CN115462923A - 基于Edge AI的刷牙区域精准感知电动牙刷*** - Google Patents
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Abstract
本发明公开了基于Edge AI的刷牙区域精准感知电动牙刷***，包括同时应用于智能电动牙刷、智能手环的电动牙刷***，所述电动牙刷***由电池管理模块、电机驱动模块、刷头运动控制模块和牙刷十轴传感器模块组成，所述电动牙刷***内部的电池管理模块、电机驱动模块、刷头运动控制模块和牙刷十轴传感器模块经过部署了边缘计算模型的MCU分别控制连接智能电动牙刷的牙刷电池、电机、牙刷头、牙刷十轴传感器。实现对不同部位的口腔进行清洁时，可以自动调节刷头角度，振动频率等，还能记录每个部位的清洁程度，对清洁不足以及过度清洁的位置给予提醒，智能化更高。
Description
技术领域
本发明涉及智能电动牙刷技术领域，具体为基于Edge AI的刷牙区域精准感知电动牙刷***。
背景技术
电动牙刷的工作原理是利用高速振动的机芯带动刷头旋转或振动，从而达到洁牙的效果。目前市场上的电动牙刷主要包括旋转类与振动类。旋转类牙刷的工作原理偏简单，就是利用电动机驱动圆形刷头旋转，同时加强摩擦效果。而振动类电动牙刷的原理稍微复杂一些，需要在牙刷内部安装一个振动电机，使刷头产生垂直于刷柄方向的高频摆动。目前国内市场上的电动牙刷，按技术原理主要分为四类：机械旋转类电动牙刷、超声波电动牙刷、混合型电动牙刷和气喷雾电动牙刷。其中，超声波电动牙刷通过牙刷的振动与声波的振动相似，刷毛以小幅度超高速的运动不断振动，产生大量微小气泡，气泡不断形成、破裂，比较机械旋转类电动牙刷，深入普通牙刷难以触及的部位，有效清除污渍，创造了很好的清洁效果，且噪音略小，占有一定优势。
但是，这种传统的电动牙刷也存在一定的缺点：(1)传统的电动牙刷都是用出厂前设定的清洁频率和档位对牙齿进行清洁，也就是说在对口腔进行清洁时，只能由使用者来决定牙刷的位置，这可能会导致有的部位过度清洁从而影响牙龈健康，而有的部位清洁不足；(2)牙刷振动频率控制不稳定，不同的牙齿部位即不同的刷牙区域其口腔状况不同，所以在不同的区域根据本区域口腔情况进行精准的牙刷角度，牙刷振动频率等控制也很重要；(3)现在的智能牙刷对于刷牙区域的检测都需要通过人为判定然后在APP上完成相应操作，繁琐费力；(4)直接在电动牙刷上部署现有的主流的人工智能***，成本高，且使用时候要求网络良好，用户体验很多时候取决于网络状况的好坏，而通过连接到智能手机APP上来实现本地人工智能语音和姿态感知提醒，需要携带手机去洗漱，连接配对，使用流程繁琐。
在这些基础上，智能牙刷的概念也被提出。市面上的智能牙刷能够记录使用者的一些刷牙数据，从而调节牙刷的震动频率以及纠正一些不好的刷牙习惯。另外一些市面上的智能牙刷，每次针对于不同刷牙区域的判断需要使用者根据实际情况自己做出判断然后在APP上面再完成相应操作，最终实现对口腔的全面护理。
发明内容
为了克服现有技术方案的不足，本发明提供基于Edge AI的刷牙区域精准感知电动牙刷***，能有效的解决背景技术提出的问题。
本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：
基于Edge AI的刷牙区域精准感知电动牙刷***，包括同时应用于智能电动牙刷、智能手环的电动牙刷***，所述电动牙刷***由电池管理模块、电机驱动模块、刷头运动控制模块和牙刷十轴传感器模块组成；
