一种自动控制系统力学性能的实验床具技术方案

一种自动控制系统力学性能的实验床具，包括床垫和床架，床垫（1）由床芯、面料复合层（11）、乳胶海绵铺垫层（12）、弹簧基底板（15）组成，床芯由均匀排列的独立袋装弹簧（13）构成，袋装弹簧（13）独立地固定于弹簧基础底板（15）之上并设有线位移传感器（14）；床垫设定用于检测人体脊柱形态变化的可调节舒适性区域（8），该区域的弹簧基础底板是由若干块独立的小基础底板构成，每块小基础底板用于支撑两横排的独立袋装弹簧（13）；在每块小基础底板正下方分别设有直线永磁往复式发动机（21）。本发明专利技术通过信息采集器将采集的袋装弹簧压缩量信息传输给数据处理器以获得人-床界面压陷量。实现真实睡姿和自然卧姿状态下人-床之间界面形状和界面压力的定量化研究。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术涉及一种人体工程学实验床具。
技术介绍
床具或床垫人体工程学设计的目的是通过床具或床垫性能的优化设计为人体提供优化的支撑条件，供人休息，使人的精力与体力能够在休息或睡眠的过程中得到最大程度的恢复。然而，床具或床垫对人体的支撑是人-床之间复杂的生物力学关系相互作用的结果，主要包括两个方面:一是床垫表面形变与人体外形的匹配关系；二是人-床之间“力”的相互作用的关系，这两个方面都与睡眠干扰以及卧姿舒适性有关。因此，这两个方面的定量化研究对床垫的人性化设计和定制化生产有着重要的意义。另外，床具或床垫对人体的支撑不仅取决于床具的力学性能，还取决于人体体型、重力分布等个性化因素。因此，科学、合理的床具或床垫支撑设计应以个性化人体为基础，即基于个性化人体特征建立人-床之间的最佳匹配关系，而这如果按照传统的方法(使用商品床具或床垫)去研究，则需要消耗大量的人力、物力和财力，实现起来非常困难。目前用于人-床之间匹配关系研究的实验床具仅有一些用于脊柱形态定量化测试的特定装置，但这种装置在测试的过程中需要人体保持特定的姿势和位置，使脊柱形态正好落在线性排列的感应器上，因此，不能真实反映自然睡姿，并且只能从一维曲线的角度来定量化反映人-床之间的界面形状，不能从立体空间真实反映人-床之间的界面形状，同时，也无法反映人-床之间的压力关系。另外，虽然目前市场上也出现一些可调节的水床垫和气床垫等流体类床垫，但这类床垫在稳定性、支撑感、透气性等方面固有的不足，导致这类产品的市场认可度较低，同时，由于无法实现床垫力学性能的定量化调节，因此，也不适合于人-床之间匹配关系的量化研究。
技术实现思路
本专利技术旨在克服以上装置和技术中所存在的缺点和不足之处，提供一种可以自动控制床具力学性能的实验床具，并实现真实睡姿和自然卧姿状态下人-床之间界面形状和界面压力的定量化研究。本专利技术解决技术问题采用如下方案:一种自动控制系统力学性能的实验床具，包括床垫和床架，其特点在于，所述床垫由床芯、面料复合层、乳胶海绵铺垫层、弹簧基底板组成，所述床芯由均匀排列的独立袋装弹簧构成，每个袋装弹簧独立地固定于弹簧基础底板之上；所述床垫设定用于检测人体脊柱形态变化的可调节舒适性区域，所述可调节舒适性区域的弹簧基础底板是由若干块独立的小基础底板构成，每块小基础底板用于支撑两横排的独立袋装弹簧；在所述的每块小基础底板正下方分别设有直线永磁往复式发动机，所述直线永磁往复式发动机推动小基础底板上下运动以调节舒适性区域袋装弹簧的压缩量，所述床芯的每个袋装弹簧均设有线位移传感器，传感器与信息采集器相连，通过信息采集器将采集的袋装弹簧压缩量信息传输给数据处理器以获得人-床界面压陷量。本专利技术结构特点还在于:所述舒适性区域中的袋装弹簧由两种弹性系数的袋装弹簧组成，用于肩部测试区域采用0.08N/mm的袋装弹簧，其它区域采用0.22N/mm的袋装弹簧；所述舒适性区域外的床垫其它区域袋装弹簧的弹性系数为0.15N/mm。与已有技术相比，本专利技术的优点主要体现在:(I)本专利技术克服了传统的床垫或床具人体工程学研究需要消耗大量的人力、物力、财力的局限性，通过自动化调节床具的力学性能，可轻松建立人-床之间的最佳匹配关系，操作简单，实现方便。(2)本专利技术克服了现有人体工程学实验床具仅能测试卧姿脊柱形态，不能定量化测试人-床之间三维形状界面的局限性，通过定量化地控制床具的力学性能既可以获得人-床之间的压陷形状，又可以定量化地反映人-床之间的压力关系。(3)本专利技术克服了现有人体工程学实验床具不能定量化地调节床具表面硬度的局限，通过对弹簧床垫舒适性区域弹簧的预压，实现床垫表面硬度的定量化调节。(4)本专利技术的床垫部分采用弹簧结构，因此，床具在透气性和稳定性等方面具有优势。