多功能助眠床机构优化设计与分析

费叶琦，郭峻伟，牛子铭，焦立炜，朱皓辉

（1.南京理工大学 紫金学院智能制造学院，南京 210046；2.南京林业大学 机械电子工程学院，南京 210037）

中国睡眠研究会发布的《2021 运动与睡眠白皮书》[1]显示，我国有超3 亿人存在睡眠障碍问题，在快节奏生活中，一夜好眠变成了一种“奢侈品”。因此，提高睡眠质量对于用户来说显得尤为重要。

通过市场调研，了解到目前市面上出售的助眠床多为功能单一产品。例如：朱德其[2]等人设计一种防止打鼾的助眠床，在床底配备声音传感器和液压油缸，传感器检测到打鼾声音，液压油缸工作，调节床板抬升，但是采用液压油缸容易出现液压油泄露问题，并且调节方式不够灵活，无法很好起到提高睡眠质量的作用；申昌睿[3]等人提出一种方便下轮椅的拆分床，病床和轮椅两者结合，可以由病床向轮椅转变，方便病人转移，但是在病床形态转变的过程中，容易出现卡顿、机构锁死现象，对病人造成二次伤害；方应龙[4]发明一种可以自动控温的床，通过在管路中安装风机和电热丝，实现加热功能，但是采用电热丝加热，长时间使用后，容易出现短路，对人造成伤害，需要考虑用电安全的问题。当然，也不乏存在多功能集合的产品，如陈磊[5]等人提出了一种多功能护理床，可帮助病人实现左右翻身、抬背、大小便自动检测、自动清洗、冷暖风干的功能，但该产品在机构设计中需要考虑安全运行，机构驱动噪音较大，容易对病人睡眠造成影响。目前市场上助眠床最为畅销的品牌有芝华仕、左右家具、顾家家具等，其产品床垫都具有较好的柔软度、回弹性，也具有杀虫去蛀的功能，但产品价格均在7000 元以上，价格偏高。

基于目前市场上存在的功能单一或集多功能但价格昂贵的助眠床的问题，本文提出一种集形态转变、床垫软硬程度调节、温度调节于一体的多功能助眠床设计方案。

1 助眠床整体设计方案

在助眠床整体设计中主要包括了助眠床形态转变功能设计、床垫温度调节设计、床垫软硬程度设计。为满足温度调节功能设计需求在床体结构和床垫温度调节中进行相应有限元分析；床体的尺寸将会影响睡眠者在睡眠过程中的舒适程度，助眠床床体尺寸在考虑能满足广大用户使用要求前提下参考医疗所用单人床的外形尺寸[6]：长2 300 mm，宽1 200 mm，高500 mm；助眠床设计中配备有电动推杆、超静强力气泵、温度加热器等元器件，通过改善睡眠环境中床板仰角、床垫温度及软硬度来提高用户睡眠质量，助眠床结构示意图整体设计如图1 所示。

图1 助眠床示意图

2 助眠床功能设计

本文设计的多功能助眠床主要包括床体形态转变、床垫软硬程度调节、床垫温度调节三大功能模块。

2.1 助眠床形态转变功能设计

在我国，青年人都有躺在床上看书看手机的习惯，长期如此，容易导致视力下降、颈椎疾病的发生；对于趋于人口老龄化的社会现状而言，需要考虑行动不便的老年人的上下床问题，因此，设计床体的形态转变功能显得尤为重要。

本助眠床床板设计中分成腿部、臀部、腰部和头部四部分，床板间采用铰链相互连接。腿部、腰部和头部床板下方与电动推杆相连固定，通过电动推杆的推动和收缩，带动床板抬升和下降，使助眠床床体发生形态变化。电动推杆推动各床板所能达到的最大工作角度分别为：头部床板45°、腰部床板40°、腿部床板90°。用户可根据自己需求选择平卧睡眠式、半起坐式和座椅式，或根据用户需求进行床板形态调节，其中：平卧睡眠式主要适用于用户晚上睡眠；半起坐式主要适用白天小憩或躺在床上看书、看手机，可以保护用户视力和颈椎；座椅式主要帮助行动不便的用户上下床。具体形态如图2 所示。

图2 助眠床形态转变

为满足助眠床在用户使用过程中床体形态的顺利调节，电动推杆的规格参数选取如下：输出电压12 V；行程100 mm～150 mm；最大推力1 300 N；运行速度7 mm/s；噪音等级小于50 dB[7]。另外，电动推杆具有自锁机构，在发生断电等特殊情况可锁住电动推杆，保证用户安全。在进行方案可行性论证并通过Solidworks 建模完成后利用Abaqus 软件对床板受到电动推杆推力进行有限元分析，由于各个床板尺寸大小各不相同，只需校核最小尺寸床板满足使用要求即可论证其他尺寸床板是否满足使用要求，因此选择腿部床板进行有限元分析。由于床板能够围绕铰链进行翻转，因此在铰链连接平面选择铰结，其他三面选择完全固定。人腿部重量约为人体重量的0.24 倍，大约为160 N，因此创建160 N 的集中载荷，分析结果如图3 所示，床体的位移形变量约为5.921×10-8mm，可忽略不计，满足后期使用要求。

