CN109154546B - 床垫评估系统和方法 - Google Patents

Abstract

一种同时测量床垫的压痕硬度特性、跨度特性和弹性特性的系统，包括第一压痕装置和第二压痕装置，以及用于以预定的力将第一压痕装置和第二压痕装置推入床垫中的装置。并且还包括用于在一段时间投射激光线的激光装置，该投射的激光线优选地被配置为通过摄影三角测量来映射第一压痕装置和第二压痕装置之间的床垫表面的合成偏转的幅度、形状和时间依赖性。本发明还提供了一种同时测量床垫的压痕硬度特性、跨度特性和弹性特性的方法。

Description

床垫评估系统和方法

技术领域

本发明涉及一种床垫评估系统和方法。本发明尤其涉及一种床垫测量工具，并且尤其涉及一种床垫分类工具。

背景技术

床垫存在于各种不同的结构中，具有不同的支撑特性。由于多种原因，希望能够测量和表征床垫的特性。首先，使制造商能够根据支撑特性去保持一致的产品是有利的，包括当该制造商希望使用不同的结构或不同的材料来生产床垫时。其次，通过提供能力去验证已经实现某些支撑特性，它使制造商能改进床垫设计。第三，为了向消费者推荐备选品或替代品，希望允许对具有类似特征的床垫进行分组。

本发明旨在减轻与任何已知的床垫测量工具相关的缺点。因此，本发明涉及一种床垫测量工具，尤其涉及一种床垫分类工具。

在使用源自PCT专利申请PCT/EP2015/051513的申请人的共同未决专利申请中描述的系统时，为了进行准确可靠的比较，根据标准化方案进行测量和分类可能来自许多不同的制造商并且受制于不同的国家和地区的法规的床垫是很重要的。

众所周知，个人睡在适合个人身体类型的床垫上是很重要的。不同的床垫具有不同的特征，床垫的特征将影响个人体验的睡眠质量。根据研究已发现床垫包括三个重要的特征，即支撑、整合和弹性(与粘性相反)。通过拜恩(Bain DS)在WO2014012598(A1)(迈彻里克专利，Mytronic patent)中描述的方法，这些特性之前已经可以被测量到粗略的精确度。

支撑本质上是从软支撑到硬/坚固支撑的床垫本身的坚固性。这可以根据在给定力下所偏转的距离或者根据产生给定偏转所需的力来量化。

整合特征是床垫围绕个人身体变形而床垫的相邻部分不会也变形和偏转的能力的量度；它实质上是对床垫偏转的定位效果的测量，也就是说，床垫的表面的相邻部分彼此独立地变形或偏转的能力。

这种特性不同于床垫的支撑特性(床垫在给定负载下偏转多少)，因为它考虑了床垫相邻区域之间的相对运动，而不仅仅是整体绝对位移。在一个极端的例子中，应该理解，在非常柔软的海绵的顶部的刚性钢板将具有柔软级别的支撑，因为该板将在负载下大幅度向下移动。然而，这种布置将具有非常低的整合度，因为在钢板的相邻区域之间将存在非常小的相对位移。

与整合相关的附加特性可以被称为床垫的“有效波长”或“跨度”。要解释这个特性，必须首先了解床垫支撑的一些原则：

1)当身体由床垫支撑时，身体的重量根据重力垂直向下作用。

2)为了保持静态平衡，必须存在相等且相反的反作用力，使得包括体重在内的所有力总和为零。

3)反作用力的一个可能成分是床垫填充物的直接反应。例如，如果床垫具有弹簧底座填充物，则弹簧的垂直压缩将伴随着从弹簧到主体的垂直反作用力。在弹簧底座遵守胡克定律的情况下，每个弹簧的反作用力将与每个弹簧的垂直压缩成比例。因此，压力不会均匀地分布在身体表面上，而是在压缩到床垫最远的那些区域中压力最高。

