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柔性压力传感器应用在智能座垫上的坐姿监测






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▲坐姿监测











随着物联网产业的飞速发展,便携式医疗康复设备以及日常健康监测设备也有借物联网发展的大趋势,智能手环、体脂秤等日常健康监测设备已经慢慢开始融入人们的日常生活中。随着互联网、物联网、ICT、大数据、人工智能产业的大力发展,由于互联网产业的性质,越来越多的人开始长时间的在办公室工作,长此以往引发的坐姿健康问题也慢慢开始被人们关注。在人体坐姿识别和监测领域一直以来都是研究者研究的重点,随着柔性压力传感器的不断研究和发展,基于柔性压力传感器开发的智能座垫也被越来越多的被市场应用。



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监测坐姿的意义


在《中国制造 2025》出台的大背景下我国的物联网产业发展方兴未艾,智能物联设备慢慢的开始被人们所关注。随着 2020 年初国家提出新基建发展理念,其中大力推动 5G 基站的建设,5G 基站的建设以及 5G 的大力发展使得物联网产业可以突破现有的瓶颈实现进一步的发展。在物联网产业不断发展的过程中,属于物联网产业下的智能健康设备也伴随着科技在不断的进步,人们在生活中逐渐开始关心自己的基本身体指数,这依赖于智能健康手环、智能体脂秤等健康监测设备的不断发展,而这些设备也是越来越受到人们的欢迎和喜爱。在日常生活中人们开始关心自己每天的步数、每天的心跳、睡眠时间、睡眠质量以及体脂率等指标,这些指标与我们的日常生活以及身体健康状态息息相关,人们对于在日常生活中的可进行健康监测的设备的需求越来越强烈。同时伴随着 IT、IOT、AIOT、AI 等产业的大力发展,从事互联网行业的上班族越来越多,越来越多的人每天在办公室里处于坐姿状态下工作,人体坐姿健康也开始慢慢被长时间工作学习的人所关注。






近几年我国青少年的眼睛近视率居高不下,这不仅与科技不断地发展,青少年从小接触手机等电子产品相关,而且由于青少年正是学习阶段,长时间坐着学习,坐姿的不规范对于眼睛的影响也很大;上班族的职业病发病率也是逐年上升,随着“996”问题不断地被热议,上班族的工作的强度在不断地增加,休息的时间不断的减少,长期坐在办公室里工作的工作性质使得这些久坐的上班族会产生下背痛等身体健康问题,如果不注意自己的坐姿的话时间久了甚至会造成脊柱侧弯等严重的问题。






处于坐姿状态的人其各个身体部位所需要承受的压力是不一样的,长时间的坐下会造成人的腰椎间盘的位置产生异常的压力负荷,这种异常的压力负荷会导致人体的腰部、脊椎产生不舒适感。在日常生活中长时间驾驶的司机、伏案学习的学生以及现代社会中久坐的上班族都会不同程度的出现该类健康问题。而且有研究表明青春期早期是对人体养成坐姿的关键时期,青春期养成的不良坐姿习惯会影响整个成年期的姿势,造成人体背部疼痛,影响脊柱健康。所以如果有针对青少年的坐姿问题的健康监测设备,将会大大改善青少年的坐姿,保证青少年良好坐姿的同时可以缓解中国青少年近视人数过多的问题。很多研究结果也表明了如果在久坐工作者的电脑屏幕上同时显示当前实时坐姿和本人的正确坐姿的照片,有利于久坐工作者持续改善坐姿,减少肌肉骨骼疼痛。

随着智能物联网设备的不断发展以及人们的对于生活的要求不断地提高,人们对于居家的健康监测设备和可穿戴的健康监测设备的需求越来越高。这些设备不但能够让用户时刻监测自己的日常健康指数,还能够帮助患疾病后的康复者可以得到更有效的恢复。对于人体坐姿识别方法的研究在青少年预防近视和脊柱健康问题、改善成年人坐姿以及坐轮椅的康复者的恢复治疗中可以发挥重要的作用。







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不良坐姿的危害


从人体解剖学的角度进行分析,随着坐姿状态的改变,处于坐姿状态下时人的身体各个部位承受到的压力也会随之改变,造成臀部、腿部、腰部、颈椎所承受的压力发生变化。在处于坐姿状态下时,因为人的大腿下面有大量的神经组织而且有主动脉,因此人的大腿其实并不能承受太大的压力,这部分受到的压力如果太大,常常会导致我们的腿局部麻木,严重的就会对我们的身体健康造成影响;在人体处于坐姿状态时,如果坐姿正确,那么人体与座椅表面接触的压力分布应当是由坐骨向外压力渐渐减小。


人体错误的坐姿主要有身体前倾式、无后腰支撑的后倾式等。对于许多久坐的上班族来讲,骨盆重心前倾、坐骨后移的身体前倾式坐姿是非常舒服的一种姿势。但是这种坐姿由于人的头部随着身体向前倾,脖子需要支撑头部,长时间会导致颈椎痛、脑袋疼,对于人体的颈椎、脖子会造成较大的健康危害。而且人体上背部因为坐姿的前倾会导致的弯曲度较大,在人的身体处于前倾状态下的时候,腰部用力会远远大于腹部用力,腰部的肌肉会紧。而这种长时间持续的腰部发力,会导致人的腰肌承受的压力过大,严重时导致人体腰部的疼痛。


