基于分區(qū)空氣彈簧提升床墊舒適性的系統(tǒng)設(shè)計(jì)

關(guān)鍵詞：智能床墊；舒適性；空氣彈簧；人體工效學(xué)；睡眠健康

中圖分類(lèi)號(hào)：TB472 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

0 引言

隨著社會(huì)經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展，睡眠障礙日益嚴(yán)重[1]，睡眠健康問(wèn)題已成為健康中國(guó)戰(zhàn)略的重要組成部分和主要行動(dòng)指標(biāo)[2]，也逐漸受到社會(huì)的廣泛關(guān)注。

影響睡眠健康的因素較多，床墊主要通過(guò)對(duì)身體進(jìn)行有效承托，提高用戶睡眠的舒適性。然而，現(xiàn)有床墊舒適性的研究局限性在于：①評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)。床墊對(duì)于人體支撐腰臀壓強(qiáng)比應(yīng)為35% ～ 70% [3]，缺乏更加細(xì)分的評(píng)價(jià)范圍。②材料提升。傳統(tǒng)床墊雖然可以通過(guò)改變鋪墊料實(shí)現(xiàn)對(duì)人體側(cè)臥脊柱形態(tài)的影響[4]，但這只適用于特定用戶，不具備通用性。③功能改善。通過(guò)睡前腰椎拉伸熱敷，可以改善睡眠舒適性[5]，但目前的研究主要聚焦在身體肌肉放松，對(duì)綜合身心放松的研究仍較少。④智能調(diào)節(jié)。雖然可調(diào)節(jié)床墊系統(tǒng)能夠基于用戶的個(gè)性需求，提供可調(diào)節(jié)的支撐[6]，但對(duì)產(chǎn)品端的應(yīng)用研究仍然較少。

為了解決以上問(wèn)題，提出一種基于空氣彈簧提升床墊舒適性的系統(tǒng)設(shè)計(jì)。基于人體工效學(xué)床墊標(biāo)準(zhǔn)，進(jìn)行空氣彈簧的科學(xué)分區(qū)布局，通過(guò)多重材料分級(jí)支撐結(jié)構(gòu)和睡前放松功能提升整體支撐釋壓和功能助眠的舒適性，并提出一種基于分區(qū)空氣彈簧氣壓識(shí)別和充放氣控制的翻身自適應(yīng)調(diào)節(jié)機(jī)制，用于產(chǎn)品化應(yīng)用的智能調(diào)整。通過(guò)支撐結(jié)構(gòu)的智能調(diào)節(jié)，提升床墊舒適性將成為未來(lái)的創(chuàng)新設(shè)計(jì)方向 [7]。

1 空氣彈簧床墊的設(shè)計(jì)原理

利用傳統(tǒng)彈簧和空氣彈簧的優(yōu)點(diǎn)[8]。在傳統(tǒng)彈簧支撐的基礎(chǔ)上，通過(guò)增加分區(qū)獨(dú)立可調(diào)式空氣彈簧支撐，調(diào)節(jié)身體各部位在床墊上的有效承托。當(dāng)分區(qū)空氣彈簧處于充氣狀態(tài)下，空氣彈簧受充氣氣壓作用而向四周產(chǎn)生擠壓力量使支撐該區(qū)域床墊位置上升，提供更強(qiáng)的局部承托；當(dāng)分區(qū)空氣彈簧處于放氣狀態(tài)下，空氣彈簧受材料自身彈性作用而向中心產(chǎn)生回拉力量使支撐該區(qū)域床墊的位置下移，提供更軟的釋壓支撐。同時(shí)，通過(guò)鋪料層和外套絎縫層的合理搭配，有利于進(jìn)一步緩解承托釋壓，增強(qiáng)床墊舒適度。

