阅读说明：本技术 基于语音交互的智能刷牙系统及其控制方法 (Intelligent tooth brushing system based on voice interaction and control method thereof ) 是由 李晶 周嫣吉 于 2019-10-31 设计创作，主要内容包括：本发明提供一种基于语音交互的智能刷牙系统,包括牙刷内电路和互动装置电路；牙刷内电路,负责监控儿童刷牙时的手势状态、是否已放入口腔和互动装置的模式控制；通过光感应模块和三轴加速度模块判断牙刷是否放入口腔,通过按钮来确定当前工作模式；互动装置电路,负责检测儿童两次刷牙间隔,并接收牙刷的当前状态,从而决定执行的动作。该基于语音交互的智能刷牙系统的控制方法,包括教学模式和互动模式。本发明可以鼓励儿童刷牙,养成刷牙习惯,给儿童一个科学刷牙的引导,掌握刷牙的合理顺序。(The invention provides an intelligent tooth brushing system based on voice interaction, which comprises a circuit in a toothbrush and an interaction device circuit; the circuit in the toothbrush is responsible for monitoring the gesture state of the child during tooth brushing and controlling whether the child is put into the oral cavity or not and the mode of the interaction device; judging whether the toothbrush is put into the oral cavity or not through the light sensing module and the triaxial acceleration module, and determining the current working mode through a button; and the interactive device circuit is responsible for detecting the interval between two times of tooth brushing of the children and receiving the current state of the toothbrush so as to determine the executed action. The control method of the intelligent tooth brushing system based on voice interaction comprises a teaching mode and an interaction mode. The invention can encourage children to brush teeth, develop the tooth brushing habit, provide scientific tooth brushing guidance for children and master the reasonable tooth brushing sequence.)

基于语音交互的智能刷牙系统及其控制方法

技术领域

本发明涉及的儿童家居产品技术领域，尤其涉及一种基于语音交互的智能刷牙系统及其控制方法。

背景技术

六岁之前是孩子养成良好的刷牙习惯的黄金时期，有的孩子会因为刷牙不舒服而产生抗拒和抵触的情绪，导致不好好刷牙或是根本不主动去刷牙，由此令牙齿健康和口腔健康都陷入不好的境地。

儿童经常会有抗拒刷牙、对刷牙缺乏耐性和不理解为什么要刷牙的情况，这些情况使得儿童难以养成刷牙的习惯。

发明内容

本发明目的是提供一种鼓励儿童刷牙的方法和互动装置，其本发明中通过研究儿童的心理和喜好，结合实际生活中面对儿童刷牙问题的经验，设计一种鼓励儿童刷牙的装置，以帮助儿童喜欢上刷牙，养成刷牙习惯。具体目的如下：

(1)建立刷牙意识

本装置融入牙齿卫生的知识，让儿童建立对于刷牙的意识，让他们知道刷牙的重要性。通过趣味的互动装置，让他们知道如果不刷牙的话，牙齿可能就会因为细菌的侵入变成虫牙，到时候牙齿不仅变得黄黄的不好看，而且还会非常的疼。

(2)激发刷牙兴趣

本装置以关于刷牙的绘本《牙齿大街的新鲜事》为背景，结合故事情节，用实物的方式使儿童对刷牙有更直观的感受。

(3)引导科学刷牙

在建立儿童刷牙意识和兴趣后，需要给儿童一个科学刷牙的引导，掌握刷牙的合理顺序。引导儿童刷牙齿的外侧、内侧和咬合面。并且帮助儿童达到合适的刷牙时间长度。

技术方案的思路为，包括两种模式：

1、教学模式

该模式下本发明按设计的流程教导儿童如何正确刷牙，并根据两次刷牙间的间隔来改变装置的状态，来增强儿童的刷牙意识。

首先，当刷牙间隔时间超过12小时后，装置中牙齿形状内部的黄灯点亮，牙齿变黄。且牙齿下方会出现两个小口，小口内部有两个怪兽形状的小人(即《牙齿大街的新鲜事》中的雅克、迪克)，表明牙齿开始被细菌攻占；