说明书附1是本专利技术实验床具的结构图。图2是本专利技术实验床具的纵剖图。图3是本专利技术实验床具水平剖面图。图4是专利技术实验床具在未调节床垫力学性能时，受试者侧卧使用状态图。图5是专利技术实验床具在调节床垫力学性能后，受试者侧卧使用状态图。图6a、6b、6c是本专利技术实验床具测得数据通过Matlab软件生成的人-床界面压陷形状(侧卧)。图中标号:I床垫、11面料复合层、12乳胶棉铺垫层、13袋装弹簧、14直线式位移传感器、15弹簧基底板、151大号弹簧基底板、152中号弹簧基底板、153小号弹簧基底板、2床架、21直线永磁往复式发动机、3通气孔、4发动机控制面板、5信息采集器、6主机、7显示器、8床垫可调节的舒适性区域、9受试者、10冠状面上脊柱曲线。具体实施例方式下面结合附图和具体实施方法对本专利技术技术做进一步说明。如图所示，实验床具由床垫I和床架2组成，床垫I的左右前后四面共有10个通气孔3。床垫I由床芯、面料复合层11、乳胶海绵铺垫层12、弹簧基底板15组成。床垫I的芯层由袋装弹簧13组成，每个袋装弹簧13独立地固定于弹簧基础底板15之上，袋装弹簧间的间距是60mm，弹簧高度160mm，弹簧基底板有大、中、小三种规格，其中，大号弹簧基底板151用于固定床垫腿部区域的袋装弹簧13，中号弹簧基底板152用于固定床垫头部区域的袋装弹簧13，小号弹簧基底板用于固定舒适性区域8的袋装弹簧13。同时，弹簧基底板15之上，袋装弹簧13内固定有直线式位移传感器14，直线式位移传感器14在整个床芯中的分布如图4所示，整个直线式位移传感器网与信息采集器5相连接，信息采集器5与电脑主机6相连接。床垫表面覆有5mm厚的针织面料复合层11和30mm厚的乳胶海绵12。床架2之上固定有8个直线永磁往复式发动机21，分别位于每个可调节的舒适性区域8的弹簧基底板15的正下方，为舒适性区域8的自动化调节提供动力，8个直线永磁往复式发动机21由I个控制面板4控制其推和拉模式及其运行速度。其中舒适性区域由两种弹性系数的袋装弹簧组成，弹性系数分别为0.08N/mm和0.22N/mm，用于肩部测试区域采用0.08N/mm的袋装弹簧，其它区域采用0.22N/mm的袋装弹簧；舒适性区域外的床垫其它区域袋装弹簧13的弹性系数为0.15N/mm。袋装弹簧的力学性能和压陷量由186个直线位移传感器测量获得，传感器的总量程为100mm，分三个线性的区域，分别为 Omm-lOmm、10mm-40mm、40mm-100mm，测量精度分别为 0.05mm、0.15mm和 4mm,传感器的采样率为1HZ。床芯外面包裹有30mm的乳胶海绵和5mm的针织面料复合层，用于分散袋装弹簧的压力，乳胶海绵和面料复合层整体的压缩力学性能曲线为已知参量，可通过其下袋装弹簧床垫的力学性能计算出其压陷量。人-床界面压陷量由袋装弹簧压陷量和乳胶海绵、面料复合材料压陷量叠加组成。袋装弹簧的压陷量由直线位移传感器采集后经由信息采集器储存于电脑主机之中，并由电脑主机利用MATLAB软件计算乳胶海绵、面料复合材料压陷量以及人-床界面压陷量(人-床界面压陷量矩阵的三维呈现即为压陷形状，可以利用MATLAB软件生成人-床界面压陷形状的三维图)。下面以侧卧为例介绍本专利技术的具体实施方法:第一步，人体测量，要求受试者的人体质量指数BMI ( 30。BMI=体重(Kg)/身高 2 (cm2)第二步，受试者9躺到床垫之上，如采用侧卧睡姿时，要求脊柱本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种自动控制系统力学性能的实验床具，包括床垫和床架，其特征在于，所述床垫（1）由床芯、面料复合层（11）、乳胶海绵铺垫层（12）、弹簧基底板（15）组成，所述床芯由均匀排列的独立袋装弹簧（13）构成，每个袋装弹簧（13）独立地固定于弹簧基础底板（15）之上；所述床垫设定用于检测人体脊柱形态变化的可调节舒适性区域（8），所述可调节舒适性区域（8）的弹簧基础底板是由若干块独立的小基础底板构成，每块小基础底板用于支撑两横排独立袋装弹簧（13）；在所述的每块小基础底板正下方分别设有直线永磁往复式发动机（21），所述直线永磁往复式发动机（21）推动小基础底板上下运动以调节舒适性区域袋装弹簧（13）的压缩量，所述床芯的每个袋装弹簧（13）均设有线位移传感器（14），传感器与信息采集器相连，通过信息采集器将采集的袋装弹簧压缩量信息传输给数据处理器以获得人?床界面压陷量。

【技术特征摘要】

【专利技术属性】
技术研发人员：陈玉霞，申黎明，郭勇，刘盛全，高慧，涂道伍，刘亚梅，赵冠燕，
申请(专利权)人：安徽农业大学，
类型：发明
国别省市：