本發(fā)明涉及電子檢測技術(shù)領域，具體涉及一種刷牙指導模型電子檢測系統(tǒng)，可用于指導用戶刷牙的教學領域。

背景技術(shù)：

隨著生活水平的提高，人們對牙齒的重視程度越來越高?？茖W的刷牙方法，不但可以保持口腔清潔，還能消除口腔內(nèi)食物碎片和牙面菌斑，減少口腔環(huán)境中的致病因素，增強身體的抵抗能力。但目前在教育和醫(yī)學領域，只能通過老師或醫(yī)生口述的方式指導人們的刷牙方法和習慣，這不能滿足人們掌握正確刷牙方法和習慣的要求。隨著電子檢測技術(shù)的快速發(fā)展，交互式智能刷牙系統(tǒng)已出現(xiàn)在教育和醫(yī)學領域，并起到了指導刷牙的作用。

當前我國《口腔預防醫(yī)學》教科書在描述成年人正確刷牙方法時，有以下要點由于描述無精確限定而難以掌握：第一，牙刷纖維對著牙齦方向與牙長軸呈45度角；第二，牙刷纖維在齦溝水平運動為短距離顫動；第三，牙刷纖維對齦溝的壓力輕柔。

目前，刷牙指導模型系統(tǒng)主要利用壓力傳感器檢測刷牙時的力度大小，但是其安裝位置難以確定，因為每個人刷牙的肢體動作具有多樣性以及空間上的差異性，從而導致壓力傳感器的受力點不均勻；利用加速度計傳感器檢測刷牙角度，通常是檢測靜態(tài)重力加速在其三個檢測軸上的分量大小，利用檢測到的三個分量計算可得刷牙角度，這樣得到的角度是以水平空間坐標系為參照的，是絕對角度，其忽略了牙齒的差異性；利用磁力傳感器和陀螺儀檢測刷牙姿態(tài)，包括刷牙持續(xù)時間，運動軌跡等，但磁力傳感器易受到外界磁場的干擾，導致測量精度下降。

授權(quán)公告號為CN204155477U的中國發(fā)明專利“一種具有手勢識別功能的電子口腔教具牙刷”，公開了一種電子口腔教具牙刷，包括處理器，處理器分別連接有電源、壓力傳感器、傾斜角及頻率位移傳感器和語音放音模塊，語音放音模塊與無線調(diào)頻發(fā)射器連接，無線調(diào)頻發(fā)射器通過無線信號與無線耳機連接。其存在的不足是：采用薄膜型壓力傳感器來實現(xiàn)壓力的檢測增大了教具牙刷的機械結(jié)構(gòu)設計復雜度；其次，薄膜型壓力傳感器的安裝部位需要產(chǎn)生形變才能檢測壓力，而形變不均勻以及形變部位產(chǎn)生疲勞都會影響檢測精度；再次，采用三軸加速度傳感器來實現(xiàn)傾斜角及頻率的檢測增大了三軸加速度計的工作量，降低了實時性，在微距離刷牙過程中，檢測精度會大大降低；另外，由于采用了語音放音模塊，而播放語音需要一定的時間長度，在放音時，語音放音模塊無法反饋實時的檢測結(jié)果。

技術(shù)實現(xiàn)要素：

針對上述現(xiàn)有技術(shù)中存在的問題，本發(fā)明的目的在于，提供一種刷牙指導模型電子檢測系統(tǒng)，能更為準確地檢測牙刷在刷牙時的角度、壓力以及顫動距離等，從而能得到更加客觀、真實的數(shù)據(jù)，為教學指導工作提供有力的輔助。

