一种刷牙指导模型电子检测系统的制作方法

本发明涉及电子检测技术领域，具体涉及一种刷牙指导模型电子检测系统，可用于指导用户刷牙的教学领域。

背景技术：

随着生活水平的提高，人们对牙齿的重视程度越来越高。科学的刷牙方法，不但可以保持口腔清洁，还能消除口腔内食物碎片和牙面菌斑，减少口腔环境中的致病因素，增强身体的抵抗能力。但目前在教育和医学领域，只能通过老师或医生口述的方式指导人们的刷牙方法和习惯，这不能满足人们掌握正确刷牙方法和习惯的要求。随着电子检测技术的快速发展，交互式智能刷牙系统已出现在教育和医学领域，并起到了指导刷牙的作用。

当前我国《口腔预防医学》教科书在描述成年人正确刷牙方法时，有以下要点由于描述无精确限定而难以掌握：第一，牙刷纤维对着牙龈方向与牙长轴呈45度角；第二，牙刷纤维在龈沟水平运动为短距离颤动；第三，牙刷纤维对龈沟的压力轻柔。

目前，刷牙指导模型系统主要利用压力传感器检测刷牙时的力度大小，但是其安装位置难以确定，因为每个人刷牙的肢体动作具有多样性以及空间上的差异性，从而导致压力传感器的受力点不均匀；利用加速度计传感器检测刷牙角度，通常是检测静态重力加速在其三个检测轴上的分量大小，利用检测到的三个分量计算可得刷牙角度，这样得到的角度是以水平空间坐标系为参照的，是绝对角度，其忽略了牙齿的差异性；利用磁力传感器和陀螺仪检测刷牙姿态，包括刷牙持续时间，运动轨迹等，但磁力传感器易受到外界磁场的干扰，导致测量精度下降。

授权公告号为CN204155477U的中国发明专利“一种具有手势识别功能的电子口腔教具牙刷”，公开了一种电子口腔教具牙刷，包括处理器，处理器分别连接有电源、压力传感器、倾斜角及频率位移传感器和语音放音模块，语音放音模块与无线调频发射器连接，无线调频发射器通过无线信号与无线耳机连接。其存在的不足是：采用薄膜型压力传感器来实现压力的检测增大了教具牙刷的机械结构设计复杂度；其次，薄膜型压力传感器的安装部位需要产生形变才能检测压力，而形变不均匀以及形变部位产生疲劳都会影响检测精度；再次，采用三轴加速度传感器来实现倾斜角及频率的检测增大了三轴加速度计的工作量，降低了实时性，在微距离刷牙过程中，检测精度会大大降低；另外，由于采用了语音放音模块，而播放语音需要一定的时间长度，在放音时，语音放音模块无法反馈实时的检测结果。

技术实现要素：

针对上述现有技术中存在的问题，本发明的目的在于，提供一种刷牙指导模型电子检测系统，能更为准确地检测牙刷在刷牙时的角度、压力以及颤动距离等，从而能得到更加客观、真实的数据，为教学指导工作提供有力的辅助。

为了实现上述任务，本发明采用以下技术方案：

一种刷牙指导模型电子检测系统，包括：牙刷、牙齿基座模型，在牙刷上安装有传感模块，牙齿基座模型上安装有电子检测模块；

所述的传感模块包括第一数据采集单元以及与第一数据采集单元连接的微控制器单元，其中，第一数据采集单元包括第一霍尔传感器以及第一加速度计传感器，第一霍尔传感器安装在所述牙刷的刷头处；所述的电子检测模块包括第二数据采集单元、辅助MCU单元、锁存器单元、主MCU单元和结果输出单元；所述的第二数据采集单元包括第二加速计传感器、第二霍尔传感器和第三霍尔传感器，第二加速度计传感器与主MCU单元连接，第二霍尔传感器、第三霍尔传感器分别与辅助MCU单元连接，辅助MCU单元通过锁存器单元与主MCU单元连接，主MCU单元与结果输出单元、所述的微控制器单元连接；所述的第二霍尔传感器、第三霍尔传感器间隔安装在牙齿基座模型的牙齿上；

