基于人机工学的左右分区床垫创新设计研究

肖 飞，吴登高

(1.东莞职业技术学院艺术设计系，广东东莞 523808；2.东莞慕思寝室用品有限公司，广东东莞 523808）

随着床垫市场的消费升级，消费者对床垫软硬度及舒适度的追求越来越高。同一个家庭中，床垫可能会由不同特征的个体共同使用，床垫宽度方向上单一的软硬度已经无法满足不用个体睡感的需要。左右分区床垫的设计正是基于这样的需求出发，通过研究不同个体对床垫宽度方向的不同需求进行创新设计，通过左右不同睡感的设计满足不同个体对床垫的不同需求。

1 左右分区床垫设计的必要性

人的身高、体重、体型等不一样，所需要的床垫软硬度不一样。据多项研究结果显示，成年男女体型相差较大，2014年河北省、2014年武汉市、2015年深圳市随机抽样成年男女进行BMI检测，结果显示男性超重、肥胖比例（55.3%）均高于女性（28.8%），女性体重正常占比最高64.70%，随着年纪的增长男女超重、肥胖的比例显著增加[1-2]。由此带来的结果是，同一组家庭中不同人的体型差距也越来越大。为了获得更舒适的睡感，让不同体重人的脊椎处于放松的状态，床垫需要提供相应的软硬度来支撑人的身体。早期床垫的研究也表明，中等体型和偏胖体型这两类人群在五分区弹簧床垫上的体压分布较为合理，但分区弹簧不能给予偏瘦型体型的人群提供良好的支撑性能[3]，不同的床垫对体压分布和脊柱形态会产生不同的影响[4]。所以进行床垫的设计时要提高床垫的使用舒适性就应该考虑床垫形态与人体曲线的贴合度，在侧躺或平躺时身体各位置特别是腰部、臀部均应获得有效的支撑与承托[5]。

目前市场上床垫大多是依据人体平躺时身高方向（即床垫的长度方向）进行分区设计。通过将床垫长度方向的软硬度设置成不同区间，增大人体脊椎在弯曲方向上与床垫的接触面，以有效减小人体局部应力聚集进而避免人体产生局部酸胀等不适感觉。如图1所示，人体在肩部、臀部和膝部等凸出部位与床垫的接触面积越大应力越小，脊椎在睡觉时保持成一条直线也是最有利于脊椎健康的状态。通常肩部和臀部侧躺时对于弹簧的挤压会超过其他部位，如果要实现侧躺时脊椎保持直线，就必须要使下面的床垫接触部位软硬度不同。实现这一目标的途径可以通过床垫的床网分区和床垫的垫层分区[6]。所谓床垫的床网分区一般指独立筒弹簧床网，通过采用不同线径的弹簧来改变其弹力，一般来说口径相同的情况下，线径越粗，床网越硬，弹性也越差，比如对于支撑头部、腰部、腿部等重量较轻的部位，我们如果采用线径1.8mm的弹簧的话，肩部和臀部采用线径1.6mm或者线径1.4mm的弹簧便能实现床垫长度方向上的软硬分区。

除了床网可以进行软硬度分区之外，垫层上的软硬度不同设置同样也能实现床垫长度方向上的分区，例如分区乳胶和分区海绵等[7-8]。总体来说，市场上此类型的产品已经比较成熟，也比较容易实现。然而左右分区床垫的研究及产品研发非常少，主要原因是相比长度分区只要求对身体不同部位数据差异进行分析而言，对不同体重的人体数据差异的难度更大，要求也更高。在此情况下基于人机工学的左右分区床垫的创新设计十分必要。

2 左右分区床垫的创新设计策略

左右分区床垫的创新设计基于人机工学出发[9]，至少分为三个区域，即左右两个不同软硬度区域和中间过渡区域。左右区域为不同体型的使用者提供最适合的支撑和承托，中间区域的作用是实现左右不同软硬度的缓冲和过渡。设立过渡区域的原因是人的睡眠姿势并非固定不变，它能减小人体触碰到两种不同软硬度床垫之后其所带来的差异感。过渡区域的宽度尺寸可依据实际情况进行设置。一般来说，双人床垫的宽度尺寸包括1.2m，1.5m，1.8m等几种尺寸，中间区域设置为10-15cm即可。

