多功能助眠床機(jī)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)與分析

費(fèi)葉琦，郭峻偉，牛子銘，焦立煒，朱皓輝

（1.南京理工大學(xué) 紫金學(xué)院智能制造學(xué)院，南京 210046；2.南京林業(yè)大學(xué) 機(jī)械電子工程學(xué)院，南京 210037）

中國(guó)睡眠研究會(huì)發(fā)布的《2021 運(yùn)動(dòng)與睡眠白皮書》[1]顯示，我國(guó)有超3 億人存在睡眠障礙問(wèn)題，在快節(jié)奏生活中，一夜好眠變成了一種“奢侈品”。因此，提高睡眠質(zhì)量對(duì)于用戶來(lái)說(shuō)顯得尤為重要。

通過(guò)市場(chǎng)調(diào)研，了解到目前市面上出售的助眠床多為功能單一產(chǎn)品。例如：朱德其[2]等人設(shè)計(jì)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(cè)到打鼾聲音，液壓油缸工作，調(diào)節(jié)床板抬升，但是采用液壓油缸容易出現(xiàn)液壓油泄露問(wèn)題，并且調(diào)節(jié)方式不夠靈活，無(wú)法很好起到提高睡眠質(zhì)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(jié)合，可以由病床向輪椅轉(zhuǎn)變，方便病人轉(zhuǎn)移，但是在病床形態(tài)轉(zhuǎn)變的過(guò)程中，容易出現(xiàn)卡頓、機(jī)構(gòu)鎖死現(xiàn)象，對(duì)病人造成二次傷害；方應(yīng)龍[4]發(fā)明一種可以自動(dòng)控溫的床，通過(guò)在管路中安裝風(fēng)機(jī)和電熱絲，實(shí)現(xiàn)加熱功能，但是采用電熱絲加熱，長(zhǎng)時(shí)間使用后，容易出現(xiàn)短路，對(duì)人造成傷害，需要考慮用電安全的問(wèn)題。當(dāng)然，也不乏存在多功能集合的產(chǎn)品，如陳磊[5]等人提出了一種多功能護(hù)理床，可幫助病人實(shí)現(xiàn)左右翻身、抬背、大小便自動(dòng)檢測(cè)、自動(dòng)清洗、冷暖風(fēng)干的功能，但該產(chǎn)品在機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)中需要考慮安全運(yùn)行，機(jī)構(gòu)驅(qū)動(dòng)噪音較大，容易對(duì)病人睡眠造成影響。目前市場(chǎng)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(chǎn)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(chǎn)品價(jià)格均在7000 元以上，價(jià)格偏高。

基于目前市場(chǎng)上存在的功能單一或集多功能但價(jià)格昂貴的助眠床的問(wèn)題，本文提出一種集形態(tài)轉(zhuǎn)變、床墊軟硬程度調(diào)節(jié)、溫度調(diào)節(jié)于一體的多功能助眠床設(shè)計(jì)方案。

1 助眠床整體設(shè)計(jì)方案

在助眠床整體設(shè)計(jì)中主要包括了助眠床形態(tài)轉(zhuǎn)變功能設(shè)計(jì)、床墊溫度調(diào)節(jié)設(shè)計(jì)、床墊軟硬程度設(shè)計(jì)。為滿足溫度調(diào)節(jié)功能設(shè)計(jì)需求在床體結(jié)構(gòu)和床墊溫度調(diào)節(jié)中進(jìn)行相應(yīng)有限元分析；床體的尺寸將會(huì)影響睡眠者在睡眠過(guò)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(yī)療所用單人床的外形尺寸[6]：長(zhǎng)2 300 mm，寬1 200 mm，高500 mm；助眠床設(shè)計(jì)中配備有電動(dòng)推桿、超靜強(qiáng)力氣泵、溫度加熱器等元器件，通過(guò)改善睡眠環(huán)境中床板仰角、床墊溫度及軟硬度來(lái)提高用戶睡眠質(zhì)量，助眠床結(jié)構(gòu)示意圖整體設(shè)計(jì)如圖1 所示。

圖1 助眠床示意圖

2 助眠床功能設(shè)計(jì)

本文設(shè)計(jì)的多功能助眠床主要包括床體形態(tài)轉(zhuǎn)變、床墊軟硬程度調(diào)節(jié)、床墊溫度調(diào)節(jié)三大功能模塊。

2.1 助眠床形態(tài)轉(zhuǎn)變功能設(shè)計(jì)

在我國(guó)，青年人都有躺在床上看書看手機(jī)的習(xí)慣，長(zhǎng)期如此，容易導(dǎo)致視力下降、頸椎疾病的發(fā)生；對(duì)于趨于人口老齡化的社會(huì)現(xiàn)狀而言，需要考慮行動(dòng)不便的老年人的上下床問(wèn)題，因此，設(shè)計(jì)床體的形態(tài)轉(zhuǎn)變功能顯得尤為重要。