在利用所述的牙刷对牙齿基座模型进行刷牙操作时，微控制器单元接收到第一霍尔传感器检测到磁场强度的变化而输出的模拟电压信号得到刷牙力度值，接收第一加速度计传感器输出的数据信号得到测量的重力加速度数据，并将刷牙力度值、重力加速度数据传递给主MCU单元；所述的辅助MCU单元接收到第二霍尔传感器、第三霍尔传感器检测到磁场强度的变化而输出的模拟电压信号得到刷牙速度值和颤动距离值并存储在锁存器单元中，供主MCU单元读取；主MCU单元接收第二加速度计传感器输出的数据信号得到测量的重力加速度数据，并根据第一加速度计传感器、第二加速度计传感器测量结果，计算出刷牙角度值，然后将当前的刷牙角度值、刷牙力度值、刷牙速度值以及颤动距离值与正常值之间比较的偏差结果输出到结果输出单元。

进一步地，所述的牙刷的刷头中安装有一个柱形磁体，柱形磁体位于所述的第一霍尔传感器的上方，且柱形磁体与第一霍尔传感器之间的距离可变。

进一步地，所述的牙刷包括依次连接的刷头、刷杆以及牙刷柄腔体，其中，刷头包括一个空心且无顶面的牙刷头腔体，在牙刷头腔体中活动式装配有活动植毛板，活动植毛板上分布有牙刷毛纤维；在活动植毛板的中部设置有凹槽，凹槽中安装所述的柱形磁体，柱形磁体位于牙刷毛纤维之间，柱形磁体的顶部与牙刷头腔体底面的距离小于牙刷毛纤维顶部与牙刷头腔体底面的距离；在活动植毛板的底部与牙刷头腔体底面之间设置有弹簧，牙刷头腔体顶部的边缘上设置有用于限制活动植毛板的卡沿。

进一步地，所述的第一加速度计传感器安装在牙刷柄腔体中，第一加速度计传感器的安装平面与所述的牙刷毛纤维的横截面平行；所述的第一霍尔传感器安装在所述的牙刷头腔体中，位于柱形磁体的正下方。

进一步地，所述的第二霍尔传感器、第三霍尔传感器紧贴在牙齿基座上待检测的牙齿的侧壁与牙龈相交处；第二加速度计传感器在牙齿基座模型上的安装平面与牙长轴线垂直。

进一步的，所述的刷牙角度值的计算过程如下：

第一加速度计传感器检测重力加速度沿其安装平面所在的空间坐标系三轴的分量大小，由此可得从第一加速度计传感器的安装平面所在的空间坐标系到水平面空间坐标系的转换关系，利用此转换关系将安装平面的法向量转换到水平面空间坐标系；

第二加速度计传感器检测重力加速度沿其安装平面所在的空间坐标系三轴的分量大小，由此可得从第二加速度计传感器的安装平面所在的空间坐标系到水平面空间坐标系的转换关系，利用此转换关系可将安装平面的法向量转换到水平面空间坐标系；最后求解转换到水平面空间坐标系的两个安装平面的法向量之间的夹角即可得到刷牙角度值。

进一步地，所述的颤动距离值S₀的计算公式为：

$S_0=\frac{(S_3^2-S_1^2+S_2^2-S_4^2)}{2S}$

上式中，S₁和S₂表示当刷头处于起点位置时第二霍尔传感器和第三霍尔传感器与柱型磁体的直线距离；S₃和S₄表示当刷头处于终点位置时，第二霍尔传感器和第三霍尔传感器与柱型磁体的直线距离；S表示第二霍尔传感器、第三霍尔传感器的间距。

进一步地，所述的结果输出单元包括蜂鸣器和LED指示灯。

本发明与现有技术相比具有以下技术特点：

第一，采用了两个三轴加速度计传感器，分别检测重力加速度沿牙刷的刷毛横截面所在的空间坐标系的三轴的分量大小以及重力加速度沿牙齿牙长轴横截面所在的空间坐标系的三轴的分量的大小，而牙刷和牙齿基座模型是两个相互独立的空间载体，因此，可以计算得到牙刷与牙齿基座模型的牙齿之间的相对角度，能有效地检测刷牙角度。

