蔣亞南，蔣東霖

(長春師范大學(xué) 工程學(xué)院，吉林 長春 130032)

0 引言

隨著“智能家居”的出現(xiàn)以及人工智能和物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的逐漸成熟，各種智能產(chǎn)品層出不窮，越來越多的智能家居產(chǎn)品成為生活流行品、消費(fèi)新趨勢。而且現(xiàn)代生活節(jié)奏快、壓力大以及生活方式不健康等引發(fā)的睡眠質(zhì)量低下、打鼾等問題日益凸顯。然而目前市面上大多數(shù)的床為軟床或者硬床，硬板床設(shè)計不符合人體的生理曲度，容易出現(xiàn)腰部懸空現(xiàn)象，長時間的肌肉緊張、收縮會導(dǎo)致肌肉疲勞、酸痛甚至勞損，無法保障人的睡眠質(zhì)量；軟床內(nèi)的填充物比較復(fù)雜，不能保證質(zhì)量和耐久度，不經(jīng)常換洗容易滋生細(xì)菌同時長時間睡軟床會對脊椎造成負(fù)擔(dān)，損害健康。且在一般的家庭中，床四周及床底的空間利用率不高。床周圍是固定的床頭柜，只能放東西和收納；而床下的收納是以床下格子形式出現(xiàn)，不僅空間狹小，而且取物困難，難以整理。基于以上出現(xiàn)的種種問題，我們設(shè)計研發(fā)了一款居家多功能防打鼾醫(yī)療床，其原理是通過給床下的氣囊充氣，緩慢改變打鼾者頭部的位置與打鼾者睡姿，實(shí)現(xiàn)平臥患者的俯仰體位變換，自動左翻身(右翻身)從而打開喉嚨內(nèi)的空氣通道治療打鼾。整個過程十分輕柔、安靜，不會將用戶和身邊的人吵醒。此外，氣墊床是降低重癥顱腦損傷患者壓瘡發(fā)生率的重要措施，氣墊床配合翻身能夠有效預(yù)防壓瘡，減少患者并發(fā)癥的發(fā)生，提高病情的恢復(fù)速度，還添加了折疊收納、家庭影院等功能。

1 總體設(shè)計方案

多功能防打鼾醫(yī)療床整體預(yù)覽圖如圖1所示。主要分為打鼾干預(yù)模塊、被褥折疊模塊以及日常生活功能模塊等。打鼾干預(yù)模塊包括頸部抬起機(jī)構(gòu)、側(cè)面抬起裝置，使用者在使用時通過控制床面角度，緩慢改變打鼾者頭部的位置與打鼾者睡姿，實(shí)現(xiàn)平臥患者的俯仰體位變換，自動左翻身(右翻身)從而打開喉嚨內(nèi)的空氣通道緩解打鼾癥狀。被褥折疊模塊包括被褥折疊裝置及機(jī)械手，可以將床單平鋪在床面上，通過遙控即可自動更換儲存床單被褥。日常生活功能模塊包括投影裝置、滑動窗簾、起夜燈以及床下儲物柜，在日常生活中，只需通過遙控，本裝置可以立即進(jìn)入觀影模式，自動拉上窗簾，播放影片。床下備有儲物柜，可以滿足用戶日常的儲物需求且不占地方。用戶夜間行動時，起夜燈自動亮起，保護(hù)用戶安全。整個裝置自動化程度較高，且適用于各個年齡段，使用方便快捷。

圖1 多功能防打鼾醫(yī)療床預(yù)覽圖

2 結(jié)構(gòu)設(shè)計

多功能防打鼾醫(yī)療床通過慧魚創(chuàng)意組合模型搭建，主要由防打鼾裝置、被褥折疊裝置、日常生活功能模塊等組成。整個機(jī)構(gòu)主要由電動機(jī)提供動力，通過蝸輪蝸桿以及齒輪齒條的相互配合實(shí)現(xiàn)氣缸升降、機(jī)械手抓握、折疊板旋轉(zhuǎn)折疊以及窗簾自動開關(guān)等功能。整個裝置自動化程度較高，操作簡單易懂，可以精準(zhǔn)地完成一系列機(jī)械傳動，實(shí)現(xiàn)緩解用戶打鼾、自動收納床單等一系列功能。

