基于人因工程學(xué)的可調(diào)式多功能（?。┐簿咴O(shè)計(jì)

王懌瑾 王志亮

摘要：如何以便利的方式、合理的成本為不同的臥床者提供個(gè)性化的床具一直是一個(gè)有待解決的現(xiàn)實(shí)問(wèn)題。本文基于大規(guī)模定制思想、市場(chǎng)細(xì)分方法及人因工程學(xué)，首先根據(jù)成年人身高數(shù)據(jù)將人群分成若干組，并針對(duì)每一組群的臥姿體態(tài)特征設(shè)計(jì)對(duì)應(yīng)的仰臥床板和側(cè)臥床板；在此基礎(chǔ)上，開(kāi)發(fā)設(shè)計(jì)了一種可依據(jù)人體身高以及臥姿來(lái)調(diào)整床板的可調(diào)式多功能（病）床具；該床具包括一套床板調(diào)整機(jī)構(gòu)和、可實(shí)現(xiàn)不同種類的床板支撐板的切換；為便于床板支撐板的切換，也設(shè)計(jì)了一套床板托架升降機(jī)構(gòu)；最后，將智能技術(shù)引入該床具設(shè)計(jì)中，可實(shí)現(xiàn)床板托架自動(dòng)升降、床板支撐板的自動(dòng)切換?？烧{(diào)式多功能（病人）床具的設(shè)計(jì)可為臥床者（病人）提升睡眠質(zhì)量提供了良好的環(huán)境保證。

Abstract： Providing personalized service for the different patient by reasonable cost and convenient way has become a realistic problem. In this paper， based on mass customization， market segmentation and ergonomics， firstly， the population is divided into several groups according to the adult height data， and the supine positon' and the lateral position' bed plates are designed to each group； on this basis， the adjustable multifunction （hospital） bed is developed and it can adjust the bedplate supporting palte' types according to body height and prone position. The adjustable multifunctional bed includs a bed board adjusting mechanism， which can switch the different supporting plate； at the same time， a bed bracket lifting mechanism is also designed. Finally， the intelligent technology is used into the bed design and it can automatically switch the supporting plate and lift the bed bracket. The adjustable multifunction （hospital） bed can provides a good environment to ensure and improve sleeping quality for the patients.

關(guān)鍵詞：人因工程學(xué)；床具；臥姿；體壓分布

Key words： human factors；bed；prone position；body pressure distribution

中圖分類號(hào)：TB21 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1006-4311（2018）14-0143-03

0 引言

隨著科技進(jìn)步、社會(huì)發(fā)展，人類的生活節(jié)奏越來(lái)越快，人們也越來(lái)越追求高質(zhì)量的睡眠。睡眠質(zhì)量不僅與當(dāng)事人當(dāng)時(shí)的生理、心理以及工作壓力、生活事項(xiàng)密切相關(guān)，也取決于睡眠的環(huán)境。除周邊的溫濕度、光照度、噪聲響度外，床具也是重要的影響睡眠質(zhì)量的環(huán)境因素。

由于人體的特殊構(gòu)造，使得人體的各部分質(zhì)量與尺寸不相同，在外形上呈現(xiàn)凹凸不同的形態(tài)特征。因此，當(dāng)人睡眠時(shí)，若床板面平整，人體后部凸出部分，如肩胛部、臀部、小腿后部、腳跟部以及頭后部，將承受全部的人體重量，如圖1所示，從而床板對(duì)這些部分產(chǎn)生較大的向上的作用力，而身體的其它部分因處懸空狀態(tài)而承受彎折力，人體各部分受力不均，導(dǎo)致睡眠質(zhì)量下降。為此，人們常用厚床墊或用彈簧墊來(lái)分散人體重量對(duì)凸出部位的壓力、提升睡眠質(zhì)量；進(jìn)而將人機(jī)工程學(xué)理論與方法引入到床墊設(shè)計(jì)中[1]，依據(jù)睡眠時(shí)人體各部分承受的壓力大小與分布（體壓分布）來(lái)規(guī)劃床墊各部分的軟硬程度、力圖使人體處于良好的休息狀態(tài)[2][3]。