第二，采用了霍尔传感器结合弹性物质的方式间接地检测力度的方式，使得相较于使用压力传感器直接检测力度的方式有如下优点：(1)检测微小压力(0.2～3N)；(2)刷毛多点受力的总和。

第三，采用了蜂鸣器和LED指示灯作为检测结果反馈单元，增强了系统的实时性，并且从视觉和听觉两方面来反馈结果，使得与用户的互动性增强，能有效地达到指导刷牙的目的。

第四，采用了三片微处理器降低本系统的工作周期，使得本发明有很好的实时性。

第五，采用了锁存器用于暂存辅助MCU单元送来的数据，供主MCU单元读取，使得主MCU单元与辅助MCU单元能够异步工作，更大程度上提高了整个系统的工作效率。

附图说明

图1为本发明的电子检测模块以及传感模块的结构框图；

图2为本发明中锁存器单元以及处理器之间的连接原理示意图；

图3为本发明中牙刷的结构示意图；

图4为本发明中牙齿基座模型部分的结构示意图；

图5为在一次刷牙过程中刷头与牙齿基座模型上两个传感器之间的位置示意图；

图中标号代表：1—刷头，2—卡沿，3—牙刷毛纤维，4—柱形磁体，5—活动植毛板，6—牙刷头腔体，7—牙刷柄腔体，8—第一加速度计传感器，9—弹簧，10—第一霍尔传感器，11—刷杆，12—第二加速度计传感器，13—第二霍尔传感器，14—第三霍尔传感器。

具体实施方式

遵从上述技术方案，如图1至图5所示，本发明提供了一种刷牙指导模型电子检测系统，包括：牙刷、牙齿基座模型，在牙刷上安装有传感模块，牙齿基座模型上安装有电子检测模块；其中，牙刷用于和牙齿基座模型配合，在利用牙刷在牙齿基座模型上刷牙时，利用传感模块、电子检测模块共同得到刷牙的相关数据。

传感模块包括第一数据采集单元以及与第一数据采集单元连接的微控制器单元，其中，第一数据采集单元包括第一霍尔传感器以及第一加速度计传感器，第一霍尔传感器安装在所述牙刷的刷头处，第一霍尔传感器、第一加速度计传感器均随着牙刷的运动而同时运动；

电子检测模块包括第二数据采集单元、辅助MCU单元、锁存器单元、主MCU单元和结果输出单元；所述的第二数据采集单元包括第二加速计传感器、第二霍尔传感器和第三霍尔传感器，第二加速度计传感器与主MCU单元连接，第二霍尔传感器、第三霍尔传感器分别与辅助MCU单元连接，辅助MCU单元通过锁存器单元与主MCU单元连接，主MCU单元与结果输出单元、所述的微控制器单元连接；所述的第二霍尔传感器、第三霍尔传感器间隔安装在牙齿基座模型的牙齿上。第二霍尔传感器、第三霍尔传感器以及第二加速度计传感器在刷牙过程位置不发生变动。

在本方案中，结果输出单元包括蜂鸣器和LED指示灯，可将测量结果以声光的形式表现出来，通过声光反馈刷牙的角度、力度、速度和颤动距离是否正确。

本发明的基本工作过程如下：

在利用所述的牙刷对牙齿基座模型进行刷牙操作时，微控制器单元接收到第一霍尔传感器检测到磁场强度的变化而输出的模拟电压信号得到刷牙力度值，接收第一加速度计传感器输出的数据信号得到测量的动态重力加速度数据，并将刷牙力度值、重力加速度数据传递给主MCU单元；

辅助MCU单元接收到第二霍尔传感器、第三霍尔传感器检测到磁场强度的变化而输出的模拟电压信号得到刷牙速度值和颤动距离值并存储在锁存器单元中，供主MCU单元读取；主MCU单元接收第二加速度计传感器输出的数据信号得到测量的静态重力加速度数据，并根据第一加速度计传感器、第二加速度计传感器测量结果(动态重力加速度数据和静态重力加速度数据)，计算出刷牙角度值，然后将当前的刷牙角度值、刷牙力度值、刷牙速度值以及颤动距离值与正常值(存储在主MCU单元中)之间比较的偏差结果输出到结果输出单元，即如果当前数据与符合正常值的范围，则蜂鸣器不报警，LED指示灯的绿灯亮；否则蜂鸣器报警，LED指示灯的红灯亮。

