居家多功能防打鼾醫療床*

蔣亞南，蔣東霖

(長春師范大學 工程學院，吉林 長春 130032)

0 引言

隨著“智能家居”的出現以及人工智能和物聯網技術的逐漸成熟，各種智能產品層出不窮，越來越多的智能家居產品成為生活流行品、消費新趨勢。而且現代生活節奏快、壓力大以及生活方式不健康等引發的睡眠質量低下、打鼾等問題日益凸顯。然而目前市面上大多數的床為軟床或者硬床，硬板床設計不符合人體的生理曲度，容易出現腰部懸空現象，長時間的肌肉緊張、收縮會導致肌肉疲勞、酸痛甚至勞損，無法保障人的睡眠質量；軟床內的填充物比較復雜，不能保證質量和耐久度，不經常換洗容易滋生細菌同時長時間睡軟床會對脊椎造成負擔，損害健康。且在一般的家庭中，床四周及床底的空間利用率不高。床周圍是固定的床頭柜，只能放東西和收納；而床下的收納是以床下格子形式出現，不僅空間狹小，而且取物困難，難以整理。基于以上出現的種種問題，我們設計研發了一款居家多功能防打鼾醫療床，其原理是通過給床下的氣囊充氣，緩慢改變打鼾者頭部的位置與打鼾者睡姿，實現平臥患者的俯仰體位變換，自動左翻身(右翻身)從而打開喉嚨內的空氣通道治療打鼾。整個過程十分輕柔、安靜，不會將用戶和身邊的人吵醒。此外，氣墊床是降低重癥顱腦損傷患者壓瘡發生率的重要措施，氣墊床配合翻身能夠有效預防壓瘡，減少患者并發癥的發生，提高病情的恢復速度，還添加了折疊收納、家庭影院等功能。

1 總體設計方案

多功能防打鼾醫療床整體預覽圖如圖1所示。主要分為打鼾干預模塊、被褥折疊模塊以及日常生活功能模塊等。打鼾干預模塊包括頸部抬起機構、側面抬起裝置，使用者在使用時通過控制床面角度，緩慢改變打鼾者頭部的位置與打鼾者睡姿，實現平臥患者的俯仰體位變換，自動左翻身(右翻身)從而打開喉嚨內的空氣通道緩解打鼾癥狀。被褥折疊模塊包括被褥折疊裝置及機械手，可以將床單平鋪在床面上，通過遙控即可自動更換儲存床單被褥。日常生活功能模塊包括投影裝置、滑動窗簾、起夜燈以及床下儲物柜，在日常生活中，只需通過遙控，本裝置可以立即進入觀影模式，自動拉上窗簾，播放影片。床下備有儲物柜，可以滿足用戶日常的儲物需求且不占地方。用戶夜間行動時，起夜燈自動亮起，保護用戶安全。整個裝置自動化程度較高，且適用于各個年齡段，使用方便快捷。

圖1 多功能防打鼾醫療床預覽圖

2 結構設計

多功能防打鼾醫療床通過慧魚創意組合模型搭建，主要由防打鼾裝置、被褥折疊裝置、日常生活功能模塊等組成。整個機構主要由電動機提供動力，通過蝸輪蝸桿以及齒輪齒條的相互配合實現氣缸升降、機械手抓握、折疊板旋轉折疊以及窗簾自動開關等功能。整個裝置自動化程度較高，操作簡單易懂，可以精準地完成一系列機械傳動，實現緩解用戶打鼾、自動收納床單等一系列功能。

2.1 防打鼾裝置設計

防打鼾裝置如圖2所示，它是整個裝置的核心部分，主要由驅動機構、抬高機構、氣壓系統、信息檢測裝置等部分組成，利用該裝置可使整個床面都處于可調整狀態，可抬高或降低用戶某個身體部位。驅動系統由電池、開關構成。通過電池的通電斷電控制氣缸的控制閥和蝸輪蝸桿，從而控制氣缸的運動以及蝸輪蝸桿的轉動。抬高機構由側面抬高機構(見圖3)和頸部抬高機構(見圖4)組成，主要零件為絲杠、氣缸、彈簧、支撐板等，負責側床面和床頭的抬起。氣壓系統由控制閥、氣缸和管路等組成，為整個床提供氣壓，并通過控制閥使氣缸帶動支撐板抬起。氣缸活塞的下降上升都是由氣壓系統的控制閥控制。接通電源開關后，電動機開始轉動，氣缸上面的拉桿帶動氣壓泵不停地往復伸縮，使產生的壓縮氣體儲存在儲氣罐內，通過管路輸送到各個氣缸，通過氣壓系統中機體側面的控制閥控制壓縮氣體流動，驅動支撐板抬起，使相應氣缸往復伸縮。支撐板與彈簧連接，使得床板貼合用戶背部，保證舒適的狀態。氣壓傳動控制的升降可有效緩解一般升降的間歇性停頓，不會在一段時間內較快上升或下降，運動平穩，不會干擾用戶睡眠。信息檢測裝置可以采集用戶在睡覺時的體征與聲音，傳遞給執行機構。