4)反作用力的另一个可能的成分是由于床垫罩中的张力。例如，如果身体躺在吊床上，则整个反作用力由织物中的张力提供。当织物缠绕在身体周围时，在织物张力方向上的变化传递分布在身体上的反作用力。因此，压力不会均匀地分布在身体表面上，而是在最凸的区域中最高。

5)大多数实用的床垫都具有这两种成分的组合：压缩(正常)支撑和表面张力(圆周或“吊床”)支撑。应该注意的是，表面“吊床”张力不一定是由床垫的覆盖材料产生的，而是由任何提供水平/周向张力的成分产生的。某些类型的被套料或者上层中的高弹体泡沫料或者连接的弹簧将是典型的例子。

从上面的3)和4)可以理解，在两种类型的支撑之间的峰值压力的分布将会有显著的差异。

还应该理解，床垫将根据如何在如上述3)中通过直接反应提供的支撑成分和如上述4)中通过表面“吊床”张力提供的支撑成分之间分配支撑而变化。

如果“吊床”成分在床垫的支撑特征中占主导地位，则推入床垫表面的狭窄物体将在床垫表面产生比物体本身大得多的压痕。传统上，通过将拳头推入床垫，可以非正式地测试这种“整合”特征。在“高度整合”床垫中，床垫中的压痕不会比拳头本身宽得多。在低度整合的床垫中，通过床垫罩中的张力连接到拳头上，较大的周围区域将被移位。这种称为整合的特征因它在不规则形状上分布接触的重要性之前已经被考虑过，因此降低了峰值界面压力，并改善了皮肤的舒适度。

我们现在第一次考虑与吊床张力相关的姿势含义的特性。

增加“吊床”表面张力的另一个含义是，压入到床垫中的两个相互靠近的形状将不会彼此独立。例如，考虑一个结实的物体，例如重型圆柱形灭火器，直立地放置在床垫表面上，使得它在其自身的压痕中保持平衡。现在考虑将另一个重型圆柱体放置在离第一个圆柱体20厘米的床垫上的效果。由第二个圆柱体引起的压痕将与由第一个圆柱体引起的压痕重叠，从而增加了近侧的位移。这会产生使第一个圆柱体不平衡的效果。相反，如果我们将第二个圆柱体放置在离第一个圆柱体50厘米的位置，这个效果将会减小。应当理解，因为压痕是相互独立的，在圆柱体之间将存在观察不到这种效果的最小间距。我们将这个距离称为床垫的跨度。

该间距将取决于吊床张力，因为具有较大吊床成分的床垫将需要两个圆柱体进一步分开以保持彼此独立。因此，具有相对较大的吊床支撑成分的床垫比具有相对较小的吊床支撑成分的床垫将具有更长的跨度。

现在考虑人体侧躺在床垫上。该结构可以被认为类似于悬索桥：肩膀带构成一个主要的支撑柱，压入床垫中；骨盆带代表另一个主要支撑柱，压入床垫中。脊柱是两者之间的桥梁。为使脊柱保持笔直且正确对齐，两个支撑柱保持垂直是非常重要的。

考虑前面讨论的两个圆柱体：如果两个圆柱体的间距等于或大于其最小跨度，则满足该要求。在身体的情况下，情况稍微复杂一些，因为其他力也作用于骨盆和肩膀。腿部的重量可以被认为在骨盆上是悬臂式的，倾向于使骨盆倾斜远离肩部。类似地，头部的重量将倾向于使肩膀倾斜远离骨盆。中部的效果会有所不同，具体取决于个人的体格。因此，为了调整和校正体格，床垫必须具有对个人而言正确的跨度。如果跨度对于个体而言太大(大于个体的肩膀带和骨盆带之间的间距)，则每一种结构将干扰另一种结构，导致它们向内倾斜(朝向彼此)，并且脊柱将下垂。如果跨度对于个人而言太短，则将没有足够的这种效果来抵消腿部和头部的悬臂式效应。这将导致骨盆带和肩膀带向外倾斜，脊柱将向上隆起。