图3 腿床板受力有限元分析

2.2 温度调节功能设计

随着季节的不断更替，在夏季需要对床垫进行降温处理，在冬季则需要对床垫进行升温处理，以此来达到舒适的睡眠环境，提高睡眠质量。兰丽[4]等研究表明最适合睡眠的温度为27 ℃。设计中预将睡眠时温度控制在25 ℃～30 ℃，利用气泵产生气体经过加热器或冷却器后使气体温度上升或下降进入床垫来实现床垫温度调。加热器选择PTC 发热片作为发热源，该发热片具有热阻小、换热效率高、安全性好等优点。通过气泵产生气体，气体经过纵向叠放的PTC 发热片可进行循环受热，受热效率得到提高。考虑制冷效率、安全性，冷却器中采用热惯性小、中低温制冷的半导体制冷片。半导体制冷片叠放方式与加热器中PTC 发热片叠放方式相同，可以在减小使用空间的前提下，使制冷效率达到最大化。由于气体具有热胀冷缩的性质，空气受热膨胀后，床垫也会膨胀，因此需要对床垫进行温度有限元分析。由于四部分气垫大小各不相同，选择其中最为典型、体积最大的气垫进行温度有限元分析，来校核其是否满足使用要求，因此选用腰部气垫进行温度有限元分析。由于气垫一面与床板相接壤，可设置此面为完全固定，随后设置预定义场初始温度为20 ℃，通过编辑预定义场，使最终温度为35 ℃，分析结果如图4 所示。从图中结果显示，气垫受热发生的位移变化量约为5.465×10-2mm，位移变化量小，可忽略不计，满足使用要求。

图4 腰部气垫温度有限元分析结果

气体管路采用耐高温300 ℃的硅胶软管连接，防止管路因受热遭到破坏。在温度达到用户设定值时，温度调节装置将进行间歇性工作，温度若超过设定值时，调节装置将自动停止工作，保证用户睡眠安全。

2.3 床垫软硬调节功能设计

家用床垫软硬程度固定，不能根据用户需求进行调节，长期如此，容易导致脊椎酸痛。在本文设计的多功能助眠床中，通过选用气垫来代替传统的床垫，并且床垫分为四块床垫与四块床板相对应，四块床垫独立供气，互不影响。在助眠床底部放置超静强力气泵，通过气泵对四块床垫进行充气，充气量不同所呈现的床垫软硬程度也不同。设计中根据四块气垫内部气压及其对应的软硬程度，可以分为四个软硬程度等级如表1 所示。

表1 床垫软硬程度等级

为满足气垫充气及噪音要求，气泵型号为V-30，具体规格参数如下：电压220 V；功率25 W；排气量30 L/min；噪音＜50 dB。该气泵具有噪音小，出气量大，排气能力强等优点。四块床垫在达到100%充气量时，所需时间为4 min，各块床垫头部、腰部、臀部、腿部达到体积分别为26.68 L、26.68 L、37.92 L、20.88 L，因此总体约为123.06 L。同时，气体回路中配备有溢流阀，防止充气过程中因压力过大导致床垫破裂。用户可根据自身需求通过软硬等级控制按键或充气开关对床垫软硬程度进行调节。

3 气压回路的设计

设计中采用气垫来代替传统床垫，通过改变气垫内部的气体温度和气体流量来实现温度和软硬程度调节。在确保使用安全的情况下，采用超静强力气泵，对四块气垫进行独立控制，并通过采用耐高温、无毒以及延展性较好的硅胶管道，配备溢流阀作为安全阀，防止因气体压力、温度过大导致气垫的爆炸和气路的破坏，对整个气压回路系统起过载保护；气垫内气体通过PTC 发热片和半导体制冷片对气垫进行升、降温处理；另外，在四块气垫进气口位置布置有压力传感器和温度传感器，传感器与监测系统相连，监测各床垫模块的实时压力和温度大小，在超出使用范围时可自动断电，保护气路安全，用户也可实时了解各床垫温度、压力，便于调节。根据温度调节功能和软硬程度调节功能绘制如图5 所示气压回路原理图。

图5 气压回路原理图

4 助眠床优势及市场价值

我国有超3 亿人存在睡眠问题障碍，越来越多的90 后、00 后加入了失眠族。在助眠床整体设计的过程中，针对目前用户睡眠问题，通过采用多个电动推杆伸缩配合完成床体形态转变功能的设计；通过采用超静强力气泵和充气气垫完成床垫软硬程度功能的设计；通过采用PTC 发热片和半导体制冷片完成床垫温度调节功能的设计。实现多功能助眠床集温度调节、床垫软硬调节、头枕抬升、腿部床板翻折功能于一体，以便于调整床垫温度、软硬程度及用户睡姿形态，以此来舒缓打鼾现象，提高睡眠质量。由此可见，本文提出的多功能助眠床可很好的贴合“睡眠经济”[8]，通过改善睡眠环境提高睡眠质量，因此具有良好的市场空间。

5 总结

本文所设计的多功能助眠床从改善用户睡眠质量出发，通过市场调研对助眠床各功能进行详细的理论研究，分析其工作原理、结构、功能，再通过可行性方案论证后利用Solidworks 软件对助眠床进行三维建模，利用Abaqus 有限元分析软件对助眠床床板进行强度、床垫稳定性校核。在满足功能正常使用及安全的前提下，选择性价比高的材料和元器件进行采购、装配调试，最终完成样机试制，样机如图6 所示。

图6 助眠床样机