无后腰支撑的坐姿也就是一种松垮的后倾坐姿,是骨盆后倾,坐骨前移的一种姿态。在这种腰部悬空的姿态下,我们的腰部没有得到应有的力量支撑,韧带是在一种放松的状态下,在这种状态时,韧带就失去了对我们的身体的支撑作用。如果久坐的人长此以往的保持这种状态,身体的脊柱就易发生序列变形,我们身体原有的肌肉所使用的力量就会分布不均,时间久了就会使得脊柱发生生理曲度的变形。最为严重的是时间久了会使得腰椎整体退化。







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柔性压力传感器

应用于智能座垫


处于坐姿状态下时,如果保持正常坐姿座椅表面的压力分布会符合以下几个特点,首先臀部坐骨处的压力应该是最高的,在与座椅边缘接触的大腿下表面不应有太大的压力,整个压力从坐骨区域向四周扩散时的压力是慢慢较小的,人体在正常坐姿状态下压力应当分布均匀并且左右对称。

▲理想的腿部和臀部压力模型

基于薄膜压力传感器的人体坐姿识别方法主要是将薄膜压力传感器布置在椅面或者椅背上,通过采集人体的臀部压力数据或背部压力数据,对压力数据进行预处理后通过机器学习、深度学习等算法对人体的不同坐姿进行分类识别。




▲终端测试效果图



座垫压力传感器适用于监测各种皮肤接触时所产生的压力(如屁股着座及身体压力),目前针对身体按压力应用的场景较多的是智能座垫,通过慧闻科技的柔性压力传感器的检测可以收集用户的坐姿信息、是否离座等项目监测。座垫感应到坐姿不正确,会自动提示或报警,这是机械矫正,智能感应。座垫压力传感器是由上下两层聚酯薄膜及其复合的材料贴合而成,其压力点分布及感应范围均 可根据客户要求定制。

通过柔性阵列压力传感器来设计便携式坐姿实时监测及智能提醒系统。该系统可以根据生物力学、人体工程学规律,通过铺设于座椅上的柔性阵列压力传感器,采集坐立时臀部和腿部压力分布数据;通过安装在所处环境内的温湿度、气体传感器,实时采集环境参数。对采集到的压力分布数据和环境参数上传至云端服务器进行分析处理。最终通过终端端口与用户进行交互,实时提醒用户及时调整坐姿以保持标准坐姿以及调整环境参数以保证坐立所处环境的舒适度。







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问答

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智能座垫中柔性压力传感器的工作原理

柔性阵列压力传感器拥有多个多个独立感应区, 采用行列相间的矩阵式设计布局,多引线接口,基于压阻敏感机理和隧道效应理论,在相互接触表面形成接触电阻,上层和下层的接触点即压力敏感点。在没有压力时,其具有稳定的初始接触电阻;在有压力时,其接触电阻随压力的増加而线性减小,通过检测其接触电阻的变化值可以计算出其相对应敏感单元或区域的压力值。由于此传感器厚度非常薄,柔性较好易于弯曲,因此它可以随身携带,可用于日常生活中的各种场合,具有很好的便携性。





排版 | 慧闻科技

文字图片 | 部分来源于网络(侵删)


企业简介

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苏州慧闻纳米科技有限公司是一家从事智能传感器研发、生产和销售,同时提供人工嗅觉解决方案的国家级高新技术企业。公司于2014年由来自前NASA的科学家团队在苏州成立,目前已研发出针对多种有毒有害气体(如甲醛、酒精、氨气、一氧化碳、氮氧化物、硫化氢、甲烷、TVOC 等)的传感器芯片及相应的检测模块,在昆山建成了MEMS气体传感器、热电堆温度传感器、柔性压力传感器、红外CO2传感器模组、激光PM2.5传感器生产线,目前其它MEMS传感器也将陆续量产。目前公司与中科院、清华等单位共同承担科技部2030“面向新一代人工智能的新型感知器件和芯片技术”的重大科技专项,与姑苏实验室合作开展人工嗅觉平台研发项目;2021年公司牵头承担了科技部十四五“智能传感器”重点研发计划,公司主要负责新型低功耗智能传感器的研发;公司还入选工业信息化部家电智能控制部件及算法“一条龙”应用示范参与单位,所属环节为元器件,主要工作是基础元器件性能、可靠性提升,这也标志着慧闻科技智能气体传感器成为国家新型战略产业链、供应链中关键的基础元器零部件。
公司开发的多通道气体传感阵列芯片及其检测系统具有功耗低、体积小、灵敏度高、选择性好、智能化、可集成等诸多优点。目前通过集成于智能手机中,使手机具有“嗅觉”功能,可对环境气体进行自动识别和定量检测。目前,公司已经申请发明专利及软件著作权九十多项,四十多项已获得授权。公司接下来在不断拓展传感器检测气体种类的同时,还将在精准识别、精确检测上不断完善,让微型模块化的“电子鼻”系统能够集成到越来越多的智能终端设备中,积极拓展在人工嗅觉领域的应用。
公司的使命是“智慧感知、健康生活”,为客户和社会持续创造最大价值。公司内部树立了“专业致精,管理规范,服务至诚,追求卓越”的质量方针和“环保优先、安全第一、质量至上、以人为本”的质量健康安全环保的理念。


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