基于人因工程學的可調式多功能（病）床具設計

王懌瑾 王志亮

摘要：如何以便利的方式、合理的成本為不同的臥床者提供個性化的床具一直是一個有待解決的現實問題。本文基于大規模定制思想、市場細分方法及人因工程學，首先根據成年人身高數據將人群分成若干組，并針對每一組群的臥姿體態特征設計對應的仰臥床板和側臥床板；在此基礎上，開發設計了一種可依據人體身高以及臥姿來調整床板的可調式多功能（病）床具；該床具包括一套床板調整機構和、可實現不同種類的床板支撐板的切換；為便于床板支撐板的切換，也設計了一套床板托架升降機構；最后，將智能技術引入該床具設計中，可實現床板托架自動升降、床板支撐板的自動切換。可調式多功能（病人）床具的設計可為臥床者（病人）提升睡眠質量提供了良好的環境保證。

Abstract： Providing personalized service for the different patient by reasonable cost and convenient way has become a realistic problem. In this paper， based on mass customization， market segmentation and ergonomics， firstly， the population is divided into several groups according to the adult height data， and the supine positon' and the lateral position' bed plates are designed to each group； on this basis， the adjustable multifunction （hospital） bed is developed and it can adjust the bedplate supporting palte' types according to body height and prone position. The adjustable multifunctional bed includs a bed board adjusting mechanism， which can switch the different supporting plate； at the same time， a bed bracket lifting mechanism is also designed. Finally， the intelligent technology is used into the bed design and it can automatically switch the supporting plate and lift the bed bracket. The adjustable multifunction （hospital） bed can provides a good environment to ensure and improve sleeping quality for the patients.

關鍵詞：人因工程學；床具；臥姿；體壓分布

Key words： human factors；bed；prone position；body pressure distribution

中圖分類號：TB21 文獻標識碼：A 文章編號：1006-4311（2018）14-0143-03

0 引言

隨著科技進步、社會發展，人類的生活節奏越來越快，人們也越來越追求高質量的睡眠。睡眠質量不僅與當事人當時的生理、心理以及工作壓力、生活事項密切相關，也取決于睡眠的環境。除周邊的溫濕度、光照度、噪聲響度外，床具也是重要的影響睡眠質量的環境因素。

由于人體的特殊構造，使得人體的各部分質量與尺寸不相同，在外形上呈現凹凸不同的形態特征。因此，當人睡眠時，若床板面平整，人體后部凸出部分，如肩胛部、臀部、小腿后部、腳跟部以及頭后部，將承受全部的人體重量，如圖1所示，從而床板對這些部分產生較大的向上的作用力，而身體的其它部分因處懸空狀態而承受彎折力，人體各部分受力不均，導致睡眠質量下降。為此，人們常用厚床墊或用彈簧墊來分散人體重量對凸出部位的壓力、提升睡眠質量；進而將人機工程學理論與方法引入到床墊設計中[1]，依據睡眠時人體各部分承受的壓力大小與分布（體壓分布）來規劃床墊各部分的軟硬程度、力圖使人體處于良好的休息狀態[2][3]。

然而，人類群體的身高分布在一定的范圍內，近似服從正態分布，故身高不同的人，他們凸出部分分布的范圍也不同，比喻肩胛部與臀部、臀部與小腿后部之間的距離因人的身高差別而異，從而若想使不同的人都能得到良好的休息狀態，則必須設計不同的與其本人相適應的床墊，而這即使在家庭生活中也很難實現這一理想狀態，更不要說在醫院這種針對大眾的場所了。

本文在依人體尺寸數據（身高）將人群分組的情況下，根據人因工程學來設計開發一種適用于醫院等大眾場所使用的床具、來最大程度地幫助人們實現高質量睡眠。

1 總體設計思路

人類成年人身高分布有一定的范圍，高昂的成本導致市場無法為每一人依據其體壓分布定制一個合適的床墊，但我們可以采用大規模定制的方法，依據人們需求的差異對人群進行分類分組，立足市場細分、最大程度地滿足人們對不同床墊的需求。涉及到本文設計目的，具體來說就是依據人類成年人身高、將人們分成若干組（比如，因中國男性成年人身高在1543～1814mm之間服從正態分布、女性成年人身高在1449～1697mm之間服從正態分布[4]，從1450mm到1850mm，每相距一定的長度（如50mm），即可將中國成年人分成若干組（如8組）），對每一組人群，測定該組的體態特征分布，如圖2所示。再依據該體態特征分布，即可為該組群定制床板，在該定制床板上鋪上與季節、溫度相對應的床墊，即為該組群提供了能保證良好睡眠質量的床具。若針對不同的群組均定制對應的床板，便能以較低的價格、便利的方式為所有人群的高質量仰臥睡眠提供了床具保證。

進一步的，人在睡眠時除了仰臥（占總時間的60%）外，通常也有35%的時間采用側臥，特別是病人，當其長時間仰臥后需要側臥。當側臥時，人體具有不同的體態特征分布，如圖3所示。

因此，依照上述方法，依身高將側臥姿態分組，再針對每組群設計定制相應的床板，可為人群側臥提供適合的床具、保證高質量的側臥。

2 基于人因工程學的床板設計

在定制床板具體實現時，可先針對各一特定組群、制作若干具有相同人體形態特征的支撐板，將它們平行放置、再在它們上面橫向放置由細鋼絲串接眾多支撐條而成的軟榻，即構成適合該特定人群的定制床板，包括用于仰臥的定制床板和用于側臥的定制床板，如圖4示。

