基于人機工學的左右分區床墊創新設計研究

肖 飛，吳登高

(1.東莞職業技術學院藝術設計系，廣東東莞 523808；2.東莞慕思寢室用品有限公司，廣東東莞 523808）

隨著床墊市場的消費升級，消費者對床墊軟硬度及舒適度的追求越來越高。同一個家庭中，床墊可能會由不同特征的個體共同使用，床墊寬度方向上單一的軟硬度已經無法滿足不用個體睡感的需要。左右分區床墊的設計正是基于這樣的需求出發，通過研究不同個體對床墊寬度方向的不同需求進行創新設計，通過左右不同睡感的設計滿足不同個體對床墊的不同需求。

1 左右分區床墊設計的必要性

人的身高、體重、體型等不一樣，所需要的床墊軟硬度不一樣。據多項研究結果顯示，成年男女體型相差較大，2014年河北省、2014年武漢市、2015年深圳市隨機抽樣成年男女進行BMI檢測，結果顯示男性超重、肥胖比例（55.3%）均高于女性（28.8%），女性體重正常占比最高64.70%，隨著年紀的增長男女超重、肥胖的比例顯著增加[1-2]。由此帶來的結果是，同一組家庭中不同人的體型差距也越來越大。為了獲得更舒適的睡感，讓不同體重人的脊椎處于放松的狀態，床墊需要提供相應的軟硬度來支撐人的身體。早期床墊的研究也表明，中等體型和偏胖體型這兩類人群在五分區彈簧床墊上的體壓分布較為合理，但分區彈簧不能給予偏瘦型體型的人群提供良好的支撐性能[3]，不同的床墊對體壓分布和脊柱形態會產生不同的影響[4]。所以進行床墊的設計時要提高床墊的使用舒適性就應該考慮床墊形態與人體曲線的貼合度，在側躺或平躺時身體各位置特別是腰部、臀部均應獲得有效的支撐與承托[5]。

目前市場上床墊大多是依據人體平躺時身高方向（即床墊的長度方向）進行分區設計。通過將床墊長度方向的軟硬度設置成不同區間，增大人體脊椎在彎曲方向上與床墊的接觸面，以有效減小人體局部應力聚集進而避免人體產生局部酸脹等不適感覺。如圖1所示，人體在肩部、臀部和膝部等凸出部位與床墊的接觸面積越大應力越小，脊椎在睡覺時保持成一條直線也是最有利于脊椎健康的狀態。通常肩部和臀部側躺時對于彈簧的擠壓會超過其他部位，如果要實現側躺時脊椎保持直線，就必須要使下面的床墊接觸部位軟硬度不同。實現這一目標的途徑可以通過床墊的床網分區和床墊的墊層分區[6]。所謂床墊的床網分區一般指獨立筒彈簧床網，通過采用不同線徑的彈簧來改變其彈力，一般來說口徑相同的情況下，線徑越粗，床網越硬，彈性也越差，比如對于支撐頭部、腰部、腿部等重量較輕的部位，我們如果采用線徑1.8mm的彈簧的話，肩部和臀部采用線徑1.6mm或者線徑1.4mm的彈簧便能實現床墊長度方向上的軟硬分區。

除了床網可以進行軟硬度分區之外，墊層上的軟硬度不同設置同樣也能實現床墊長度方向上的分區，例如分區乳膠和分區海綿等[7-8]。總體來說，市場上此類型的產品已經比較成熟，也比較容易實現。然而左右分區床墊的研究及產品研發非常少，主要原因是相比長度分區只要求對身體不同部位數據差異進行分析而言，對不同體重的人體數據差異的難度更大，要求也更高。在此情況下基于人機工學的左右分區床墊的創新設計十分必要。

2 左右分區床墊的創新設計策略

左右分區床墊的創新設計基于人機工學出發[9]，至少分為三個區域，即左右兩個不同軟硬度區域和中間過渡區域。左右區域為不同體型的使用者提供最適合的支撐和承托，中間區域的作用是實現左右不同軟硬度的緩沖和過渡。設立過渡區域的原因是人的睡眠姿勢并非固定不變，它能減小人體觸碰到兩種不同軟硬度床墊之后其所帶來的差異感。過渡區域的寬度尺寸可依據實際情況進行設置。一般來說，雙人床墊的寬度尺寸包括1.2m，1.5m，1.8m等幾種尺寸，中間區域設置為10-15cm即可。

