人體模型在床墊設計中的應用

■朱芋錠 申黎明 劉華

(1.2.3 南京林業(yè)大學，江蘇南京 210037)

1 引言

人的一生中，有三分之一的時間與床墊共眠，沒有一種家具像床墊一樣跟人的關系那么長久，那么密切，因此床墊在人們生活中占有重要的位置。[1]隨著人們健康觀念的加強，現在越來越多的人也開始重視床墊對健康的重要，好的床墊必須有一個良好的身體支撐，以確保最大的肌肉放松，保持最不疲勞的身體姿勢。彈簧床墊是市場上最受歡迎的床墊之一，而分區(qū)彈簧床墊和分區(qū)乳膠床墊都是為了滿足人們對睡眠的需要。家具市場雖然還存在不符合人體工程學和功能要求的床墊，只通過指出某些技術優(yōu)勢來強調床墊質量，但有部分床墊制造商已開始重視床墊舒適性的研發(fā)。在評估床墊舒適性的研究中，需要大量人員進行測試，由于受試者的不可重復性和可變性，可能在評估不同床墊的結果上不能給出顯著差異。本論文采用實物人體模型，為床墊測試提供更快更直觀的評估。

由于人體工程學領域對人體模型技術有著巨大需求[2]，國內外很多科研機構做了大量人體模型方面的研究工作，國內外對床墊中人體模型的研究亦有不少。

理想的睡眠系統應有好的適應性，即能支撐身體使脊柱處于自然位置，被認為與站立時的脊柱形態(tài)一樣；側臥時，一個理想的身體支撐會使脊柱呈一條直線。B.Haex等人針對組合床墊開發(fā)了二維有限元模型來預測人躺在特定睡眠系統下的脊柱曲率，并檢驗出給與理想身體支撐床墊上的剛度分布和現有睡眠系統產生最好的理想支撐近似值[3]。

基于所收集的成人人體尺寸和三維關系，Jerzy 等人成功開發(fā)出了一套精確的、客觀的人體測量模型。選取31-60歲女性的人體模型，對兩款不同類型的床墊上對人體模型進行壓力裝載，在有限元算法的ALGOR程序協助下仿真，再進行分析研究。[4]而他們的人-床機械系統分析提供了關于集中力發(fā)生的確切區(qū)域的情況，分析模型可以確定這些力的特定值。對發(fā)生在不同支撐區(qū)域壓力值的比較，

2 床墊研究中人體模型的國內外現狀

可以得出結論，在給定模型中，給定支撐點壓力與支撐力的總值的百分比比例是不變的，不取決于人體測量。此外可以說，每5公斤的體重增加，接觸處的反應值增加約1%[5]。

Inhyuk 等人基于近似人體測量模型提出了一個能預防褥瘡和壓力控制的空氣床墊。空氣床墊由18個有氣孔材料制成的圓柱形氣囊，將身體部位劃為4個部分，分別為頭、軀干、臀部和腿。基于個人的身高、體重和近似人體測量模型，從每個部分的重量中計算出每個部分的壓力。7個受測者的實驗結果表明提出的空氣床墊對預防褥瘡是有效的[6]。

Duncan等人開發(fā)了一個感知化的鉸接式人體測量模型，將精確的和可重復的靜載荷施加在病人支撐系統上，用以研究模擬的臀部和骶部的軟體組織的變形。人體模型的重量可以調整為50、70、90公斤，軀干傾斜角度為0°,45°和80°。對人體模型使用壓力感應墊測量界面壓力表明人體模型負荷現實的生理負荷條件[7]。

國外利用人體模型進行床墊評估的研究較多，且相關研究已經非常深入，而國內對人體模型進行床具評估的研究并不多見，只有南京林業(yè)大學陳玉霞在其博士論文的研究中，以數字化人體模型為基礎，研究臥姿脊柱形態(tài)的測試與評價方法，并且利用這一方法進行人-床界面之間支撐關系的相關研究[8]。

■圖1 人體劃分模型■圖2 人體模型骨架■圖3 手臂和小腿模型

表1 第50百分位的男子主要尺寸

表2 第50百分位男子各體段相對質量分布表

3 人體模型的建立

有不少研究從人體數據中概括出人體的分割部位，基于人體測量的人體工程學模型[9]，以明顯的骨性標志為分界點，將人體分為頭頸、軀干、左上臂、右上臂、左前臂、右前臂、左手、右手、左大腿、右大腿、左小腿、右小腿、左足、右足共14個部位，如圖1所示。

