基于Arduino实现久坐人群的脊椎受压预警产品设计

毕志强 宋亚辉 刘子辰

摘要：随着“中国制造2025”和“一带一路”发展战略目标的提出及创新市场的大举改革。为人服务的科技创新产品将起到很好的示范指导作用。智能脊椎保健设备是基于互联網+智能电子感应技术，并融入移动端可进行大数据分析的创新型综合应用产品。基于久坐人群的脊椎物理研究，人体肌肉电信号测试。通过产品形态、产品结构的设计，提高产品的可靠性、美观性，并结合Arduino平台实现功能原型，为久坐人群、伏案人群带来新的、高体验的健康办公交互模式。提高久坐人群、伏案人群的健康办公理念，加强人与机的体感性，改善久坐人群的脊椎不良发展。

关键词：Arduino；久坐人群；脊椎受压

中图分类号：TP311 文献标识码：A 文章编号：1009-3044（2018）03-0088-03

Abstract： With the "Made in China 2025" and "Along the way，" the development of strategic objectives and innovative market innovation. Service technology innovation products will play a very good demonstration of the lead role. Intelligent Chiropractic equipment is Based on the Internet + intelligent electronic sensing technology， and into the mobile end can be large data analysis of innovative integrated applications. Spine physics research Based on sedentary people， EMG signal tests. Through the product form， the product structure design， improve product reliability， aesthetics， combined with mechanical automation， data visualization and other powerful features for sedentary crowd， desk crowd to bring new， high-experience health office interactive mode. To improve the health of the population， sedentary people at office concept， strengthen the human and machine body perception， improve the negative development of spine of sedentary people.

Key words： Arduino； sedentary population； spinal compression

信息时代的飞速发展和社会质量的不断提高，人们的经营方式和生活习惯发生了巨大的改变，人们享受着科技的发展给自身生活带来便利。同时，也产生了一些文明病和职业病。数据显示，教师、办公室办公人员、银行员工、会计等长时间伏案工作的人员，其患有颈腰椎病症的人数均呈逐年增高趋势，且发病年龄呈低龄化趋势，这些病症直接影响在岗群体的工作效率与生活质量[1]。至此，本文章以用户研究、产品形态学以及开源硬件技术为研究基础，结合该类颈腰椎病症的发病机制和该人群工作的特质设计出一款智能久坐预警、智能脊椎按摩、智能监测、智能调节的护理性产品。

1 久坐类颈腰椎病症的相关研究

1.1 颈腰椎病症现状分析

以35岁为界，35岁以下的患者归为青年组，年龄在35岁以上的归为非青年组，根据中国医科大学附属第一医院骨科门诊研究报告指出青年人的颈腰椎患者占就诊患者总人数的比率明显高于老年人，在183例青年颈腰椎病患者中有伏案工作病史的有135人，占73.8%[2]。青年人长时间伏案工作极易导致颈腰椎劳损。多数青年人未能引起重视，时间长了颈椎病变进一步发展，会导致钩椎关节增生，曲度进一步变直，项韧带钙化，椎间隙变窄， 颈间盘突出等一系列病变[3]。

伏案中腰背呈现前屈状态，背部肉群由于长时间牵拉极易形成肌痉挛，腰部、颈椎区域以及局部肌肉过于紧张，会导致脊椎对应部位的肌酸及代谢产物的积聚，从而造成腰背疼痛。处于伏案工作的人员，精神过于集中案头，忽略了弯腰久坐的劣势，久而久之引起腰肌劳损，伏案久坐不动大大增加了腰肌劳损的发病率。

2 智能脊椎矫正产品设计研究

2.1 智能脊椎矫正产品的结构设计

如图1传统的背穿式采用背戴、束腰环扣式结构，首先通过围合式形成对腰部的支撑，再由肩部背带对腰部进行提拉，这对腰部及背部均需要施加压力。强力的压力也会使长期穿戴的部位出现肌肉力量衰退的情况，使用户产生依赖感。久坐人群在久坐时常会出现伏腰、佝颈、低头等动作，背部要随着身体前伏，腹部会出现压力是卷曲，因此产品在使用时要尽少量的妨碍久坐人员正常工作的状态，同时尽量减少腹部纵向的支撑力，降低围合式施压效果。

在久坐人群护理用具设计中，应该满足少受力、少围合、高弹性的特点，如图2。因此，在形态设计上避免无用的围合设计，避免对肌肉及脊椎的过度施压，结合智能化监测重新对结构进行调整，以形成如图3的预期。

2.2 基于sEMG的承压设备的形态优化设计

人类脊柱是由33块椎骨（颈椎7块，胸椎12块，腰椎5块，骶骨、尾骨共9块）借韧带、关节及椎间盘连接而成[4]。通过对脊椎整体进行sEMG数据分析，寻找脊椎附近的受力点与易损伤点，使得矫正产品更好的保护脊椎，使形态与功能协调统一。形态推倒如图4。

sEMG信号是对参与活动的运动单位生物电变化的反映，常用的量化分析包括时域分析和频域分析。时域分析反映的是运动单位募集数量的变化，其数值变化通常与肌肉收缩力大小等有关[5]。

