基于人因工程学的可调式多功能（病）床具设计

王怿瑾 王志亮

摘要：如何以便利的方式、合理的成本为不同的卧床者提供个性化的床具一直是一个有待解决的现实问题。本文基于大规模定制思想、市场细分方法及人因工程学，首先根据成年人身高数据将人群分成若干组，并针对每一组群的卧姿体态特征设计对应的仰卧床板和侧卧床板；在此基础上，开发设计了一种可依据人体身高以及卧姿来调整床板的可调式多功能（病）床具；该床具包括一套床板调整机构和、可实现不同种类的床板支撑板的切换；为便于床板支撑板的切换，也设计了一套床板托架升降机构；最后，将智能技术引入该床具设计中，可实现床板托架自动升降、床板支撑板的自动切换。可调式多功能（病人）床具的设计可为卧床者（病人）提升睡眠质量提供了良好的环境保证。

Abstract： Providing personalized service for the different patient by reasonable cost and convenient way has become a realistic problem. In this paper， based on mass customization， market segmentation and ergonomics， firstly， the population is divided into several groups according to the adult height data， and the supine positon' and the lateral position' bed plates are designed to each group； on this basis， the adjustable multifunction （hospital） bed is developed and it can adjust the bedplate supporting palte' types according to body height and prone position. The adjustable multifunctional bed includs a bed board adjusting mechanism， which can switch the different supporting plate； at the same time， a bed bracket lifting mechanism is also designed. Finally， the intelligent technology is used into the bed design and it can automatically switch the supporting plate and lift the bed bracket. The adjustable multifunction （hospital） bed can provides a good environment to ensure and improve sleeping quality for the patients.

关键词：人因工程学；床具；卧姿；体压分布

Key words： human factors；bed；prone position；body pressure distribution

中图分类号：TB21 文献标识码：A 文章编号：1006-4311（2018）14-0143-03

0 引言

随着科技进步、社会发展，人类的生活节奏越来越快，人们也越来越追求高质量的睡眠。睡眠质量不仅与当事人当时的生理、心理以及工作压力、生活事项密切相关，也取决于睡眠的环境。除周边的温湿度、光照度、噪声响度外，床具也是重要的影响睡眠质量的环境因素。

由于人体的特殊构造，使得人体的各部分质量与尺寸不相同，在外形上呈现凹凸不同的形态特征。因此，当人睡眠时，若床板面平整，人体后部凸出部分，如肩胛部、臀部、小腿后部、脚跟部以及头后部，将承受全部的人体重量，如图1所示，从而床板对这些部分产生较大的向上的作用力，而身体的其它部分因处悬空状态而承受弯折力，人体各部分受力不均，导致睡眠质量下降。为此，人们常用厚床垫或用弹簧垫来分散人体重量对凸出部位的压力、提升睡眠质量；进而将人机工程学理论与方法引入到床垫设计中[1]，依據睡眠时人体各部分承受的压力大小与分布（体压分布）来规划床垫各部分的软硬程度、力图使人体处于良好的休息状态[2][3]。

然而，人类群体的身高分布在一定的范围内，近似服从正态分布，故身高不同的人，他们凸出部分分布的范围也不同，比喻肩胛部与臀部、臀部与小腿后部之间的距离因人的身高差别而异，从而若想使不同的人都能得到良好的休息状态，则必须设计不同的与其本人相适应的床垫，而这即使在家庭生活中也很难实现这一理想状态，更不要说在医院这种针对大众的场所了。

本文在依人体尺寸数据（身高）将人群分组的情况下，根据人因工程学来设计开发一种适用于医院等大众场所使用的床具、来最大程度地帮助人们实现高质量睡眠。

1 总体设计思路

人类成年人身高分布有一定的范围，高昂的成本导致市场无法为每一人依据其体压分布定制一个合适的床垫，但我们可以采用大规模定制的方法，依据人们需求的差异对人群进行分类分组，立足市场细分、最大程度地满足人们对不同床垫的需求。涉及到本文设计目的，具体来说就是依据人类成年人身高、将人们分成若干组（比如，因中国男性成年人身高在1543～1814mm之间服从正态分布、女性成年人身高在1449～1697mm之间服从正态分布[4]，从1450mm到1850mm，每相距一定的长度（如50mm），即可将中国成年人分成若干组（如8组）），对每一组人群，测定该组的体态特征分布，如图2所示。再依据该体态特征分布，即可为该组群定制床板，在该定制床板上铺上与季节、温度相对应的床垫，即为该组群提供了能保证良好睡眠质量的床具。若针对不同的群组均定制对应的床板，便能以较低的价格、便利的方式为所有人群的高质量仰卧睡眠提供了床具保证。

进一步的，人在睡眠时除了仰卧（占总时间的60%）外，通常也有35%的时间采用侧卧，特别是病人，当其长时间仰卧后需要侧卧。当侧卧时，人体具有不同的体态特征分布，如图3所示。

因此，依照上述方法，依身高将侧卧姿态分组，再针对每组群设计定制相应的床板，可为人群侧卧提供适合的床具、保证高质量的侧卧。

2 基于人因工程学的床板设计

在定制床板具体实现时，可先针对各一特定组群、制作若干具有相同人体形态特征的支撑板，将它们平行放置、再在它们上面横向放置由细钢丝串接众多支撑条而成的软榻，即构成适合该特定人群的定制床板，包括用于仰卧的定制床板和用于侧卧的定制床板，如图4示。

