一种刷牙力度、频率和距离检测装置及方法与流程

本发明属于智能牙刷技术领域，涉及一种刷牙力度、频率和距离检测装置及方法，可用于指导用户刷牙的教学领域。

背景技术：

儿童或幼儿不愿意刷牙、刷牙方法不正确，长此以往，导致龋齿问题。但目前教育和医学领域指导刷牙的模型仍停留在初级阶段，只能通过老师或医生口述来进行说教，不能满足人们对正确刷牙指导的要求。随着电子技术的发展，智能型电子教学用具的使用和发展，能够更加规范化和指标化的代替人工教学。

近年来，在口腔预防医学教学及实验中，为了培训正确的刷牙方法，规范和量化了具体刷牙操作细则：(1)牙刷纤维对龈沟的压力为100g～150g；(2)牙刷纤维在龈沟水平运动频率大于2次/秒；(3)牙刷纤维在龈沟颤动距离小于2mm；(4)牙刷纤维对着牙龈方向与牙长轴呈45°。这种细则规定了刷牙时手和臂需要把握合适的牙刷力度、频率、距离和角度。儿童或幼儿不能正确把握这种细则，目前需要一种指导用户刷牙的口腔教具，能够实时并精确的检测牙刷力度、频率、距离和角度参数值，以便能够规范化和标准化的指导用户刷牙。

现有的检测技术领域对刷牙力度的检测基于压力传感器，压力传感器一般安装于教具牙刷的牙刷头内，检测被施加到刷毛区的力度。压力传感器一般采用薄膜型高精度压力传感器，用户将牙刷靠在牙齿上，随着压力的变化，薄膜型高精度压力传感器检测100g～150g左右的刷牙力度，检测结果精度不高。

现有的检测技术领域对刷牙频率和距离的检测基于姿态检测模块，姿态检测模块安装于教具牙刷中，检测刷牙动作。姿态检测模块一般采用加速度传感器、磁力传感器和陀螺仪。随着刷牙动作的变化，测量用户刷牙的角度和加速度，推测刷牙动作的均匀度，检测动作的有效性。这种方法只能推测刷牙动作的连贯性，姿态检测模块检测大于2次/秒的刷牙频率和2mm左右的刷牙距离，检测结果精度不高。

例如中国专利申请，授权公告号为CN204155477U，名称为“一种具有手势 识别功能的电子口腔教具牙刷”的发明专利，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：压力传感器采用薄膜型高精度压力传感器，刷牙过程中刷毛受力不均匀，薄膜型高精度压力传感器检测力度受压力作用点位置和压力量程的影响，对于检测量程为100g～150g的刷牙力度，检测刷牙力度精度不高；倾斜角及频率位移传感器采用三轴加速度计，三轴加速度计可以测量得到空间加速度，从空间加速度推测刷牙频率和距离，算法复杂并且难度大，要求检测大于2次/秒的刷牙频率和2mm左右的刷牙距离，检测刷牙频率和距离精度不高。

技术实现要素：

本发明的目的在于克服上述现有技术存在的缺陷，提出了一种刷牙力度、频率和距离的检测装置和方法，用于解决现有技术检测精确度低的技术问题。

为实现上述目的，本发明采取的技术方案为：

一种刷牙力度、频率和距离的检测装置，包括牙刷头1、牙刷头检测装置2、牙齿模型3和牙齿模型检测装置4，其中：

牙刷头1，包括牙刷头本体11、活动植毛板12、弹性件13和永磁体14；其中牙刷本体11设置有一个一端开口的腔体，弹性件13安装在该腔体内，其中活动植毛板12安装在腔体的开口位置，其中永磁体14镶嵌在活动植毛板12上；

牙刷头检测装置2，包括第一霍尔传感器21、力度信号采集单元和力度计算单元；其中第一霍尔传感器21，用于输出刷牙力度的模拟电压信号；其中力度信号采集单元，用于采集第一霍尔传感器21输出的模拟电压信号；其中力度计算单元，用于计算力度信号采集单元的输出信号；该牙刷头检测装置2安装在牙刷头本体11腔体底部；

