人體模型在床墊設(shè)計(jì)中的應(yīng)用

■朱芋錠 申黎明 劉華

(1.2.3 南京林業(yè)大學(xué)，江蘇南京 210037)

1 引言

人的一生中，有三分之一的時(shí)間與床墊共眠，沒有一種家具像床墊一樣跟人的關(guān)系那么長(zhǎng)久，那么密切，因此床墊在人們生活中占有重要的位置。[1]隨著人們健康觀念的加強(qiáng)，現(xiàn)在越來越多的人也開始重視床墊對(duì)健康的重要，好的床墊必須有一個(gè)良好的身體支撐，以確保最大的肌肉放松，保持最不疲勞的身體姿勢(shì)。彈簧床墊是市場(chǎng)上最受歡迎的床墊之一，而分區(qū)彈簧床墊和分區(qū)乳膠床墊都是為了滿足人們對(duì)睡眠的需要。家具市場(chǎng)雖然還存在不符合人體工程學(xué)和功能要求的床墊，只通過指出某些技術(shù)優(yōu)勢(shì)來強(qiáng)調(diào)床墊質(zhì)量，但有部分床墊制造商已開始重視床墊舒適性的研發(fā)。在評(píng)估床墊舒適性的研究中，需要大量人員進(jìn)行測(cè)試，由于受試者的不可重復(fù)性和可變性，可能在評(píng)估不同床墊的結(jié)果上不能給出顯著差異。本論文采用實(shí)物人體模型，為床墊測(cè)試提供更快更直觀的評(píng)估。

由于人體工程學(xué)領(lǐng)域?qū)θ梭w模型技術(shù)有著巨大需求[2]，國內(nèi)外很多科研機(jī)構(gòu)做了大量人體模型方面的研究工作，國內(nèi)外對(duì)床墊中人體模型的研究亦有不少。

理想的睡眠系統(tǒng)應(yīng)有好的適應(yīng)性，即能支撐身體使脊柱處于自然位置，被認(rèn)為與站立時(shí)的脊柱形態(tài)一樣；側(cè)臥時(shí)，一個(gè)理想的身體支撐會(huì)使脊柱呈一條直線。B.Haex等人針對(duì)組合床墊開發(fā)了二維有限元模型來預(yù)測(cè)人躺在特定睡眠系統(tǒng)下的脊柱曲率，并檢驗(yàn)出給與理想身體支撐床墊上的剛度分布和現(xiàn)有睡眠系統(tǒng)產(chǎn)生最好的理想支撐近似值[3]。

基于所收集的成人人體尺寸和三維關(guān)系，Jerzy 等人成功開發(fā)出了一套精確的、客觀的人體測(cè)量模型。選取31-60歲女性的人體模型，對(duì)兩款不同類型的床墊上對(duì)人體模型進(jìn)行壓力裝載，在有限元算法的ALGOR程序協(xié)助下仿真，再進(jìn)行分析研究。[4]而他們的人-床機(jī)械系統(tǒng)分析提供了關(guān)于集中力發(fā)生的確切區(qū)域的情況，分析模型可以確定這些力的特定值。對(duì)發(fā)生在不同支撐區(qū)域壓力值的比較，

2 床墊研究中人體模型的國內(nèi)外現(xiàn)狀

可以得出結(jié)論，在給定模型中，給定支撐點(diǎn)壓力與支撐力的總值的百分比比例是不變的，不取決于人體測(cè)量。此外可以說，每5公斤的體重增加，接觸處的反應(yīng)值增加約1%[5]。

Inhyuk 等人基于近似人體測(cè)量模型提出了一個(gè)能預(yù)防褥瘡和壓力控制的空氣床墊?？諝獯矇|由18個(gè)有氣孔材料制成的圓柱形氣囊，將身體部位劃為4個(gè)部分，分別為頭、軀干、臀部和腿?；趥€(gè)人的身高、體重和近似人體測(cè)量模型，從每個(gè)部分的重量中計(jì)算出每個(gè)部分的壓力。7個(gè)受測(cè)者的實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明提出的空氣床墊對(duì)預(yù)防褥瘡是有效的[6]。