本发明电子检测系统中的第一和第二加速度计传感器均采用三轴加速度计传感器；第一霍尔传感器结合弹性物质的方式间接地检测力度为刷毛多点受力的总和，可以检测微小压力仅为0.2～3N；牙刷和牙齿基座模型是两个相互独立的空间载体，通过检测可以计算得到牙刷与牙齿基座模型的牙齿之间的相对角度，能有效地检测刷牙角度。

本发明采用了三片微处理器和一个锁存器，包括：主MCU单元、辅助MCU单元和微控制器单元，降低本系统的工作周期的同时，主MCU单元与辅助MCU单元能够异步工作，更大程度上提高了整个系统的工作效率，使得本发明有很好的实时性，本发明以正确的刷牙方法为标准依据，实时检测刷牙力度、刷牙角度、刷牙速度和刷牙颤动距离，并将检测值与标准值作对比得到刷牙结果，通过蜂鸣器、LED指示灯将刷牙结果反馈给用户，用户根据反馈结果来调整自己的刷牙方法，从而达到指导刷牙和培养刷牙习惯的目的。三片微处理器可均采用单片机。

作为本方案的进一步优化，在牙刷的刷头中安装有一个柱形磁体，柱形磁体位于所述的第一霍尔传感器的上方，且柱形磁体与第一霍尔传感器之间的距离可变。设置柱形磁体的目的是为了便于给霍尔传感器提供变化的磁场，以配合霍尔传感器的使用，获取准确的检测结果。由于霍尔传感器在工作过程中，检测到有磁场变化时会产生不同的电压信号，因此本方案中需要考虑在刷牙运动的同时，利用一个柱形磁体能同时影响第一霍尔传感器、第二霍尔传感器和第三霍尔传感器。这样不仅对柱形磁体进行了有效的利用，并且统一了参考系，便于后续的数据计算过程。因此，发明人将柱形磁体安装在了牙刷的刷头处，并设置成活动式的安装方式。当利用牙刷进行刷牙时，由于刷头一直在动，那么柱形磁体相对于固定安装的第二霍尔传感器、第三霍尔传感器的位置就时刻在发生变化，因此能通过第二霍尔传感器、第三霍尔传感器获取变化的电压信号，从而给出位置数据；而由于柱形磁体又是活动式的安装方式，那么在牙刷的刷头活动时，第一霍尔传感器和柱形磁体之间的距离也发生着变化，由此能通过第一霍尔传感器检测变化磁场来获取数据。

如图3所示，本发明进一步地给出了一个牙刷结构：

牙刷包括依次连接的刷头、刷杆以及牙刷柄腔体，其中，刷头包括一个空心且无顶面的牙刷头腔体，该腔体可以为圆角的矩形体结构、椭圆主体结构等，和一般牙刷的刷头形状相仿；在牙刷头腔体中活动式装配有活动植毛板，活动植毛板上分布有牙刷毛纤维；在活动植毛板的底部与牙刷头腔体底面之间设置有弹簧，牙刷头腔体顶部的边缘上设置有用于限制活动植毛板的卡沿。在活动植毛板的中部设置有凹槽，凹槽中安装所述的柱形磁体，柱形磁体位于牙刷毛纤维之间，柱形磁体的顶部与牙刷头腔体底面的距离小于牙刷毛纤维顶部与牙刷头腔体底面的距离。第一加速度计传感器安装在牙刷柄腔体中，第一加速度计传感器的安装平面与所述的牙刷毛纤维的横截面平行；第一加速度传感器如图3所示为矩形结构，所述的安装平面即在安装平面内。这样的设置方式，是为了便于以其安装平面为基础建立三轴坐标系，建立坐标系时，x轴和y轴均在安装平面内，z轴垂直于安装平面设置。