為了實現(xiàn)上述任務，本發(fā)明采用以下技術(shù)方案：

一種刷牙指導模型電子檢測系統(tǒng)，包括：牙刷、牙齒基座模型，在牙刷上安裝有傳感模塊，牙齒基座模型上安裝有電子檢測模塊；

所述的傳感模塊包括第一數(shù)據(jù)采集單元以及與第一數(shù)據(jù)采集單元連接的微控制器單元，其中，第一數(shù)據(jù)采集單元包括第一霍爾傳感器以及第一加速度計傳感器，第一霍爾傳感器安裝在所述牙刷的刷頭處；所述的電子檢測模塊包括第二數(shù)據(jù)采集單元、輔助MCU單元、鎖存器單元、主MCU單元和結(jié)果輸出單元；所述的第二數(shù)據(jù)采集單元包括第二加速計傳感器、第二霍爾傳感器和第三霍爾傳感器，第二加速度計傳感器與主MCU單元連接，第二霍爾傳感器、第三霍爾傳感器分別與輔助MCU單元連接，輔助MCU單元通過鎖存器單元與主MCU單元連接，主MCU單元與結(jié)果輸出單元、所述的微控制器單元連接；所述的第二霍爾傳感器、第三霍爾傳感器間隔安裝在牙齒基座模型的牙齒上；

在利用所述的牙刷對牙齒基座模型進行刷牙操作時，微控制器單元接收到第一霍爾傳感器檢測到磁場強度的變化而輸出的模擬電壓信號得到刷牙力度值，接收第一加速度計傳感器輸出的數(shù)據(jù)信號得到測量的重力加速度數(shù)據(jù)，并將刷牙力度值、重力加速度數(shù)據(jù)傳遞給主MCU單元；所述的輔助MCU單元接收到第二霍爾傳感器、第三霍爾傳感器檢測到磁場強度的變化而輸出的模擬電壓信號得到刷牙速度值和顫動距離值并存儲在鎖存器單元中，供主MCU單元讀取；主MCU單元接收第二加速度計傳感器輸出的數(shù)據(jù)信號得到測量的重力加速度數(shù)據(jù)，并根據(jù)第一加速度計傳感器、第二加速度計傳感器測量結(jié)果，計算出刷牙角度值，然后將當前的刷牙角度值、刷牙力度值、刷牙速度值以及顫動距離值與正常值之間比較的偏差結(jié)果輸出到結(jié)果輸出單元。

進一步地，所述的牙刷的刷頭中安裝有一個柱形磁體，柱形磁體位于所述的第一霍爾傳感器的上方，且柱形磁體與第一霍爾傳感器之間的距離可變。

進一步地，所述的牙刷包括依次連接的刷頭、刷桿以及牙刷柄腔體，其中，刷頭包括一個空心且無頂面的牙刷頭腔體，在牙刷頭腔體中活動式裝配有活動植毛板，活動植毛板上分布有牙刷毛纖維；在活動植毛板的中部設置有凹槽，凹槽中安裝所述的柱形磁體，柱形磁體位于牙刷毛纖維之間，柱形磁體的頂部與牙刷頭腔體底面的距離小于牙刷毛纖維頂部與牙刷頭腔體底面的距離；在活動植毛板的底部與牙刷頭腔體底面之間設置有彈簧，牙刷頭腔體頂部的邊緣上設置有用于限制活動植毛板的卡沿。

進一步地，所述的第一加速度計傳感器安裝在牙刷柄腔體中，第一加速度計傳感器的安裝平面與所述的牙刷毛纖維的橫截面平行；所述的第一霍爾傳感器安裝在所述的牙刷頭腔體中，位于柱形磁體的正下方。

進一步地，所述的第二霍爾傳感器、第三霍爾傳感器緊貼在牙齒基座上待檢測的牙齒的側(cè)壁與牙齦相交處；第二加速度計傳感器在牙齒基座模型上的安裝平面與牙長軸線垂直。

進一步的，所述的刷牙角度值的計算過程如下：

第一加速度計傳感器檢測重力加速度沿其安裝平面所在的空間坐標系三軸的分量大小，由此可得從第一加速度計傳感器的安裝平面所在的空間坐標系到水平面空間坐標系的轉(zhuǎn)換關(guān)系，利用此轉(zhuǎn)換關(guān)系將安裝平面的法向量轉(zhuǎn)換到水平面空間坐標系；