圖2 防打鼾裝置示意圖 圖3 側面抬高機構 圖4 頸部抬高機構

2.2 被褥折疊裝置設計

被褥折疊裝置如圖5所示，主要分為夾取機構和折疊機構。夾取機構由機械爪以及齒輪齒條構成，通過程序控制電機轉動，帶動齒輪齒條相互配合從而由機械爪實現對床單的牽引，一旦觸發限位開關，電機停轉，使其到達指定位置，等待折疊。折疊機構由折疊板、旋轉齒輪、彈簧墊片構成，通過程序控制電機帶動旋轉齒輪來控制折疊板旋轉抬起，將被褥中間三分之一的被子與被褥左側三分之一的被褥按壓在一起，同時將被褥右側三分之一的被褥帶動，覆蓋在折疊板背面，再將折疊板反向旋轉，完成對被褥的折疊。在折疊板上設計有限位開關，用戶將被褥放置在折疊板上時，壓下限位開關,折疊裝置將延時啟動折疊被褥，完成對被褥的收納。

圖5 被褥折疊裝置示意圖

2.3 日常生活功能設計

家庭影院設計如圖6所示，主要由自動窗簾與投影機構組成。自動窗簾采用了齒輪齒條的傳動方式，在床架頂端設計窗簾滑軌，通過齒輪的旋轉帶動窗簾沿直線遠動。投影裝置包括投影儀與投影布，分別安裝在床頭與床尾的床架上。播放影片時，投影儀通過滑軌向下，投影屏通過電機驅動齒輪繞軸線轉動放下投影屏。此外移動家庭影院聲音系統更加追求聲音的包圍感以及聲音的動態還原，設計音箱按照杜比的規范正常放置，和用戶耳朵水平線的夾角在30°～55°之間，將定位感減到最低。具有一體化的智能控制功能，用戶只需要通過智能手機、平板電腦，或者智能一體化遙控器就能對不同的設備進行控制，光源亮度可通過菜單調整，選擇不同級別的“中”“低”，光源亮度則會產生相應的變化，將燈光、空調系統結合在一起，設定不同的情景模式。例如設定觀影模式，自動關閉燈光，拉上電動窗簾，將空調調整至靜音，順序開啟影音設備，觀看影片。

圖6 家庭影院示意圖 圖7 床下儲物柜示意圖 圖8 起夜燈示意圖

床下儲物柜(見圖7)由電機、齒輪、絲杠組成，電機帶動滑動螺母與絲杠配合運動，從床下伸出，騰出收納空間。

起夜燈主要由照明燈以及智能燈控系統組成，如圖8所示。智能燈控系統由人體紅外檢測傳感器以及紅外測距模塊組成，當人發出一定強度的聲音，或者在相應空間域有人體活動時，人體紅外檢測傳感器可以感知到人體的存在，啟動LED發出設定的光照強度，紅外測距模塊可以根據人與床的距離變化改變光源強度，在其長時間未檢測到人體時照明燈將會延時熄滅。光敏電路可以限制夜燈使其白天不工作，處于節能模式，從而延長電池使用時間。

3 程序設計

3.1 防打鼾裝置信息檢測部分

防打鼾裝置設計以聲音傳感器檢測人體鼾聲，將聲音傳感器置于枕頭周圍，通過麥克風檢測聲音信號。通過外接Mega2560處理聲音信號，輸出高低電平。聲音傳感器程序如圖9所示，定義4、5輸入輸出引腳，當輸入端為高電平時，無鼾聲信號，輸出低電平；當檢測到鼾聲信號，輸入端為低電平，輸出高電平，供給氣泵工作，相應的氣缸伸運動。

圖9 聲音傳感器程序

3.2 被褥折疊裝置程序

被褥折疊程序流程如圖10所示。程序開始運行，首先控制床面升降的M1開始工作，當觸碰到限位開關L1，電動機M1停止工作且保持此時床面高度不變。然后控制床下儲物柜的電機M2工作，床下儲物柜開始移動，電動機M2轉動5 s后停止。接著控制折疊板的電動機M3正轉，當用戶將被褥鋪至折疊機構上方，觸動限位開關，M3反轉2 s停止，折疊板工作，完成一次折疊后M3停止。最后控制另一折疊板的電動機M4正轉，當觸動限位開關時，M4反轉2 s停止，完成一次折疊。最后電機停止轉動，被褥折疊完畢。

圖10 被褥折疊程序流程

3.3 起夜燈程序

起夜燈通過紅外測距模塊感應人體，其程序流程如圖11所示。當人體紅外檢測傳感器發出的紅外線被遮擋，起夜燈啟動，首先通過測距模塊檢測出人體與人體紅外傳感器的距離A，當A≤3 m時，照明燈亮起，其光線強度隨著時間的延長而逐漸加強，且光線強度變化為3次，若長時間未檢測到障礙，將延時熄滅。當3 m

圖11 起夜燈程序流程

4 結語

居家多功能防打鼾醫療床能夠有效地緩解人體打鼾，從而避免因打鼾而造成的各種潛在疾病的發生；能夠自動折疊收納床單，使得操作智能化，且不需要另取空間儲存床單，使得用戶對于時間以及空間的規劃可以更加的自由舒適；附加家庭影院、起夜燈等，方便用戶日常使用。在經濟方面，整個系統的運營成本相對較低，對于用戶來說可以接受，整個系統的操作并不復雜，適用于各個年齡段。在應用方面，既可以在普通家庭推廣也可以推廣到醫院以及養護機構中，應用范圍廣。就其發展前景而言，睡眠質量問題已經成為全國乃至全世界關注的問題，但消費者對智能床的認知仍停留在一個較低的階段，居家多功能防打鼾醫療床作為智能電動家具領域的新興產品，在未來具有廣闊的發展前景，值得推廣。