一种具有姿态矫正功能的智能学习桌

本发明属于家居设备领域，具体涉及一种具有姿态矫正功能的智能学习桌。

背景技术：

1、学生通常处于生长发育的关键时期，尤其是对于广大少年儿童而言，书写过程中的坐姿和书写姿态对学生的生长发育具有重要影响。此外，良好的书写姿态还有助于学生提高写字的舒适度和学习效率，提升学生书写的字体的美观度和书法水平。

2、为了帮助青少年学生养成良好的坐姿习惯。很多家长会专门为学生购买座椅和书桌高度可调节的学习桌，以根据学生身高对桌椅高度进行自动调整。但是，可调节桌椅只能起到辅助作用，属于是一种被动的坐姿矫正工具，这种桌椅无法对学生的实际坐姿和书写姿态进行检测和监督，因而很难有效发挥出所需的姿态矫正效果。

3、针对上述问题，一些智能学习桌的厂商也不断推陈出新，开发出某些具有坐姿监控的功能的产品。例如，某些厂家开发出的学习桌可以通过座椅和靠背重量感应的方式判断用户的坐姿是否正常，这类自适应追背椅可以对用户在使用过程中的趴桌等行为进行检测，降低用户因坐姿不当引发的驼背风险。但是，目前几乎所有方案都只能实现对用户的坐姿进行检测，却无法对用户的书写姿态进行全方位的监督，如果用户坐姿端正，但是书写姿态异常，这仍然会对用户的肩、腰部或手臂等处造成劳损，以及影响用户的书写效果和学习效率。

技术实现思路

1、为了解决现有技术无法对用户书写过程中的坐姿和书写姿态进行全方面的检测，因而无法发挥有效的监督和矫正效果的问题，本发明提供一种具有姿态矫正功能的智能学习桌。

2、本发明采用以下技术方案实现：

3、一种具有姿态矫正功能的智能学习桌；其包括：桌椅本体、灯具、至少两组摄像头、警报器，以及设备管理器。

4、其中，桌椅本体包括一个具有水平桌面的桌子和一把椅子。灯具包括灯架、照明光源和投影灯。投影灯用于在桌面上产生引导灯架安装与调节的指引信息。所述灯架包括多个活动关节，并具有升降、旋转和俯仰调节功能。摄像头分别安装在灯具的支架上；两组摄像头分别用于获取用户面部图像和用户手部图像。警报器用于在根据接收到任意一种异常信息时发出一个姿态矫正的提示信息。

5、设备管理器包括控制模块和数据处理模块。控制模块与投影灯、照明光源和警报器电连接；数据处理模块与摄像头电连接，数据处理模块中包括信息采集单元、存储单元，第一判断单元、第二判断单元，以及第三判断单元。信息采集单元用于获取用户的生理特征数据。存储单元中存储有一个最佳书写区域分布映射表，以及一个书写合理投影区的参数集。第一判断单元用于获取摄像头采集到的用户面部图像，识别并计算出双眼的空间位置；然后根据用户双眼与桌面的相对位置是否符合规范来判断用户坐姿是否异常。第二判断单元用于获取摄像头采集到的用户手部图像，识别并计算出用户握持的笔尖在桌面的落点位置；然后查询最佳书写区域分布映射表，获取当前用户的最佳书写区域；最后根据真实的落点位置是否位于最佳书写区域来判断用户的持笔姿态是否异常。第三判断单元用于获取摄像头采集到的用户手部图像，识别并计算出用户握持的笔杆的空间位置；然后计算以人眼为光源时，笔杆在桌面上的投影位置；最后判断笔杆的投影位置是否位于书写合理投影区内，进而判断用户的书写姿态是否异常。第一判断单元、第二判断单元，第三判断单元产生的异常结果发送到控制模块。

6、在本发明中，信息采集单元要求用户的输入的生理特征数据至少包括：年龄、性别、身高、体重、优势手。

7、其中，第二判断单元根据获取到的优势手的信息判断最佳书写区域相对人眼的分布方向：当前用户为左利手时，最佳书写区域位于相对人眼靠左一侧的指定区域；当前用户为右利手时，最佳书写区域位于相对人眼靠右一侧的指定区域。

8、最佳书写区域用于表征当前用户采用正常姿势在桌面上进行书写时笔尖落点的允许范围；其中，用户的体型采用身高和bmi指数相结合的方式进行表征；具有相同体型且优势手不同的两个用户，其对应的最佳书写区域在桌面上的分布位置具有对称性。