所述智能电动牙刷由牙刷头、电机、牙刷PCBA、牙刷十轴传感器和牙刷电池组成，所述牙刷PCBA设有内部装载电动牙刷***的MCU并同时连接电机、牙刷十轴传感器和牙刷电池，所述电机输出端则控制连接牙刷头，所述牙刷十轴传感器由牙刷三轴加速度计、牙刷三轴陀螺仪、牙刷三轴磁力计和牙刷气压计组成，所述牙刷三轴加速度计用于控制牙刷头的姿势，所述牙刷三轴陀螺仪用于控制牙刷头的方位角，所述牙刷三轴磁力计用于控制牙刷头滚动的角度，所述牙刷气压计用于控制牙刷头的高度；
所述智能手环内设有手环PCBA，所述手环PCBA上装配了与智能电动手刷内部MCU感应的手环十轴传感器，所述手环十轴传感器由手环三轴加速度计、手环三轴陀螺仪、手环三轴磁力计和手环气压计组成；
所述电动牙刷***内部的电池管理模块、电机驱动模块、刷头运动控制模块和牙刷十轴传感器模块经过部署了边缘计算模型的MCU分别控制连接智能电动牙刷的牙刷电池、电机、牙刷头、牙刷十轴传感器。
进一步地，所述MCU为STM32、NXP、Atmel等嵌入式处理芯片之一。
进一步地，所述MCU同时获取牙刷十轴传感器和手环十轴传感器的信号后读取对应数据信息，并对该数据信息进行数据特征融合。
进一步地，所述智能电动牙刷和智能手环内部分别设有对应的牙刷蓝牙模块和手环蓝牙模块，所述牙刷蓝牙模块和手环蓝牙模块均可通过蓝牙或者NFC等无线通讯方式进行数据共享。
进一步地，所述智能电动牙刷内部还装配有与牙刷电池电性连接的无线充线圈。
进一步地，所述智能手环内还设有供电的手环电池。
与现有技术相比，本发明的有益效果是：
(1)避免了繁琐的操作APP进行刷牙区域判定输入等操作，而且由于部署了边缘计算训练的模型，具备自主学习能力更好地感知用户的习惯，给出科学的提示和建议，由于EdgeAI(边缘人工智能)相较于传统的人工智能，可以离线，易于部署在边缘设备上，常见的微控制器都可以灵活部署；
(2)通过牙刷和智能手环配合获取数据能够实现对刷牙区域判定更高准确率的检测，性能更强大；
(3)实现对不同部位的口腔进行清洁时，可以自动调节刷头角度，振动频率等，还能记录每个部位的清洁程度，对清洁不足以及过度清洁的位置给予提醒，智能化更高。
附图说明
图1为本发明***结构框架示意图；
图2为本发明***框图；
图3为本发明刷牙区判定过程示意图；
图4为本发明智能电动牙刷结构示意图；
图5为本发明智能手环结构示意图；
图6为本发明牙齿部位划分示意图。
图中标号：
101-牙刷头，102-电机，103-牙刷PCBA，104-牙刷十轴传感器，105-牙刷电池，106-牙刷蓝牙模块，107-无线充线圈；
201-手环十轴传感器，202-手环PCBA，203-手环电池，204-手环蓝牙模块。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
如图1-6所示，本发明提供了基于Edge AI的刷牙区域精准感知电动牙刷***，包括同时应用于智能电动牙刷、智能手环的电动牙刷***，所述电动牙刷***由电池管理模块、电机驱动模块、刷头运动控制模块和牙刷十轴传感器104模块组成，整个电动牙刷***中各功能模块都具备独自的功能，通过MCU微处理器分别控制智能电动牙刷不同部位，完成智能电动牙刷各功能实现的效果。