然而，人類群體的身高分布在一定的范圍內(nèi)，近似服從正態(tài)分布，故身高不同的人，他們凸出部分分布的范圍也不同，比喻肩胛部與臀部、臀部與小腿后部之間的距離因人的身高差別而異，從而若想使不同的人都能得到良好的休息狀態(tài)，則必須設(shè)計(jì)不同的與其本人相適應(yīng)的床墊，而這即使在家庭生活中也很難實(shí)現(xiàn)這一理想狀態(tài)，更不要說(shuō)在醫(yī)院這種針對(duì)大眾的場(chǎng)所了。

本文在依人體尺寸數(shù)據(jù)（身高）將人群分組的情況下，根據(jù)人因工程學(xué)來(lái)設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)一種適用于醫(yī)院等大眾場(chǎng)所使用的床具、來(lái)最大程度地幫助人們實(shí)現(xiàn)高質(zhì)量睡眠。

1 總體設(shè)計(jì)思路

人類成年人身高分布有一定的范圍，高昂的成本導(dǎo)致市場(chǎng)無(wú)法為每一人依據(jù)其體壓分布定制一個(gè)合適的床墊，但我們可以采用大規(guī)模定制的方法，依據(jù)人們需求的差異對(duì)人群進(jìn)行分類分組，立足市場(chǎng)細(xì)分、最大程度地滿足人們對(duì)不同床墊的需求。涉及到本文設(shè)計(jì)目的，具體來(lái)說(shuō)就是依據(jù)人類成年人身高、將人們分成若干組（比如，因中國(guó)男性成年人身高在1543～1814mm之間服從正態(tài)分布、女性成年人身高在1449～1697mm之間服從正態(tài)分布[4]，從1450mm到1850mm，每相距一定的長(zhǎng)度（如50mm），即可將中國(guó)成年人分成若干組（如8組）），對(duì)每一組人群，測(cè)定該組的體態(tài)特征分布，如圖2所示。再依據(jù)該體態(tài)特征分布，即可為該組群定制床板，在該定制床板上鋪上與季節(jié)、溫度相對(duì)應(yīng)的床墊，即為該組群提供了能保證良好睡眠質(zhì)量的床具。若針對(duì)不同的群組均定制對(duì)應(yīng)的床板，便能以較低的價(jià)格、便利的方式為所有人群的高質(zhì)量仰臥睡眠提供了床具保證。

進(jìn)一步的，人在睡眠時(shí)除了仰臥（占總時(shí)間的60%）外，通常也有35%的時(shí)間采用側(cè)臥，特別是病人，當(dāng)其長(zhǎng)時(shí)間仰臥后需要側(cè)臥。當(dāng)側(cè)臥時(shí)，人體具有不同的體態(tài)特征分布，如圖3所示。

因此，依照上述方法，依身高將側(cè)臥姿態(tài)分組，再針對(duì)每組群設(shè)計(jì)定制相應(yīng)的床板，可為人群側(cè)臥提供適合的床具、保證高質(zhì)量的側(cè)臥。

2 基于人因工程學(xué)的床板設(shè)計(jì)

在定制床板具體實(shí)現(xiàn)時(shí)，可先針對(duì)各一特定組群、制作若干具有相同人體形態(tài)特征的支撐板，將它們平行放置、再在它們上面橫向放置由細(xì)鋼絲串接眾多支撐條而成的軟榻，即構(gòu)成適合該特定人群的定制床板，包括用于仰臥的定制床板和用于側(cè)臥的定制床板，如圖4示。

3 床具設(shè)計(jì)

3.1 床具總體架構(gòu)

針對(duì)上述需求，設(shè)計(jì)一種可依據(jù)不同身高來(lái)調(diào)整床板形狀的（病）床具，具體結(jié)構(gòu)如圖5所示，它由床架、床板、支撐板及調(diào)整機(jī)構(gòu)、床板升降機(jī)構(gòu)組成。在常見(jiàn)的床架基礎(chǔ)上，床板采用如圖4所示的由細(xì)鋼絲串接眾多支撐條而成的軟榻。床板由兩個(gè)具有相同形態(tài)特征的支撐板來(lái)同時(shí)支撐，所有支撐板均鑲嵌在如圖6所示的支撐軸的轉(zhuǎn)輪盤上；當(dāng)左右對(duì)稱的兩個(gè)支撐軸通過(guò)調(diào)整機(jī)構(gòu)同時(shí)轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，轉(zhuǎn)輪盤帶動(dòng)支撐板轉(zhuǎn)動(dòng)，實(shí)現(xiàn)不同形態(tài)特征的支撐板的切換，以滿足不同身高人群的仰臥與側(cè)臥需要。

