智能纠姿座椅设计和实现.docx

智能纠姿座椅摘要：能纠正儿童坐姿的智能座椅，主要在椅背上加装两个纵向分布的红外感应器，分别测定椅背上两点与人背部的距离并计算距离差，如果距离差超过一定值，说明坐姿不端正，语音自动报警，提醒纠正坐姿关键词：坐姿，纠正，智能座椅一、设计背景学生，尤其是青少年学生，生长发育比较快，在学习时，如果长时间坐姿不端正，就会造成近视、脊椎弯曲等比较严重的健康问题，其中近视问题尤为严重，我国已成为世界上近视率最高的国家据调查，我国部分地区小学生的近视率已达50%[1]而且我也发现周围的很多同学都带着近视眼镜引起近视的原因很多，其中最重要的是长时间的视近，即长时间近距离看书等[2]要避免长时间的视近，在学习时必须保持正确的坐姿现有的书桌都是分体式设计，学生在学习时很容易出现身体前倾等不端正的坐姿，加上青少年学生自制力较差，一旦出现不端正的坐姿也不会自行进行纠正，而家长不可能长时间进行监督，因此，有必要设计能纠正坐姿的座椅调查发现，市面上能纠正坐姿的座椅都是在座椅上加装辅助结构，通过限制身体活动来达到纠正坐姿的目的例如在椅背上设计类似安全带的绑带（如图1所示），通过绑带固定学生的身体6图1 带绑带的坐姿纠正座椅图2 坐姿矫正器另外，也有在座椅或桌子上加装矫正器（如图2所示），通过矫正器的阻挡起到阻止身体前倾等不端正坐姿的作用。

虽然通过加装辅助结构能起到纠正坐姿的作用，但这种机械式的纠正坐姿方式会使学生学习的舒适度受到严重影响，这样的话坐姿端正了，但学习效果变差了，因此，有必要设计一种智能座椅，既能达到纠正坐姿的目的，又不影响学习的舒适度从低年级开始，我就学习乐高机器人，并利用所学知识尝试设计小发明，我设计的一款“懒人花盆浇水器”获得了第25届青少年科技创新大赛二等奖，“淮安市青少年科技创新市长奖”提名奖，这更加激发了我对科学的兴趣在老师的指导下，我利用在学校所学的传感器、电阻、电路开关等一些传感和电路控制知识，尝试设计一款在发生坐姿不端正时能自动报警提醒的智能座椅二、主要创作材料128单片机、触碰开关、红外传感器、语音播报模块、喇叭等三、设计过程1、如何判断坐姿是否端正坐姿不端正的最主要表现是身体前倾，从而造成视近身体前倾会使人背部与椅背间的距离增大，因此，最初考虑如果能实时监测人背部与椅背间距离的变化，就能判断坐姿是否端正刚开始我选择用乐高的超声波传感器来监测人背部与椅背间的距离，但发现超声波传感器会被衣服干扰，测距不稳定，并且体积大，不方便安装，于是改用红外传感器，但又发现在椅背上只安装一个红外传感器还是不稳定，当人坐在椅子前端时，明明坐姿是端正的，系统却报警。

图3 椅背上的红外传感器图4 座垫上的触碰开关在老师的指导下分析发现，身体坐正时，背部纵向各点与椅背间距离的差别较小，而坐姿不正时，距离的差别则较大，只有对比两个或者两个以上距离的变化才能判断坐姿是否端正我在椅背纵向上间隔一定距离加装两个红外传感器（如图3所示），测定椅背上两点与人背部间的距离并计算距离差，根据距离差来判断坐姿是否端正（设定正确姿势距离差<10厘米）2、如何提醒坐姿不正将语音播报模块与红外传感器构成一回路，受单片机控制，当测算到的距离差小于10厘米，说明坐姿正确，语音播报器处于静默状态；而当测算到的距离差大于10厘米，说明坐姿不正确，语音播报器则被激活，发出“请端正坐姿”的语音报警声；当坐姿纠正后，即距离差回复至10厘米以内，语音报警器即被关闭3、如何开关系统在使用智能座椅时还存在如何开启和关闭系统的问题最佳方案是当人未坐在座垫上时，系统处于关闭状态，而人一旦坐下后，系统马上开启人坐与不坐的差别是座垫会不会受到压力，因此我在座垫上加装两个触碰开关（如图4所示），将其连入系统电路（整个系统电路如图5所示），通过触控开关的开与合来控制系统的开与关4、健康提醒系统在使用智能座椅时存在着过长时间的学习或工作的问题，最佳方案是系统连接时钟模块，系统开启时记录时间，计算合理学习或工作时间，当超过四十分钟时，语音播报器则被激活，发出“请休息”的语音报警声。

图5 系统电路结构 图6 完整的智能座椅人未坐到座垫上时，触碰开关处于开状态，电路断开，系统关闭；人坐在座垫上时，触碰开关被压下，变成合状态，电路接通，系统开启；而当人离开后，触碰开关弹回，重新处于开状态，电路断开，系统关闭经设计制作，完整的智能座椅如图6所示，但在最初使用时发现系统敏感性太强，学生学习时不会长时间保持一个坐姿不动，比如拿文具时身体就会前倾一下，此时报警程序就被激活，造成误报为了使系统有一定的容错性，我对报警程序设置了5秒的延时，只有发生持续5秒以上的错误姿势才会激活报警程序最终本智能座椅的工作原理如图7所示图7 智能座椅的工作原理图8坐姿端正图9 坐姿不端正四、效果验证智能座椅做好后，需要验证能否正常工作（图8和9）：坐在椅子上，坐姿端正，未语音报警；改变姿势，身体前倾趴在桌上，未马上语音报警，但5秒后语音报警提示“请端正坐姿”后背躺靠在椅子上，姿势不端正，未马上语音报警，但5秒后语音报警提示“请端正坐姿”如果不需要此功能，可以关闭总电源结果表明，本智能座椅设计成功，并在2015年12月成功申请了国家实用新型专利（专利号：ZL201520405006.7，图10），今年4月28日在海南省海口市举行的“第四届全国中小学机器人教学展评暨首届校园创客作品展”活动中获得了一等奖（图11）。

五、总结本智能座椅不是通过机械式限制身体活动来纠正坐姿，通过红外感应器测算椅背纵向两点与背部的距离差，基于距离差来判断坐姿是否端正，如果不端正就自动激活语音播报器，具有较强的智能性，家长无需时刻监督，同时不影响学习的舒适度图10 专利证书图11 获奖证书致谢创新源于生活，生活需要创新，通过此次创新让我更加热爱生活、尊重生命，体验改造世界给自己带来的乐趣在此特别感谢英特吉机器人的周仁和老师提供了各种材料和技术支持，感谢指导老师对论文的指导完善，感谢爸爸妈妈对我一直以来的信任和支持参考文献 1. 叶丽芳. 学生近视现状、原因调查分析及预防对策[J]. 中外医学研究, 2013, 11(18): 62-63. 2. 杜文娟, 路海峰. 青少年近视眼高发的社会现象分析[J]. 产业与科技论坛, 2015, 14(3): 106-107.。