Duncan等人開發(fā)了一個(gè)感知化的鉸接式人體測(cè)量模型，將精確的和可重復(fù)的靜載荷施加在病人支撐系統(tǒng)上，用以研究模擬的臀部和骶部的軟體組織的變形。人體模型的重量可以調(diào)整為50、70、90公斤，軀干傾斜角度為0°,45°和80°。對(duì)人體模型使用壓力感應(yīng)墊測(cè)量界面壓力表明人體模型負(fù)荷現(xiàn)實(shí)的生理負(fù)荷條件[7]。

國外利用人體模型進(jìn)行床墊評(píng)估的研究較多，且相關(guān)研究已經(jīng)非常深入，而國內(nèi)對(duì)人體模型進(jìn)行床具評(píng)估的研究并不多見，只有南京林業(yè)大學(xué)陳玉霞在其博士論文的研究中，以數(shù)字化人體模型為基礎(chǔ)，研究臥姿脊柱形態(tài)的測(cè)試與評(píng)價(jià)方法，并且利用這一方法進(jìn)行人-床界面之間支撐關(guān)系的相關(guān)研究[8]。

■圖1 人體劃分模型■圖2 人體模型骨架■圖3 手臂和小腿模型

表1 第50百分位的男子主要尺寸

表2 第50百分位男子各體段相對(duì)質(zhì)量分布表

3 人體模型的建立

有不少研究從人體數(shù)據(jù)中概括出人體的分割部位，基于人體測(cè)量的人體工程學(xué)模型[9]，以明顯的骨性標(biāo)志為分界點(diǎn)，將人體分為頭頸、軀干、左上臂、右上臂、左前臂、右前臂、左手、右手、左大腿、右大腿、左小腿、右小腿、左足、右足共14個(gè)部位，如圖1所示。

不同身體尺寸的人對(duì)相同的床墊界面會(huì)有不同的評(píng)價(jià)結(jié)果，所以選擇合理的人體模型非常重要。男女之間的差異是大家有目共睹的，不僅是心理的方面，更明顯的是形體方面，男女的各部位都存在顯著差異。任意一組特定對(duì)象的人體尺寸，其分布規(guī)律符合正態(tài)分布規(guī)律，即大部分屬于中間值，只有小部分屬于過大和過小的值，它們分布在范圍的兩端。在設(shè)計(jì)上滿足所有人的要求是不可能的，但必須滿足大多數(shù)人。所以必須從中間部分取用能夠滿足大多數(shù)人的尺寸數(shù)據(jù)作為依據(jù)，在這種情況下，本論文模型應(yīng)該使用第50百分位男性統(tǒng)計(jì)資料[10]，（表1）人體模型骨架（圖2）。這個(gè)人體模型關(guān)節(jié)采用可旋螺母聯(lián)接，可對(duì)人體模型高度上進(jìn)行調(diào)節(jié)。

在建立人體模型骨架后，需要對(duì)人體模型進(jìn)行配重。根據(jù)國家標(biāo)準(zhǔn)GB-T 17245-2004成年人人體慣性參數(shù)[11]，可知道人體各體段與體重之間的相對(duì)質(zhì)量比。我們采取第50百分位的男子各體段相對(duì)質(zhì)量分布（表2）。采用沙包袋的形式來給人體模型進(jìn)行個(gè)體段質(zhì)量配比，除去各體段的骨架重量，將剩余重量裝在各個(gè)體段的沙包袋中，每個(gè)沙包帶都是按照男子手臂圍和腿圍尺寸設(shè)計(jì)的（圖3）小腿和手臂模型，軀干的重量用鐵塊進(jìn)行配重。

4 人體模型在床墊研究中的應(yīng)用

本研究以人體模型和一名中等身材男子為研究對(duì)象，采用軟床墊、中等硬度床墊和硬床墊三款不同軟硬度的袋裝彈簧床墊，利用體壓分布測(cè)試系統(tǒng)進(jìn)行測(cè)試，研究人體模型和男子以仰臥姿勢(shì)在三款床墊上的體壓分布情況，用以驗(yàn)證人體模型是否與男子實(shí)驗(yàn)結(jié)果一致。如圖4所示為測(cè)試中的人體模型。

