CN104886975A - 一种适应人体曲线的床垫及其高度调节方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种适应人体曲线的床垫及其高度调节方法，属于家居生活用品技术领域，本发明方法使床垫头枕区域高度可调，首先建立基于统计模式识别基础上的睡姿识别模型，然后将获取的人体压力数据输入模型，取相似度最高的睡姿作为结果输出，控制器根据睡姿识别模型的输出控制高度调节装置的工作状态，使床垫头枕区域上下调节，本发明枕头适合不同的人群对与枕高的要求，也同时适合一个人侧卧和仰卧对于枕高的不同要求。对于脊椎患者，通过调节适合的高度，帮助恢复脊椎曲线；对于经常低头或仰头工作的人群，则可以防止脊椎。

Description

一种适应人体曲线的床垫及其高度调节方法

技术领域

本发明属于家居生活用品技术领域，具体涉及一种床垫，特别是一种将枕头和普通床垫融为一体的一种适应人体曲线的床垫及其高度调节方法。

背景技术

现代人们的用枕方式大都是将枕头垫于脑后，从而支撑起脑部，将头部垫高来进行睡眠，然而这种方式往往使得头部过度前屈，颈部架空，长期下去则容易引起颈部肌肉劳损，从而引发颈椎疾病。

随着人们生活节奏加快和生活压力的不断加剧，人们的工作和生活方式也出现了较极端的划分，体力劳动者由于长期从事单调机械的体力工作，使得身体生理等曲线也发生变化，而脑力劳动者也是长期坐在电脑前工作，颈部长期的肌肉劳损，都很容易造成颈椎病等颈部疾病。

在睡眠的过程中，枕具的合理垫置应置于颈后而不是脑后，用枕过程中应着重支撑颈部，辅助支撑头部，从而使人体颈曲达到健康的生理曲度。但是，人体在睡眠的过程中会无意识的变换睡姿，主要是仰卧和侧卧，侧卧位是一种常见的睡眠姿势,倘若枕头过高或过低,则在侧卧位时容易造成颈部肌肉和韧带长时间处于被动应力牵拉状态,不利于颈部的休息或造成颈部肌群和韧带等组织的慢性劳损,诱发和促进颈椎病的发生，同时用枕不当导致头部侧屈,椎间盘内承受的压力双侧差距较大时也易于使椎间盘发生退行性变或偏侧突出。这两种睡姿下，脊椎距离床面的距离会发生改变，市面上单一高度的枕头不能满足这一要求。

发明内容

为了克服现有技术的不足，本发明提供一种适应人体曲线的床垫及其高度调节方法，该床垫将传统的枕头和床垫融为一体，床面上头枕、颈枕区域可以调节高度，满足不同的睡姿高度要求。

本发明的技术方案是：一种适应人体曲线的床垫的高度调节方法，使床垫头枕区域高度可调，建立基于统计模式识别基础上的睡姿识别模型，将获取的压力测试数据输入模型，取相似度最高的睡姿作为结果输出，控制器根据睡姿识别模型的输出控制高度调节装置的工作状态，使床垫头枕区域上下调节。所述睡姿识别模型的建立，首先，针对每种睡姿，统计各传感器的训练数据，然后将数据分类，计算每种类别下的训练数据的个数；最后，计算相应的影响因子，建立睡眠者的个性化睡姿模型，影响因子表示压力传感器受力在不同类别时对睡姿检测提供的影响度，影响因子的计算可以是分布在该类别的数据个数在总的个数中的比例，也即总的训练数据的个数。所述数据分类方法为：将所有样本数据分为受力数据和未受力数据，然后再将受力数据进行划分，分为多个数量级，保证每个小类别的数据数量基本一致。所述将获取的压力数据输入模型进行识别时，具体的，针对每个压力传感器的受力类别，计算该睡姿的各个传感器在该分类情况的影响因子，在对影响因子进行加权平均，求的与每个睡姿模型的相似度，取其中最高相似度的睡姿作为结果输出。所述获取的压力测试数据来自设置在床垫上的薄膜压力传感器，薄膜压力传感器设置在床垫上的臀部区域、肩部区域和头部区域，薄膜压力传感器延伸至床垫的两侧，所述头部区域的压力传感器能确保头部的枕后点、颈后四点、侧卧耳旁点和侧颈屈曲点在传感器的监测范围之内。所述控制器根据睡姿识别模型的输出结果控制高度调节装置，具体的，床垫头枕区域由多个带状床垫组成，高度调节装置使带状床垫上下移动，控制器中设置有侧卧和仰卧两种工作模式，并记录两种工作模式下每个带状床垫的高度，控制器根据睡姿识别模型的输出结果来控制带状床垫的高度。所述高度调节装置包括凸轮机构、联动机构、动力机构和继电器组，动力机构通过联动机构带动凸轮机构转动，凸轮机构与带状床垫下底面接触，使带状床垫上下移动，控制器内置计时单元，通过控制继电器组的接通时间来控制凸轮机构的转动角度，进一步控制带状床垫的上下移动距离。所述仰卧工作模式下，还包括腰部区域的高度调节，床垫腰部区域为带状床垫，仰卧工作模式下，控制器通过腰部区域的高度调节装置来调节腰部带状床垫的高度。

