CN101204345A

CN101204345A - 枕头护士

Info

Publication number: CN101204345A
Application number: CNA2006101255111A
Authority: CN
Inventors: 刘子清
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 2006-12-19
Filing date: 2006-12-19
Publication date: 2008-06-25

Abstract

本发明属机电一体智能化护理枕头。一种“枕头机器人”设备。它是用现代“好”枕头理念(成人的枕头以仰卧时高15－10cm，侧睡时枕高约20－15cm的高度为好。)结合简单的转动装置和微机检测控制系统组成的智能化的枕头。解决了人在睡眠状况下无法调整枕头高度的问题。它通过一个“映像”感测器，感触其人的睡觉姿势，并将枕头的高度调整到适当的位置。使人在睡眠的全过程中颈部始终保持在正常的生理弧度，从而提高了睡眠的舒适度和质量。长此可减少颈脊椎病的发生。同时微机通过传感器件，将人在睡眠时的室温、体温、心跳、等生理参数和翻身次数记录、储存、报警、显示。通过这些数据，用来指导人的睡眠，或者联网实现集中监护。

Description

枕头护士

(一)技术领域

属机电一体智能化枕头。一种能对睡眠的人做护理工作的枕头机器人

(二)背景技术

枕头是我们睡觉时最亲密的伙伴了，但是这个亲密的伙伴一旦使用不当，就会影响我们的健康。高枕容易引起颈椎病，长期睡高枕会改变人体颈椎正常生理弯曲，使局部软组织产生痉挛，炎症等。容易出现颈肩酸痛、手麻、头昏等症状。因此，高枕是引起落枕、颈椎病的常见原因之一。此外，高枕会增大颈部与胸部角度，使气管通气受阻易导致咽干、咽痛和鼻鼾。高枕还能使胸背肌肉长期紧张，胸部受压，妨碍正常呼吸，长此下去必定给身体带来不良影响。

高枕不好，用低枕或不用枕头是不是就好呢？专家指出：枕头过低或不用枕头同样不利于健康，不垫枕头，人仰卧时过分后仰，易张口呼吸进而产生口干、舌燥、咽喉疼痛和打呼噜现象枕头过低还会使得供血不太均衡，容易造成鼻粘膜充血肿胀，影响呼吸。

侧卧时，不垫枕头或枕头过低，颈椎侧弯一边的颈部肌肉会过分伸拉，疲劳而导致痉挛、疼痛、出现落枕。因重力关系，头部血流量不均衡影响睡眠，对于高血压和动脉粥样硬化病人有不良影响。

那么，什么样的枕头使人在睡眠状态下能始终保持在健康的姿态呢！

专家指出选用符合人体力学设计的枕头，不仅对颈椎，而且对整个脊椎的生理弯曲及脊椎旁肌肉都有好处，万病之源起于脊椎，脊椎常保健，才能保持身体健康，枕头的作用就是在睡眠时保证人体颈部的生理弧度不变形。

最好选择无论仰卧，侧卧都要能保持颈部正常生理弧度的枕头，成人以仰卧时高15-10厘米，侧卧时枕高约20-15厘米的高度为宜。(新华网2003年11月26日，枕头该多高才合适？)。

人一生有1/3的时间是在睡眠中度过的世界上每一个人都需要一个能够保障高质量的睡眠和健康的“好”枕头。

(三)发明内容

目前人们使用的枕头，都缺少能根据不同睡觉姿势自动调整枕头高度的能力。而且由于人在睡眠中无法自身调节枕头的高度。所以长期以来人们在睡眠中的大多数时间颈椎部是处在非正常的生理弧度状态，致使很多颈椎病的发生。本发明为其解决这一问题。枕头护士(以下简称护枕)是一种智能化的护理枕头。当人躺在护枕上，护枕能够感触到，并根据此人的睡觉姿势，当人仰卧时护枕自动降到10～15cm的高度，当人侧卧时护枕自动升到15～20cm的高度，其他半卧等姿势时自动升高或降低至10～20cm的某高度。同时微机通过各种传感器，实时捕捉其人在睡眠过程中的体温、室温、心跳、等生理参数和在什么时间段是何种睡觉姿态及翻身次数等数据、储存、报警、显示、联网，数据上传。