接着，当儿童开始刷牙，装置中的牙膏车会送出一个清洁卫士，手握清扫工具来到牙齿旁。清洁卫士会根据科学的刷牙流程，把清扫工具在牙齿的外侧、内侧和咬合面逐一进行挥摆，表示在清洁；

最后，在达到合适的刷牙时间长度后，装置中牙齿形状内部的黄灯熄灭，牙齿下方会出现两个小口关闭，然后清洁卫士回到自己的牙膏车内。

2、互动模式

该模式下本发明根据儿童刷牙的姿势来进行相应具体动作，动工趣味互动来增加儿童刷牙兴趣。具体互动动作如下：

当儿童将牙刷放入口腔时，装置中的牙膏车会送出一个清洁卫士。反之，牙刷拿出口腔时清洁卫士回到车内；

当儿童刷内侧牙齿时，清扫工具在牙齿的内侧进行挥摆。同理，刷外侧和咬合面时清扫工具在牙齿内侧和咬合面进行挥摆；

当达到合适的刷牙时间长度后，装置中牙齿形状内部的黄灯熄灭，牙齿下方会出现两个小口关闭。

具体的技术方案为：

基于语音交互的智能刷牙系统，包括牙刷内电路和互动装置电路；

所述的牙刷内电路，负责监控儿童刷牙时的手势状态、是否已放入口腔和互动装置的模式控制；包括主控芯片Ⅰ，分别与主控芯片Ⅰ连接的蓝牙主模块、锂电池Ⅰ、三轴加速度模块、光感应模块、按钮和开关；充电模块Ⅰ与锂电池Ⅰ连接；通过光感应模块和三轴加速度模块判断牙刷是否放入口腔，通过按钮来确定当前工作模式；

所述的互动装置电路，负责检测儿童两次刷牙间隔，并接收牙刷的当前状态，从而决定执行的动作；包括主控芯片Ⅱ，分别与主控芯片Ⅱ连接的蓝牙从模块、时钟芯片、锂电池Ⅱ、线圈、牙齿LED、小车LED、小车电机及其驱动芯片、清洁卫士电机及其驱动芯片，充电模块Ⅱ与锂电池Ⅱ连接。

该基于语音交互的智能刷牙系统的控制方法，包括教学模式和互动模式；

所述的互动装置电路通过蓝牙从模块接收到当前工作模式；

如果是教学模式：

(1)检测儿童两次刷牙间隔，当刷牙间隔时间超过12小时后，牙齿LED点亮，该灯为黄色；且通过线圈通电产生磁力，将牙齿下方的两个小口门吸起，小口内部出现两个怪兽形状的小人；

(2)当接收到牙刷内电路的刷牙放入口腔信息后，小车LED点亮，该灯为绿色；互动装置电路中的小车电机送出牙膏车，牙膏车上安装有清洁卫士，手握清扫工具来到牙齿旁；清洁卫士电机用于带动清洁卫士手中的清扫工具挥摆，通过在三个方向的来回摆动，来实现在牙齿的外侧、内侧和咬合面的清扫示意；

(3)主控芯片Ⅱ对放入口腔的时间进行计时，当达到合适的刷牙时间长度后，牙齿LED熄灭，线圈磁力消失，然后清洁卫士通过小车电机回到牙膏车内；

如果是互动模式，则主要通过接收牙刷内电路的三轴加速度模块信息，来决定清洁卫士的挥摆方向；

(1)当接收到牙刷内电路的刷牙放入口腔信息后，互动装置电路中的小车电机送出牙膏车，牙膏车上有清洁卫士；反之，清洁卫士通过小车电机回到牙膏车内；

(2)当通过三轴加速度模块检测到刷内侧牙齿时，清洁卫士电机带动清洁卫士手中的清扫工具在牙齿的内侧进行挥摆；同理，检测到刷外侧和咬合面时清扫工具在牙齿内侧和咬合面进行挥摆；