2.1 防打鼾裝置設(shè)計

防打鼾裝置如圖2所示，它是整個裝置的核心部分，主要由驅(qū)動機(jī)構(gòu)、抬高機(jī)構(gòu)、氣壓系統(tǒng)、信息檢測裝置等部分組成，利用該裝置可使整個床面都處于可調(diào)整狀態(tài)，可抬高或降低用戶某個身體部位。驅(qū)動系統(tǒng)由電池、開關(guān)構(gòu)成。通過電池的通電斷電控制氣缸的控制閥和蝸輪蝸桿，從而控制氣缸的運(yùn)動以及蝸輪蝸桿的轉(zhuǎn)動。抬高機(jī)構(gòu)由側(cè)面抬高機(jī)構(gòu)(見圖3)和頸部抬高機(jī)構(gòu)(見圖4)組成，主要零件為絲杠、氣缸、彈簧、支撐板等，負(fù)責(zé)側(cè)床面和床頭的抬起。氣壓系統(tǒng)由控制閥、氣缸和管路等組成，為整個床提供氣壓，并通過控制閥使氣缸帶動支撐板抬起。氣缸活塞的下降上升都是由氣壓系統(tǒng)的控制閥控制。接通電源開關(guān)后，電動機(jī)開始轉(zhuǎn)動，氣缸上面的拉桿帶動氣壓泵不停地往復(fù)伸縮，使產(chǎn)生的壓縮氣體儲存在儲氣罐內(nèi)，通過管路輸送到各個氣缸，通過氣壓系統(tǒng)中機(jī)體側(cè)面的控制閥控制壓縮氣體流動，驅(qū)動支撐板抬起，使相應(yīng)氣缸往復(fù)伸縮。支撐板與彈簧連接，使得床板貼合用戶背部，保證舒適的狀態(tài)。氣壓傳動控制的升降可有效緩解一般升降的間歇性停頓，不會在一段時間內(nèi)較快上升或下降，運(yùn)動平穩(wěn)，不會干擾用戶睡眠。信息檢測裝置可以采集用戶在睡覺時的體征與聲音，傳遞給執(zhí)行機(jī)構(gòu)。

圖2 防打鼾裝置示意圖 圖3 側(cè)面抬高機(jī)構(gòu) 圖4 頸部抬高機(jī)構(gòu)

2.2 被褥折疊裝置設(shè)計

被褥折疊裝置如圖5所示，主要分為夾取機(jī)構(gòu)和折疊機(jī)構(gòu)。夾取機(jī)構(gòu)由機(jī)械爪以及齒輪齒條構(gòu)成，通過程序控制電機(jī)轉(zhuǎn)動，帶動齒輪齒條相互配合從而由機(jī)械爪實(shí)現(xiàn)對床單的牽引，一旦觸發(fā)限位開關(guān)，電機(jī)停轉(zhuǎn)，使其到達(dá)指定位置，等待折疊。折疊機(jī)構(gòu)由折疊板、旋轉(zhuǎn)齒輪、彈簧墊片構(gòu)成，通過程序控制電機(jī)帶動旋轉(zhuǎn)齒輪來控制折疊板旋轉(zhuǎn)抬起，將被褥中間三分之一的被子與被褥左側(cè)三分之一的被褥按壓在一起，同時將被褥右側(cè)三分之一的被褥帶動，覆蓋在折疊板背面，再將折疊板反向旋轉(zhuǎn)，完成對被褥的折疊。在折疊板上設(shè)計有限位開關(guān)，用戶將被褥放置在折疊板上時，壓下限位開關(guān),折疊裝置將延時啟動折疊被褥，完成對被褥的收納。

圖5 被褥折疊裝置示意圖

2.3 日常生活功能設(shè)計

家庭影院設(shè)計如圖6所示，主要由自動窗簾與投影機(jī)構(gòu)組成。自動窗簾采用了齒輪齒條的傳動方式，在床架頂端設(shè)計窗簾滑軌，通過齒輪的旋轉(zhuǎn)帶動窗簾沿直線遠(yuǎn)動。投影裝置包括投影儀與投影布，分別安裝在床頭與床尾的床架上。播放影片時，投影儀通過滑軌向下，投影屏通過電機(jī)驅(qū)動齒輪繞軸線轉(zhuǎn)動放下投影屏。此外移動家庭影院聲音系統(tǒng)更加追求聲音的包圍感以及聲音的動態(tài)還原，設(shè)計音箱按照杜比的規(guī)范正常放置，和用戶耳朵水平線的夾角在30°～55°之間，將定位感減到最低。具有一體化的智能控制功能，用戶只需要通過智能手機(jī)、平板電腦，或者智能一體化遙控器就能對不同的設(shè)備進(jìn)行控制，光源亮度可通過菜單調(diào)整，選擇不同級別的“中”“低”，光源亮度則會產(chǎn)生相應(yīng)的變化，將燈光、空調(diào)系統(tǒng)結(jié)合在一起，設(shè)定不同的情景模式。例如設(shè)定觀影模式，自動關(guān)閉燈光，拉上電動窗簾，將空調(diào)調(diào)整至靜音，順序開啟影音設(shè)備，觀看影片。