所述智能电动牙刷由牙刷头101、电机102、牙刷PCBA103、牙刷十轴传感器104和牙刷电池105组成，所述牙刷PCBA103设有内部装载电动牙刷***的MCU并同时连接电机102、牙刷十轴传感器104和牙刷电池105，所述电机102输出端则控制连接牙刷头101，所述牙刷十轴传感器104由牙刷三轴加速度计、牙刷三轴陀螺仪、牙刷三轴磁力计和牙刷气压计组成，所述牙刷三轴加速度计用于控制牙刷头101的姿势，所述牙刷三轴陀螺仪用于控制牙刷头101的方位角，所述牙刷三轴磁力计用于控制牙刷头101滚动的角度，所述牙刷气压计用于控制牙刷头101的高度，为了提供更智能化的效果，达到护理口腔健康的效果，采用了部署了边缘神经网络的微处理器MCU，牙刷十轴传感器104的三轴加速度计、牙刷三轴陀螺仪、牙刷三轴磁力计和牙刷气压计，其核心目的是为了精准实现对刷牙区域的检测，达到全方位护理的效果，牙刷十轴传感器104根据具体的使用场景可以缩减为三轴、四轴、六轴、七轴，。
所述智能手环内设有手环PCBA202，所述手环PCBA202上装配了与智能电动手刷内部MCU感应的手环十轴传感器201，所述手环十轴传感器201由手环三轴加速度计、手环三轴陀螺仪、手环三轴磁力计和手环气压计组成，同样地，智能手环的手环十轴传感器201根据具体的使用场景可以缩减为三轴、四轴、六轴、七轴，在智能电动牙刷单独使用时，利用智能电动牙刷的牙刷十轴传感器104可以精准刷牙区域检测及判定，然而，如果想要获取到更高的对刷牙区域准确度的判定，如达到95％以上的刷牙区域准确率的判定，则可以通过智能手环等手环十轴传感器201数据辅助判定，信息获取时，MCU同时获取牙刷十轴传感器104和手环十轴传感器201的信号后读取对应数据信息，并对该数据信息进行数据特征融合，融合之后我们可以基于机器学习，深度学习等算法进行智能刷牙区域判定的模型训练，训练完成之后将其转换MCU对应的编程语言，一般为C语言，然后将该模型集成在MCU的主程序中，最终实现智能的刷牙区域的判定。
而在整个***中，所述电动牙刷***内部的电池管理模块、电机驱动模块、刷头运动控制模块和牙刷十轴传感器104模块经过部署了边缘计算模型的MCU分别控制连接智能电动牙刷的牙刷电池105、电机102、牙刷头101、牙刷十轴传感器104，MCU起到了主导的作用，所有的运作都在MCU的控制下完成，而MCU一般采用为STM32、NXP、Atmel等嵌入式处理芯片之一，也可以为常见的芯片，只要能满足边缘计算的最低运行需求即可。
所述智能电动牙刷和智能手环内部分别设有对应的牙刷蓝牙模块106和手环蓝牙模块204，所述牙刷蓝牙模块106和手环蓝牙模块204均可通过蓝牙或者NFC等无线通讯方式进行数据共享，用户可以利用智能设备通过蓝牙或者NFC等无线通讯方式连接，获取对应的信息。
所述智能电动牙刷内部还装配有与牙刷电池105电性连接的无线充线圈107，无线充线圈107让智能电动牙刷形成一个无线充电的效果，也提高了内部的密封性，防止内部入水导致部件损坏。
所述智能手环内还设有供电的手环电池203，手环电池203可以是一种锂电池，智能手环可以通过无线或者有线的方式对手环电池203充电。
基于Edge AI的刷牙区域自动精准感知电动牙刷***在工作时，部署了边缘计算训练模型的MCU接收来本身以及辅助智能手环等姿态感知***的数据，然后分别进行处理和决策，根据决策的结果，分别生成数据传送到指示灯模块、电机驱动模块等。电机驱动模块则对电机102进行调速，进而控制智能电动牙刷的牙刷头101的各种参数。