牙齿模型3，其牙齿内侧设置有腔体；

牙齿模型检测装置4，包括磁场感应单元、频率距离信号采集单元和频率距离计算单元；其中频率距离信号采集单元，用于采集磁场感应单元的输出信号；其中频率距离计算单元，用于计算频率距离信号采集单元的输出信号；该牙齿模型检测装置安装在牙齿模型3的腔体内。

上述的刷牙力度、频率和距离的检测装置，其中弹性件13，采用线性弹性件。

上述的刷牙力度、频率和距离的检测装置，其中永磁体14镶嵌在活动植毛板12上，其镶嵌位置位于活动植毛板12的中心点，且永磁体14内部磁感线所在直线垂直于活动植毛板12所在平面。

上述的刷牙力度、频率和距离的检测装置，其中牙刷头检测装置2，安装在牙刷头本体11腔体底部的中心位置，其中的第一霍尔传感器41与牙刷头1中的永磁体14对正。

上述的刷牙力度、频率和距离的检测装置，其中牙齿模型检测装置安装在牙齿模型3的腔体内，其安装位置位于腔体内侧颊侧壁龈1/3处。

上述的一种刷牙力度、频率和距离的检测装置，其中磁场感应单元，包括第二霍尔传感器41和第三霍尔传感器41，其中第二霍尔传感器41用于输出计算刷牙频率和距离的模拟电压信号；第三霍尔传感器41用于输出计算刷牙距离的模拟电压信号。

一种刷牙力度、频率和距离的检测方法，包括如下步骤：

(1)采集刷牙力度、频率和距离的模拟电压信号，进行模数转换并输出刷牙力度、频率和距离的数字信号，按如下步骤实现：

(1a)力度信号采集单元，对实时采集的第一霍尔传感器21输出刷牙力度模拟电压信号进行模数转换，得到第一力度数字信号；

(1b)频率距离信号采集单元，对实时采集的第二霍尔传感器41输出刷牙频率模拟电压信号进行模数转换，得到第一频率数字信号；

(1c)频率距离信号采集单元，对实时采集的第二霍尔传感器41和第三霍尔传感器42输出刷牙距离模拟电压信号分别进行模数转换，得到第一距离数字信号和第二距离数字信号；

(2)对得到的第一力度数字信号、第一频率数字信号和第一距离数字信号分别进行处理，按如下步骤实现：

(2a)对得到的第一力度数字信号进行消抖滤波，得到第二力度数字信号；

(2b)对得到的第一频率数字信号进行消抖滤波，得到第二频率数字信号；

(2c)对得到的第二频率数字信号进行一阶滞后滤波，得到第三频率数字信号；

(2d)对得到的第一距离数字信号和第二距离数字信号分别进行消抖滤波，得到第三距离数字信号和第四距离数字信号；

(2e)对得到的第三距离数字信号和第四距离数字信号分别进行一阶滞后滤波，得到第五距离数字信号和第六距离数字信号；

(3)计算刷牙力度、频率和距离并输出，按如下步骤实现：

(3a)利用第二力度数字信号，求取永磁体的下表面到第一霍尔传感器21的上表面之间的距离d：

d＝k₀+k₁·H

其中，H为第二力度数字信号，k₀和k₁为第一霍尔传感器21的磁感应线性拟合系数；

(3b)利用求取的d，计算刷牙力度F，计算公式为：

F＝k₂·(d₀-d)

其中，k₂为弹性件的弹性系数，d₀为无压力状态下永磁体的下表面到第一霍尔传感器21的上表面之间的距离；

(3c)提取一次直线刷牙动作的第三频率数字信号，得到正弦频率数字信号；

(3d)利用得到的正弦频率数字信号波峰和波谷的间隔时间t₀，求取刷牙频率f：

f＝1/(2t₀)