本发明实现智能化功能所采用的技术方案是：用微电脑技术。把人(侧卧、仰卧信号)、枕(升降驱动机构)、机(微电脑控制器)三者之间构建成一个闭环自动控制系统。根据人体工学特征，结合微电脑接口技术和软件程序算法形成“映像”识别系统，作为控制系统的感测器。用简单的杠杆、机械转动装置，作为该系统可使护枕高度升降的执行机构。当人躺在护枕上，人体各部位不带任何传感器。通过“映像”识别系统，就能够感触到并根据此人的睡觉姿势，微电脑控制器将护枕的高度调整到适当的位置。

本发明的实施有益效果是：由于护枕这种枕头设备能够对睡眠中的人的颈部进行护理，使之始终保持正常的生理弧度，从而提高了睡眠的舒适度和质量。长此可减少颈脊椎病的发生。人在睡眠中的体温、室温、心跳、等生理参数和翻身次数等数据采集。可以通过对这些数据进行分析，用来指导睡眠，不断提高睡眠的质量。护枕也可以作为一种新型实时数据采集设备，应用到护理人群比交集中的地方，医院、福利院等联网建立实时监护系统。

(四)附图说明

图1是实施的一种枕芯框架结构图，包括正视图1、正视图2、俯视图，其中正视图2为表示枕芯升高时的状态。

表1枕芯框架各部件作用

标号	名称	材质	说明
标号	名称	材质	说明	1	支点		在∏字型框上通过这点将枕头面顶起。
2	中间支点			1	支点		在∏字型框上通过这点将枕头面顶起。
2	中间支点			3	支杆	铁
4	杠杠	铁	杠杆结构	3	支杆	铁
4	杠杠	铁	杠杆结构	5	支点		在∏字型框上通过这点将枕头面顶起。
6	中间支点			5	支点		在∏字型框上通过这点将枕头面顶起。
6	中间支点			7	杠杠	铁
8	支杆			7	杠杠	铁
8	支杆			9	钢丝缆
10	微型直流电机		减速比1∶1200直流电机	9	钢丝缆
10	微型直流电机		减速比1∶1200直流电机	11	钢丝轮	铁	收放钢丝缆
12	外∏字型枕面框	木	木(实施样机)	11	钢丝轮	铁	收放钢丝缆
12	外∏字型枕面框	木	木(实施样机)	13	内∏字型枕面框	木	木(实施样机)
14	内框活动支点		为一对支点，内∏字型框挠这对支点旋转。	13	内∏字型枕面框	木	木(实施样机)
14	内框活动支点		为一对支点，内∏字型框挠这对支点旋转。	15	左承重木方	木	木(实施样机)
16	枕芯中心轴支杆		中心轴上安装电机和杠杆装置。	15	左承重木方	木	木(实施样机)
16	枕芯中心轴支杆		中心轴上安装电机和杠杆装置。	17	外框活动支点		为一对支点，外∏字型框挠这对支点旋转
18	右承重木方	木	木(实施样机)	17	外框活动支点		为一对支点，外∏字型框挠这对支点旋转
18	右承重木方	木	木(实施样机)	19	枕正面“舌头”		起托盘作用其上安放可伸缩的“映像”传感器。

图2是微机检测控制系统控制部分电路结构原理图。其中PHILIPS单片机P89PLC9401是P89LPC931与LCD驱动器PCF8576D的结合体，为微电脑控制器。

图3是主程序流程图。

(五)具体实施方式

一、系统结构

枕头护士护理功能的实现，使人、枕、机三者之间构成一个闭环控制系统，如图2我们看到：人的睡觉姿势变化通过一个“映像”识别器将信号送到微电脑控制器。枕头也有一个高度信号送到微电脑控制器。在微电脑里，人的睡觉姿势变化信号与枕芯高度信号进行比较，如果是正偏差，控制器向执行机构(电机)发出正向驱动命令、护枕升高。反之，则护枕降低，见图1。当两者信号相对应无偏差时，系统就稳定在这个状态。