姿态数据处理模块通过其数据接口接收来自姿态感知***采集的姿态数据，并将姿态数据进行处理，把处理好的姿态数据喂入基于边缘计算训练的姿态感知识别模型，姿态感知识别模型把姿态识别结果传送给到基于边缘计算训练的决策模型。基于边缘计算训练的决策模型根据喂入的姿态识别结果做出决策，控制姿态调整数据输出模块输出数据到电机驱动模块，调整电机102转速，进而控制电动牙刷刷头的各种参数，控制LED指示灯处理模块，输出当前***运行的各种LED状态数据。
基于Edge AI的刷牙区域自动精准感知电动牙刷***在升级边缘计算训练模型时，从云端到基于Edge AI刷牙区域精准感知电动牙刷***的基本数据链路如下：云端训练好的模型->网络->联网***->联网处理模块->基于边缘计算训练的决策模型->Flash里边划分的边缘计算训练模型的存储区域。模型下载完整后会对网络模型的数据进行校验。基于边缘计算训练的语音识别模型，基于边缘计算训练的姿态感知识别模型和基于边缘计算训练的决策模型分时升级，每个模型升级成功后，才会从原来的模型切换到新升级的模型，防止升级过程出差错时导致***崩溃。基于Edge AI刷牙区域精准感知电动牙刷***在升级边缘计算训练的关键数据时，从云端到基于Edge AI刷牙区域精准感知电动牙刷***的基本数据链路如下：云端训练好的模型->网络->联网***->联网处理模块->基于边缘计算训练的决策模型->Flash里边划分的边缘计算训练的关键数据的存储区域。数据下载完整后会对边缘计算训练的关键数据进行校验，校验无误后，然后从旧的边缘计算训练的关键数据区域切换都到新升级的边缘计算训练的关键数据区域，确保升级的成功率。基于EdgeAI刷牙区域精准感知电动牙刷***在升级边缘计算训练模型和边缘计算训练的关键数据时，都会进行比较校验，然后再从旧的模型和数据切换到新的旧的模型和数据机制，确保***升级的稳定性。
基于Edge AI刷牙区域精准感知电动牙刷***具备一定自主学习的能力，在网络状况良好和连接稳定的情况下可以开启训练模式，从基于Edge AI刷牙区域精准感知电动牙刷***到云端的数据链路如下：处理过后的姿态传感器数据->基于边缘计算训练的决策模型->联网处理模块->联网***->网络->云端。将本地的关键数据(刷牙姿态信息等)传到云端，云端通过边缘计算的算法，比如线性回归算法，随机森林算法，决策树算法等对进行训练和学习，然后将新的模型和数据给基于Edge AI刷牙区域精准感知电动牙刷***升级，从而完成边缘人工智能的闭环学习，不断提高用户刷牙姿态识别率。在网络不好或者无网络的情况下，基于Edge AI刷牙区域精准感知电动牙刷***可以本地运行，具备一定的学习的功能。基于Edge AI刷牙区域精准感知电动牙刷***给用户舒适，健康，智能的刷牙体验。
而基于Edge AI的刷牙区域精准感知电动牙刷***基于Edge-AI的方式将电动牙刷三轴加速度计、三轴陀螺仪、三轴磁力计、气压计的十轴传感器数据进行采集分析进而自动精准的判断刷牙区域并做好记录，最终以很简单的方式帮助用户自动的完成所有口腔区域的清洁；另外，该***在检测到不同的刷牙区域时会实时记录用户使用数据，最终完成对使用者刷牙习惯的记录，并依据此可提醒使用者，从而解决过度清洁和清洁不足的问题；此外该***能够准确的识别刷头所处的牙齿部位即刷牙区域，然后基于不同区域具体口腔情况改变刷头角度，振动频率等。而基于Edge AI的刷牙区域精准感知电动牙刷***可以在本地实现离线人工智能的特性而不需要一直实时联网，可在升级***或更新算法数据时联网，可以给用户提供智能化的口腔清洁体验，从而在成本和用户体验之间达到均衡的效果。