3 床具設計

3.1 床具總體架構

針對上述需求，設計一種可依據不同身高來調整床板形狀的（病）床具，具體結構如圖5所示，它由床架、床板、支撐板及調整機構、床板升降機構組成。在常見的床架基礎上，床板采用如圖4所示的由細鋼絲串接眾多支撐條而成的軟榻。床板由兩個具有相同形態特征的支撐板來同時支撐，所有支撐板均鑲嵌在如圖6所示的支撐軸的轉輪盤上；當左右對稱的兩個支撐軸通過調整機構同時轉動時，轉輪盤帶動支撐板轉動，實現不同形態特征的支撐板的切換，以滿足不同身高人群的仰臥與側臥需要。

在切換不同形態特征支撐板時，需要事先將軟榻床板（包括上面的床墊及睡眠者）升起；并在切換完成后再將床板放到支撐板上，故設計了一個床板升降機構，其架構如圖7所示。

3.2 床板調整機構及升降機構設計

3.2.1 調整機構設計

當本文根據我國成年人身高分布將人群主要分為8個組別時，再考慮仰臥和側臥兩種睡姿、以及兩個平面支撐板（即形成普通床板），計有18種形態的支撐板，即每個轉輪盤上依據形態特征、對應地鑲嵌18根支撐板，如圖8所示。具體放置時，依據8個身高組別次序，仰臥與側臥支撐板依次嵌入轉輪盤上；其中，兩個平面支撐板對稱放置。

當轉輪盤固定在支撐軸時，左右支撐軸左端各固定1 個齒輪、并與中間的驅動齒輪相嚙合，三個齒輪為同樣大的齒輪。在搖動手輪時，中間驅動齒輪轉動，帶動兩端的齒輪相對（相背）在轉動，從而兩支撐軸轉動，切換不同形態特征的支撐板、以適應不同的人群需要；由于18對支撐板均勻分布，旋轉20°即調整、切換一對支撐板。

由于支撐軸的長度較長，需要在中間位置添加支撐座；分離式支撐座中放置支撐軸、并在支撐軸的左右放置兩個轉輪盤、實現對支撐板的襯托，參見圖5。為了不影響舒適度，支撐座的位置設計在腰部；依據統計數據，這個位置處在頭部往下約0.65米位置處。由此，為了實現切換，每一支撐板被分割成兩塊，參見圖6。

3.2.2 升降機構設計

為了提高床具的使用壽命、以及支撐板切換的便利，在切換不同形狀的支撐板時，需要將如圖7所示的床板托架先向上升起，待支撐板調整到位后再降下來。

所設計的升降機構由轉柄、絲桿、滑塊、升降桿、床板托架構成。床板下左右各設有一個固定環扣、一個滑動環扣（參見圖7），升降桿與下方固定在床腿上的固定環扣通過銷軸接。滑動環扣鏈接在和小手輪連接的絲桿上，當搖動小手輪時，絲桿轉動，帶動滑動環扣作前后的直線運動，使床板托架上升或下降，帶動軟榻床板上升或下降。

4 自動驅動系統設計

隨著智能制造逐步推進，智能技術在生活的各個方面得到了廣泛應用。對于上文所設計的可調多功能（病）床具，可設計開發自動驅動系統，實現床具的自動升降、支撐板的自動切換。

為此，用電動推桿代替滑動絲桿，將多個電動推桿底部固定在床架上、頂部與床板托架相連，當電動推桿同時上升或下降時，帶動托架及其上面的床板一同上升或下降。

同時，為實現支撐板的自動切換，可用低電壓直流電機取代大手柄，驅動中間驅動齒輪轉動。

進一步的，還可附裝傳感器來實現智能控制。當人體臥床后，角度傳感器可自動測量臥床者身高等，根據實際身高數據、確定所應選擇的支撐板種類。

考慮操作的便攜性和現代人的生活習慣，將采用無線遙控和智能手機APP兩種方式。整個自動控制系統原理如圖9所示。

5 結束語

為不同的臥床者提供個性化的床具將有助于提升臥床者、特別是病人的睡眠質量，也面臨著如何更好滿足大眾群體要求以及使用便利、成本合理的考驗，本文針對醫院等大眾場所：

①基于大規模定制思想、市場細分方法，根據成年人身高數據將人群分成若干組，基于人因工程學、針對每一組群的體態特征設計對應的仰臥床板和側臥床板，最大程度地滿足不同個體對床具的個性化要求；

②在此基礎上，開發設計了一種可依據人體身高以及臥姿來調整床板的可調式多功能（病）床具；

③為實現不同種類的床板的切換，設計了一套床板調整機構，它通過手柄齒輪轉動、帶動固定在支撐軸的轉輪盤轉動，實現鑲嵌在轉輪上的床板支撐板的切換；

④為便于床板支撐板的切換，設計了一套床板升降機構，它通過手柄帶動絲桿轉動，使絲桿螺母作前后的直線運動，從而實現床板托架的上升與下降；

⑤將智能技術引入該床具設計中，基于無線遙控或手機APP方式，依據傳感數據、可實現床板自動升降、床板支撐板的自動切換。

參考文獻：

[1]左洪亮，裴學勝，武瑞之.基于人機工程學的床具設計[J].河南科技大學學報（自然科學版），2003，24（1）：105-107.

[2]李莉，申利明，周敏.基于體壓分布的海綿厚度對床墊舒適性影響[J].西北林學院學報，2009，24（6）：150-153.

[3]朱芋錠，申黎明，劉華.人體模型在床墊設計中的應用[J].家具與室內裝飾，2013（01）：55-57.

[4]GB10000-88，中國成年人人體尺寸[S].