第二加速度計傳感器檢測重力加速度沿其安裝平面所在的空間坐標系三軸的分量大小，由此可得從第二加速度計傳感器的安裝平面所在的空間坐標系到水平面空間坐標系的轉(zhuǎn)換關(guān)系，利用此轉(zhuǎn)換關(guān)系可將安裝平面的法向量轉(zhuǎn)換到水平面空間坐標系；最后求解轉(zhuǎn)換到水平面空間坐標系的兩個安裝平面的法向量之間的夾角即可得到刷牙角度值。

進一步地，所述的顫動距離值S₀的計算公式為：

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

上式中，S₁和S₂表示當刷頭處于起點位置時第二霍爾傳感器和第三霍爾傳感器與柱型磁體的直線距離；S₃和S₄表示當刷頭處于終點位置時，第二霍爾傳感器和第三霍爾傳感器與柱型磁體的直線距離；S表示第二霍爾傳感器、第三霍爾傳感器的間距。

進一步地，所述的結(jié)果輸出單元包括蜂鳴器和LED指示燈。

本發(fā)明與現(xiàn)有技術(shù)相比具有以下技術(shù)特點：

第一，采用了兩個三軸加速度計傳感器，分別檢測重力加速度沿牙刷的刷毛橫截面所在的空間坐標系的三軸的分量大小以及重力加速度沿牙齒牙長軸橫截面所在的空間坐標系的三軸的分量的大小，而牙刷和牙齒基座模型是兩個相互獨立的空間載體，因此，可以計算得到牙刷與牙齒基座模型的牙齒之間的相對角度，能有效地檢測刷牙角度。

第二，采用了霍爾傳感器結(jié)合彈性物質(zhì)的方式間接地檢測力度的方式，使得相較于使用壓力傳感器直接檢測力度的方式有如下優(yōu)點：(1)檢測微小壓力(0.2～3N)；(2)刷毛多點受力的總和。

第三，采用了蜂鳴器和LED指示燈作為檢測結(jié)果反饋單元，增強了系統(tǒng)的實時性，并且從視覺和聽覺兩方面來反饋結(jié)果，使得與用戶的互動性增強，能有效地達到指導刷牙的目的。

第四，采用了三片微處理器降低本系統(tǒng)的工作周期，使得本發(fā)明有很好的實時性。

第五，采用了鎖存器用于暫存輔助MCU單元送來的數(shù)據(jù)，供主MCU單元讀取，使得主MCU單元與輔助MCU單元能夠異步工作，更大程度上提高了整個系統(tǒng)的工作效率。

附圖說明

圖1為本發(fā)明的電子檢測模塊以及傳感模塊的結(jié)構(gòu)框圖；

圖2為本發(fā)明中鎖存器單元以及處理器之間的連接原理示意圖；

圖3為本發(fā)明中牙刷的結(jié)構(gòu)示意圖；

圖4為本發(fā)明中牙齒基座模型部分的結(jié)構(gòu)示意圖；

圖5為在一次刷牙過程中刷頭與牙齒基座模型上兩個傳感器之間的位置示意圖；

圖中標號代表：1—刷頭，2—卡沿，3—牙刷毛纖維，4—柱形磁體，5—活動植毛板，6—牙刷頭腔體，7—牙刷柄腔體，8—第一加速度計傳感器，9—彈簧，10—第一霍爾傳感器，11—刷桿，12—第二加速度計傳感器，13—第二霍爾傳感器，14—第三霍爾傳感器。

具體實施方式

遵從上述技術(shù)方案，如圖1至圖5所示，本發(fā)明提供了一種刷牙指導模型電子檢測系統(tǒng)，包括：牙刷、牙齒基座模型，在牙刷上安裝有傳感模塊，牙齒基座模型上安裝有電子檢測模塊；其中，牙刷用于和牙齒基座模型配合，在利用牙刷在牙齒基座模型上刷牙時，利用傳感模塊、電子檢測模塊共同得到刷牙的相關(guān)數(shù)據(jù)。