因此，对于本***，主要是实现是口腔内16个区域的精准判定,具体16个区域的定义如图6所示。在图6中，1、3、5为外表面，2、4、6为内表面，7和8为咀嚼面，按照相同的划分方法将上颌的牙齿表面也划分为8个部分，共计16个部分。
需要补充说明的是，本技术方案不仅限于采用与智能电动牙刷配合使用的智能手环，还可以采用具有相同功能的智能手表、智能戒指等设备代替。
对于本领域技术人员而言，显然本发明不限于上述示范性实施例的细节，而且在不背离本发明的精神或基本特征的情况下，能够以其他的具体形式实现本发明。因此，无论从哪一点来看，均应将实施例看作是示范性的，而且是非限制性的，本发明的范围由所附权利要求而不是上述说明限定，因此旨在将落在权利要求的等同要件的含义和范围内的所有变化囊括在本发明内。不应将权利要求中的任何附图标记视为限制所涉及的权利要求。
Claims (6)
1.基于Edge AI的刷牙区域精准感知电动牙刷***，其特征在于：包括同时应用于智能电动牙刷、智能手环的电动牙刷***，所述电动牙刷***由电池管理模块、电机驱动模块、刷头运动控制模块和牙刷十轴传感器模块组成；
所述智能电动牙刷由牙刷头、电机、牙刷PCBA、牙刷十轴传感器和牙刷电池组成，所述牙刷PCBA设有内部装载电动牙刷***的MCU并同时连接电机、牙刷十轴传感器和牙刷电池，所述电机输出端则控制连接牙刷头，所述牙刷十轴传感器由牙刷三轴加速度计、牙刷三轴陀螺仪、牙刷三轴磁力计和牙刷气压计组成，所述牙刷三轴加速度计用于控制牙刷头的姿势，所述牙刷三轴陀螺仪用于控制牙刷头的方位角，所述牙刷三轴磁力计用于控制牙刷头滚动的角度，所述牙刷气压计用于控制牙刷头的高度；
所述智能手环内设有手环PCBA，所述手环PCBA上装配了与智能电动手刷内部MCU感应的手环十轴传感器，所述手环十轴传感器由手环三轴加速度计、手环三轴陀螺仪、手环三轴磁力计和手环气压计组成；
所述电动牙刷***内部的电池管理模块、电机驱动模块、刷头运动控制模块和牙刷十轴传感器模块经过部署了边缘计算模型的MCU分别控制连接智能电动牙刷的牙刷电池、电机、牙刷头、牙刷十轴传感器。
2.根据权利要求1所述的基于Edge AI的刷牙区域精准感知电动牙刷***，其特征在于：所述MCU为STM32、NXP、Atmel等嵌入式处理芯片之一。
3.根据权利要求1所述的基于Edge AI的刷牙区域精准感知电动牙刷***，其特征在于：所述MCU同时获取牙刷十轴传感器和手环十轴传感器的信号后读取对应数据信息，并对该数据信息进行数据特征融合。
4.根据权利要求1所述的基于Edge AI的刷牙区域精准感知电动牙刷***，其特征在于：所述智能电动牙刷和智能手环内部分别设有对应的牙刷蓝牙模块和手环蓝牙模块，所述牙刷蓝牙模块和手环蓝牙模块均可通过蓝牙或者NFC等无线通讯方式进行数据共享。
5.根据权利要求1所述的基于Edge AI的刷牙区域精准感知电动牙刷***，其特征在于：所述智能电动牙刷内部还装配有与牙刷电池电性连接的无线充线圈。
6.根据权利要求1所述的基于Edge AI的刷牙区域精准感知电动牙刷***，其特征在于：所述智能手环内还设有供电的手环电池。
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2021
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