(3e)分别提取一次规定刷牙运动轨迹的第五距离数字信号和第六距离数字信号，得到第一正弦距离数字信号和第二正弦距离数字信号；

(3f)利用得到的第一正弦距离数字信号和第二正弦距离数字信号，计算第二霍尔传感器41中心点和第三霍尔传感器42中心点分别到一次规定刷牙运动轨迹的初始端点的距离值为s₁和s₂，分别到一次规定刷牙运动轨迹的末尾端点的距离值为s₃和s₄：

s_i＝k₃+k₄·H_i(i＝1,3)

s_j＝k₅+k₆·H_j(j＝2,4)

其中，H₁为第一正弦距离数字信号的波峰值，H₂为第二正弦距离数字信号的波谷值，H₃为第一正弦距离数字信号的波谷值，H₄为第二正弦距离数字信号的波峰值，k₃和k₄第二霍尔传感器41的磁感应线性拟合系数，k₅和k₆为第三霍尔传感器42的磁感应线性拟合系数；

(3g)利用得到的s₁、s₂、s₃和s₄，计算刷牙距离s并输出：

$s=\left(\frac{s_3^2-s_1^2+s_2^2-s_4^2}{2\·s_0}\right)$

其中，s₀为第二霍尔传感器41到第三霍尔传感器42之间的中心距离。

本发明与现有技术相比，具有如下优点：

1.本发明由于检测刷牙力度主要采用第一霍尔传感器，其安装于牙刷头检测装置内，牙刷本体设置有一个一端开口的腔体，腔体开口位置安装活动植毛板，永磁体镶嵌在活动植毛板上，腔体内安装弹性件，支撑活动植毛板，随着被施加到刷毛区的力度的变化，弹性件产生弹性形变，将刷牙力度转化为弹性件的压缩距离，带动永磁体上下运动产生变化的磁场，第一霍尔传感器检测变化的磁场，将压缩距离转变成数字信号；通过数字信号求取压缩距离，进而通过压缩距离求取刷牙力度，与现有技术相比，有效的提高了刷牙力度检测结果精度，同时简化了检测装置的结构。

2.本发明由于检测刷牙频率主要采用第二霍尔传感器，检测刷牙距离主要采用第二霍尔传感器和第三霍尔传感器，永磁体随着横刷动作产生变化的磁场，第二霍尔传感器和第三霍尔传感器检测变化的磁场并输出正弦信号，经过滤波，通过正弦数字信号的波峰和波谷之间的关系计算刷牙频率和距离，与现有技术相比，有效的提高了刷牙频率和距离检测结果精度，同时算法较简单。

附图说明

图1为本发明检测装置实施例的结构示意图；

图2为本发明的牙刷头检测装置结构示意图；

图3为本发明的牙齿模型检测装置结构示意图；

图4为本发明检测方法的实现流程框图；

图5为本发明刷牙距离计算过程示意图。

具体实施方法

下面结合附图和实施例，对本发明作进一步的描述。

参照图1，一种刷牙力度、频率和距离的检测装置，包括牙刷头1、牙刷头检测装置2、牙齿模型3和牙齿模型检测装置4，其中：

参照图1(a)，所述牙刷头1，包括牙刷头本体11、活动植毛板12、弹性件13和永磁体14；所述牙刷本体11设置有一个一端开口的腔体；所述活动植毛板12安装在腔体的开口位置，本实施例中的活动植毛板12是可更换的，厚度约1mm；所述弹性件13安装在该腔体内，本实施例采用4个相同的线性压缩弹簧，安装在腔体内的四个角，并与活动植毛板12相连，能够平稳支撑活动植毛板12；所述永磁体14镶嵌在活动植毛板12上，其镶嵌位置位于活动植毛板12的中心点，且永磁体14内部磁感线所在直线垂直于活动植毛板12所在平面，本实施例中采用高度为7mm，直径4mm的永磁体14，其上平面高于活动植毛板12上平面3mm，下平面低于活动植毛板12下平面3mm，一般刷毛高度远大于3mm，保证刷牙过程中永磁体14不会触碰牙齿表面；

