居家多功能防打鼾医疗床*

蒋亚南，蒋东霖

(长春师范大学 工程学院，吉林 长春 130032)

0 引言

随着“智能家居”的出现以及人工智能和物联网技术的逐渐成熟，各种智能产品层出不穷，越来越多的智能家居产品成为生活流行品、消费新趋势。而且现代生活节奏快、压力大以及生活方式不健康等引发的睡眠质量低下、打鼾等问题日益凸显。然而目前市面上大多数的床为软床或者硬床，硬板床设计不符合人体的生理曲度，容易出现腰部悬空现象，长时间的肌肉紧张、收缩会导致肌肉疲劳、酸痛甚至劳损，无法保障人的睡眠质量；软床内的填充物比较复杂，不能保证质量和耐久度，不经常换洗容易滋生细菌同时长时间睡软床会对脊椎造成负担，损害健康。且在一般的家庭中，床四周及床底的空间利用率不高。床周围是固定的床头柜，只能放东西和收纳；而床下的收纳是以床下格子形式出现，不仅空间狭小，而且取物困难，难以整理。基于以上出现的种种问题，我们设计研发了一款居家多功能防打鼾医疗床，其原理是通过给床下的气囊充气，缓慢改变打鼾者头部的位置与打鼾者睡姿，实现平卧患者的俯仰体位变换，自动左翻身(右翻身)从而打开喉咙内的空气通道治疗打鼾。整个过程十分轻柔、安静，不会将用户和身边的人吵醒。此外，气垫床是降低重症颅脑损伤患者压疮发生率的重要措施，气垫床配合翻身能够有效预防压疮，减少患者并发症的发生，提高病情的恢复速度，还添加了折叠收纳、家庭影院等功能。

1 总体设计方案

多功能防打鼾医疗床整体预览图如图1所示。主要分为打鼾干预模块、被褥折叠模块以及日常生活功能模块等。打鼾干预模块包括颈部抬起机构、侧面抬起装置，使用者在使用时通过控制床面角度，缓慢改变打鼾者头部的位置与打鼾者睡姿，实现平卧患者的俯仰体位变换，自动左翻身(右翻身)从而打开喉咙内的空气通道缓解打鼾症状。被褥折叠模块包括被褥折叠装置及机械手，可以将床单平铺在床面上，通过遥控即可自动更换储存床单被褥。日常生活功能模块包括投影装置、滑动窗帘、起夜灯以及床下储物柜，在日常生活中，只需通过遥控，本装置可以立即进入观影模式，自动拉上窗帘，播放影片。床下备有储物柜，可以满足用户日常的储物需求且不占地方。用户夜间行动时，起夜灯自动亮起，保护用户安全。整个装置自动化程度较高，且适用于各个年龄段，使用方便快捷。

图1 多功能防打鼾医疗床预览图

2 结构设计

多功能防打鼾医疗床通过慧鱼创意组合模型搭建，主要由防打鼾装置、被褥折叠装置、日常生活功能模块等组成。整个机构主要由电动机提供动力，通过蜗轮蜗杆以及齿轮齿条的相互配合实现气缸升降、机械手抓握、折叠板旋转折叠以及窗帘自动开关等功能。整个装置自动化程度较高，操作简单易懂，可以精准地完成一系列机械传动，实现缓解用户打鼾、自动收纳床单等一系列功能。

2.1 防打鼾装置设计

防打鼾装置如图2所示，它是整个装置的核心部分，主要由驱动机构、抬高机构、气压系统、信息检测装置等部分组成，利用该装置可使整个床面都处于可调整状态，可抬高或降低用户某个身体部位。驱动系统由电池、开关构成。通过电池的通电断电控制气缸的控制阀和蜗轮蜗杆，从而控制气缸的运动以及蜗轮蜗杆的转动。抬高机构由侧面抬高机构(见图3)和颈部抬高机构(见图4)组成，主要零件为丝杠、气缸、弹簧、支撑板等，负责侧床面和床头的抬起。气压系统由控制阀、气缸和管路等组成，为整个床提供气压，并通过控制阀使气缸带动支撑板抬起。气缸活塞的下降上升都是由气压系统的控制阀控制。接通电源开关后，电动机开始转动，气缸上面的拉杆带动气压泵不停地往复伸缩，使产生的压缩气体储存在储气罐内，通过管路输送到各个气缸，通过气压系统中机体侧面的控制阀控制压缩气体流动，驱动支撑板抬起，使相应气缸往复伸缩。支撑板与弹簧连接，使得床板贴合用户背部，保证舒适的状态。气压传动控制的升降可有效缓解一般升降的间歇性停顿，不会在一段时间内较快上升或下降，运动平稳，不会干扰用户睡眠。信息检测装置可以采集用户在睡觉时的体征与声音，传递给执行机构。