(3)主控芯片Ⅱ对放入口腔的时间进行计时，当达到合适的刷牙时间长度后，牙齿LED熄灭，线圈磁力消失。

本发明提供的基于语音交互的智能刷牙系统及其控制方法，可以鼓励儿童刷牙，养成刷牙习惯，给儿童一个科学刷牙的引导，掌握刷牙的合理顺序。

附图说明

图1为本发明的牙刷内电路结构框图；

图2为本发明的互动装置电路结构框图。

具体实施方式

结合实施例说明本发明的具体技术方案。

基于语音交互的智能刷牙系统，包括牙刷内电路和互动装置电路；

如图1所示，所述的牙刷内电路，负责监控儿童刷牙时的手势状态、是否已放入口腔和互动装置的模式控制；包括主控芯片Ⅰ，分别与主控芯片Ⅰ连接的蓝牙主模块、锂电池Ⅰ、三轴加速度模块、光感应模块、按钮和开关；充电模块Ⅰ与锂电池Ⅰ连接；通过光感应模块和三轴加速度模块判断牙刷是否放入口腔，通过按钮来确定当前工作模式；

如图2所示，所述的互动装置电路，负责检测儿童两次刷牙间隔，并接收牙刷的当前状态，从而决定执行的动作；包括主控芯片Ⅱ，分别与主控芯片Ⅱ连接的蓝牙从模块、时钟芯片、锂电池Ⅱ、线圈、牙齿LED、小车LED、小车电机及其驱动芯片、清洁卫士电机及其驱动芯片，充电模块Ⅱ与锂电池Ⅱ连接。

各电路模块设计说明：

(1)主控芯片

主控芯片有两个，分别是牙刷内主控芯片Ⅰ和互动装置内主控芯片Ⅱ。其中：

牙刷内主控芯片Ⅰ主要负责接收光感应信号和三轴加速度信号，用于判断当前牙刷是否在口腔中，以及判断当前儿童刷牙的姿势。并将这些数据信息通过蓝牙模块发送到互动装置电路中；

互动装置电路内主控芯片Ⅱ主要负责检测儿童两次刷牙间隔，并接收牙刷的当前状态，从而决定执行的动作。执行的动作有：点亮牙齿LED和小车LED、使能线圈通电、控制小车电机和清洁卫士电机转动等。

(2)三轴加速度模块

三轴加速度模块用于检测儿童手握牙刷时的姿势变化，以及和光感应模块完成牙刷是否放入口腔的判断。三轴加速度模块选用MPU6050，可准确追踪快速和慢速动作，其为整合性六轴运动处理组件，相较于多组件方案，免除了组合陀螺仪和加速器时轴间差的问题，减小了体积。MPU6050与处理器之间使用SPI通信，因此需要底层SPI库驱动的支持，通信过程主要包括：MPU6050陀螺仪与加速度计初始化、读取陀螺仪数值、读取加速度计数值、读取数据的处理等。MPU6050需要初始化，首先要进行对应SPI接口的配置，设置合适的通信速率；然后通过读取设备ID进行器件检测，如果读取器件的ID为0x68说明设备通信正常，否则说明通信失败或没有该器件；检测到器件ID后进行器件的复位，为配置MPU6050的工作模式做准备；MPU6050工作模式的配置包括陀螺仪、加速度计输出量程的配置及使能数据中断输出。

(3)蓝牙模块

蓝牙模块负责数据的接收，选用PW-01蓝牙模块，它是主从机一体、串口数据透传和超低功耗的蓝牙透传模块。该模块基于蓝牙4.0协议标准，采用美国德州仪器TI CC2541芯片作为核心处理器。PW-01拥有强大全面的AT指令集，涵盖了蓝牙应用中几乎所有的场景。蓝牙模块接收手机的配置命令后，将数据传输给主控芯片，执行相应操作。其通过串口和主控芯片相连。