3 床具设计

3.1 床具总体架构

针对上述需求，设计一种可依据不同身高来调整床板形状的（病）床具，具体结构如图5所示，它由床架、床板、支撑板及调整机构、床板升降机构组成。在常见的床架基础上，床板采用如图4所示的由细钢丝串接众多支撑条而成的软榻。床板由两个具有相同形态特征的支撑板来同时支撑，所有支撑板均镶嵌在如图6所示的支撑轴的转轮盘上；当左右对称的两个支撑轴通过调整机构同时转动时，转轮盘带动支撑板转动，实现不同形态特征的支撑板的切换，以满足不同身高人群的仰卧与侧卧需要。

在切换不同形态特征支撑板时，需要事先将软榻床板（包括上面的床垫及睡眠者）升起；并在切换完成后再将床板放到支撑板上，故设计了一个床板升降机构，其架构如图7所示。

3.2 床板调整机构及升降机构设计

3.2.1 调整机构设计

当本文根据我国成年人身高分布将人群主要分为8个组别时，再考虑仰卧和侧卧两种睡姿、以及两个平面支撑板（即形成普通床板），计有18种形态的支撑板，即每个转轮盘上依据形态特征、对应地镶嵌18根支撑板，如图8所示。具体放置时，依据8个身高组别次序，仰卧与侧卧支撑板依次嵌入转轮盘上；其中，两个平面支撑板对称放置。

当转轮盘固定在支撑轴时，左右支撑轴左端各固定1 个齿轮、并与中间的驱动齿轮相啮合，三个齿轮为同样大的齿轮。在摇动手轮时，中间驱动齿轮转动，带动两端的齿轮相对（相背）在转动，从而两支撑轴转动，切换不同形态特征的支撑板、以适应不同的人群需要；由于18对支撑板均匀分布，旋转20°即调整、切换一对支撑板。

由于支撑轴的长度较长，需要在中间位置添加支撑座；分离式支撑座中放置支撑轴、并在支撑轴的左右放置两个转轮盘、实现对支撑板的衬托，参见图5。为了不影响舒适度，支撑座的位置设计在腰部；依据统计数据，这个位置处在头部往下约0.65米位置处。由此，为了实现切换，每一支撑板被分割成两块，参见图6。

3.2.2 升降机构设计

为了提高床具的使用寿命、以及支撑板切换的便利，在切换不同形状的支撑板时，需要将如图7所示的床板托架先向上升起，待支撑板调整到位后再降下来。

所设计的升降机构由转柄、丝杆、滑块、升降杆、床板托架构成。床板下左右各设有一个固定环扣、一个滑动环扣（参见图7），升降杆与下方固定在床腿上的固定环扣通过销轴接。滑动环扣链接在和小手轮连接的丝杆上，当摇动小手轮时，丝杆转动，带动滑动环扣作前后的直线运动，使床板托架上升或下降，带动软榻床板上升或下降。

4 自动驱动系统设计

随着智能制造逐步推进，智能技术在生活的各个方面得到了广泛应用。对于上文所设计的可调多功能（病）床具，可设计开发自动驱动系统，实现床具的自动升降、支撑板的自动切换。

为此，用电动推杆代替滑动丝杆，将多个电动推杆底部固定在床架上、顶部与床板托架相连，当电动推杆同时上升或下降时，带动托架及其上面的床板一同上升或下降。

同时，为实现支撑板的自动切换，可用低电压直流电机取代大手柄，驱动中间驱动齿轮转动。

进一步的，还可附装传感器来实现智能控制。当人体卧床后，角度傳感器可自动测量卧床者身高等，根据实际身高数据、确定所应选择的支撑板种类。

考虑操作的便携性和现代人的生活习惯，将采用无线遥控和智能手机APP两种方式。整个自动控制系统原理如图9所示。

5 结束语

为不同的卧床者提供个性化的床具将有助于提升卧床者、特别是病人的睡眠质量，也面临着如何更好满足大众群体要求以及使用便利、成本合理的考验，本文针对医院等大众场所：

①基于大规模定制思想、市场细分方法，根据成年人身高数据将人群分成若干组，基于人因工程学、针对每一组群的体态特征设计对应的仰卧床板和侧卧床板，最大程度地满足不同个体对床具的个性化要求；

②在此基础上，开发设计了一种可依据人体身高以及卧姿来调整床板的可调式多功能（病）床具；

③为实现不同种类的床板的切换，设计了一套床板调整机构，它通过手柄齿轮转动、带动固定在支撑轴的转轮盘转动，实现镶嵌在转轮上的床板支撑板的切换；

④为便于床板支撑板的切换，设计了一套床板升降机构，它通过手柄带动丝杆转动，使丝杆螺母作前后的直线运动，从而实现床板托架的上升与下降；

⑤将智能技术引入该床具设计中，基于无线遥控或手机APP方式，依据传感数据、可实现床板自动升降、床板支撑板的自动切换。

参考文献：

[1]左洪亮，裴学胜，武瑞之.基于人机工程学的床具设计[J].河南科技大学学报（自然科学版），2003，24（1）：105-107.

[2]李莉，申利明，周敏.基于体压分布的海绵厚度对床垫舒适性影响[J].西北林学院学报，2009，24（6）：150-153.

[3]朱芋锭，申黎明，刘华.人体模型在床垫设计中的应用[J].家具与室内装饰，2013（01）：55-57.

[4]GB10000-88，中国成年人人体尺寸[S].