本系统实施包括 1、可驱动升降(枕芯高度)装置：枕芯框架与护枕驱动。

2、微机检测控制系统：硬件部分和软件部分。

二、可驱动升降(枕芯高度)装置

2.1枕芯框架

枕芯框架结构图，见图1。各部件作用见表1。

2.2护枕驱动

2.2.1要求

●护枕的大小与普通枕头相近，枕长应宽出人的肩膀10cm左右。

●当人仰卧时护枕自动降到10～15cm的高度。

●当人侧卧时护枕自动升到15～20cm的高度。

●其他半卧等姿势时自动升高或降低至10～20cm的某高度。

2.2.2升降驱动

1、电机

一个成年人头的重量约5kg。即体重的10％左右。护枕从低位升到高位大约3～5cm。升起时人的头绕着颈部支点向上移动，即可以说护枕推动着头向上的力：f≤5kg取4kg

功w＝4kg×0.05m＝0.2kgm

0.2kgm×9.8＝1.96焦耳

当人从仰卧转向侧卧时护枕从低位变成高位，设计用20秒的时间达到高位，不会影响使用。

功率p＝w/t＝1.96焦耳/20秒＝0.098瓦

所以本系统电动机选用：微型直流减速电机其减速比为1∶1200、转数为2～3转/分钟、力矩为20kgf.cm、输出功率为0.6w.

2、升降杠杆

如附图1所示电机上的钢缆轮直径为2cm，周长为6.28cm当电机逆时针方向旋转一周，钢缆收短，将杠杆另一端翘起，把枕面抬高，达到护枕从低位升高到高位的效果。

这种机构较为简单，利用杠杆的支点转动，减少了噪声。另外外∏字型枕面框的两个支点在右承重木方上，内∏字型枕面框的两个支点在左承重木方上，稳定性好。

三、微机检测控制系统

3.1硬件部分

3.1.1微控制器

根椐系统功能要求，本系统作两种选择，一种为基本型P89LPC931单片机为控制器，另一种为增强型P89LPC9401FLASH单片机为控制器，LPC9401为P89LPC931和低复用率LCD驱动PCF8576D的结合体，所以两者在硬件和软件上可以兼容。P89LPC9401可直接驱动LCD。集成系统级功能，可减少元件的数目和电路板面积，降低系统成本。单片机选择片内振荡和片内复位时P89LPC931可多达26个I/O口，P89LPC9401可多达23个I/O口。

3.1.2控制部分电路

控制部分电路结构原理图见附图2

3.1.3I/O口连接

●P1.3、P3.1为I²C总线接口的数据线和时钟线与温度传感器和内部LCD驱动器PCF8576D的SDA、SCL相连。

●P0.1、P0.2与电机驱动电路的继电器相连。

●P.0.0、P2.0、P2.1与护枕高度位置信号相连。

●P1.7、P1.6、P1.4、P2.2、P2.3、P0.3、P0.4、P0.5、P0.6、P0.7、P2.5与“映像”和按键输入相连。

●P1.5、P0.4、P0.5(跳线)与ICP接口相连。

3.1.4I/O口配置

除了(P1.2、P1.3、P1.5)以外所有口均可由软配置4种输出类型之一。分别为准双向口、推挽输出、仅为输入及开漏输出。口线配置由特殊功能寄存器PxM1、PxM2的值控制，本机配置。

P0.1、P0.2 口输出模式，推挽输出

P1.2、P1.3、P1.5 口输出模式，仅为输入

其他I/O口口输出模式，准双向口

3.1.5信号输入功能

●用着键盘输入信号的I/O口配置成准双向口模式。当按键按下时输入端为低电平0，当没有按键按下时由于内部极弱的上拉电流，将引脚拉为高电平为1。

●将P1.5作为键盘输入口，当按键没有按下时，接于3V的10KΩ电阻，将引脚拉为高电平为1。

●由I/O口(多位)和“映像”识别软件，构成”映像“感测器。在护枕上靠近人体的一边有一个长的开口，感测器就从开口处伸出，如同人的舌头，可以伸缩。

●护枕的低、中、高位置信号，相当是三个可移动的行程开关。其等同键盘电路。

●P9LPC9401有两个模拟比较器预作鼾声和心跳检测。

3.1.6电机驱动

改变直流减速电机的供电电流方向即可改变转动方向。如附图2的电机驱动部分，当I/O口P0.1、P0.2为0时即为低电平，晶体管G1和晶体管G2都为截止状态，继电器A和继电器B的触点为常闭(与地接通)。电动机的两个端点都为接地，电机停转。当P0.1输出为1即为高电平，晶体管A导通。继电器A动着与常开触点(与+6V)接通，同时当P0.2为0时晶体管B截止，继电器B不动作，触点为常闭(与地接通)。这时电机反时针方向旋转(反转)。反之，则电机正时针方向旋转(正转)。P0.1、P0.2口输出与电机转动的关系如表2