9、作为本发明进一步的改进，最佳书写区域分布映射表中建立有不同体型用户对应的最佳书写区域的分布范围。最佳书写区域呈矩形；定义最佳书写区域分布映射表的数据格式为：{type，α，l，h}；其中，type表示当前用户的体型类别；α表示最佳书写区域相对人眼位置的水平夹角；l表示最佳书写区域沿桌面长度方向上的长度；h表示最佳书写区域沿桌面宽度方向上的长度。

10、作为本发明进一步的改进，第三判断单元的判断过程如下：

11、(1)计算得到人眼的中心位置e0，笔尖位置p，以及笔杆上任意一点位置q′。

12、(2)确定笔杆的向量为进而计算出以人眼的中心位置e0为光源时，笔杆在桌面内的投影对应的向量

13、(3)查询书写合理投影区的参数集，确定书写合理投影区的边界向量分别为和

14、(4)定义桌面上方空间的z轴方向向量为ez，计算向量混合积和向量混合积的值，并做出如下判断和决策：

15、当二者均大于0时，则判定笔杆投影pq分布在书写合理投影区，用户当前书写姿态正常；否则判定笔杆投影pq超出书写合理投影区，用户当前书写姿态异常。

16、作为本发明进一步的改进，第一判断单元判断用户的坐姿正常的判据为同时满足下述两项条件：

17、(1)用户双眼距矩形桌面平面的平均高度值处于预设的高度范围内；

18、(2)用户双眼的空间连线与矩形桌面长边的夹角处于预设角度范围内。

19、在本发明更优化的方案中，椅子和坐垫和靠背位置设有压力传感器；压力传感器与数据处理模块通信连接，并向其发送压力检测信号。此时，第一判断单元判断用户的坐姿正常的判据为同时满足下述四项条件：

20、(1)用户双眼距矩形桌面平面的平均高度值处于预设的高度范围内；

21、(2)用户双眼的空间连线与矩形桌面长边的夹角处于预设角度范围内；

22、(3)坐垫处的压力信号的波动处于预设的幅度内；

23、(4)靠背处的压力信号的波动处于预设的幅度内。

24、作为本发明进一步的改进，灯架包括竖架、横架和连接架。竖架的底部与桌子固定连接，顶部通过铰链一与连接架的一端活动连接。横架的其中一端通过铰链二与连接架的另一端活动连接。所述铰链一和铰链二使得横架可相对竖架进行俯仰调节。竖架采用两段式结构，且其中至少一段采用可伸缩架。竖架的两段由关节一连接，并使得二者可同轴相对转动。横架也采用两段式结构，横架的两段由关节二连接，并使得二者可同轴相对转动。

25、本发明提供的具有姿态矫正功能的智能学习桌中，照明光源、投影灯和摄像头分别安装在横架的不同位置。

26、作为本发明进一步的改进，利用投影灯完成灯具安装与调试的过程如下：

27、一、投影灯开启时，在下方产生用于表征符合照明要求的区域范围的图案。

28、二、调整灯架中横架、竖架和连接架的连接状态，以使得投影灯产生的图案与下方的桌面中的指定区域重合。

29、三、上述调整完成后对灯架中的铰链一、铰链二、关节一、关节二的状态进行固定，此时，下方的桌面中的指定区域在照明光源开启后均符合照明要求。

30、作为本发明进一步的改进，摄像头采用深度相机或多目相机；数据处理模块中第一判断单元和第二判断单元在一个预设周期内未能检测到人脸和手部图像时；控制模块自动关闭照明光源。

31、作为本发明进一步的改进，设备管理器中还包括一个通信单元，通信单元用于与其他设备进行通信连接，以在其他设备与设备管理器之间进行数据传输；其他设备向设备管理器发送由用户输入的生理特征数据。

32、本发明提供的技术方案，具有如下有益效果：

33、本发明提供的智能学习桌在灯具中安装有摄像头，并内置有设备管理器，设备管理器可以利用摄像头采集到的图像信息分析用户的坐姿，持笔姿态和书写姿态，并结合自身预先采集的相关样本数据判断用户的坐姿、持笔姿态和书写姿态是否正常。

34、本发明的智能学习桌可以在使用过程对用户的姿态进行全程监督，并在用户书写过程中出现姿态异常时及时发出预警，帮助用户矫正异常的书写姿态，这对于提高用户的学习效率，提升用户书法技巧，以及保障用户免受劳动损伤具有正向效果。

35、该智能学习桌中还设置有引导灯架调节的投影灯，利用投影灯，用户可以非常直观地对灯具的照明效果进行调整，保障用户在学习过程中可以处于最佳的光线状态下；避免灯具照明效果不佳对用户眼睛造成伤害。