傳感模塊包括第一數(shù)據(jù)采集單元以及與第一數(shù)據(jù)采集單元連接的微控制器單元，其中，第一數(shù)據(jù)采集單元包括第一霍爾傳感器以及第一加速度計傳感器，第一霍爾傳感器安裝在所述牙刷的刷頭處，第一霍爾傳感器、第一加速度計傳感器均隨著牙刷的運動而同時運動；

電子檢測模塊包括第二數(shù)據(jù)采集單元、輔助MCU單元、鎖存器單元、主MCU單元和結(jié)果輸出單元；所述的第二數(shù)據(jù)采集單元包括第二加速計傳感器、第二霍爾傳感器和第三霍爾傳感器，第二加速度計傳感器與主MCU單元連接，第二霍爾傳感器、第三霍爾傳感器分別與輔助MCU單元連接，輔助MCU單元通過鎖存器單元與主MCU單元連接，主MCU單元與結(jié)果輸出單元、所述的微控制器單元連接；所述的第二霍爾傳感器、第三霍爾傳感器間隔安裝在牙齒基座模型的牙齒上。第二霍爾傳感器、第三霍爾傳感器以及第二加速度計傳感器在刷牙過程位置不發(fā)生變動。

在本方案中，結(jié)果輸出單元包括蜂鳴器和LED指示燈，可將測量結(jié)果以聲光的形式表現(xiàn)出來，通過聲光反饋刷牙的角度、力度、速度和顫動距離是否正確。

本發(fā)明的基本工作過程如下：

在利用所述的牙刷對牙齒基座模型進行刷牙操作時，微控制器單元接收到第一霍爾傳感器檢測到磁場強度的變化而輸出的模擬電壓信號得到刷牙力度值，接收第一加速度計傳感器輸出的數(shù)據(jù)信號得到測量的動態(tài)重力加速度數(shù)據(jù)，并將刷牙力度值、重力加速度數(shù)據(jù)傳遞給主MCU單元；

輔助MCU單元接收到第二霍爾傳感器、第三霍爾傳感器檢測到磁場強度的變化而輸出的模擬電壓信號得到刷牙速度值和顫動距離值并存儲在鎖存器單元中，供主MCU單元讀??；主MCU單元接收第二加速度計傳感器輸出的數(shù)據(jù)信號得到測量的靜態(tài)重力加速度數(shù)據(jù)，并根據(jù)第一加速度計傳感器、第二加速度計傳感器測量結(jié)果(動態(tài)重力加速度數(shù)據(jù)和靜態(tài)重力加速度數(shù)據(jù))，計算出刷牙角度值，然后將當前的刷牙角度值、刷牙力度值、刷牙速度值以及顫動距離值與正常值(存儲在主MCU單元中)之間比較的偏差結(jié)果輸出到結(jié)果輸出單元，即如果當前數(shù)據(jù)與符合正常值的范圍，則蜂鳴器不報警，LED指示燈的綠燈亮；否則蜂鳴器報警，LED指示燈的紅燈亮。

本發(fā)明電子檢測系統(tǒng)中的第一和第二加速度計傳感器均采用三軸加速度計傳感器；第一霍爾傳感器結(jié)合彈性物質(zhì)的方式間接地檢測力度為刷毛多點受力的總和，可以檢測微小壓力僅為0.2～3N；牙刷和牙齒基座模型是兩個相互獨立的空間載體，通過檢測可以計算得到牙刷與牙齒基座模型的牙齒之間的相對角度，能有效地檢測刷牙角度。

本發(fā)明采用了三片微處理器和一個鎖存器，包括：主MCU單元、輔助MCU單元和微控制器單元，降低本系統(tǒng)的工作周期的同時，主MCU單元與輔助MCU單元能夠異步工作，更大程度上提高了整個系統(tǒng)的工作效率，使得本發(fā)明有很好的實時性，本發(fā)明以正確的刷牙方法為標準依據(jù)，實時檢測刷牙力度、刷牙角度、刷牙速度和刷牙顫動距離，并將檢測值與標準值作對比得到刷牙結(jié)果，通過蜂鳴器、LED指示燈將刷牙結(jié)果反饋給用戶，用戶根據(jù)反饋結(jié)果來調(diào)整自己的刷牙方法，從而達到指導刷牙和培養(yǎng)刷牙習慣的目的。三片微處理器可均采用單片機。