2.1 左右分区床垫的内胆设计

分区床垫的主要支撑力由床垫内胆提供，通过改变现有床垫的内胆结构可以实现床垫左右分区的不同软硬度。目前市面上主流床垫的内胆结构为：连续弹簧+垫层、独立筒弹簧+垫层、无弹簧床网床垫，床垫各层示意图如图3所示，为更好地适应不同体型对床垫软硬度的需求，保证床垫中间软硬度的自然过渡，基于现有的技术及研究，左右分区床垫内胆的连接方式及结构设计可以参照如下3种方式：

图1 人体侧躺压力分布图

图2 分区弹簧和分区乳胶

图3 床垫各层示意图

图4 垫层材料平拼接方式

图5 不同软硬度的模块内胆

①材料自身分区：现有材料能够进行长度方向上的分区，多为可一体成型生产的材料，例如3D棉、乳胶、海绵等，多用于垫层。这类用于垫层的一体成型材料左右分区工艺难度小，较容易实现，但因模具成本高，相较于普通垫层材料成本较高。

②垫层材料拼接：不同软硬度或不同材料，可通过榫卯结构与无毒环保胶稳固的方式拼接，如图4所示，连接处可实现如硬度的自然过渡。相比材料自身分区，垫层不同特性的材料通过拼接的方式连接可以节约成本，同时也更加灵活。由于垫层材料可以采用多种类型，也能更有利于我们进行创新来实现不同的舒适效果。同时，垫层拼接也能使左右分区的床垫差异性更大，睡感差异更明显。其不足之处在于生产加工中由于材料的属性不同，可能会出现长时间使用后连接处容易产生质量问题。这对企业来说需要对生产工艺和品质控制进行更严格的把控。

③独立筒左右分区：如同依据人体实际需求，在长度方向上对床垫对应的头、肩、腰、臀、腿位置排布不同软硬度的独立筒弹簧一样，在床垫的宽度方向上排布3个区域：左右为不同软硬度弹簧区域，差异比较明显；中间为软硬度过渡区域，介于左右两种软硬度之间。以满足需求的左右分别为偏硬、偏软的床垫为例，床垫宽度为1.8m，每排摆放27个直径6.3cm的弹簧，左右偏软、偏硬的弹簧各摆放11个，中间过渡区域的软硬度适中弹簧摆放数量为5个。弹簧的线径和直径的细微差距都能带来软硬度的区别，同时，一般不同软硬度的弹簧会采用不同颜色的布套，方便工人生产过程中好识别。

2.2 左右分区床垫的模块化设计

为满足不同个体更深层次的需求，左右分区床垫可以通过模块化设计同时实现宽度方向的左右分区及长度方向的上下分区。这种分区方式不仅能使床垫更符合人体曲线，还能够同时实现两种不同睡感。参照市面上对床垫软硬度等级划分，即“硬”、“偏硬”、“适中”、“偏软”、“软”5个等级，分区床垫的模块化设计也可根据垫层材料、弹簧、其他材料的软硬度划分为以上5个等级，再将不同软硬度的进行模块组合设计，模块可为整片分区材料，也可为连续弹簧、或独立弹簧。在实际生产时，可通过以下5种方式实现：

①连续弹簧床网+左右分区的垫层：连续弹簧床网软硬度单一，材料及生产成本较低，可实现不同的软硬度，但不能实现软硬度分区。该种类型的床垫主要通过垫层调节床垫左右不同的软硬度，因此对垫层厚度有一定的要求，从而影响床垫的整体厚度。垫层可为一体成型材料，也可为材料拼接而成。因连续弹簧相较独立弹簧价格偏低，因此一般多使用材料拼接垫层，在市场上售卖时价格更有优势。床垫整体的左右软硬度可调范围相对较小，适合体型相差较小的人群。

