一种自供电的人体坐姿监测靠垫
阅读说明：本技术 一种自供电的人体坐姿监测靠垫 (Self-powered human body sitting posture monitoring back cushion ) 是由 陈锐 王慧港 刘福友 刘道会 熊琴 蒲华燕 罗均 于 2021-07-14 设计创作，主要内容包括：本发明公开了一种自供电的人体坐姿监测靠垫,其包括：主体部分,传感部分,其中主体部分包括靠垫基底、阶梯状凹槽、电源模块、信号处理模块、通信模块,传感部分包括支撑底座、柔性电极层、下部摩擦层、折纸结构层、上部摩擦层、导电线,下部摩擦层由下部摩擦层基底和棱台状凸起组成,采用一体化成型工艺。本发明提供一种基于摩擦纳米发电机原理的自供电的人体坐姿监测靠垫,通过上部摩擦层与下部摩擦层间的接触和挤压,产生电信号,其不需要外部电源对传感模块供电,具有结构简单性、使用安全性以及环境友好性。(The invention discloses a self-powered human body sitting posture monitoring back cushion, which comprises: the main body part comprises a back cushion substrate, a stepped groove, a power supply module, a signal processing module and a communication module, the sensing part comprises a supporting base, a flexible electrode layer, a lower friction layer, a paper folding structure layer, an upper friction layer and a conductive wire, the lower friction layer consists of a lower friction layer substrate and a prismoid-shaped bulge, and an integrated molding process is adopted. The invention provides a self-powered human sitting posture monitoring back cushion based on a friction nano generator principle, which generates an electric signal through the contact and extrusion between an upper friction layer and a lower friction layer, does not need an external power supply to supply power to a sensing module, and has the advantages of simple structure, use safety and environmental friendliness.)
技术领域
本发明属于摩擦纳米发电技术领域，特别涉及一种自供电的人体坐姿监测靠垫。
背景技术
随着生活和工作方式的转变，人们每天都会保持长时间的坐姿，久坐问题日益突出。伴随着坐的时间变长，人们往往会倾向于选择更为“舒服”的不良坐姿，如前倾、半躺、翘腿等，这些不良坐姿会减少肌肉和韧带的发力，使骨头和关节承受更大的力，关节和骨头长期处于高压状态，会导致颈椎病、腰间盘突出、体态形变、视力减退、超重肥胖等严重的危害。因此，需要对人体的坐姿进行检测，并对不良坐姿进行反馈提醒。
面对较长的坐姿时间，人们往往会选择靠垫、坐垫等辅助措施来保证坐姿的舒适性。因此，靠垫对人们坐姿的正确性、舒适性极为重要，同时也是加设坐姿监测传感器的最佳物体。现有的具有坐姿监测功能的靠垫，其传感器模块通常需要电源进行供电，这使得靠垫体积增大、结构复杂且不利于安全性和环保性，同时充电或更换电源的操作也导致使用过程变得繁琐。
发明内容
本发明提供一种自供电的人体坐姿监测靠垫，可在使用过程中对人体坐姿状态进行监测，并且在传感器运行过程中可自行供电，靠垫的传感器模块可根据人体形态的不同，进行自适应变形。
为实现上述技术目的，达到上述技术效果，本发明是通过以下技术方案实现的：