一种床垫，包括控制器、压力传感器和高度调节装置，所述床垫的头枕区域为多个带状床垫组成，高度调节装置作用在带状床垫上，使带状床垫上下移动，控制器根据压力传感器的监测结果控制高度调节机构的作用幅度。所述高度调节装置包括凸轮机构、联动机构、动力机构和继电器组，动力机构通过联动机构带动凸轮机构转动，凸轮机构与带状床垫下底面接触，使带状床垫上下移动，控制器内置计时单元，通过控制继电器组的接通时间来控制凸轮机构的转动角度，进一步控制带状床垫的上下移动距离。所述带状床垫的两端面设有护板，下底面设置了硬质底板。所述压力传感器为薄膜式压力传感器，设在床垫的臀部、肩部和头部区域，在感测区域内设置整排压力传感器，并延伸到床的两侧，所述头部区域的压力传感器能确保头部的枕后点、颈后四点、侧卧耳旁点和侧颈屈曲点在传感器的监测范围之内。所述带状床垫的材质外层为乳胶，内层为荞麦皮。所述床垫的腰部区域也是由多个带状床垫组成的，并设置了对应的高度调节装置。

本发明有如下积极效果：本发明的床垫将床垫和枕头一体化，并且高度可调，适合不同的人群对与枕高的要求，也同时适合一个人侧卧和仰卧对于枕高的不同要求。对于脊椎患者，通过调节适合的高度，帮助恢复脊椎曲线；对于经常低头或仰头工作的人群，则可以防止脊椎。

附图说明

图1为本发明具体实施方式压力传感器的布置方案；

图2为本发明具体实施方式颈后四点和侧颈屈曲点的位置图；

图3为本发明具体实施方式枕后点和侧卧耳旁点的位置图；

图4为本发明具体实施方式不同枕芯头部受力分布折线图；

图5为本发明具体实施方式人体仰卧时背部曲线图；

图6为本发明具体实施方式床垫的底面结构图；

图7为本发明具体实施方式床垫的上表面结构图；

图中，1. 侧颈屈曲点；2. 颈后四点3. 枕后点4. 侧卧耳旁点5.凸轮6.横杆7.从动齿轮8.床架9.底板10.护板11.带状床垫。

具体实施方式

下面对照附图，通过对实施例的描述，本发明的具体实施方式如所涉及的各构件的形状、构造、各部分之间的相互位置及连接关系、各部分的作用及工作原理、制造工艺及操作使用方法等，作进一步详细的说明，以帮助本领域技术人员对本发明的发明构思、技术方案有更完整、准确和深入的理解。

本发明的主要思路是：本发明的床垫在头枕区域为活字排版模块化结构，该区域由若干个小的带状区域组成，每个小的带状区域的底部设有凸轮5等使头枕区域高度可调的机构，通过调节凸轮5转动，使整个头枕区域高度可调。