1.1 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

硬件設(shè)計(jì)框圖如圖1 所示。微控制器單元通過(guò)操作顯示單元進(jìn)行系統(tǒng)的開(kāi)關(guān)操作及狀態(tài)識(shí)別，并通過(guò)氣壓采集單元采集各個(gè)空氣彈簧內(nèi)的氣壓數(shù)據(jù)，結(jié)合用戶個(gè)性化參數(shù)設(shè)置，控制電磁閥驅(qū)動(dòng)單元和充氣泵單元工作狀態(tài)，實(shí)現(xiàn)分區(qū)空氣彈簧充放氣狀態(tài)的調(diào)整控制。同時(shí)，通過(guò)flash 存儲(chǔ)單元和無(wú)線通信單元將相關(guān)數(shù)據(jù)和狀態(tài)分別存儲(chǔ)在本地并上傳至服務(wù)器云端。

1.2 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

分級(jí)支撐結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)如圖2 所示。其主要包括：床墊底架支撐層（L1），提供整體材料支撐；傳統(tǒng)彈簧支撐層（L2），提供通用需求的彈性支撐；空氣彈簧支撐層（L3），提供可調(diào)節(jié)的肩背腰臀細(xì)節(jié)分區(qū)支撐；鋪料層（L4），提供進(jìn)一步釋壓的材料支撐[9]；外套絎縫層（L5），提供細(xì)分的舒適睡感和包裹感。

1.3 系統(tǒng)交互設(shè)計(jì)

空氣彈簧床墊配套專(zhuān)用 APP，用戶交互設(shè)計(jì)如圖3 所示。其包括設(shè)置面板和調(diào)節(jié)面板兩個(gè)部分，設(shè)置面板主要進(jìn)行單雙人模式和用戶參數(shù)信息設(shè)置；利用調(diào)節(jié)面板，系統(tǒng)可以結(jié)合用戶設(shè)置面板信息和選擇的睡感參數(shù)，調(diào)節(jié)控制相應(yīng)的睡感。同時(shí)，當(dāng)用戶選擇打開(kāi)翻身自適應(yīng)開(kāi)關(guān)，系統(tǒng)會(huì)通過(guò)無(wú)線通信單元將相關(guān)設(shè)置下發(fā)至控制器，進(jìn)行翻身狀態(tài)下的床墊自動(dòng)壓力調(diào)節(jié)。

1.4 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

軟件工作流程如圖4 所示。設(shè)備上電進(jìn)入主程序后，首先進(jìn)行用戶參數(shù)設(shè)置，當(dāng)用戶選擇某一床墊睡感調(diào)節(jié)完成后，系統(tǒng)檢測(cè)翻身自適應(yīng)功能是否開(kāi)啟。在該功能打開(kāi)的條件下，系統(tǒng)開(kāi)啟自適應(yīng)時(shí)間段內(nèi)各個(gè)空氣彈簧的氣壓實(shí)時(shí)采集，并進(jìn)行翻身狀態(tài)下各個(gè)空氣彈簧壓力的輸出調(diào)整，從而實(shí)現(xiàn)不同身體壓力狀態(tài)下床墊壓力的自適應(yīng)智能調(diào)整功能。

2 空氣彈簧床墊創(chuàng)新設(shè)計(jì)方案

2.1 分區(qū)空氣彈簧人體工效學(xué)承托創(chuàng)新設(shè)計(jì)

科學(xué)的工效學(xué)體壓分布可以有效幫助身體釋壓，減少睡眠過(guò)程的局部壓迫感[10]。空氣彈簧根據(jù)人體工效學(xué)被合理地分區(qū)布置在空氣彈簧支撐層，每個(gè)空氣彈簧都能夠獨(dú)立充放氣。這種工效學(xué)分布確保了空氣彈簧支撐的科學(xué)性，提供個(gè)性化的人體工效學(xué)支撐，以滿足不同用戶的需求，為用戶提供具有個(gè)性化舒適度的睡眠環(huán)境，還為進(jìn)一步細(xì)化、優(yōu)化國(guó)標(biāo)中床墊腰臀壓強(qiáng)比支撐舒適性提供參考。

2.2 多重材料分級(jí)支撐結(jié)構(gòu)創(chuàng)新設(shè)計(jì)