图2 防打鼾装置示意图 图3 侧面抬高机构 图4 颈部抬高机构

2.2 被褥折叠装置设计

被褥折叠装置如图5所示，主要分为夹取机构和折叠机构。夹取机构由机械爪以及齿轮齿条构成，通过程序控制电机转动，带动齿轮齿条相互配合从而由机械爪实现对床单的牵引，一旦触发限位开关，电机停转，使其到达指定位置，等待折叠。折叠机构由折叠板、旋转齿轮、弹簧垫片构成，通过程序控制电机带动旋转齿轮来控制折叠板旋转抬起，将被褥中间三分之一的被子与被褥左侧三分之一的被褥按压在一起，同时将被褥右侧三分之一的被褥带动，覆盖在折叠板背面，再将折叠板反向旋转，完成对被褥的折叠。在折叠板上设计有限位开关，用户将被褥放置在折叠板上时，压下限位开关,折叠装置将延时启动折叠被褥，完成对被褥的收纳。

图5 被褥折叠装置示意图

2.3 日常生活功能设计

家庭影院设计如图6所示，主要由自动窗帘与投影机构组成。自动窗帘采用了齿轮齿条的传动方式，在床架顶端设计窗帘滑轨，通过齿轮的旋转带动窗帘沿直线远动。投影装置包括投影仪与投影布，分别安装在床头与床尾的床架上。播放影片时，投影仪通过滑轨向下，投影屏通过电机驱动齿轮绕轴线转动放下投影屏。此外移动家庭影院声音系统更加追求声音的包围感以及声音的动态还原，设计音箱按照杜比的规范正常放置，和用户耳朵水平线的夹角在30°～55°之间，将定位感减到最低。具有一体化的智能控制功能，用户只需要通过智能手机、平板电脑，或者智能一体化遥控器就能对不同的设备进行控制，光源亮度可通过菜单调整，选择不同级别的“中”“低”，光源亮度则会产生相应的变化，将灯光、空调系统结合在一起，设定不同的情景模式。例如设定观影模式，自动关闭灯光，拉上电动窗帘，将空调调整至静音，顺序开启影音设备，观看影片。

图6 家庭影院示意图 图7 床下储物柜示意图 图8 起夜灯示意图

床下储物柜(见图7)由电机、齿轮、丝杠组成，电机带动滑动螺母与丝杠配合运动，从床下伸出，腾出收纳空间。

起夜灯主要由照明灯以及智能灯控系统组成，如图8所示。智能灯控系统由人体红外检测传感器以及红外测距模块组成，当人发出一定强度的声音，或者在相应空间域有人体活动时，人体红外检测传感器可以感知到人体的存在，启动LED发出设定的光照强度，红外测距模块可以根据人与床的距离变化改变光源强度，在其长时间未检测到人体时照明灯将会延时熄灭。光敏电路可以限制夜灯使其白天不工作，处于节能模式，从而延长电池使用时间。

3 程序设计

3.1 防打鼾装置信息检测部分

防打鼾装置设计以声音传感器检测人体鼾声，将声音传感器置于枕头周围，通过麦克风检测声音信号。通过外接Mega2560处理声音信号，输出高低电平。声音传感器程序如图9所示，定义4、5输入输出引脚，当输入端为高电平时，无鼾声信号，输出低电平；当检测到鼾声信号，输入端为低电平，输出高电平，供给气泵工作，相应的气缸伸运动。

图9 声音传感器程序

3.2 被褥折叠装置程序

被褥折叠程序流程如图10所示。程序开始运行，首先控制床面升降的M1开始工作，当触碰到限位开关L1，电动机M1停止工作且保持此时床面高度不变。然后控制床下储物柜的电机M2工作，床下储物柜开始移动，电动机M2转动5 s后停止。接着控制折叠板的电动机M3正转，当用户将被褥铺至折叠机构上方，触动限位开关，M3反转2 s停止，折叠板工作，完成一次折叠后M3停止。最后控制另一折叠板的电动机M4正转，当触动限位开关时，M4反转2 s停止，完成一次折叠。最后电机停止转动，被褥折叠完毕。

图10 被褥折叠程序流程

3.3 起夜灯程序

起夜灯通过红外测距模块感应人体，其程序流程如图11所示。当人体红外检测传感器发出的红外线被遮挡，起夜灯启动，首先通过测距模块检测出人体与人体红外传感器的距离A，当A≤3 m时，照明灯亮起，其光线强度随着时间的延长而逐渐加强，且光线强度变化为3次，若长时间未检测到障碍，将延时熄灭。当3 m

图11 起夜灯程序流程

4 结语

居家多功能防打鼾医疗床能够有效地缓解人体打鼾，从而避免因打鼾而造成的各种潜在疾病的发生；能够自动折叠收纳床单，使得操作智能化，且不需要另取空间储存床单，使得用户对于时间以及空间的规划可以更加的自由舒适；附加家庭影院、起夜灯等，方便用户日常使用。在经济方面，整个系统的运营成本相对较低，对于用户来说可以接受，整个系统的操作并不复杂，适用于各个年龄段。在应用方面，既可以在普通家庭推广也可以推广到医院以及养护机构中，应用范围广。就其发展前景而言，睡眠质量问题已经成为全国乃至全世界关注的问题，但消费者对智能床的认知仍停留在一个较低的阶段，居家多功能防打鼾医疗床作为智能电动家具领域的新兴产品，在未来具有广阔的发展前景，值得推广。