1.睡姿的鉴别（压力）

一般在侧卧时，枕头的高度应与自己的拳头高一致，而当选择侧卧时，枕高应与肩高一致，从而保持颈椎正常的生理曲线。由于仰卧和侧卧时，人体与枕头的接触面积不一致，各处的压力也不一致，因此，可以通过压力判断睡眠者的睡姿。

在睡眠中，对于检测肩部、臀部、腿部和头部的压力系统，睡姿的变化对腿部的压力大小改变几乎不大，本发明主要采集睡眠者的头部、肩部和臀部的压力数据。如图1，为本发明压力传感器的布置方案，考虑到体形的大小差异和睡眠中位置的变化，在感测区域内设置两排压力传感器，并延伸到床的两侧，保证了传感器密度的要求，本发明的压力传感器采用薄膜压力传感器。具体的，在肩部和臀部各设置了两排压力传感器，在头部设置两至三条压力传感器，能保证头部的枕后点3、颈后四点2、侧卧耳旁点4和侧颈屈曲点1在传感器的监测范围之内。

其中，枕后点3为脑后部最凸起隆凸点，颈后四点2分布于颈部弯曲率最大处即第四、五颈椎结节点，侧卧耳旁点4为侧卧位时，耳廓上部后斜约30度的2cm处的与颧骨间连接的一个部位，该点是平时习惯性侧卧并能够经常受压的地方，侧颈屈曲点1，侧卧位时颈部与枕头的屈曲贴合点，如图2和3，为本发明的侧颈屈曲点1、颈后四点2、枕后点3、侧卧耳旁点4的位置布置图。

具体的，本发明就多种不同的枕芯就头部四个部位进行了压力监测，绘制了各测试点压力的分析图，如图4，由图可以看出，同一枕芯条件下，侧卧时各处的受压明显比仰卧小，也即舒适度高，侧卧耳旁点4的压力稍微高于侧颈屈曲点1，但是相差不大，而枕后点3明显高于侧卧时各处的受压情况，但比颈后四点2的受压小。由这四个部位的受压情况可以看出，侧卧和仰卧时，各处的受压情况有较大的区别，因此，可以就压力来区分睡卧时的睡姿。

本发明对睡姿的识别是通过建立睡姿模型算法，该模型是基于统计模式识别技术。首先，针对每种睡姿，统计各传感器的训练数据，然后将数据分类，计算每种类别下的训练数据的个数。所有样本数据中分为受力数据和未受力数据，然后再将受力数据进行划分，分为多个数量级，保证每个小类别的数据数量基本一致；最后，计算相应的影响因子，建立睡眠者的个性化睡姿模型，影响因子表示传感器受力在不同类别时对睡姿检测提供的影响度。影响因子的计算可以是分布在该类别的数据个数在总的个数中的比例，也即总的训练数据的个数。

具体的，在进行睡姿识别时，获取测试数据的受力类别情况，再针对每个传感器的受力类别，计算该睡姿的各个传感器在该分类情况的影响因子，再对影响因子进行加权平均，求的与每个睡姿模型的相似度，取其中最高相似度的睡姿作为结果输出。

2.床垫结构设计

人在仰卧时，整个身体呈现腹部凸起的W形，如图5，其中腰部距离床面的距离一般是2cm到3cm，头部枕后点3距离床面的距离大约在6cm到8cm,侧卧时，侧卧耳旁点4距离床面的距离大约在12cm到14cm，腰部没有距离。由于腹部凸起的W形这种姿势不自然，难以入睡，本发明考虑在腰部设置高度可调的腰枕，基于睡姿识别的基础上，当人体在仰卧时，调节机构将腰枕升高，侧卧时，将腰枕降低，保持床面水平。头枕区域由于侧卧和仰卧时对头枕的高度要求不同，因此也需将头枕区域设为高度可调，以下具体介绍这一高度可调机构的结构。