從（圖5）的人體模型在三款床墊上的體壓分布圖可知，在不同軟硬度床墊上體壓分布情況隨床墊軟硬度的改變而改變。以平均壓力和接觸面積作為體壓分布指標(biāo)[12]對(duì)實(shí)驗(yàn)測(cè)得數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)處理（圖6）。從中可知，人體模型在三款不同軟硬度床墊上的平均壓力和接觸面積的結(jié)果與中等身材男子的結(jié)果趨勢(shì)是一致的，可以表明這個(gè)人體模型具有一定現(xiàn)實(shí)的生理負(fù)荷條件。

5 結(jié)論

由于相當(dāng)高的現(xiàn)代生活文化和社會(huì)發(fā)展科學(xué)技術(shù)和經(jīng)濟(jì)狀況，床墊應(yīng)該具有好的質(zhì)量、功能和設(shè)計(jì)，尤其是要感到舒服，舒適和安全。人體模型對(duì)床墊設(shè)計(jì)是非常重要的，還可以在此基礎(chǔ)上進(jìn)行設(shè)計(jì)制作不同的人體尺寸、性別、年齡和其他特點(diǎn)的更多的人體模型，對(duì)床墊領(lǐng)域的持續(xù)研究具有重要的意義。本研究方法也可擴(kuò)展到人體坐姿模型，來評(píng)估座椅舒適問題。

[1] 劉雪梅,鄧背階,閆丹婷.我國床的分類探討[J].家具與室內(nèi)裝飾.2006(10):26-28.

[2] 楊立強(qiáng),劉西剛,秦立斌等.人機(jī)工程學(xué)領(lǐng)域人體建模技術(shù)發(fā)展綜述[J].裝甲兵工程學(xué)院學(xué)報(bào).2006,20(2):59-63.

[3] B. Haex, J. Vander Sloten, R.Van Audekercke. Required stiffness distribution in a mattress for an optimal curvature of the human spine during

bedrest[J].Engineering in Medicine and Biology Society.1996: 495-496.

[4] Jerzy Smardzewski, ukasz Matwiej,Ivica Grbac. Anthropo-technical models in testing mattress[J]. Electronic Journal of Polish Agricultural Universities.2005,8(3).

[5] Jerzy Smardzewski, ukasz Matwiej.Analysis of the man-bed mechanical system[J]. Agricultural University of Poznan Faculty of Wood Technology.

[6] Inhyuk Moon, Sung-Jae Kang, Gyu-Seok Kim, etc. Control of Air-cell Mattress for Preventing Pressure Ulcer Based on Approximate Anthropometric Model[J].Proceedings of the 2005 IEEE 9th International Conference on Rehabilitation Robotics.2005:164-167.

[7] Duncan Shirreffs Bain, John Tracey Scales O.B.E., Graham Philip Nicholson.A new method of assessing the mechanical properties of patient support systems(PSS) using a phantom. A preliminary communication[J]. Medical Engineering &Physics.1999:293-301.

[8] 陳玉霞.床墊支撐特性對(duì)臥姿舒適性和睡眠質(zhì)量影響的研究[D]. 南京林業(yè)大學(xué).2012:165-193 .

[9] K. H. E. Kroemer, Thomas B. Sheridan.Ergonomic models of anthropometry, human biomechanics, and operator-equipment interfaces: proceedings of a workshop[M].National Academy Press,Washington,D.C.1988.

[10] GB10000-1988 中國成年人人體尺寸[S].北京:中國標(biāo)準(zhǔn)出版社.1988.

[11] GB/T 17245-2004成年人人體慣性參數(shù)[S].北京:中國標(biāo)準(zhǔn)出版社.2004.

[12] 徐明,夏群生.體壓分布的指標(biāo)[J].中國機(jī)械工程.1997,8(1).