2.1 左右分區床墊的內膽設計

分區床墊的主要支撐力由床墊內膽提供，通過改變現有床墊的內膽結構可以實現床墊左右分區的不同軟硬度。目前市面上主流床墊的內膽結構為：連續彈簧+墊層、獨立筒彈簧+墊層、無彈簧床網床墊，床墊各層示意圖如圖3所示，為更好地適應不同體型對床墊軟硬度的需求，保證床墊中間軟硬度的自然過渡，基于現有的技術及研究，左右分區床墊內膽的連接方式及結構設計可以參照如下3種方式：

圖1 人體側躺壓力分布圖

圖2 分區彈簧和分區乳膠

圖3 床墊各層示意圖

圖4 墊層材料平拼接方式

圖5 不同軟硬度的模塊內膽

①材料自身分區：現有材料能夠進行長度方向上的分區，多為可一體成型生產的材料，例如3D棉、乳膠、海綿等，多用于墊層。這類用于墊層的一體成型材料左右分區工藝難度小，較容易實現，但因模具成本高，相較于普通墊層材料成本較高。

②墊層材料拼接：不同軟硬度或不同材料，可通過榫卯結構與無毒環保膠穩固的方式拼接，如圖4所示，連接處可實現如硬度的自然過渡。相比材料自身分區，墊層不同特性的材料通過拼接的方式連接可以節約成本，同時也更加靈活。由于墊層材料可以采用多種類型，也能更有利于我們進行創新來實現不同的舒適效果。同時，墊層拼接也能使左右分區的床墊差異性更大，睡感差異更明顯。其不足之處在于生產加工中由于材料的屬性不同，可能會出現長時間使用后連接處容易產生質量問題。這對企業來說需要對生產工藝和品質控制進行更嚴格的把控。

③獨立筒左右分區：如同依據人體實際需求，在長度方向上對床墊對應的頭、肩、腰、臀、腿位置排布不同軟硬度的獨立筒彈簧一樣，在床墊的寬度方向上排布3個區域：左右為不同軟硬度彈簧區域，差異比較明顯；中間為軟硬度過渡區域，介于左右兩種軟硬度之間。以滿足需求的左右分別為偏硬、偏軟的床墊為例，床墊寬度為1.8m，每排擺放27個直徑6.3cm的彈簧，左右偏軟、偏硬的彈簧各擺放11個，中間過渡區域的軟硬度適中彈簧擺放數量為5個。彈簧的線徑和直徑的細微差距都能帶來軟硬度的區別，同時，一般不同軟硬度的彈簧會采用不同顏色的布套，方便工人生產過程中好識別。

2.2 左右分區床墊的模塊化設計

為滿足不同個體更深層次的需求，左右分區床墊可以通過模塊化設計同時實現寬度方向的左右分區及長度方向的上下分區。這種分區方式不僅能使床墊更符合人體曲線，還能夠同時實現兩種不同睡感。參照市面上對床墊軟硬度等級劃分，即“硬”、“偏硬”、“適中”、“偏軟”、“軟”5個等級，分區床墊的模塊化設計也可根據墊層材料、彈簧、其他材料的軟硬度劃分為以上5個等級，再將不同軟硬度的進行模塊組合設計，模塊可為整片分區材料，也可為連續彈簧、或獨立彈簧。在實際生產時，可通過以下5種方式實現：

①連續彈簧床網+左右分區的墊層：連續彈簧床網軟硬度單一，材料及生產成本較低，可實現不同的軟硬度，但不能實現軟硬度分區。該種類型的床墊主要通過墊層調節床墊左右不同的軟硬度，因此對墊層厚度有一定的要求，從而影響床墊的整體厚度。墊層可為一體成型材料，也可為材料拼接而成。因連續彈簧相較獨立彈簧價格偏低，因此一般多使用材料拼接墊層，在市場上售賣時價格更有優勢。床墊整體的左右軟硬度可調范圍相對較小，適合體型相差較小的人群。