多重材料分級(jí)支撐結(jié)構(gòu)創(chuàng)新設(shè)計(jì)充分考慮了傳統(tǒng)材料和空氣彈簧可調(diào)支撐的優(yōu)點(diǎn)。床墊底架支撐層采用椰棕或黃麻，確保底部支撐結(jié)構(gòu)的整體性；傳統(tǒng)彈簧支撐層采用五金彈簧結(jié)構(gòu)，保證床墊的基礎(chǔ)支撐性能；空氣彈簧支撐層根據(jù)人體工效學(xué)特點(diǎn)，提供科學(xué)的分區(qū)支撐承托；鋪料層和外套絎縫層可以滿足不同床墊睡感的個(gè)性化需求。該創(chuàng)新設(shè)計(jì)追求臥姿狀態(tài)下身體與床墊的自然曲線貼合，進(jìn)而有效提升床墊釋壓支撐舒適性。

2.3 睡前放松功能助眠創(chuàng)新設(shè)計(jì)

床墊通過(guò)分區(qū)空氣彈簧的充放氣律動(dòng)調(diào)節(jié)，給用戶提供睡前身心放松的助眠功能體驗(yàn)：通過(guò)局部單一空氣彈簧的起伏抬升，促進(jìn)身體肌肉放松；通過(guò)整體空氣彈簧的起伏律動(dòng)，模擬在大海上漂浮的感覺(jué)，為用戶提供舒適的心理放松體驗(yàn)。這種睡前放松體驗(yàn)，既可以放松身體肌肉，還可以引導(dǎo)用戶進(jìn)入放松狀態(tài)，為其帶來(lái)更加輕松的入睡體驗(yàn)。

2.4 翻身自適應(yīng)動(dòng)態(tài)體壓智能調(diào)節(jié)創(chuàng)新設(shè)計(jì)

翻身自適應(yīng)體現(xiàn)了系統(tǒng)智能化方面的創(chuàng)新設(shè)計(jì)。當(dāng)翻身側(cè)睡時(shí)，調(diào)節(jié)肩部區(qū)域空氣彈簧放氣，進(jìn)行肩部釋壓；當(dāng)翻身平躺時(shí)，調(diào)節(jié)臀部區(qū)域空氣彈簧充氣，對(duì)臀部進(jìn)行有效支撐。這種翻身自適應(yīng)動(dòng)態(tài)體壓調(diào)節(jié)功能，可以有效改善用戶睡眠過(guò)程中身體承壓的智能調(diào)節(jié)，帶來(lái)更加智能的睡眠舒適度體驗(yàn)。

3 分析與討論

為了驗(yàn)證空氣彈簧床墊對(duì)分區(qū)支撐改善度的影響，對(duì)5 名不同身體質(zhì)量指數(shù)（body mass index，BMI）的辦公室用戶，在床墊推薦睡感模式下進(jìn)行了測(cè)試。本測(cè)試采用美國(guó)傳感器產(chǎn)品公司的TACTILUS 柔性壓力分布系統(tǒng)進(jìn)行監(jiān)測(cè)分析，腰臀支撐體壓分布統(tǒng)計(jì)如表1 所示。

結(jié)果表明，不同用戶在床墊推薦睡感模式下，腰臀支撐壓強(qiáng)比為35% ～ 70%，符合人體工效學(xué)床墊標(biāo)準(zhǔn)要求。同時(shí)，不同用戶的腰臀壓強(qiáng)比存在部分差異，通過(guò)加入體型和分區(qū)位置等數(shù)據(jù)，可為進(jìn)一步細(xì)分腰臀壓強(qiáng)比提供參考。同時(shí)，當(dāng)推薦睡感不滿足用戶的舒適性要求時(shí)，還可以通過(guò)選擇其他睡感，以滿足個(gè)性化腰臀壓強(qiáng)比睡感需求。

4 結(jié)論

通過(guò)空氣彈簧支撐調(diào)節(jié)和傳統(tǒng)床墊工藝的有效融合，經(jīng)過(guò)長(zhǎng)時(shí)間迭代設(shè)計(jì)，目前該床墊已通過(guò)市場(chǎng)驗(yàn)證，能有效改善睡眠舒適性和助眠效率，具有較高的市場(chǎng)推廣價(jià)值。未來(lái)可以將床墊與大數(shù)據(jù)等技術(shù)進(jìn)行結(jié)合，以適應(yīng)個(gè)性化和智能化舒適性的需求，提高用戶睡眠質(zhì)量。