②独立筒弹簧床网+左右分区的垫层：独立筒弹簧无分区，材料及生产成本较高。针对目标市场及实际情况，垫层可为一体成型材料，也可为材料拼接而成。在实际售卖中，以中高端客户群里为主。床垫整体的左右软硬度可调范围较小，独立筒弹簧床网能够避免翻身时影响另一方，适合体型相差适中的人群。

③左右分区的独立筒弹簧床网+左右分区的垫层：左右分区的独立筒弹簧能够实现较大软硬度差，垫层可为一体成型材料，也可为材料拼接而成，但材料及生产成本高，在实际售卖中，以高端客户群体为主。该种床垫能够实现软硬度左右分区，且可调范围大，过渡区域能实现平缓过渡，适合体型相差较大的人群。采用左右分区的不同软硬度独立筒设计的弹簧床网（以1.8m宽床垫、弹簧直径6.3cm的独立筒为例），其弹簧分布如表1所示。

④无床网床垫内部材料左右分区：此类型床垫内部多为乳胶、海绵、3D棉等可一体成型材料，材料本身由于密度和成分的不同可实现多个区域不同软硬度，也可通过材质拼接的方式实现软硬度分区。因材料本身的价格不同，床垫在实际售卖时会形成不同价格段位，再进行客户群体匹配。

⑤五类床垫的内胆所有材料由一个个独立的、不同软硬度的模块，如图5所示，依据需求进行组合，可实现上下区域、左右区域完全不同的软硬度。但此种方式下床垫的软硬度过渡较生硬，连接处的稳定性不高，且需人工组合，成本高。

表1 不同软硬度需求的左右分区独立筒排布方式

2.3 左右分区智能床垫设计

智能床垫作为智能家居的一部分出镜的频率也越来越高。通过植入传感器和其他设备，用蓝牙和无线网络等信息化手段和其他电子设备进行串联，能够实现对人体的睡眠质量，健康状况等进行检测和记录分析，帮助我们更好地了解自己的身体情况。智能床垫也可实现床垫的左右分区和整体调整的功能，它可以依据不同人体、不同姿势，床垫各模块快速适应贴合人体曲线给予最好的支撑。智能床垫的内部传感系统与调节系统能够根据人体动态，自动调节床垫的状态。床垫上层分别安装有传感器以及压力数据捕捉系统，在使用者静止躺在床垫上时，床垫会根据体压分布、使用者脊椎曲线等多个方面，以舒适性为前提调节床垫各模块的软硬度，这样的智能调节算法模型，能给使用者带来高达上万种睡感。当使用者身体状态发生变化时，床垫也会实时变化，并且根据使用者不同的体型匹配适合的睡感，对于使用者来说在不同时期都能得到很好的睡眠解决方案。当同时有两个人在使用床垫的时候，智能床垫能够还能进行分区调节，根据不同区域不同的使用者，做到一张床垫同时拥有两种不同的睡感。床垫内置左右独立的压力传感控制系统，能实时采集人体身高、重量、睡眠习惯等身体数据信息；内置的高速运算芯片能分析睡眠数据，并将数据整合传递于智能调节，触发内部结构。自动调节人体肩、背、腰、臀、大腿与床垫之间贴合曲线的软硬度，有效承托身体体重，并能对一张床，左右两边不同软硬度调节。但目前智能床垫具有价格偏贵、技术不成熟等劣势，相比传统床垫而言市场接受度较低[10]。但是它代表的是一种未来的生活方式，相信随着科技的进步和供应链体系的发展，越来越多的普通家庭也会使用这种智慧型床垫。

3 结语

不同体型的人群对床垫软硬度需求不一，进行左右分区床垫的设计符合市场发展的需要。为更好地实现分区床垫的左右软硬度分区，床垫的内胆结构及连接方式可通过垫层、弹簧床网的左右软硬度分区来实现，为降低生产成本、提高生产效率，左右分区床垫可通过连续弹簧床网复合左右分区垫层、独立筒弹簧床网复合左右分区垫层、左右分区独立筒弹簧复合左右分区垫层、无床网床垫内部材料左右分区等方式进行模块化设计，而智能分区床垫的设计则为满足高端市场需求提供了选择。