在图3中可以看到，活动植毛板专门用来安装牙刷毛纤维(刷毛)，可在牙刷头腔体中上下运动。第一霍尔传感器安装在所述的牙刷头腔体中，位于柱形磁体的正下方，并附着在牙刷头腔体的底部。当牙刷在牙齿模型上拂刷牙齿时，牙齿会对牙刷毛纤维产生压力的反作用，此时弹簧被压缩，活动植毛板向牙刷头腔体底部运动，嵌入在活动植毛板上的柱型磁体与第一霍尔传感器的距离缩小，第一霍尔传感器检测到的磁场强度增大，从而其输出模拟电压信号也增大。由于刷牙力度值与弹性物质的压缩量成线性关系，而弹性物质的压缩量直接表现为柱型磁体与第一霍尔传感器之间的距离，柱型磁体与第一霍尔传感器之间的距离大小直接决定第一霍尔传感器检测到的磁场强度大小，而第一霍尔传感器检测到的磁场强度大小直接表现为其输出模拟电压信号的大小。所以，根据输出的模拟电压信号可以得到刷牙力度值。

在本实施例中，牙刷的尺寸与普通的电动牙刷的规格相仿，具体尺寸大小如下：刷头长29.7mm，宽18.2mm，高15.5mm；牙刷头腔体深13.5mm，底厚2mm，侧壁厚1.5mm；牙刷柄腔体长92mm，内径(半径)13mm，外径(半径)15mm，壁厚约2mm。牙齿的基座模型按照约两倍于人体真实牙齿模型制作。

图4是本发明的牙齿基座模型中传各感器安装位置示意图，如图所示，第二霍尔传感器、第三霍尔传感器紧贴在牙齿基座上待检测的牙齿的侧壁与牙龈相交处，本实施例中，二者间距为9mm，这是因为当柱形磁体与霍尔传感器之间的距离超过9mm时，霍尔传感器能够检测到的磁场强度比较弱。第二加速度计传感器安装在牙齿基座模型中，其所在的安装平面与牙长轴线垂直。

在刷牙过程中，第一加速度计传感器检测重力加速度沿其安装平面所在的空间坐标系(上述的三轴坐标系)三轴的分量大小，并输出相应的数字信号，由此可得从第一加速度计传感器的安装平面所在的空间坐标系到水平面空间坐标系的转换关系，利用此转换关系将安装平面的法向量转换到水平面空间坐标系；这里的水平面空间坐标系只有一个，是以在水平面内选择原点建立相互垂直的x、y轴，然后在垂直于水平面的方向上建立z轴。

同样地，第二加速度计传感器检测重力加速度沿其安装平面所在的空间坐标系三轴的分量大小，并输出相应的数字信号，由此可得从第二加速度计传感器的安装平面所在的空间坐标系到水平面空间坐标系的转换关系，利用此转换关系可将安装平面的法向量转换到水平面空间坐标系；最后求解转换到水平面空间坐标系的两个安装平面的法向量之间的夹角即可得到刷牙角度值。

图5是一次刷牙过程中牙刷头与牙齿基座模型中两个霍尔传感器的位置示意图，如图5所示，S₁和S₂表示当刷头处于起点位置时第二霍尔传感器和第三霍尔传感器与柱型磁体的直线距离；S₃和S₄表示当刷头处于终点位置时，第二霍尔传感器和第三霍尔传感器与柱型磁体的直线距离；h表示牙刷头与第二霍尔传感器、第三霍尔传感器的垂直距离。S表示第二霍尔传感器、第三霍尔传感器的间距。则可以得到它们之间的关系式：

$S_0=\frac{(S_3^2-S_1^2+S_2^2-S_4^2)}{2S}$

式中S₀即为刷牙时的颤动距离。由于柱型磁体与霍尔传感器之间的直线距离和霍尔传感器检测到的磁场强度成一定的线性关系，而磁场强度直接表现为霍尔传感器输出的电压信号得大小。所以，依据霍尔传感器输出的电压信号得大小可以计算出柱型磁体与霍尔传感器之间的直线距离，即上式中的S₁、S₂、S₃和S₄。