本助眠床床板設(shè)計(jì)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(dòng)推桿相連固定，通過(guò)電動(dòng)推桿的推動(dòng)和收縮，帶動(dòng)床板抬升和下降，使助眠床床體發(fā)生形態(tài)變化。電動(dòng)推桿推動(dòng)各床板所能達(dá)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(jù)自己需求選擇平臥睡眠式、半起坐式和座椅式，或根據(jù)用戶需求進(jìn)行床板形態(tài)調(diào)節(jié)，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(jī)，可以保護(hù)用戶視力和頸椎；座椅式主要幫助行動(dòng)不便的用戶上下床。具體形態(tài)如圖2 所示。

圖2 助眠床形態(tài)轉(zhuǎn)變

為滿足助眠床在用戶使用過(guò)程中床體形態(tài)的順利調(diào)節(jié)，電動(dòng)推桿的規(guī)格參數(shù)選取如下：輸出電壓12 V；行程100 mm～150 mm；最大推力1 300 N；運(yùn)行速度7 mm/s；噪音等級(jí)小于50 dB[7]。另外，電動(dòng)推桿具有自鎖機(jī)構(gòu)，在發(fā)生斷電等特殊情況可鎖住電動(dòng)推桿，保證用戶安全。在進(jìn)行方案可行性論證并通過(guò)Solidworks 建模完成后利用Abaqus 軟件對(duì)床板受到電動(dòng)推桿推力進(jìn)行有限元分析，由于各個(gè)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(jìn)行有限元分析。由于床板能夠圍繞鉸鏈進(jìn)行翻轉(zhuǎn)，因此在鉸鏈連接平面選擇鉸結(jié)，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(chuàng)建160 N 的集中載荷，分析結(jié)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(jì)，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(diào)節(jié)功能設(shè)計(jì)

隨著季節(jié)的不斷更替，在夏季需要對(duì)床墊進(jìn)行降溫處理，在冬季則需要對(duì)床墊進(jìn)行升溫處理，以此來(lái)達(dá)到舒適的睡眠環(huán)境，提高睡眠質(zhì)量。蘭麗[4]等研究表明最適合睡眠的溫度為27 ℃。設(shè)計(jì)中預(yù)將睡眠時(shí)溫度控制在25 ℃～30 ℃，利用氣泵產(chǎn)生氣體經(jīng)過(guò)加熱器或冷卻器后使氣體溫度上升或下降進(jìn)入床墊來(lái)實(shí)現(xiàn)床墊溫度調(diào)。加熱器選擇PTC 發(fā)熱片作為發(fā)熱源，該發(fā)熱片具有熱阻小、換熱效率高、安全性好等優(yōu)點(diǎn)。通過(guò)氣泵產(chǎn)生氣體，氣體經(jīng)過(guò)縱向疊放的PTC 發(fā)熱片可進(jìn)行循環(huán)受熱，受熱效率得到提高?？紤]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(dǎo)體制冷片。半導(dǎo)體制冷片疊放方式與加熱器中PTC 發(fā)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(dá)到最大化。由于氣體具有熱脹冷縮的性質(zhì)，空氣受熱膨脹后，床墊也會(huì)膨脹，因此需要對(duì)床墊進(jìn)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(jìn)行溫度有限元分析，來(lái)校核其是否滿足使用要求，因此選用腰部氣墊進(jìn)行溫度有限元分析。由于氣墊一面與床板相接壤，可設(shè)置此面為完全固定，隨后設(shè)置預(yù)定義場(chǎng)初始溫度為20 ℃，通過(guò)編輯預(yù)定義場(chǎng)，使最終溫度為35 ℃，分析結(jié)果如圖4 所示。從圖中結(jié)果顯示，氣墊受熱發(fā)生的位移變化量約為5.465×10-2mm，位移變化量小，可忽略不計(jì)，滿足使用要求。

圖4 腰部氣墊溫度有限元分析結(jié)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(dá)到用戶設(shè)定值時(shí)，溫度調(diào)節(jié)裝置將進(jìn)行間歇性工作，溫度若超過(guò)設(shè)定值時(shí)，調(diào)節(jié)裝置將自動(dòng)停止工作，保證用戶睡眠安全。

2.3 床墊軟硬調(diào)節(jié)功能設(shè)計(jì)

家用床墊軟硬程度固定，不能根據(jù)用戶需求進(jìn)行調(diào)節(jié)，長(zhǎng)期如此，容易導(dǎo)致脊椎酸痛。在本文設(shè)計(jì)的多功能助眠床中，通過(guò)選用氣墊來(lái)代替?zhèn)鹘y(tǒng)的床墊，并且床墊分為四塊床墊與四塊床板相對(duì)應(yīng)，四塊床墊獨(dú)立供氣，互不影響。在助眠床底部放置超靜強(qiáng)力氣泵，通過(guò)氣泵對(duì)四塊床墊進(jìn)行充氣，充氣量不同所呈現(xiàn)的床墊軟硬程度也不同。設(shè)計(jì)中根據(jù)四塊氣墊內(nèi)部氣壓及其對(duì)應(yīng)的軟硬程度，可以分為四個(gè)軟硬程度等級(jí)如表1 所示。