一种自供电的人体坐姿监测靠垫，包括：
主体部分，其包括由弹性材料制作而成的靠垫基底、基底表面分布的阶梯状凹槽结构、信号处理模块、电源模块、通信模块，其中靠垫基底由具有多孔结构的弹性材料制成，基底表面为符合人体工程学模型的马鞍状结构，所述阶梯状凹槽结构均匀分布于基底表面；
传感部分，其包括支撑底座、导电线、柔性电极层、下部摩擦层、折纸结构层、上部摩擦层，所述下部摩擦层包括下部摩擦层基底、棱台状凸起结构，其中棱台状凸起结构均匀分布于下部摩擦层基底上表面，所述上部摩擦层通过折纸结构层与下部摩擦层连接，形成闭合空间，所述柔性电极层位于下部摩擦层下部，所述导电线连接柔性电极层与外部电路；
进一步地，所述主体结构靠垫基底由具有多孔结构的弹性材料制成。
进一步地，所述传感部分支撑底座具有阶梯状结构，由硅胶制成。
进一步地，所述传感部分柔性电极层为石墨烯柔性电极。
进一步地，所述传感部分下部摩擦层基底、棱台状凸起结构均由硅胶制成，采用一体化浇铸成型工艺。
进一步地，所述传感部分折纸结构层采用聚四氟乙烯PTFE制成、上部摩擦层由尼龙材料制成，两部分采用胶水粘接。
进一步地，所述传感部分导电线为导电银线，其连接柔性电极层与外部电路。
进一步地，所述主体结构阶梯状凹槽与传感部分支撑底座具有配合关系。
进一步地，所述传感部分通过导电线与主体结构信号处理模块相连，信号处理模块与电源模块和通信模块相连。
本发明在使用时，传感部分的上部摩擦层与下部摩擦层电性不同，在外力作用下两摩擦层接触，下部摩擦层棱台状凸起部分产生较大形变，由于接触起电和静电感应的耦合作用，在柔性电极层与大地间产生电势差，从而产生电信号。同时，当外部压力不同时，下部摩擦层凸起部分形变程度不同，根据接触起电和静电感应原理，其产生的电压信号数值不同。此处以实际应用过程为例，当人体靠在靠垫上时，首先，主体部分的弹性靠垫基底与传感部分的硅胶材质支撑底座，在外部压力作用下，产生自适应形变，传感部分顶部与人体产生自适应贴合，使传感部分上部摩擦层受力始终与其和人体接触面垂直；其次，在传感部分，上部摩擦层在压力作用下挤压下部摩擦层，并使其棱台状凸起产生形变，由于接触起电和静电感应的耦合作用，在柔性电极层与大地间产生电势差，从而在导电线上产生电流；最后，在主体部分，电源模块为电路供电，信号处理模块处理接收到的电信号，并通过通信模块将处理后的信号发送至外部终端，根据自供电的人体坐姿监测靠垫上分布的不同传感部分所测得的不同电信号，可以判断人体坐姿状态。
本发明在使用时，主体部分与传感部分采用分离式设计，具有可拆卸、可更换、可拆分清洗的功能。
本发明的有益效果为：本发明设计巧妙，通过采用分布式的多传感模块集成到靠枕上，这样可以通过不同传感模块所测得的电信号值，来监测人体的坐姿状态；采用弹性材料和柔性材料制作靠枕基底和传感部分支撑底座，这样可以使传感部分在收到人体施加的压力时，传感部分上部摩擦层受力始终与其和人体接触面垂直，从而使所测得的信号更加精确；上部摩擦层与下部摩擦层通过折纸结构层连接，整体具有更好的适应性，同时摩擦效应层没有与人体直接接触，避免了由于人体汗液等导致的电信号差异；下部摩擦层上表面设计有棱台状凸起结构，在压力作用下，可以产生更大的面积变化，从而提高摩擦电荷密度，增强摩擦电效应；根据摩擦纳米发电的原理设计传感模块，具有自供电的特性，不需要外部电源对传感器进行供电，降低了结构的复杂性、增强了使用的安全性、具有环境的友好性。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，下面将对实施例描述所需要使用的附图作简单地介绍，下面描述中的附图仅以传感部分受力弯曲为实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为本发明的总体结构轴测图；
图2本发明的总体结构主视图；
图3为本发明的总体结构在A-A面的剖视图；
图4为图3中在Ⅰ处的局部放大图；
图5为本发明主体部分结构示意图；
图6为本发明的传感部分俯视图；
图7为本发明的传感部分主视图；
图8为本发明的传感部分爆炸结构示意图；
图9为图8中下部摩擦层结构示意图；
图10为传感部分受力弯曲时的工作原理示意图；
图11为本发明主体部分的电器元件连接示意图。
附图中，各标号所代表的部件列表如下：
1-主体部分，2-传感部分，11-靠垫基底，12-阶梯状凹槽，13-电源模块，14-信号处理模块，15-通信模块，21-导电线，22-柔性电极层，23-折纸结构层，24-上部摩擦层，25-下部摩擦层，26-支撑底座，251-下部摩擦层基底，252-棱台状凸起结构。