如图6和7，本发明床垫的头枕区域不是一体的，而是分为多个带状区域，该带状区域延伸至床的两侧，带状床垫11的下侧设有高度调节装置，带状床垫11的两端与床的左右支架相交的地方设有滑槽，带状床垫11为柔软的材质，所以两端面设有硬质护板10，护板10可以沿着滑槽上下滑动。带状床垫11与高度调节装置相接触的下底面也设置了硬质底板9。高度调节装置为凸轮5，一根横杆6穿过凸轮5架在床的左右两边支架上，凸轮5与横杆6为固定连接。为了保证床垫平稳上升和下降，在一根横杆6上至少设两个凸轮5。在横杆6上设置一个从动齿轮7，从动齿轮7可以通过一级或者多级齿轮与主动齿轮啮合，主动齿轮通过马达等传动。与横杆6固定的从动齿轮7可以设置在床架8外侧或者内侧，本发明优先选用内侧，保证整个床垫的美观。为了整个调节装置的平稳运行，可以在床架8的两侧设置对称的传动机构。

不同的枕芯材质在使用时与头颈部接触的面积不同，以及其软硬度和弹性所导致的对各部位压强也不同，从而影响使用过程中枕具对睡眠舒适度的影响。荞麦皮和乳胶的枕芯材质整体舒适感较高，其中荞麦皮的材料软硬度偏硬，有良好的透气性，弹性较小，在支撑头颈部的过程中有一定的缓解疲劳效果，各部位压力分布均匀。本发明将乳胶和荞麦皮相结合，用乳胶包裹着荞麦皮，制成带状的床垫，乳胶贴近人体皮肤，保证了睡眠的舒适度，荞麦皮弹性小，保证了整体的硬度要求。

本发明采用西门子S7-200CPU222CN型PLC为主控制器，采用24V电源供电，PLC输出24V控制电压信号用来控制继电器组，以此控制相应的电动机或者马达，也即一个继电器对应一个马达，对应一个主动齿轮和从动齿轮7，对应一个带状床垫。人机界面选用SamKoon显控触摸屏，触摸屏选用24V电源，并通过串口与PLC连接，触摸界面可以实时显示各个带状床垫11的高度。

 本发明系统在初始化时，先设定好两种工作模式，即侧卧和仰卧，并记录两种工作模式下每个带状区域的高度，仰卧模式下，还包括腰部区域的高度。系统启动后，采集压力传感器的信息并判断是在哪种睡眠模式，PLC根据判断结果输出信号给继电器组，继电器控制马达的通断电，PLC内置计时单元，将带状床垫11的高度调节信号转换为继电器延时信号，通过控制继电器的通断时间，来调节带状床垫11的高度。

3.本发明具体使用方式

本发明床垫在具体使用时，首先要设定适合使用者的头枕区域高度，通过测量使用者的肩颧距、枕后点3和腰部距床面的距离，来分别设定侧卧时床面头枕区域升起的高度，仰卧时头枕区域的高度和腰部床面的高度，具体的，据很多资料分析，S形枕头与头部的贴合度较高，对保持脊椎曲线具有较好的结果，因此，本发明的控制器必须分别记录头枕区域的每个带状分区的高度，通过压力传感器和睡姿识别系统对睡眠姿势的鉴定结果，分别调节每个区域的高度，使睡眠的舒适度最好。

正常的颈椎从侧面看是有一段前凸的弧度，颈椎椎体沿着这段前凸的弧度连续、活动，并称之为颈椎生理曲线，颈椎生理曲线的正常值为 12±5 毫米，但是脊椎病患者的脊椎曲线是直的甚至反向弯曲，脊椎病患者可以适当的降低头枕区域的高度，对脊椎进行缓慢治疗。对于长期低头或者仰头工作的人群来说，则可以适当的升高或降低头枕区域，防止脊椎病。

上面结合附图对本发明进行了示例性描述，显然本发明具体实现并不受上述方式的限制，只要采用了本发明的方法构思和技术方案进行的各种非实质性的改进，或未经改进将本发明的构思和技术方案直接应用于其它场合的，均在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种适应人体曲线的床垫的高度调节方法，使床垫头枕区域高度可调，其特征在于：首先建立基于统计模式识别基础上的睡姿识别模型，然后将获取的人体压力数据输入模型，取相似度最高的睡姿作为结果输出，控制器根据睡姿识别模型的输出控制高度调节装置的工作状态，使床垫头枕区域上下调节。