表1 床墊軟硬程度等級(jí)

為滿足氣墊充氣及噪音要求，氣泵型號(hào)為V-30，具體規(guī)格參數(shù)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(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)。四塊床墊在達(dá)到100%充氣量時(shí)，所需時(shí)間為4 min，各塊床墊頭部、腰部、臀部、腿部達(dá)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(shí)，氣體回路中配備有溢流閥，防止充氣過(guò)程中因壓力過(guò)大導(dǎo)致床墊破裂。用戶可根據(jù)自身需求通過(guò)軟硬等級(jí)控制按鍵或充氣開(kāi)關(guān)對(duì)床墊軟硬程度進(jìn)行調(diào)節(jié)。

3 氣壓回路的設(shè)計(jì)

設(shè)計(jì)中采用氣墊來(lái)代替?zhèn)鹘y(tǒng)床墊，通過(guò)改變氣墊內(nèi)部的氣體溫度和氣體流量來(lái)實(shí)現(xiàn)溫度和軟硬程度調(diào)節(jié)。在確保使用安全的情況下，采用超靜強(qiáng)力氣泵，對(duì)四塊氣墊進(jìn)行獨(dú)立控制，并通過(guò)采用耐高溫、無(wú)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(guò)大導(dǎo)致氣墊的爆炸和氣路的破壞，對(duì)整個(gè)氣壓回路系統(tǒng)起過(guò)載保護(hù)；氣墊內(nèi)氣體通過(guò)PTC 發(fā)熱片和半導(dǎo)體制冷片對(duì)氣墊進(jìn)行升、降溫處理；另外，在四塊氣墊進(jìn)氣口位置布置有壓力傳感器和溫度傳感器，傳感器與監(jiān)測(cè)系統(tǒng)相連，監(jiān)測(cè)各床墊模塊的實(shí)時(shí)壓力和溫度大小，在超出使用范圍時(shí)可自動(dòng)斷電，保護(hù)氣路安全，用戶也可實(shí)時(shí)了解各床墊溫度、壓力，便于調(diào)節(jié)。根據(jù)溫度調(diào)節(jié)功能和軟硬程度調(diào)節(jié)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(yōu)勢(shì)及市場(chǎng)價(jià)值

我國(guó)有超3 億人存在睡眠問(wèn)題障礙，越來(lái)越多的90 后、00 后加入了失眠族。在助眠床整體設(shè)計(jì)的過(guò)程中，針對(duì)目前用戶睡眠問(wèn)題，通過(guò)采用多個(gè)電動(dòng)推桿伸縮配合完成床體形態(tài)轉(zhuǎn)變功能的設(shè)計(jì)；通過(guò)采用超靜強(qiáng)力氣泵和充氣氣墊完成床墊軟硬程度功能的設(shè)計(jì)；通過(guò)采用PTC 發(fā)熱片和半導(dǎo)體制冷片完成床墊溫度調(diào)節(jié)功能的設(shè)計(jì)。實(shí)現(xiàn)多功能助眠床集溫度調(diào)節(jié)、床墊軟硬調(diào)節(jié)、頭枕抬升、腿部床板翻折功能于一體，以便于調(diào)整床墊溫度、軟硬程度及用戶睡姿形態(tài)，以此來(lái)舒緩打鼾現(xiàn)象，提高睡眠質(zhì)量。由此可見(jiàn)，本文提出的多功能助眠床可很好的貼合“睡眠經(jīng)濟(jì)”[8]，通過(guò)改善睡眠環(huán)境提高睡眠質(zhì)量，因此具有良好的市場(chǎng)空間。

5 總結(jié)

本文所設(shè)計(jì)的多功能助眠床從改善用戶睡眠質(zhì)量出發(fā)，通過(guò)市場(chǎng)調(diào)研對(duì)助眠床各功能進(jìn)行詳細(xì)的理論研究，分析其工作原理、結(jié)構(gòu)、功能，再通過(guò)可行性方案論證后利用Solidworks 軟件對(duì)助眠床進(jìn)行三維建模，利用Abaqus 有限元分析軟件對(duì)助眠床床板進(jìn)行強(qiáng)度、床墊穩(wěn)定性校核。在滿足功能正常使用及安全的前提下，選擇性價(jià)比高的材料和元器件進(jìn)行采購(gòu)、裝配調(diào)試，最終完成樣機(jī)試制，樣機(jī)如圖6 所示。

圖6 助眠床樣機(jī)