具体实施方式
为了使本发明实现的技术手段、创作特征、达成目的与功效易于明白了解，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅以传感部分受力弯曲为实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其它实施例，都属于本发明保护的范围。
如图1至图7所示，本发明为一种自供电的人体坐姿监测靠垫，包括：
主体部分1，其中包括靠垫基底11、阶梯状凹槽12、信号处理模块14、电源模块13、通信模块15。
传感部分2，其中包括支撑底座26、与柔性电极层22连接的导电线21、折纸结构层23、上部摩擦层24、下部摩擦层25具有下部摩擦层基底251、棱台状凸起结构252，采用一体化成型，上部摩擦层23与下部摩擦层25，通过折纸结构层23连接，形成闭合空间。
进一步地，上部摩擦层24、折纸结构层23、下部摩擦层25、柔性电极层22、支撑底座26装配时保证俯视中心对齐。
进一步地，所述传感部分折纸结构层采用聚四氟乙烯PTFE制成、上部摩擦层由尼龙材料制成，两部分采用胶水粘接。
进一步地，下部摩擦层基底251、棱台状凸起结构252采用硅胶浇铸，一体化成型工艺。
进一步地，柔性电极层22为石墨烯柔性电极，采用丝网印刷工艺制成。
进一步地，靠垫基底11采用具有多孔结构的弹性材料，支撑底座26采用硅胶材质，阶梯状凹槽12与支撑底座26具有配合关系。
进一步地，支撑底座26中心有圆柱形通孔，其内部设有导电线21，连接柔性电极层22与信号处理模块14。
具体工作时，如图4所示为传感部分初始状态的主视图，如图3所示为初始状态的俯视图，此时未向其施加压力，传感部分未产生形变。当人体靠在靠垫上时，首先，主体部分1的弹性靠垫基底11与传感部分的硅胶材质支撑底座26，在外部压力作用下，产生自适应形变，如图7所示，传感部分顶部与人体产生自适应贴合，使传感部分2上部摩擦层24受力始终与其和人体接触面垂直；其次，在传感部分2，折纸结构层23在外力作用下折叠压缩，使上部摩擦层24在压力作用下靠近并挤压下部摩擦层25，并使其棱台状凸起252产生形变，由于接触起电和静电感应的耦合作用，在上部摩擦层24与下部摩擦层25接触挤压过程中，由于接触表面材料的电子亲和势不同，电荷从下部摩擦层25上表面转移至上部摩擦层24下表面，相应的，在下部摩擦层25下表面与柔性电极层22间，以及上部摩擦层24上表面与人体间，也产生电荷转移，从而在导电线21上产生电流；最后，在主体部分1，电源模块13为电路供电，信号处理模块14处理接收到的电信号，并通过通信模块15将处理后的信号发送至外部终端。根据自供电的人体坐姿监测靠垫上分布的不同传感部分所测得的不同电信号，可以判断人体坐姿状态。
可以理解的是，由于人体坐姿不同，使分布在自供电人体坐姿监测靠垫上的不同传感部分所受的压力不同，导致上部摩擦层24与下部摩擦层25间的压力不同，从而棱台状凸起结构252的面积形变量不同，根据接触起电和静电感应的耦合原理，其产生的电信号程度不同，根据不同传感部分2间信号的差异，可以对人体坐姿状态进行监测。
可以理解的是，上部摩擦层24与下部摩擦层25间，通过折纸结构层23连接，故在上部摩擦层24与下部摩擦层25间具有一定的初始距离，以便于摩擦电效应的产生，同时，由于折纸结构层23具有受外力作用收缩、撤去外力时恢复原来形状的性质，所以该发明具有可重复使用的性质。
可以理解的是，由于柔性电极层22为石墨烯柔性电极，可进行一定程度的变形，故在受外力作用时，可以保证其结构与功能的完整性。
可以理解的是，由于主体部分1由具有多孔结构的弹性材料制成，传感部分2的支撑底座26由硅胶制成，且主体部分1的阶梯状凹槽12与传感部分2的支撑底座26具有配合关系，故两者可进行自由拆卸和组装，并且在受外力作用时，传感部分2可以根据施力情况不同，进行自适应变形，使使传感部分2上部摩擦层24受力始终与其和人体接触面垂直，保证所测得电信号的准确性。
以上公开的本发明优选实施例只是用于帮助阐述本发明。优选实施例并没有详尽叙述所有的细节，也不限制该发明仅为所述具体实施方式。显然，根据本说明书的内容，可作很多的修改和变化。本说明书选取并具体描述这些实施例，是为了更好地解释本发明的原理和实际应用，从而使所属技术领域技术人员能很好地理解和利用本发明。本发明仅受权利要求书及其全部范围和等效物的限制。
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