作為本方案的進一步優(yōu)化，在牙刷的刷頭中安裝有一個柱形磁體，柱形磁體位于所述的第一霍爾傳感器的上方，且柱形磁體與第一霍爾傳感器之間的距離可變。設置柱形磁體的目的是為了便于給霍爾傳感器提供變化的磁場，以配合霍爾傳感器的使用，獲取準確的檢測結(jié)果。由于霍爾傳感器在工作過程中，檢測到有磁場變化時會產(chǎn)生不同的電壓信號，因此本方案中需要考慮在刷牙運動的同時，利用一個柱形磁體能同時影響第一霍爾傳感器、第二霍爾傳感器和第三霍爾傳感器。這樣不僅對柱形磁體進行了有效的利用，并且統(tǒng)一了參考系，便于后續(xù)的數(shù)據(jù)計算過程。因此，發(fā)明人將柱形磁體安裝在了牙刷的刷頭處，并設置成活動式的安裝方式。當利用牙刷進行刷牙時，由于刷頭一直在動，那么柱形磁體相對于固定安裝的第二霍爾傳感器、第三霍爾傳感器的位置就時刻在發(fā)生變化，因此能通過第二霍爾傳感器、第三霍爾傳感器獲取變化的電壓信號，從而給出位置數(shù)據(jù)；而由于柱形磁體又是活動式的安裝方式，那么在牙刷的刷頭活動時，第一霍爾傳感器和柱形磁體之間的距離也發(fā)生著變化，由此能通過第一霍爾傳感器檢測變化磁場來獲取數(shù)據(jù)。

如圖3所示，本發(fā)明進一步地給出了一個牙刷結(jié)構(gòu)：

牙刷包括依次連接的刷頭、刷桿以及牙刷柄腔體，其中，刷頭包括一個空心且無頂面的牙刷頭腔體，該腔體可以為圓角的矩形體結(jié)構(gòu)、橢圓主體結(jié)構(gòu)等，和一般牙刷的刷頭形狀相仿；在牙刷頭腔體中活動式裝配有活動植毛板，活動植毛板上分布有牙刷毛纖維；在活動植毛板的底部與牙刷頭腔體底面之間設置有彈簧，牙刷頭腔體頂部的邊緣上設置有用于限制活動植毛板的卡沿。在活動植毛板的中部設置有凹槽，凹槽中安裝所述的柱形磁體，柱形磁體位于牙刷毛纖維之間，柱形磁體的頂部與牙刷頭腔體底面的距離小于牙刷毛纖維頂部與牙刷頭腔體底面的距離。第一加速度計傳感器安裝在牙刷柄腔體中，第一加速度計傳感器的安裝平面與所述的牙刷毛纖維的橫截面平行；第一加速度傳感器如圖3所示為矩形結(jié)構(gòu)，所述的安裝平面即在安裝平面內(nèi)。這樣的設置方式，是為了便于以其安裝平面為基礎建立三軸坐標系，建立坐標系時，x軸和y軸均在安裝平面內(nèi)，z軸垂直于安裝平面設置。

在圖3中可以看到，活動植毛板專門用來安裝牙刷毛纖維(刷毛)，可在牙刷頭腔體中上下運動。第一霍爾傳感器安裝在所述的牙刷頭腔體中，位于柱形磁體的正下方，并附著在牙刷頭腔體的底部。當牙刷在牙齒模型上拂刷牙齒時，牙齒會對牙刷毛纖維產(chǎn)生壓力的反作用，此時彈簧被壓縮，活動植毛板向牙刷頭腔體底部運動，嵌入在活動植毛板上的柱型磁體與第一霍爾傳感器的距離縮小，第一霍爾傳感器檢測到的磁場強度增大，從而其輸出模擬電壓信號也增大。由于刷牙力度值與彈性物質(zhì)的壓縮量成線性關(guān)系，而彈性物質(zhì)的壓縮量直接表現(xiàn)為柱型磁體與第一霍爾傳感器之間的距離，柱型磁體與第一霍爾傳感器之間的距離大小直接決定第一霍爾傳感器檢測到的磁場強度大小，而第一霍爾傳感器檢測到的磁場強度大小直接表現(xiàn)為其輸出模擬電壓信號的大小。所以，根據(jù)輸出的模擬電壓信號可以得到刷牙力度值。