参照图2，牙刷头检测装置2，安装在牙刷头本体11腔体底部的中心位置，其底面积刚好能够安装于牙刷头本体11腔体底部，包括第一霍尔传感器21、力度信号采集单元和力度计算单元；所述第一霍尔传感器21，用于输出刷牙力度的模拟电压信号，本实实施例中第一霍尔传感器21的安装位置与牙刷头1中的永磁体14对正，能够检测永磁体14上下运动产生的最大的磁场及其变化量，随着变化量的改变，第一霍尔传感器21输出变化的模拟电压信号；所述力度信号采集单元，用于采集第一霍尔传感器21输出的模拟电压信号；所述力度计算单元，用于计算力度信号采集单元的输出信号；

参照图1(b)，牙齿模型3，其牙齿内侧设置有腔体，本实施例要求腔体大小与牙齿模型检测装置4大小相同，腔体位于颊侧壁龈1/3处；

参照图3，牙齿模型检测装置4，安装在牙齿模型3的腔体内，包括磁场感应单元、频率距离信号采集单元和频率距离计算单元；所述磁场感应单元，包括第二霍尔传感器41和第三霍尔传感器42，能够检测永磁体14横刷运动产生的磁场及其变化量，其中第二霍尔传感器41用于输出计算刷牙频率和距离的模拟电压信号，第三霍尔传感器42用于输出计算刷牙距离的模拟电压信号，本实施例中计算刷牙频率采用第二霍尔传感器41，计算刷牙距离采用第二霍尔传感器 41和第三霍尔传感器42；所述频率距离信号采集单元，用于采集磁场感应单元的输出信号；所述频率距离计算单元，用于计算频率距离信号采集单元的输出信号；基于正确的刷牙姿势，要求牙刷处于牙齿颊侧壁龈1/3处，牙齿模型检测装置4的安装于腔体内侧颊侧壁龈1/3处。

参照图4，本发明的刷牙力度、频率和距离的检测方法，包括如下步骤：

(1)采集刷牙力度、频率和距离的模拟电压信号，进行模数转换并输出刷牙力度、频率和距离的数字信号，按如下步骤实现：

(1a)力度信号采集单元，对实时采集的第一霍尔传感器21输出刷牙力度模拟电压信号进行模数转换，得到第一力度数字信号；

(1b)频率距离信号采集单元，对实时采集的第二霍尔传感器41输出刷牙频率模拟电压信号进行模数转换，得到第一频率数字信号；

(1c)频率距离信号采集单元，对实时采集的第二霍尔传感器41和第三霍尔传感器42输出刷牙距离模拟电压信号分别进行模数转换，分布得到第一距离数字信号和第二距离数字信号；

(2)对得到的第一力度数字信号、第一频率数字信号和第一距离数字信号分别进行处理，按如下步骤实现：

(2a)对得到的第一力度数字信号进行消抖滤波，去除野值，得到第二力度数字信号；

(2b)对得到的第一频率数字信号进行消抖滤波，去除野值，得到第二频率数字信号；

(2c)对得到的第二频率数字信号进行一阶滞后滤波，平滑处理，得到第三频率数字信号，一次刷牙动作，牙刷头1靠在牙齿模型3表面来回运动，带动永磁体14在第二霍尔传感器41和第三霍尔传感器42之间来回运动，所述第三频率数字信号呈正弦信号；

(2d)对得到的第一距离数字信号和第二距离数字信号分别进行一阶滞后滤波，平滑处理，得到第三距离数字信号和第四距离数字信号；

(2e)对得到的第三距离数字信号和第四距离数字信号分别进行一阶滞后滤波，平滑处理，得到第五距离数字信号和第六距离数字信号；一次刷牙动作，牙刷头1靠在牙齿模型3表面来回运动，带动永磁体14在第二霍尔传感器41和第 三霍尔传感器42之间来回运动，所述第五距离数字信号和第六距离数字信号呈正弦信号；