圖6 家庭影院示意圖 圖7 床下儲物柜示意圖 圖8 起夜燈示意圖

床下儲物柜(見圖7)由電機(jī)、齒輪、絲杠組成，電機(jī)帶動滑動螺母與絲杠配合運(yùn)動，從床下伸出，騰出收納空間。

起夜燈主要由照明燈以及智能燈控系統(tǒng)組成，如圖8所示。智能燈控系統(tǒng)由人體紅外檢測傳感器以及紅外測距模塊組成，當(dāng)人發(fā)出一定強(qiáng)度的聲音，或者在相應(yīng)空間域有人體活動時，人體紅外檢測傳感器可以感知到人體的存在，啟動LED發(fā)出設(shè)定的光照強(qiáng)度，紅外測距模塊可以根據(jù)人與床的距離變化改變光源強(qiáng)度，在其長時間未檢測到人體時照明燈將會延時熄滅。光敏電路可以限制夜燈使其白天不工作，處于節(jié)能模式，從而延長電池使用時間。

3 程序設(shè)計

3.1 防打鼾裝置信息檢測部分

防打鼾裝置設(shè)計以聲音傳感器檢測人體鼾聲，將聲音傳感器置于枕頭周圍，通過麥克風(fēng)檢測聲音信號。通過外接Mega2560處理聲音信號，輸出高低電平。聲音傳感器程序如圖9所示，定義4、5輸入輸出引腳，當(dāng)輸入端為高電平時，無鼾聲信號，輸出低電平；當(dāng)檢測到鼾聲信號，輸入端為低電平，輸出高電平，供給氣泵工作，相應(yīng)的氣缸伸運(yùn)動。

圖9 聲音傳感器程序

3.2 被褥折疊裝置程序

被褥折疊程序流程如圖10所示。程序開始運(yùn)行，首先控制床面升降的M1開始工作，當(dāng)觸碰到限位開關(guān)L1，電動機(jī)M1停止工作且保持此時床面高度不變。然后控制床下儲物柜的電機(jī)M2工作，床下儲物柜開始移動，電動機(jī)M2轉(zhuǎn)動5 s后停止。接著控制折疊板的電動機(jī)M3正轉(zhuǎn)，當(dāng)用戶將被褥鋪至折疊機(jī)構(gòu)上方，觸動限位開關(guān)，M3反轉(zhuǎn)2 s停止，折疊板工作，完成一次折疊后M3停止。最后控制另一折疊板的電動機(jī)M4正轉(zhuǎn)，當(dāng)觸動限位開關(guān)時，M4反轉(zhuǎn)2 s停止，完成一次折疊。最后電機(jī)停止轉(zhuǎn)動，被褥折疊完畢。

圖10 被褥折疊程序流程

3.3 起夜燈程序

起夜燈通過紅外測距模塊感應(yīng)人體，其程序流程如圖11所示。當(dāng)人體紅外檢測傳感器發(fā)出的紅外線被遮擋，起夜燈啟動，首先通過測距模塊檢測出人體與人體紅外傳感器的距離A，當(dāng)A≤3 m時，照明燈亮起，其光線強(qiáng)度隨著時間的延長而逐漸加強(qiáng)，且光線強(qiáng)度變化為3次，若長時間未檢測到障礙，將延時熄滅。當(dāng)3 m

圖11 起夜燈程序流程

4 結(jié)語

居家多功能防打鼾醫(yī)療床能夠有效地緩解人體打鼾，從而避免因打鼾而造成的各種潛在疾病的發(fā)生；能夠自動折疊收納床單，使得操作智能化，且不需要另取空間儲存床單，使得用戶對于時間以及空間的規(guī)劃可以更加的自由舒適；附加家庭影院、起夜燈等，方便用戶日常使用。在經(jīng)濟(jì)方面，整個系統(tǒng)的運(yùn)營成本相對較低，對于用戶來說可以接受，整個系統(tǒng)的操作并不復(fù)雜，適用于各個年齡段。在應(yīng)用方面，既可以在普通家庭推廣也可以推廣到醫(yī)院以及養(yǎng)護(hù)機(jī)構(gòu)中，應(yīng)用范圍廣。就其發(fā)展前景而言，睡眠質(zhì)量問題已經(jīng)成為全國乃至全世界關(guān)注的問題，但消費(fèi)者對智能床的認(rèn)知仍停留在一個較低的階段，居家多功能防打鼾醫(yī)療床作為智能電動家具領(lǐng)域的新興產(chǎn)品，在未來具有廣闊的發(fā)展前景，值得推廣。