在切換不同形態(tài)特征支撐板時(shí)，需要事先將軟榻床板（包括上面的床墊及睡眠者）升起；并在切換完成后再將床板放到支撐板上，故設(shè)計(jì)了一個(gè)床板升降機(jī)構(gòu)，其架構(gòu)如圖7所示。

3.2 床板調(diào)整機(jī)構(gòu)及升降機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)

3.2.1 調(diào)整機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)

當(dāng)本文根據(jù)我國(guó)成年人身高分布將人群主要分為8個(gè)組別時(shí)，再考慮仰臥和側(cè)臥兩種睡姿、以及兩個(gè)平面支撐板（即形成普通床板），計(jì)有18種形態(tài)的支撐板，即每個(gè)轉(zhuǎn)輪盤上依據(jù)形態(tài)特征、對(duì)應(yīng)地鑲嵌18根支撐板，如圖8所示。具體放置時(shí)，依據(jù)8個(gè)身高組別次序，仰臥與側(cè)臥支撐板依次嵌入轉(zhuǎn)輪盤上；其中，兩個(gè)平面支撐板對(duì)稱放置。

當(dāng)轉(zhuǎn)輪盤固定在支撐軸時(shí)，左右支撐軸左端各固定1 個(gè)齒輪、并與中間的驅(qū)動(dòng)齒輪相嚙合，三個(gè)齒輪為同樣大的齒輪。在搖動(dòng)手輪時(shí)，中間驅(qū)動(dòng)齒輪轉(zhuǎn)動(dòng)，帶動(dòng)兩端的齒輪相對(duì)（相背）在轉(zhuǎn)動(dòng)，從而兩支撐軸轉(zhuǎn)動(dòng)，切換不同形態(tài)特征的支撐板、以適應(yīng)不同的人群需要；由于18對(duì)支撐板均勻分布，旋轉(zhuǎn)20°即調(diào)整、切換一對(duì)支撐板。

由于支撐軸的長(zhǎng)度較長(zhǎng)，需要在中間位置添加支撐座；分離式支撐座中放置支撐軸、并在支撐軸的左右放置兩個(gè)轉(zhuǎn)輪盤、實(shí)現(xiàn)對(duì)支撐板的襯托，參見(jiàn)圖5。為了不影響舒適度，支撐座的位置設(shè)計(jì)在腰部；依據(jù)統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)，這個(gè)位置處在頭部往下約0.65米位置處。由此，為了實(shí)現(xiàn)切換，每一支撐板被分割成兩塊，參見(jiàn)圖6。

3.2.2 升降機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)

為了提高床具的使用壽命、以及支撐板切換的便利，在切換不同形狀的支撐板時(shí)，需要將如圖7所示的床板托架先向上升起，待支撐板調(diào)整到位后再降下來(lái)。

所設(shè)計(jì)的升降機(jī)構(gòu)由轉(zhuǎn)柄、絲桿、滑塊、升降桿、床板托架構(gòu)成。床板下左右各設(shè)有一個(gè)固定環(huán)扣、一個(gè)滑動(dòng)環(huán)扣（參見(jiàn)圖7），升降桿與下方固定在床腿上的固定環(huán)扣通過(guò)銷軸接。滑動(dòng)環(huán)扣鏈接在和小手輪連接的絲桿上，當(dāng)搖動(dòng)小手輪時(shí)，絲桿轉(zhuǎn)動(dòng)，帶動(dòng)滑動(dòng)環(huán)扣作前后的直線運(yùn)動(dòng)，使床板托架上升或下降，帶動(dòng)軟榻床板上升或下降。

4 自動(dòng)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)設(shè)計(jì)