(3)计算刷牙力度、频率和距离并输出，按如下步骤实现：

(3a)利用第二力度数字信号，求取永磁体的下表面到第一霍尔传感器(21)的上表面之间的距离d：

d＝k₀+k₁·H

其中，H为第二力度数字信号，k₀和k₁为第一霍尔传感器21的磁感应线性拟合系数；通过检测永磁体的下表面到第一霍尔传感器的上表面之间的距离d_i及对应的第二力度数据H_i(i＝1,2,......n)，通过函数拟合，可得系数k₀和k₁，该拟合公式为：

d_i＝k_x+k_y·H_i(i＝1,2,......n)

(3b)利用求取的d，计算刷牙力度F，计算公式为：

F＝k₂·(d₀-d)

其中，k₂为弹性件的弹性系数，d₀为无压力状态下永磁体的下表面到第一霍尔传感器21的上表面之间的距离；

(3c)依据霍尔效应，第二霍尔传感器41感应变化的磁场，提取一次直线刷牙动作的第三频率数字信号，得到正弦频率数字信号；

(3d)利用得到的正弦频率数字信号波峰和波谷的间隔时间t₀，求取刷牙频率f：

f＝1/(2t₀)

(3e)依据霍尔效应，第二霍尔传感器41和第三霍尔传感器42感应变化的磁场，分别提取一次规定刷牙运动轨迹的第五距离数字信号和第六距离数字信号，得到第一正弦距离数字信号和第二正弦距离数字信号，其中规定刷牙运动轨迹，是指平行于第二霍尔传感器41中心点和第三霍尔传感器42中心点连线的直线。

(3f)利用得到的第一正弦距离数字信号和第二正弦距离数字信号，分别计算第二霍尔传感器中心点和第三霍尔传感器中心点分别到一次规定刷牙运动轨迹 的初始端点的距离值s₁和s₂，第二霍尔传感器中心点和第三霍尔传感器中心点分别到一次规定刷牙运动轨迹的末尾端点的距离值s₃和s₄：

s_i＝k₃+k₄·H_i(i＝1,3)

s_j＝k₅+k₆·H_j(j＝2,4)

其中，H₁为第一正弦距离数字信号的波峰值，H₂为第二正弦距离数字信号的波谷值，H₃为第一正弦距离数字信号的波谷值，H₄为第二正弦距离数字信号的波峰值，k₃和k₄第二霍尔传感器41的磁感应线性拟合系数，k₅和k₆为第三霍尔传感器42的磁感应线性拟合系数；通过检测永磁体中心到第二霍尔传感器41中心的直线距离s_ii及对应的第五距离数据H_ii(ii＝1,2,......n)，通过函数拟合，得到系数k₃和k₄，该拟合函数为：

s_ii＝k_x+k_y·H_ii(ii＝1,2,......n)

通过检测永磁体中心到第三霍尔传感器42中心的直线距离s_jj及对应的第五距离数据H_jj(jj＝1,2,......n)，通过函数拟合，得到系数k₅和k₆，该拟合函数为：

s_jj＝k_x+k_y·H_jj(jj＝1,2,......n)

(3g)利用得到的s₁、s₂、s₃和s₄，通过解复杂三角形关系，计算刷牙距离s，并输出，其计算过程如图5所示：

$s=\left(\frac{s_3^2-s_1^2+s_2^2-s_4^2}{2\·s_0}\right)$

其中，s₀为第二霍尔传感器到第三霍尔传感器之间的中心距离；

参照图5，x轴表示横刷距离，y轴表示垂直距离，x₁表示一次规定刷牙运动轨迹的初始端点的横刷距离值，x₂表示一次规定刷牙运动轨迹的末尾端点的横刷距离值，h表示永磁体14垂直于第二霍尔传感器与第三霍尔传感器所在直线的垂直距离值，第二霍尔传感器中心点位于坐标原点，第三霍尔传感器中心点位于坐标(s₀,0),依据如下三角形关系，可以求取s：

$s_1^2=x_1^2+h^2$

$s_2^2=x_2^2+h^2$

$s_3^2={(s_0-x_1)}^2+h^2$

$s_4^2={(s_0-x_2)}^2+h^2$

可得：

$s=x_2-x_1=\left(\frac{s_3^2-s_1^2+s_2^2-s_4^2}{2\·s_0}\right).$