2.3 背部肌电分析

将检测仪器贴至背部区域（曲度较大区域）。进行运动动作实验组，设置动作如下：蛙跳（腰部）、伏背（背部）、侧曲（腰部）、前翻（颈腰部）运动四个项目各进行10组。实验后，对被测试的肌电信号进行分析，通过对实验时域数据的变频转换，得到以下频谱图。如图5实验状态和图6实验为频谱峰值和运动量之间的关系。

结合对比分析法，对实验对象、实验部位验证，在四组运动中触及到脊椎内陷区域与颈部区域其疲劳度与肌电反馈较为明显，属于重点保护与监测区域。

2.4 系统需求分析

针对久坐人群的脊椎矫正需求，首先，要完成久坐背部压力检测功能，该功能需要模块持续检测，并可以实现人体不同姿态的感知。然后，完成久坐报警功能，该功能需要模块实现与移动端之间的通信功能，最后，完成僵硬部位按摩及活动提醒。

3 功能原型实验设计

3.1 总体设计

系统总体设计如图7所示，报警系统由压力传感器、蜂鸣预警模块、数据处理模块、震动模块、电源和蓝牙通信模块构成。其中压力传感器完成压力值的数据采集；压力控制器负责采集久坐人员的背部压力及僵硬度；Arduino处理器模块根据压力传感器采集到的数据，分析判断对象的身体姿态并控制蜂鸣器报警提示；蓝牙模块将采集到的数据传送到移动端，针对采集到的数据对用户推送合理的调息建议。

3.2 系统硬件设计

系统硬件主要由Arduino单片机、压力传感器模块、蓝牙模块、震动传感器等模块构成，具体模块链接图如图8所示。Interlink Electronics公司生产的FSR402压力传感器是一款体积小、感测精度高、重量轻、超薄型电阻式压力传感器。FSR402压力传感器是将施加在传感器薄膜区域的压力转换成电阻值的变化，电阻越低，压力越大[6]。施加在压力传感器上的电压会随着其阻值的变化而变化，压力越大，阻值越小，其分担的电压值也就越小，我们在程序中设置一个临界值及持续稳定值，当达到设定的数值的时候，就表示传感器被触动。如图9所示。

随着时间，受力不断加大，最终形成短区间宽幅震荡，实验数据表明两种情况：①脊椎受力瓶颈值；②脊椎受力区间值；针对以上两种情况设置相应的预警触发。

4 预警系统软件设计

4.1 基于用户体验的标准化数据

针对不同用户，其使用模式与受力状态必然存在差值，通过情景演绎法，对用户进行情景使用分析，并对用户进行两次数据读值。将两次所读取得数据设定为特定用户的标准化数据。由此可以提高产品对用户的匹配度与关心度，从而增强了用户的体验效果并实现了以人为本的设计初衷。

4.2 预警系统软件设计

根据脊椎受压检测与脊椎按摩的设计需求，系统要同时具备受力检测、点位按摩、报警信息发送、运动建议推送。由此模块将数据通过蓝牙模块传送至移动端，通过对数据与标准化数据进行量化对比，进而获取不同层级的關心值。预警系统软件流程图如图10。

5 结论

该久坐人群脊椎受压预警产品设计采用成本较低及开源的Arduino单片机和各类传感器为硬件平台，配套应用软件采用Arduino驱动开发。随着Arduino的软件开发可以进行串口绘图监视实现数据可视化，使其应用简便易掌握，测试结果明确。该预警系统可以准确的实现脊柱受压预警、痛点按摩。并可以提示用户脊柱承受状态，提醒用户注意休息，合理活动背部、颈部、腰部，从而大大降低了久坐人群因为长时间脊柱受压而带来的病症危害。

参考文献：

[1] 刘哲.伏案型人群脊柱常见病症的运动干预研究[D].郑州：河南大学， 2012.

[2] 黄涛，张方，李修成，等.青年伏案工作者颈椎病的发病特点及预防措施[J].现代预防医学，2013 ，40 （7）.

[3] 姜宗义，石杲，陈冬丽.布鲁氏菌病流行规律的研究[J].医学动物防制，2004， 4（4）：241-242.

[4] 梁艳.具有柔顺脊柱的仿婴儿爬行机器人设计与实现[D].北京：北京交通大学，2014.

[5] 毕然然.表面肌电及等速肌力测试技术在肩关节运动损伤评估中的应用[J].中国运动医学杂志，2013（4）.

[6] DM-SFSR402电阻式压力传感器使用说明书[EB/OL].http：//wenku.baidu.com/view/9ff84fdea26925c52cc5bfee.html.