隨著智能制造逐步推進(jìn)，智能技術(shù)在生活的各個(gè)方面得到了廣泛應(yīng)用。對(duì)于上文所設(shè)計(jì)的可調(diào)多功能（?。┐簿?，可設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)自動(dòng)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)床具的自動(dòng)升降、支撐板的自動(dòng)切換。

為此，用電動(dòng)推桿代替滑動(dòng)絲桿，將多個(gè)電動(dòng)推桿底部固定在床架上、頂部與床板托架相連，當(dāng)電動(dòng)推桿同時(shí)上升或下降時(shí)，帶動(dòng)托架及其上面的床板一同上升或下降。

同時(shí)，為實(shí)現(xiàn)支撐板的自動(dòng)切換，可用低電壓直流電機(jī)取代大手柄，驅(qū)動(dòng)中間驅(qū)動(dòng)齒輪轉(zhuǎn)動(dòng)。

進(jìn)一步的，還可附裝傳感器來(lái)實(shí)現(xiàn)智能控制。當(dāng)人體臥床后，角度傳感器可自動(dòng)測(cè)量臥床者身高等，根據(jù)實(shí)際身高數(shù)據(jù)、確定所應(yīng)選擇的支撐板種類。

考慮操作的便攜性和現(xiàn)代人的生活習(xí)慣，將采用無(wú)線遙控和智能手機(jī)APP兩種方式。整個(gè)自動(dòng)控制系統(tǒng)原理如圖9所示。

5 結(jié)束語(yǔ)

為不同的臥床者提供個(gè)性化的床具將有助于提升臥床者、特別是病人的睡眠質(zhì)量，也面臨著如何更好滿足大眾群體要求以及使用便利、成本合理的考驗(yàn)，本文針對(duì)醫(yī)院等大眾場(chǎng)所：

①基于大規(guī)模定制思想、市場(chǎng)細(xì)分方法，根據(jù)成年人身高數(shù)據(jù)將人群分成若干組，基于人因工程學(xué)、針對(duì)每一組群的體態(tài)特征設(shè)計(jì)對(duì)應(yīng)的仰臥床板和側(cè)臥床板，最大程度地滿足不同個(gè)體對(duì)床具的個(gè)性化要求；

②在此基礎(chǔ)上，開(kāi)發(fā)設(shè)計(jì)了一種可依據(jù)人體身高以及臥姿來(lái)調(diào)整床板的可調(diào)式多功能（?。┐簿?；

③為實(shí)現(xiàn)不同種類的床板的切換，設(shè)計(jì)了一套床板調(diào)整機(jī)構(gòu)，它通過(guò)手柄齒輪轉(zhuǎn)動(dòng)、帶動(dòng)固定在支撐軸的轉(zhuǎn)輪盤轉(zhuǎn)動(dòng)，實(shí)現(xiàn)鑲嵌在轉(zhuǎn)輪上的床板支撐板的切換；

④為便于床板支撐板的切換，設(shè)計(jì)了一套床板升降機(jī)構(gòu)，它通過(guò)手柄帶動(dòng)絲桿轉(zhuǎn)動(dòng)，使絲桿螺母作前后的直線運(yùn)動(dòng)，從而實(shí)現(xiàn)床板托架的上升與下降；

⑤將智能技術(shù)引入該床具設(shè)計(jì)中，基于無(wú)線遙控或手機(jī)APP方式，依據(jù)傳感數(shù)據(jù)、可實(shí)現(xiàn)床板自動(dòng)升降、床板支撐板的自動(dòng)切換。

參考文獻(xiàn)：

[1]左洪亮，裴學(xué)勝，武瑞之.基于人機(jī)工程學(xué)的床具設(shè)計(jì)[J].河南科技大學(xué)學(xué)報(bào)（自然科學(xué)版），2003，24（1）：105-107.

[2]李莉，申利明，周敏.基于體壓分布的海綿厚度對(duì)床墊舒適性影響[J].西北林學(xué)院學(xué)報(bào)，2009，24（6）：150-153.

[3]朱芋錠，申黎明，劉華.人體模型在床墊設(shè)計(jì)中的應(yīng)用[J].家具與室內(nèi)裝飾，2013（01）：55-57.

[4]GB10000-88，中國(guó)成年人人體尺寸[S].