基于分區空氣彈簧提升床墊舒適性的系統設計

關鍵詞：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

隨著社會經濟的快速發展，睡眠障礙日益嚴重[1]，睡眠健康問題已成為健康中國戰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。傳統床墊雖然可以通過改變鋪墊料實現對人體側臥脊柱形態的影響[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智能調節。雖然可調節床墊系統能夠基于用戶的個性需求，提供可調節的支撐[6]，但對產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設計。基于人體工效學床墊標準，進行空氣彈簧的科學分區布局，通過多重材料分級支撐結構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空氣彈簧氣壓識別和充放氣控制的翻身自適應調節機制，用于產品化應用的智能調整。通過支撐結構的智能調節，提升床墊舒適性將成為未來的創新設計方向 [7]。

1 空氣彈簧床墊的設計原理

利用傳統彈簧和空氣彈簧的優點[8]。在傳統彈簧支撐的基礎上，通過增加分區獨立可調式空氣彈簧支撐，調節身體各部位在床墊上的有效承托。當分區空氣彈簧處于充氣狀態下，空氣彈簧受充氣氣壓作用而向四周產生擠壓力量使支撐該區域床墊位置上升，提供更強的局部承托；當分區空氣彈簧處于放氣狀態下，空氣彈簧受材料自身彈性作用而向中心產生回拉力量使支撐該區域床墊的位置下移，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的開關操作及狀態識別，并通過氣壓采集單元采集各個空氣彈簧內的氣壓數據，結合用戶個性化參數設置，控制電磁閥驅動單元和充氣泵單元工作狀態，實現分區空氣彈簧充放氣狀態的調整控制。同時，通過flash 存儲單元和無線通信單元將相關數據和狀態分別存儲在本地并上傳至服務器云端。

1.2 系統結構設計

分級支撐結構設計如圖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），提供可調節的肩背腰臀細節分區支撐；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節面板兩個部分，設置面板主要進行單雙人模式和用戶參數信息設置；利用調節面板，系統可以結合用戶設置面板信息和選擇的睡感參數，調節控制相應的睡感。同時，當用戶選擇打開翻身自適應開關，系統會通過無線通信單元將相關設置下發至控制器，進行翻身狀態下的床墊自動壓力調節。

1.4 系統軟件設計

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

2 空氣彈簧床墊創新設計方案

2.1 分區空氣彈簧人體工效學承托創新設計

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]。空氣彈簧根據人體工效學被合理地分區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境，還為進一步細化、優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構創新設計

多重材料分級支撐結構創新設計充分考慮了傳統材料和空氣彈簧可調支撐的優點。床墊底架支撐層采用椰棕或黃麻，確保底部支撐結構的整體性；傳統彈簧支撐層采用五金彈簧結構，保證床墊的基礎支撐性能；空氣彈簧支撐層根據人體工效學特點，提供科學的分區支撐承托；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。該創新設計追求臥姿狀態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新設計

床墊通過分區空氣彈簧的充放氣律動調節，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，為其帶來更加輕松的入睡體驗。

2.4 翻身自適應動態體壓智能調節創新設計

翻身自適應體現了系統智能化方面的創新設計。當翻身側睡時，調節肩部區域空氣彈簧放氣，進行肩部釋壓；當翻身平躺時，調節臀部區域空氣彈簧充氣，對臀部進行有效支撐。這種翻身自適應動態體壓調節功能，可以有效改善用戶睡眠過程中身體承壓的智能調節，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支撐改善度的影響，對5 名不同身體質量指數（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品公司的TACTILUS 柔性壓力分布系統進行監測分析，腰臀支撐體壓分布統計如表1 所示。

結果表明，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位置等數據，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 結論

通過空氣彈簧支撐調節和傳統床墊工藝的有效融合，經過長時間迭代設計，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據等技術進行結合，以適應個性化和智能化舒適性的需求，提高用戶睡眠質量。