人体模型在床垫设计中的应用

■朱芋锭 申黎明 刘华

(1.2.3 南京林业大学，江苏南京 210037)

1 引言

人的一生中，有三分之一的时间与床垫共眠，没有一种家具像床垫一样跟人的关系那么长久，那么密切，因此床垫在人们生活中占有重要的位置。[1]随着人们健康观念的加强，现在越来越多的人也开始重视床垫对健康的重要，好的床垫必须有一个良好的身体支撑，以确保最大的肌肉放松，保持最不疲劳的身体姿势。弹簧床垫是市场上最受欢迎的床垫之一，而分区弹簧床垫和分区乳胶床垫都是为了满足人们对睡眠的需要。家具市场虽然还存在不符合人体工程学和功能要求的床垫，只通过指出某些技术优势来强调床垫质量，但有部分床垫制造商已开始重视床垫舒适性的研发。在评估床垫舒适性的研究中，需要大量人员进行测试，由于受试者的不可重复性和可变性，可能在评估不同床垫的结果上不能给出显著差异。本论文采用实物人体模型，为床垫测试提供更快更直观的评估。

由于人体工程学领域对人体模型技术有着巨大需求[2]，国内外很多科研机构做了大量人体模型方面的研究工作，国内外对床垫中人体模型的研究亦有不少。

理想的睡眠系统应有好的适应性，即能支撑身体使脊柱处于自然位置，被认为与站立时的脊柱形态一样；侧卧时，一个理想的身体支撑会使脊柱呈一条直线。B.Haex等人针对组合床垫开发了二维有限元模型来预测人躺在特定睡眠系统下的脊柱曲率，并检验出给与理想身体支撑床垫上的刚度分布和现有睡眠系统产生最好的理想支撑近似值[3]。

基于所收集的成人人体尺寸和三维关系，Jerzy 等人成功开发出了一套精确的、客观的人体测量模型。选取31-60岁女性的人体模型，对两款不同类型的床垫上对人体模型进行压力装载，在有限元算法的ALGOR程序协助下仿真，再进行分析研究。[4]而他们的人-床机械系统分析提供了关于集中力发生的确切区域的情况，分析模型可以确定这些力的特定值。对发生在不同支撑区域压力值的比较，

2 床垫研究中人体模型的国内外现状

可以得出结论，在给定模型中，给定支撑点压力与支撑力的总值的百分比比例是不变的，不取决于人体测量。此外可以说，每5公斤的体重增加，接触处的反应值增加约1%[5]。

Inhyuk 等人基于近似人体测量模型提出了一个能预防褥疮和压力控制的空气床垫。空气床垫由18个有气孔材料制成的圆柱形气囊，将身体部位划为4个部分，分别为头、躯干、臀部和腿。基于个人的身高、体重和近似人体测量模型，从每个部分的重量中计算出每个部分的压力。7个受测者的实验结果表明提出的空气床垫对预防褥疮是有效的[6]。

Duncan等人开发了一个感知化的铰接式人体测量模型，将精确的和可重复的静载荷施加在病人支撑系统上，用以研究模拟的臀部和骶部的软体组织的变形。人体模型的重量可以调整为50、70、90公斤，躯干倾斜角度为0°,45°和80°。对人体模型使用压力感应垫测量界面压力表明人体模型负荷现实的生理负荷条件[7]。

国外利用人体模型进行床垫评估的研究较多，且相关研究已经非常深入，而国内对人体模型进行床具评估的研究并不多见，只有南京林业大学陈玉霞在其博士论文的研究中，以数字化人体模型为基础，研究卧姿脊柱形态的测试与评价方法，并且利用这一方法进行人-床界面之间支撑关系的相关研究[8]。

■图1 人体划分模型■图2 人体模型骨架■图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50百分位男子各体段相对质量分布表

3 人体模型的建立

有不少研究从人体数据中概括出人体的分割部位，基于人体测量的人体工程学模型[9]，以明显的骨性标志为分界点，将人体分为头颈、躯干、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个部位，如图1所示。

不同身体尺寸的人对相同的床垫界面会有不同的评价结果，所以选择合理的人体模型非常重要。男女之间的差异是大家有目共睹的，不仅是心理的方面，更明显的是形体方面，男女的各部位都存在显著差异。任意一组特定对象的人体尺寸，其分布规律符合正态分布规律，即大部分属于中间值，只有小部分属于过大和过小的值，它们分布在范围的两端。在设计上满足所有人的要求是不可能的，但必须满足大多数人。所以必须从中间部分取用能够满足大多数人的尺寸数据作为依据，在这种情况下，本论文模型应该使用第50百分位男性统计资料[10]，（表1）人体模型骨架（图2）。这个人体模型关节采用可旋螺母联接，可对人体模型高度上进行调节。

在建立人体模型骨架后，需要对人体模型进行配重。根据国家标准GB-T 17245-2004成年人人体惯性参数[11]，可知道人体各体段与体重之间的相对质量比。我们采取第50百分位的男子各体段相对质量分布（表2）。采用沙包袋的形式来给人体模型进行个体段质量配比，除去各体段的骨架重量，将剩余重量装在各个体段的沙包袋中，每个沙包带都是按照男子手臂围和腿围尺寸设计的（图3）小腿和手臂模型，躯干的重量用铁块进行配重。

4 人体模型在床垫研究中的应用

本研究以人体模型和一名中等身材男子为研究对象，采用软床垫、中等硬度床垫和硬床垫三款不同软硬度的袋装弹簧床垫，利用体压分布测试系统进行测试，研究人体模型和男子以仰卧姿势在三款床垫上的体压分布情况，用以验证人体模型是否与男子实验结果一致。如图4所示为测试中的人体模型。

从（图5）的人体模型在三款床垫上的体压分布图可知，在不同软硬度床垫上体压分布情况随床垫软硬度的改变而改变。以平均压力和接触面积作为体压分布指标[12]对实验测得数据进行统计处理（图6）。从中可知，人体模型在三款不同软硬度床垫上的平均压力和接触面积的结果与中等身材男子的结果趋势是一致的，可以表明这个人体模型具有一定现实的生理负荷条件。

5 结论

由于相当高的现代生活文化和社会发展科学技术和经济状况，床垫应该具有好的质量、功能和设计，尤其是要感到舒服，舒适和安全。人体模型对床垫设计是非常重要的，还可以在此基础上进行设计制作不同的人体尺寸、性别、年龄和其他特点的更多的人体模型，对床垫领域的持续研究具有重要的意义。本研究方法也可扩展到人体坐姿模型，来评估座椅舒适问题。

[1] 刘雪梅,邓背阶,闫丹婷.我国床的分类探讨[J].家具与室内装饰.2006(10):26-28.

[2] 杨立强,刘西刚,秦立斌等.人机工程学领域人体建模技术发展综述[J].装甲兵工程学院学报.2006,20(2):59-63.

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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] 陈玉霞.床垫支撑特性对卧姿舒适性和睡眠质量影响的研究[D]. 南京林业大学.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 中国成年人人体尺寸[S].北京:中国标准出版社.1988.

[11] GB/T 17245-2004成年人人体惯性参数[S].北京:中国标准出版社.2004.

[12] 徐明,夏群生.体压分布的指标[J].中国机械工程.1997,8(1).