(4)光感应模块

光感应模块用于和三轴加速度模块一起判断牙刷是否放入口腔中。在环境光线亮度达不到设定阈值时，输出高电平，当外界环境光线亮度超过设定阈值时，输出低电平。输出端直接和主控芯片相连，通过主控芯片来检测高低电平，由此来检测环境的光线亮度改变。

(5)线圈

线圈负责和磁铁相互作用来使装置中牙齿下方的小门打开或闭合。线圈通电形成磁场，将小门往上吸，小门打开。当完成刷牙线圈断电则小门因没有磁力而关上。

(6)电机及其驱动芯片

电机共有两组：

小车电机，用于送出一个清洁卫士，将其送到牙齿旁。并在刷牙完成时送清洁卫士回到自己的牙膏车内；

清洁卫士电机，用于带动清洁卫士手中的清扫工具挥摆，通过在三个方向的来回摆动，来实现在牙齿的外侧、内侧和咬合面的清扫示意。

电机的工作需要电机驱动芯片来驱。驱动芯片选用L298N，它可以通过PWM脉宽平滑调速、可实现正反转，具有过电压和过电流保护。它是一种高电压、大电流电机驱动芯片。

(7)时钟芯片

时钟芯片主要是为主控芯片提供准确的时间。选择专用时钟芯片而不用主控芯片自带的定时器的原因：当用户想设置较长的间隔周期时，主控芯片没办法实现。本专利选择了DALLAS公司的DS1302，它是一种高性能、低功耗、带RAM的实时时钟电路，可以对年、月、日、周日、时、分、秒进行计时，且具有闰年补偿等多种功能。采用三线接口与主控芯片进行同步通信，即SCLK、I/O和RST。

(8)锂电池

锂电池包含了充电电路，输入端为MiniUSB口，选用3.7V锂电池。输入端为MiniUSB口。采用恒流、限压充电方式，充电电压不能超过8V，充电电流为1A，可以用安卓手机充电器充电。充电时红色指示灯亮，充满电后绿色指示灯亮。

该基于语音交互的智能刷牙系统的控制方法，包括教学模式和互动模式；

所述的互动装置电路通过蓝牙从模块接收到当前工作模式；

如果是教学模式：

(1)检测儿童两次刷牙间隔，当刷牙间隔时间超过12小时后，牙齿LED点亮，该灯为黄色；且通过线圈通电产生磁力，将牙齿下方的两个小口门吸起，小口内部出现两个怪兽形状的小人；

(2)当接收到牙刷内电路的刷牙放入口腔信息后，小车LED点亮，该灯为绿色；互动装置电路中的小车电机送出牙膏车，牙膏车上安装有清洁卫士，手握清扫工具来到牙齿旁；清洁卫士电机用于带动清洁卫士手中的清扫工具挥摆，通过在三个方向的来回摆动，来实现在牙齿的外侧、内侧和咬合面的清扫示意；

(3)主控芯片Ⅱ对放入口腔的时间进行计时，当达到合适的刷牙时间长度后，牙齿LED熄灭，线圈磁力消失，然后清洁卫士通过小车电机回到牙膏车内；

如果是互动模式，则主要通过接收牙刷内电路的三轴加速度模块信息，来决定清洁卫士的挥摆方向；

(1)当接收到牙刷内电路的刷牙放入口腔信息后，互动装置电路中的小车电机送出牙膏车，牙膏车上有清洁卫士；反之，清洁卫士通过小车电机回到牙膏车内；

(2)当通过三轴加速度模块检测到刷内侧牙齿时，清洁卫士电机带动清洁卫士手中的清扫工具在牙齿的内侧进行挥摆；同理，检测到刷外侧和咬合面时清扫工具在牙齿内侧和咬合面进行挥摆；

(3)主控芯片Ⅱ对放入口腔的时间进行计时，当达到合适的刷牙时间长度后，牙齿LED熄灭，线圈磁力消失。