②獨立筒彈簧床網+左右分區的墊層：獨立筒彈簧無分區，材料及生產成本較高。針對目標市場及實際情況，墊層可為一體成型材料，也可為材料拼接而成。在實際售賣中，以中高端客戶群里為主。床墊整體的左右軟硬度可調范圍較小，獨立筒彈簧床網能夠避免翻身時影響另一方，適合體型相差適中的人群。

③左右分區的獨立筒彈簧床網+左右分區的墊層：左右分區的獨立筒彈簧能夠實現較大軟硬度差，墊層可為一體成型材料，也可為材料拼接而成，但材料及生產成本高，在實際售賣中，以高端客戶群體為主。該種床墊能夠實現軟硬度左右分區，且可調范圍大，過渡區域能實現平緩過渡，適合體型相差較大的人群。采用左右分區的不同軟硬度獨立筒設計的彈簧床網（以1.8m寬床墊、彈簧直徑6.3cm的獨立筒為例），其彈簧分布如表1所示。

④無床網床墊內部材料左右分區：此類型床墊內部多為乳膠、海綿、3D棉等可一體成型材料，材料本身由于密度和成分的不同可實現多個區域不同軟硬度，也可通過材質拼接的方式實現軟硬度分區。因材料本身的價格不同，床墊在實際售賣時會形成不同價格段位，再進行客戶群體匹配。

⑤五類床墊的內膽所有材料由一個個獨立的、不同軟硬度的模塊，如圖5所示，依據需求進行組合，可實現上下區域、左右區域完全不同的軟硬度。但此種方式下床墊的軟硬度過渡較生硬，連接處的穩定性不高，且需人工組合，成本高。

表1 不同軟硬度需求的左右分區獨立筒排布方式

2.3 左右分區智能床墊設計

智能床墊作為智能家居的一部分出鏡的頻率也越來越高。通過植入傳感器和其他設備，用藍牙和無線網絡等信息化手段和其他電子設備進行串聯，能夠實現對人體的睡眠質量，健康狀況等進行檢測和記錄分析，幫助我們更好地了解自己的身體情況。智能床墊也可實現床墊的左右分區和整體調整的功能，它可以依據不同人體、不同姿勢，床墊各模塊快速適應貼合人體曲線給予最好的支撐。智能床墊的內部傳感系統與調節系統能夠根據人體動態，自動調節床墊的狀態。床墊上層分別安裝有傳感器以及壓力數據捕捉系統，在使用者靜止躺在床墊上時，床墊會根據體壓分布、使用者脊椎曲線等多個方面，以舒適性為前提調節床墊各模塊的軟硬度，這樣的智能調節算法模型，能給使用者帶來高達上萬種睡感。當使用者身體狀態發生變化時，床墊也會實時變化，并且根據使用者不同的體型匹配適合的睡感，對于使用者來說在不同時期都能得到很好的睡眠解決方案。當同時有兩個人在使用床墊的時候，智能床墊能夠還能進行分區調節，根據不同區域不同的使用者，做到一張床墊同時擁有兩種不同的睡感。床墊內置左右獨立的壓力傳感控制系統，能實時采集人體身高、重量、睡眠習慣等身體數據信息；內置的高速運算芯片能分析睡眠數據，并將數據整合傳遞于智能調節，觸發內部結構。自動調節人體肩、背、腰、臀、大腿與床墊之間貼合曲線的軟硬度，有效承托身體體重，并能對一張床，左右兩邊不同軟硬度調節。但目前智能床墊具有價格偏貴、技術不成熟等劣勢，相比傳統床墊而言市場接受度較低[10]。但是它代表的是一種未來的生活方式，相信隨著科技的進步和供應鏈體系的發展，越來越多的普通家庭也會使用這種智慧型床墊。

3 結語

不同體型的人群對床墊軟硬度需求不一，進行左右分區床墊的設計符合市場發展的需要。為更好地實現分區床墊的左右軟硬度分區，床墊的內膽結構及連接方式可通過墊層、彈簧床網的左右軟硬度分區來實現，為降低生產成本、提高生產效率，左右分區床墊可通過連續彈簧床網復合左右分區墊層、獨立筒彈簧床網復合左右分區墊層、左右分區獨立筒彈簧復合左右分區墊層、無床網床墊內部材料左右分區等方式進行模塊化設計，而智能分區床墊的設計則為滿足高端市場需求提供了選擇。