多功能助眠床機構優化設計與分析

費葉琦，郭峻偉，牛子銘，焦立煒，朱皓輝

（1.南京理工大學 紫金學院智能制造學院，南京 210046；2.南京林業大學 機械電子工程學院，南京 210037）

中國睡眠研究會發布的《2021 運動與睡眠白皮書》[1]顯示，我國有超3 億人存在睡眠障礙問題，在快節奏生活中，一夜好眠變成了一種“奢侈品”。因此，提高睡眠質量對于用戶來說顯得尤為重要。

通過市場調研，了解到目前市面上出售的助眠床多為功能單一產品。例如：朱德其[2]等人設計一種防止打鼾的助眠床，在床底配備聲音傳感器和液壓油缸，傳感器檢測到打鼾聲音，液壓油缸工作，調節床板抬升，但是采用液壓油缸容易出現液壓油泄露問題，并且調節方式不夠靈活，無法很好起到提高睡眠質量的作用；申昌睿[3]等人提出一種方便下輪椅的拆分床，病床和輪椅兩者結合，可以由病床向輪椅轉變，方便病人轉移，但是在病床形態轉變的過程中，容易出現卡頓、機構鎖死現象，對病人造成二次傷害；方應龍[4]發明一種可以自動控溫的床，通過在管路中安裝風機和電熱絲，實現加熱功能，但是采用電熱絲加熱，長時間使用后，容易出現短路，對人造成傷害，需要考慮用電安全的問題。當然，也不乏存在多功能集合的產品，如陳磊[5]等人提出了一種多功能護理床，可幫助病人實現左右翻身、抬背、大小便自動檢測、自動清洗、冷暖風干的功能，但該產品在機構設計中需要考慮安全運行，機構驅動噪音較大，容易對病人睡眠造成影響。目前市場上助眠床最為暢銷的品牌有芝華仕、左右家具、顧家家具等，其產品床墊都具有較好的柔軟度、回彈性，也具有殺蟲去蛀的功能，但產品價格均在7000 元以上，價格偏高。

基于目前市場上存在的功能單一或集多功能但價格昂貴的助眠床的問題，本文提出一種集形態轉變、床墊軟硬程度調節、溫度調節于一體的多功能助眠床設計方案。

1 助眠床整體設計方案

在助眠床整體設計中主要包括了助眠床形態轉變功能設計、床墊溫度調節設計、床墊軟硬程度設計。為滿足溫度調節功能設計需求在床體結構和床墊溫度調節中進行相應有限元分析；床體的尺寸將會影響睡眠者在睡眠過程中的舒適程度，助眠床床體尺寸在考慮能滿足廣大用戶使用要求前提下參考醫療所用單人床的外形尺寸[6]：長2 300 mm，寬1 200 mm，高500 mm；助眠床設計中配備有電動推桿、超靜強力氣泵、溫度加熱器等元器件，通過改善睡眠環境中床板仰角、床墊溫度及軟硬度來提高用戶睡眠質量，助眠床結構示意圖整體設計如圖1 所示。

圖1 助眠床示意圖

2 助眠床功能設計

本文設計的多功能助眠床主要包括床體形態轉變、床墊軟硬程度調節、床墊溫度調節三大功能模塊。

2.1 助眠床形態轉變功能設計

在我國，青年人都有躺在床上看書看手機的習慣，長期如此，容易導致視力下降、頸椎疾病的發生；對于趨于人口老齡化的社會現狀而言，需要考慮行動不便的老年人的上下床問題，因此，設計床體的形態轉變功能顯得尤為重要。

本助眠床床板設計中分成腿部、臀部、腰部和頭部四部分，床板間采用鉸鏈相互連接。腿部、腰部和頭部床板下方與電動推桿相連固定，通過電動推桿的推動和收縮，帶動床板抬升和下降，使助眠床床體發生形態變化。電動推桿推動各床板所能達到的最大工作角度分別為：頭部床板45°、腰部床板40°、腿部床板90°。用戶可根據自己需求選擇平臥睡眠式、半起坐式和座椅式，或根據用戶需求進行床板形態調節，其中：平臥睡眠式主要適用于用戶晚上睡眠；半起坐式主要適用白天小憩或躺在床上看書、看手機，可以保護用戶視力和頸椎；座椅式主要幫助行動不便的用戶上下床。具體形態如圖2 所示。

圖2 助眠床形態轉變

為滿足助眠床在用戶使用過程中床體形態的順利調節，電動推桿的規格參數選取如下：輸出電壓12 V；行程100 mm～150 mm；最大推力1 300 N；運行速度7 mm/s；噪音等級小于50 dB[7]。另外，電動推桿具有自鎖機構，在發生斷電等特殊情況可鎖住電動推桿，保證用戶安全。在進行方案可行性論證并通過Solidworks 建模完成后利用Abaqus 軟件對床板受到電動推桿推力進行有限元分析，由于各個床板尺寸大小各不相同，只需校核最小尺寸床板滿足使用要求即可論證其他尺寸床板是否滿足使用要求，因此選擇腿部床板進行有限元分析。由于床板能夠圍繞鉸鏈進行翻轉，因此在鉸鏈連接平面選擇鉸結，其他三面選擇完全固定。人腿部重量約為人體重量的0.24 倍，大約為160 N，因此創建160 N 的集中載荷，分析結果如圖3 所示，床體的位移形變量約為5.921×10-8mm，可忽略不計，滿足后期使用要求。

