位移分布云圖分別如圖3和圖4所示，可見，該殼體的最大應(yīng)力位于主殼體中央位置，并逐漸向四周減小。最大應(yīng)為值為5.11×105Pa，小于材料的屈服強度。最大位移為1.44×10-2mm，在許可范圍內(nèi)。

3 控制系統(tǒng)設(shè)計

3.1 總體電路設(shè)計

圖5所示，為本檢測儀的硬件電路關(guān)系框圖。本系統(tǒng)采用 Arduino UNO［8］作為主控板，通過 3組超聲波傳感器和4路接觸開關(guān)來檢測人體的坐姿。坐姿不當(dāng)時，蜂鳴器發(fā)出警報聲?？梢酝ㄟ^USART HMI智能串口屏實現(xiàn)人機交互。

圖2 人體以最大限度的依靠在該檢測儀殼體上

圖3 檢測儀殼體的應(yīng)力分布云圖

圖4 檢測儀殼體的位移分布云圖

圖5 坐姿檢測儀硬件電路關(guān)系圖

Arduino UNO是一種開源的電路板，利用12V直流電源進行供電，具有便捷、方便等特點，可以通過計算機中Arduino IDE開發(fā)環(huán)境方便的對其進行編程和開發(fā)。

3.2 超聲波測距

超聲波具有指向性強，能量消耗緩慢，傳播距離較遠等優(yōu)點［9］。本系統(tǒng)正是利用了超聲波傳感器的此種特點來檢測人體距離系統(tǒng)外殼的距離。將3組超聲波測距電路模塊安裝在椅子的靠背上，制作成一個超聲波陣列，并于Arduino UNO控制板連接，用來測量人體后背與椅子靠背間的距離，如圖1所示。

超聲波傳感器測量數(shù)據(jù)如下：

利用中位值平均濾波法［10］對測量得到的數(shù)據(jù)進行處理，具體如下：

1）利用第i組超聲波測量電路連續(xù)采樣N個數(shù)據(jù)：

其中，Di為第i組超聲波測量電路測量得到的距離，di為第i組超聲波測距電路每次測量得到的距離。

2）利用“冒泡法”對Di進行排序，排除該組數(shù)據(jù)中的最大值和最小值。

3）計算N-2個數(shù)據(jù)的算術(shù)平均值。

一般的N的取值范圍為3～14，在本設(shè)計中取N=10。

3.3 坐姿實驗

為了得到不同情況時的坐姿數(shù)據(jù)，需要進行實驗，對不同身高的人坐立時的數(shù)據(jù)進行采集，并錄入到系統(tǒng)中。以175cm成年男性為例，當(dāng)其坐在椅子上時，他的后背可以貼在檢測儀外殼上，如圖6所示，也可以離開外殼一定的距離，如圖7所示，兩種情況均為正確坐姿。當(dāng)由正常坐姿轉(zhuǎn)換為伏案姿勢時，如圖8所示，此時的人體脊椎曲線發(fā)生了變化，若長時間保持這種姿勢，則會造成肌肉疲勞等問題。表2記錄了成年男性不同身高的人體在不同坐姿情況下的傳感器數(shù)據(jù)。

圖6 人體后背貼在檢測儀外殼上

圖7 人體離開外殼一定距離時的正確坐姿

圖8 人體離開外殼一定距離時的伏案坐姿

表2 成年男性不同坐姿時的傳感器數(shù)據(jù)

對于不同身高的人來說，只要其后背貼合在系統(tǒng)外殼上時，人體即處于正確坐姿，從表2中可以看出，此種狀態(tài)下，4路接觸開關(guān)輸出結(jié)果為1，即為高電平；

而當(dāng)人體離開系統(tǒng)外殼時，其坐姿狀態(tài)是否正確則取決于傳感器采集到的數(shù)據(jù)Di。從表2可以看出，在正常坐姿情況下，傳感器采集到的各數(shù)據(jù)Di的值相差較小，在3mm之內(nèi)。而伏案坐姿情況下，傳感器采集到的各數(shù)據(jù)值則波動較大，一般大于10mm。為此，可以求出Di的標(biāo)準差σ的值，作為檢測坐姿是否正確的依據(jù)。σ的計算公式如下：

3.4 程序設(shè)計

該智能坐姿檢測儀的程序采用Arduino開放源代碼的集成開發(fā)環(huán)境Arduino IDE編寫。Arduino IDE集成了多種功能的程序模塊，如串口通信、舵機驅(qū)動等，這使得編程更為簡單快捷。智能坐姿檢測儀的坐姿檢測程序流程圖如圖9所示。

圖9 坐姿檢測程序流程圖

4 樣機測試

對制作完成的智能坐姿檢測儀進行實際的坐姿試驗測試，如圖6～圖8所示。結(jié)果表明，該智能檢測儀檢測結(jié)果準確可靠，在坐姿不正確時，蜂鳴器發(fā)出了警報聲。在身高165cm～180cm范圍內(nèi)，選擇不同的人員作為檢測對象，也均得到較為準確的測試結(jié)果。

5 結(jié)語

本文設(shè)計了一種智能坐姿檢測儀，該檢測儀包括殼體和控制電路兩大部分。殼體樣機主體部分采用3D打印技術(shù)制造?；贏rduino UNO主控板設(shè)計了該檢測儀的控制系統(tǒng)，該系統(tǒng)利用接觸開關(guān)和超聲波傳感器獲取人體的坐姿信息，并利用實驗方法確定了檢測坐姿是否正確的方法。通過測試，該智能坐姿檢測儀檢測結(jié)果準確。