2.根据权利要求1所述的床垫的高度调节方法，其特征在于：所述睡姿识别模型的建立，首先，针对每种睡姿，统计各传感器的训练数据，然后将数据分类，计算每种类别下的训练数据的个数；最后，计算相应的影响因子，建立睡眠者的个性化睡姿模型，影响因子表示压力传感器受力在不同类别时对睡姿检测提供的影响度，影响因子的计算可以是分布在该类别的数据个数在总的个数中的比例，也即总的训练数据的个数；所述数据分类具体为：将所有样本数据分为受力数据和未受力数据，然后再将受力数据进行划分，分为多个数量级，保证每个小类别的数据数量一致。

3.根据权利要求2所述的床垫的高度调节方法，其特征在于：所述将获取的压力数据输入模型进行识别时，具体的，针对每个压力传感器的受力类别，计算该睡姿的各个传感器在该分类情况的影响因子，在对影响因子进行加权平均，求的与每个睡姿模型的相似度，取其中最高相似度的睡姿作为结果输出。

4.根据权利要求1所述的床垫的高度调节方法，其特征在于：所述获取的压力测试数据来自设置在床垫上的薄膜压力传感器，薄膜压力传感器设置在床垫上的臀部区域、肩部区域和头部区域，薄膜压力传感器延伸至床垫的两侧，所述头部区域的压力传感器能确保头部的枕后点、颈后四点、侧卧耳旁点和侧颈屈曲点在传感器的监测范围之内。

5.根据权利要求1所述的床垫的高度调节方法，其特征在于：所述控制器根据睡姿识别模型的输出结果控制高度调节装置，具体的，床垫头枕区域由多个带状床垫组成，高度调节装置使带状床垫上下移动，控制器中设置有侧卧和仰卧两种工作模式，并记录两种工作模式下每个带状床垫的高度，控制器根据睡姿识别模型的输出结果来控制带状床垫的高度。

6.根据权利要求5所述的床垫的高度调节方法，其特征在于：所述高度调节装置包括凸轮机构、联动机构、动力机构和继电器组，动力机构通过联动机构带动凸轮机构转动，凸轮机构与带状床垫下底面接触，使带状床垫上下移动，控制器通过继电器组来控制凸轮机构的转动角度，进一步控制带状床垫的上下移动距离。

7.根据权利要求5所述的床垫的高度调节方法，其特征在于：所述仰卧工作模式下，还包括腰部区域的高度调节，床垫腰部区域为带状床垫，仰卧工作模式下，控制器通过腰部区域的高度调节装置来调节腰部带状床垫的高度。

8.根据权利要求1-7任意一项所述的床垫，其特征在于：包括控制器、压力传感器和高度调节装置，所述床垫的头枕区域为多个带状床垫组成，高度调节装置作用在带状床垫上，使带状床垫上下移动，控制器根据压力传感器的监测结果控制高度调节机构的作用幅度。

9.根据权利要求8所述的床垫，其特征在于：所述高度调节装置包括凸轮机构、联动机构、动力机构和继电器组，动力机构通过联动机构带动凸轮机构转动，凸轮机构与带状床垫下底面接触，使带状床垫上下移动，控制器通过继电器组来控制凸轮机构的转动角度，进一步控制带状床垫的上下移动距离。

10.根据权利要求9所述的床垫，其特征在于：所述带状床垫的两端面设有护板，下底面设置了硬质底板；所述压力传感器为薄膜式压力传感器，设在床垫的臀部、肩部和头部区域，在感测区域内设置整排压力传感器，并延伸到床的两侧，所述头部区域的压力传感器能确保头部的枕后点、颈后四点、侧卧耳旁点和侧颈屈曲点在传感器的监测范围之内；所述带状床垫的材质外层为乳胶，内层为荞麦皮；所述床垫的腰部区域也是由多个带状床垫组成的，并设置了对应的高度调节装置。