表2P0.1P0.2口输出与电机转动的关系

输出口P0.1	输出口P0.2	电机旋转、方向
输出口P0.1	输出口P0.2	电机旋转、方向	0	0	停止
1	0	正转	0	0	停止
1	0	正转	0	1	反转
1	1	停止	0	1	反转

3.1.7数据的显示和功能扩展

PCF8576D是LCD显示驱动芯片而LPC9401是P89LPC931和PCF8576D的结合体。两部分通过I²C总线进行数据传输。I²C总线接口只需要两根信号线(数据线SDA和时钟线SCL)就可以完成高速的通信协议。I²C总线的硬件连接如附图2所示，把所有I²C器件的SDA、SCL连接在一起。再加两个上拉电阻就可以完成硬件配置。LPC9401控制内部PCF8576D驱动配带的LCD进行显示，调用I²C软件包对其进行操作。在I²C上连接了两个LM75温度传感器，或其他。

3.1.8ICP接口

在硬件设计上预留ICP接口，采用串行编程方式，可以方便的进行软件下载和后续升级。见附图2ICP接口。

3.2软件部分

3.2.1设计及功能的实现

●模快化设计：程序模快化、功能模快化。

●人性化设计：根据人在睡觉时的特性设计，比如人从一种睡觉姿势转为另一种睡觉姿势有一个稳定过程。护枕不是马上就变换高度，而是待稳定之后，才慢慢调整高度。

●翻身次数、室温、体温等不作实时显示，而是需要显示时，通过某键盘中断服务程序实现。

●温度的检测用LM75芯片，LM75是I²C接口，发出数字信息不需要转换，直接表示温度。测量温度的范围为-55℃到125℃，在护枕的枕面上安放两个LM75芯片，当人侧卧时，面部贴近其中一个芯片，这时测得的温度就是人的体温当体温超过37℃时，显示、报警，平常两个芯片测得的温度一致，这就是室温。

●在秒中断服务程序里，作数据整理和增加一些附加的功能。如能记录和保存人在睡眠时的各种参数。翻身次数，包括仰卧、侧卧次数，和室温、体温、时间等。可调出几天的情况作比较。提供给睡眠者，来调节自己的睡眠情况。也可多台护枕联网，集中监控。

●从功能讲有基本功能和附加功能。基本功能是护枕的高度升降调节功能。附加功能是记录、保存和显示功能。本系统设两个工作模式，全模式和半模式。全模式完成基本功能和附加功能。而半模式只完成附加功能，也就是说护枕这时只保持低位置高度，而高度不升降调节。

3.2.2主程序流程图

如图3

3.2.3主程序模块

1初始化程序

●定义：端口、寄存器、指针地址。

●特殊功能寄存器。

2数据采集模块

●采集各接口状态

●读传感器数据

●存放数据和状态字到存储器

3数据处理模块

●对数据分拆、比较、判断、传送、保存。

●是何睡觉姿势用数字表示。

●稳定系数值0为最高，根据情况自动修正。

●读模式字是选择全模式，还是半模式。

4控制执行模块

●读姿势数字。

●检查护枕现在的高度位置

●对控制部分如何动作形成命令。

●向控制电机的输出口写0或1。

●稳定后返回。

3.2.3程序清单(另)

Claims

1.枕头护士是将“好”枕头理念与现代微电子技术和简单独特的传动机构相结合，组成适合人在睡眠中自动调整枕头高度，使人的颈椎始终保持健康生理弧度及对在睡眠的人做一些护理工作的新型枕头设备。其特征在于其由可驱动升降枕芯高度的装置和微机检测控制系统及“映像”识别系统和其他传感器构成。

2.根据权利要求1所述枕头护士其特征在于“映像”识别系统由多位序列输出输入信号结合人体生理特征和软件算法而形成。

3.根据权利要求1所述枕头护士其特征在于可驱动升降枕芯高度的装置和微机检测控制系统及“映像”识别系统。人、机、枕三者之间构成闭环控制系统。

4.根据权利要求1所述枕头护士其特征在于微机检测控制系统及“映像”识别系统和其他传感器将人在睡眠过程中的各种生理参数数据记录、报警、显示。