圖3 腿床板受力有限元分析

2.2 溫度調節功能設計

隨著季節的不斷更替，在夏季需要對床墊進行降溫處理，在冬季則需要對床墊進行升溫處理，以此來達到舒適的睡眠環境，提高睡眠質量。蘭麗[4]等研究表明最適合睡眠的溫度為27 ℃。設計中預將睡眠時溫度控制在25 ℃～30 ℃，利用氣泵產生氣體經過加熱器或冷卻器后使氣體溫度上升或下降進入床墊來實現床墊溫度調。加熱器選擇PTC 發熱片作為發熱源，該發熱片具有熱阻小、換熱效率高、安全性好等優點。通過氣泵產生氣體，氣體經過縱向疊放的PTC 發熱片可進行循環受熱，受熱效率得到提高。考慮制冷效率、安全性，冷卻器中采用熱慣性小、中低溫制冷的半導體制冷片。半導體制冷片疊放方式與加熱器中PTC 發熱片疊放方式相同，可以在減小使用空間的前提下，使制冷效率達到最大化。由于氣體具有熱脹冷縮的性質，空氣受熱膨脹后，床墊也會膨脹，因此需要對床墊進行溫度有限元分析。由于四部分氣墊大小各不相同，選擇其中最為典型、體積最大的氣墊進行溫度有限元分析，來校核其是否滿足使用要求，因此選用腰部氣墊進行溫度有限元分析。由于氣墊一面與床板相接壤，可設置此面為完全固定，隨后設置預定義場初始溫度為20 ℃，通過編輯預定義場，使最終溫度為35 ℃，分析結果如圖4 所示。從圖中結果顯示，氣墊受熱發生的位移變化量約為5.465×10-2mm，位移變化量小，可忽略不計，滿足使用要求。

圖4 腰部氣墊溫度有限元分析結果

氣體管路采用耐高溫300 ℃的硅膠軟管連接，防止管路因受熱遭到破壞。在溫度達到用戶設定值時，溫度調節裝置將進行間歇性工作，溫度若超過設定值時，調節裝置將自動停止工作，保證用戶睡眠安全。

2.3 床墊軟硬調節功能設計

家用床墊軟硬程度固定，不能根據用戶需求進行調節，長期如此，容易導致脊椎酸痛。在本文設計的多功能助眠床中，通過選用氣墊來代替傳統的床墊，并且床墊分為四塊床墊與四塊床板相對應，四塊床墊獨立供氣，互不影響。在助眠床底部放置超靜強力氣泵，通過氣泵對四塊床墊進行充氣，充氣量不同所呈現的床墊軟硬程度也不同。設計中根據四塊氣墊內部氣壓及其對應的軟硬程度，可以分為四個軟硬程度等級如表1 所示。

表1 床墊軟硬程度等級

為滿足氣墊充氣及噪音要求，氣泵型號為V-30，具體規格參數如下：電壓220 V；功率25 W；排氣量30 L/min；噪音＜50 dB。該氣泵具有噪音小，出氣量大，排氣能力強等優點。四塊床墊在達到100%充氣量時，所需時間為4 min，各塊床墊頭部、腰部、臀部、腿部達到體積分別為26.68 L、26.68 L、37.92 L、20.88 L，因此總體約為123.06 L。同時，氣體回路中配備有溢流閥，防止充氣過程中因壓力過大導致床墊破裂。用戶可根據自身需求通過軟硬等級控制按鍵或充氣開關對床墊軟硬程度進行調節。

3 氣壓回路的設計

設計中采用氣墊來代替傳統床墊，通過改變氣墊內部的氣體溫度和氣體流量來實現溫度和軟硬程度調節。在確保使用安全的情況下，采用超靜強力氣泵，對四塊氣墊進行獨立控制，并通過采用耐高溫、無毒以及延展性較好的硅膠管道，配備溢流閥作為安全閥，防止因氣體壓力、溫度過大導致氣墊的爆炸和氣路的破壞，對整個氣壓回路系統起過載保護；氣墊內氣體通過PTC 發熱片和半導體制冷片對氣墊進行升、降溫處理；另外，在四塊氣墊進氣口位置布置有壓力傳感器和溫度傳感器，傳感器與監測系統相連，監測各床墊模塊的實時壓力和溫度大小，在超出使用范圍時可自動斷電，保護氣路安全，用戶也可實時了解各床墊溫度、壓力，便于調節。根據溫度調節功能和軟硬程度調節功能繪制如圖5 所示氣壓回路原理圖。

圖5 氣壓回路原理圖

4 助眠床優勢及市場價值

我國有超3 億人存在睡眠問題障礙，越來越多的90 后、00 后加入了失眠族。在助眠床整體設計的過程中，針對目前用戶睡眠問題，通過采用多個電動推桿伸縮配合完成床體形態轉變功能的設計；通過采用超靜強力氣泵和充氣氣墊完成床墊軟硬程度功能的設計；通過采用PTC 發熱片和半導體制冷片完成床墊溫度調節功能的設計。實現多功能助眠床集溫度調節、床墊軟硬調節、頭枕抬升、腿部床板翻折功能于一體，以便于調整床墊溫度、軟硬程度及用戶睡姿形態，以此來舒緩打鼾現象，提高睡眠質量。由此可見，本文提出的多功能助眠床可很好的貼合“睡眠經濟”[8]，通過改善睡眠環境提高睡眠質量，因此具有良好的市場空間。

5 總結

本文所設計的多功能助眠床從改善用戶睡眠質量出發，通過市場調研對助眠床各功能進行詳細的理論研究，分析其工作原理、結構、功能，再通過可行性方案論證后利用Solidworks 軟件對助眠床進行三維建模，利用Abaqus 有限元分析軟件對助眠床床板進行強度、床墊穩定性校核。在滿足功能正常使用及安全的前提下，選擇性價比高的材料和元器件進行采購、裝配調試，最終完成樣機試制，樣機如圖6 所示。

圖6 助眠床樣機