在本實施例中，牙刷的尺寸與普通的電動牙刷的規(guī)格相仿，具體尺寸大小如下：刷頭長29.7mm，寬18.2mm，高15.5mm；牙刷頭腔體深13.5mm，底厚2mm，側(cè)壁厚1.5mm；牙刷柄腔體長92mm，內(nèi)徑(半徑)13mm，外徑(半徑)15mm，壁厚約2mm。牙齒的基座模型按照約兩倍于人體真實牙齒模型制作。

圖4是本發(fā)明的牙齒基座模型中傳各感器安裝位置示意圖，如圖所示，第二霍爾傳感器、第三霍爾傳感器緊貼在牙齒基座上待檢測的牙齒的側(cè)壁與牙齦相交處，本實施例中，二者間距為9mm，這是因為當柱形磁體與霍爾傳感器之間的距離超過9mm時，霍爾傳感器能夠檢測到的磁場強度比較弱。第二加速度計傳感器安裝在牙齒基座模型中，其所在的安裝平面與牙長軸線垂直。

在刷牙過程中，第一加速度計傳感器檢測重力加速度沿其安裝平面所在的空間坐標系(上述的三軸坐標系)三軸的分量大小，并輸出相應的數(shù)字信號，由此可得從第一加速度計傳感器的安裝平面所在的空間坐標系到水平面空間坐標系的轉(zhuǎn)換關(guān)系，利用此轉(zhuǎn)換關(guān)系將安裝平面的法向量轉(zhuǎn)換到水平面空間坐標系；這里的水平面空間坐標系只有一個，是以在水平面內(nèi)選擇原點建立相互垂直的x、y軸，然后在垂直于水平面的方向上建立z軸。

同樣地，第二加速度計傳感器檢測重力加速度沿其安裝平面所在的空間坐標系三軸的分量大小，并輸出相應的數(shù)字信號，由此可得從第二加速度計傳感器的安裝平面所在的空間坐標系到水平面空間坐標系的轉(zhuǎn)換關(guān)系，利用此轉(zhuǎn)換關(guān)系可將安裝平面的法向量轉(zhuǎn)換到水平面空間坐標系；最后求解轉(zhuǎn)換到水平面空間坐標系的兩個安裝平面的法向量之間的夾角即可得到刷牙角度值。

圖5是一次刷牙過程中牙刷頭與牙齒基座模型中兩個霍爾傳感器的位置示意圖，如圖5所示，S₁和S₂表示當刷頭處于起點位置時第二霍爾傳感器和第三霍爾傳感器與柱型磁體的直線距離；S₃和S₄表示當刷頭處于終點位置時，第二霍爾傳感器和第三霍爾傳感器與柱型磁體的直線距離；h表示牙刷頭與第二霍爾傳感器、第三霍爾傳感器的垂直距離。S表示第二霍爾傳感器、第三霍爾傳感器的間距。則可以得到它們之間的關(guān)系式：

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

式中S₀即為刷牙時的顫動距離。由于柱型磁體與霍爾傳感器之間的直線距離和霍爾傳感器檢測到的磁場強度成一定的線性關(guān)系，而磁場強度直接表現(xiàn)為霍爾傳感器輸出的電壓信號得大小。所以，依據(jù)霍爾傳感器輸出的電壓信號得大小可以計算出柱型磁體與霍爾傳感器之間的直線距離，即上式中的S₁、S₂、S₃和S₄。