關(guān)鍵詞：智能床墊；舒適性；空氣彈簧；人體工效學；睡眠健康

中圖分類號：TB472 文獻標識碼：A

0 引言

隨著社會經(jīng)濟的快速發(fā)展，睡眠障礙日益嚴重[1]，睡眠健康問題已成為健康中國戰(zhàn)略的重要組成部分和主要行動指標[2]，也逐漸受到社會的廣泛關(guān)注。

影響睡眠健康的因素較多，床墊主要通過對身體進行有效承托，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評價標準。床墊對于人體支撐腰臀壓強比應為35% ～ 70% [3]，缺乏更加細分的評價范圍。②材料提升。傳統(tǒng)床墊雖然可以通過改變鋪墊料實現(xiàn)對人體側(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)能夠基于用戶的個性需求，提供可調(diào)節(jié)的支撐[6]，但對產(chǎn)品端的應用研究仍然較少。

為了解決以上問題，提出一種基于空氣彈簧提升床墊舒適性的系統(tǒng)設計。基于人體工效學床墊標準，進行空氣彈簧的科學分區(qū)布局，通過多重材料分級支撐結(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)空氣彈簧氣壓識別和充放氣控制的翻身自適應調(diào)節(jié)機制，用于產(chǎn)品化應用的智能調(diào)整。通過支撐結(jié)構(gòu)的智能調(diào)節(jié)，提升床墊舒適性將成為未來的創(chuàng)新設計方向 [7]。

1 空氣彈簧床墊的設計原理

利用傳統(tǒng)彈簧和空氣彈簧的優(yōu)點[8]。在傳統(tǒng)彈簧支撐的基礎上，通過增加分區(qū)獨立可調(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，提供更強的局部承托；當分區(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，通過鋪料層和外套絎縫層的合理搭配，有利于進一步緩解承托釋壓，增強床墊舒適度。

1.1 系統(tǒng)硬件設計

硬件設計框圖如圖1 所示。微控制器單元通過操作顯示單元進行系統(tǒng)的開關(guān)操作及狀態(tài)識別，并通過氣壓采集單元采集各個空氣彈簧內(nèi)的氣壓數(shù)據(jù)，結(jié)合用戶個性化參數(shù)設置，控制電磁閥驅(qū)動單元和充氣泵單元工作狀態(tài)，實現(xiàn)分區(qū)空氣彈簧充放氣狀態(tài)的調(diào)整控制。同時，通過flash 存儲單元和無線通信單元將相關(guān)數(shù)據(jù)和狀態(tài)分別存儲在本地并上傳至服務器云端。

1.2 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設計

分級支撐結(jié)構(gòu)設計如圖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)的肩背腰臀細節(jié)分區(qū)支撐；鋪料層（L4），提供進一步釋壓的材料支撐[9]；外套絎縫層（L5），提供細分的舒適睡感和包裹感。

1.3 系統(tǒng)交互設計

空氣彈簧床墊配套專用 APP，用戶交互設計如圖3 所示。其包括設置面板和調(diào)節(jié)面板兩個部分，設置面板主要進行單雙人模式和用戶參數(shù)信息設置；利用調(diào)節(jié)面板，系統(tǒng)可以結(jié)合用戶設置面板信息和選擇的睡感參數(shù)，調(diào)節(jié)控制相應的睡感。同時，當用戶選擇打開翻身自適應開關(guān)，系統(tǒng)會通過無線通信單元將相關(guān)設置下發(fā)至控制器，進行翻身狀態(tài)下的床墊自動壓力調(diào)節(jié)。

1.4 系統(tǒng)軟件設計

軟件工作流程如圖4 所示。設備上電進入主程序后，首先進行用戶參數(shù)設置，當用戶選擇某一床墊睡感調(diào)節(jié)完成后，系統(tǒng)檢測翻身自適應功能是否開啟。在該功能打開的條件下，系統(tǒng)開啟自適應時間段內(nèi)各個空氣彈簧的氣壓實時采集，并進行翻身狀態(tài)下各個空氣彈簧壓力的輸出調(diào)整，從而實現(xiàn)不同身體壓力狀態(tài)下床墊壓力的自適應智能調(diào)整功能。

2 空氣彈簧床墊創(chuàng)新設計方案

2.1 分區(qū)空氣彈簧人體工效學承托創(chuàng)新設計

科學的工效學體壓分布可以有效幫助身體釋壓，減少睡眠過程的局部壓迫感[10]?？諝鈴椈筛鶕?jù)人體工效學被合理地分區(qū)布置在空氣彈簧支撐層，每個空氣彈簧都能夠獨立充放氣。這種工效學分布確保了空氣彈簧支撐的科學性，提供個性化的人體工效學支撐，以滿足不同用戶的需求，為用戶提供具有個性化舒適度的睡眠環(huán)境，還為進一步細化、優(yōu)化國標中床墊腰臀壓強比支撐舒適性提供參考。

2.2 多重材料分級支撐結(jié)構(gòu)創(chuàng)新設計

多重材料分級支撐結(jié)構(gòu)創(chuàng)新設計充分考慮了傳統(tǒng)材料和空氣彈簧可調(diào)支撐的優(yōu)點。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)，保證床墊的基礎支撐性能；空氣彈簧支撐層根據(jù)人體工效學特點，提供科學的分區(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性化需求。該創(chuàng)新設計追求臥姿狀態(tài)下身體與床墊的自然曲線貼合，進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)新設計

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

2.4 翻身自適應動態(tài)體壓智能調(diào)節(jié)創(chuàng)新設計

翻身自適應體現(xiàn)了系統(tǒng)智能化方面的創(chuàng)新設計。當翻身側(cè)睡時，調(diào)節(jié)肩部區(qū)域空氣彈簧放氣，進行肩部釋壓；當翻身平躺時，調(diào)節(jié)臀部區(qū)域空氣彈簧充氣，對臀部進行有效支撐。這種翻身自適應動態(tài)體壓調(diào)節(jié)功能，可以有效改善用戶睡眠過程中身體承壓的智能調(diào)節(jié)，帶來更加智能的睡眠舒適度體驗。

3 分析與討論

為了驗證空氣彈簧床墊對分區(qū)支撐改善度的影響，對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行了測試。本測試采用美國傳感器產(chǎn)品公司的TACTILUS 柔性壓力分布系統(tǒng)進行監(jiān)測分析，腰臀支撐體壓分布統(tǒng)計如表1 所示。

結(jié)果表明，不同用戶在床墊推薦睡感模式下，腰臀支撐壓強比為35% ～ 70%，符合人體工效學床墊標準要求。同時，不同用戶的腰臀壓強比存在部分差異，通過加入體型和分區(qū)位置等數(shù)據(jù)，可為進一步細分腰臀壓強比提供參考。同時，當推薦睡感不滿足用戶的舒適性要求時，還可以通過選擇其他睡感，以滿足個性化腰臀壓強比睡感需求。

4 結(jié)論

通過空氣彈簧支撐調(diào)節(jié)和傳統(tǒng)床墊工藝的有效融合，經(jīng)過長時間迭代設計，目前該床墊已通過市場驗證，能有效改善睡眠舒適性和助眠效率，具有較高的市場推廣價值。未來可以將床墊與大數(shù)據(jù)等技術(shù)進行結(jié)合，以適應個性化和智能化舒適性的需求，提高用戶睡眠質(zhì)量。