不同身體尺寸的人對相同的床墊界面會有不同的評價結果，所以選擇合理的人體模型非常重要。男女之間的差異是大家有目共睹的，不僅是心理的方面，更明顯的是形體方面，男女的各部位都存在顯著差異。任意一組特定對象的人體尺寸，其分布規(guī)律符合正態(tài)分布規(guī)律，即大部分屬于中間值，只有小部分屬于過大和過小的值，它們分布在范圍的兩端。在設計上滿足所有人的要求是不可能的，但必須滿足大多數人。所以必須從中間部分取用能夠滿足大多數人的尺寸數據作為依據，在這種情況下，本論文模型應該使用第50百分位男性統計資料[10]，（表1）人體模型骨架（圖2）。這個人體模型關節(jié)采用可旋螺母聯接，可對人體模型高度上進行調節(jié)。

在建立人體模型骨架后，需要對人體模型進行配重。根據國家標準GB-T 17245-2004成年人人體慣性參數[11]，可知道人體各體段與體重之間的相對質量比。我們采取第50百分位的男子各體段相對質量分布（表2）。采用沙包袋的形式來給人體模型進行個體段質量配比，除去各體段的骨架重量，將剩余重量裝在各個體段的沙包袋中，每個沙包帶都是按照男子手臂圍和腿圍尺寸設計的（圖3）小腿和手臂模型，軀干的重量用鐵塊進行配重。

4 人體模型在床墊研究中的應用

本研究以人體模型和一名中等身材男子為研究對象，采用軟床墊、中等硬度床墊和硬床墊三款不同軟硬度的袋裝彈簧床墊，利用體壓分布測試系統進行測試，研究人體模型和男子以仰臥姿勢在三款床墊上的體壓分布情況，用以驗證人體模型是否與男子實驗結果一致。如圖4所示為測試中的人體模型。

從（圖5）的人體模型在三款床墊上的體壓分布圖可知，在不同軟硬度床墊上體壓分布情況隨床墊軟硬度的改變而改變。以平均壓力和接觸面積作為體壓分布指標[12]對實驗測得數據進行統計處理（圖6）。從中可知，人體模型在三款不同軟硬度床墊上的平均壓力和接觸面積的結果與中等身材男子的結果趨勢是一致的，可以表明這個人體模型具有一定現實的生理負荷條件。

5 結論

由于相當高的現代生活文化和社會發(fā)展科學技術和經濟狀況，床墊應該具有好的質量、功能和設計，尤其是要感到舒服，舒適和安全。人體模型對床墊設計是非常重要的，還可以在此基礎上進行設計制作不同的人體尺寸、性別、年齡和其他特點的更多的人體模型，對床墊領域的持續(xù)研究具有重要的意義。本研究方法也可擴展到人體坐姿模型，來評估座椅舒適問題。

[1] 劉雪梅,鄧背階,閆丹婷.我國床的分類探討[J].家具與室內裝飾.2006(10):26-28.

[2] 楊立強,劉西剛,秦立斌等.人機工程學領域人體建模技術發(fā)展綜述[J].裝甲兵工程學院學報.2006,20(2):59-63.

[3] B. Haex, J. Vander Sloten, R.Van Audekercke. Required stiffness distribution in a mattress for an optimal curvature of the human spine during

bedrest[J].Engineering in Medicine and Biology Society.1996: 495-496.

[4] Jerzy Smardzewski, ukasz Matwiej,Ivica Grbac. Anthropo-technical models in testing mattress[J]. Electronic Journal of Polish Agricultural Universities.2005,8(3).

[5] Jerzy Smardzewski, ukasz Matwiej.Analysis of the man-bed mechanical system[J]. Agricultural University of Poznan Faculty of Wood Technology.

[6] Inhyuk Moon, Sung-Jae Kang, Gyu-Seok Kim, etc. Control of Air-cell Mattress for Preventing Pressure Ulcer Based on Approximate Anthropometric Model[J].Proceedings of the 2005 IEEE 9th International Conference on Rehabilitation Robotics.2005:164-167.

[7] Duncan Shirreffs Bain, John Tracey Scales O.B.E., Graham Philip Nicholson.A new method of assessing the mechanical properties of patient support systems(PSS) using a phantom. A preliminary communication[J]. Medical Engineering &Physics.1999:293-301.

[8] 陳玉霞.床墊支撐特性對臥姿舒適性和睡眠質量影響的研究[D]. 南京林業(yè)大學.2012:165-193 .

[9] K. H. E. Kroemer, Thomas B. Sheridan.Ergonomic models of anthropometry, human biomechanics, and operator-equipment interfaces: proceedings of a workshop[M].National Academy Press,Washington,D.C.1988.

[10] GB10000-1988 中國成年人人體尺寸[S].北京:中國標準出版社.1988.

[11] GB/T 17245-2004成年人人體慣性參數[S].北京:中國標準出版社.2004.

[12] 徐明,夏群生.體壓分布的指標[J].中國機械工程.1997,8(1).