为了使个体特征与合适的床垫结构相匹配的目的，因此希望提供一种测试床垫跨度的装置。

最后，弹性是指当导致偏转的负载被移除时，床垫表面在偏转后恢复到其原始形状的速度。这对于躺在床垫上翻身或改变睡姿的容易性有影响，这是某些体型的重要考虑因素。

从现有技术中已知通过各种技术测量床垫的支撑或硬度。一种这样的技术包括将加重的球放到床垫上并观察加重的球的回弹高度。

另一个例子是由东莞海达仪器有限公司提供的床垫测试机，其在刚性圆形板的底部包括球形突起，该平板抵靠床垫缩进并记录力曲线和位移以便于后续的分析。床垫测试机包括具有一对腿和单个床垫接合球形突起的框架。据信，床垫测试机使用称重传感器来记录力值。床垫测试机只测量支撑。

还有用于测量床垫硬度的机器的其他例子，但是所有这些机器仅使用单个床垫接合部件并且不适用于进行任何其他床垫特征测量。

发明内容

本发明的目的是提供一种克服至少一个上述问题的装置，并提供一种测量多种床垫特性的床垫测量机，特别是一种能够通过单次快速测量来测量跨度、支撑、整合和弹性的床垫分类工具。

本发明的特征在所附权利要求中进行了阐述，并且包括以下陈述的特征：

1、一种同时测量床垫的压痕硬度特性、跨度特性和弹性特性的系统，包括第一压痕装置和第二压痕装置，以及用于以预定的力将第一压痕装置和第二压痕装置推入床垫中的装置，还包括用于投射激光线的激光装置，该激光线被配置为映射第一压痕装置和第二压痕装置之间的床垫表面的合成偏转的幅度、形状和时间依赖性。

2、如陈述1所述的系统，其中映射通过摄影三角测量来完成。

3、如陈述1所述的系统，其中第一压痕装置和第二压痕装置为彼此独立地操作。

4、如陈述1所述的系统，其中第一压痕装置和第二压痕装置为一起操作，并且可选地，刚性地连接在一起以便于同时操作。

5、一种同时测量床垫的压痕硬度特性、跨度特性和弹性特性的方法，包括以下步骤：

提供第一压痕装置和第二压痕装置，和

提供用于以预定的力将第一压痕装置和第二压痕装置彼此独立地推入床垫中的装置，并提供用于在将第一压痕装置和第二压痕装置推入床垫中的同时投射激光线的激光装置；并且提供用于映射第一压痕装置和第二压痕装置之间的床垫表面的合成偏转的幅度、形状和时间依赖性的装置。

6、如陈述5所述的方法，其中映射通过摄影三角测量来完成。

现在仅通过示例并参照附图来更详细地描述本发明，附图中示出了本发明的系统的一个实施例。

附图说明

图1是包括分别包括第一加重装置和第二加重装置的第一压痕装置和第二压痕装置以及安装在第一压痕装置和第二压痕装置之间的激光器的布置透视图；

图2是准备好与床垫一起使用的图1的布置透视图；

图3是第一压痕装置和第二压痕装置被推入床垫中的图2的布置透视图；

图4显示了摄像机所拍摄的投射的激光线；和

图5是由摄像机所拍摄的投射的投影激光线的另一个图像。

具体实施方式

参照图1，本发明的系统包括第一压痕装置和第二压痕装置，其包括两个重质量块2，它们通过坚固的刚性构件3刚性连接。质量块优选地包括在其下表面的直边缘和面面相对的平坦面，其他几何形状也是可行的。刚性构件3被刚性地连接到垂直构件6，垂直构件6可提供有提升眼或类似物1，以允许升高和降低组件。连接到构件6的是水平构件7，与6和3成90度对准。构件7充当激光器4和摄像机5的安装点。激光器4属于包含透镜的类型，使得它能够在任何表面上投射一条线，而不是一个点。它被安装为使得它会在其下方垂直投射一条线，横跨在质量块2之间。摄像机水平安装在偏离激光投影线的位置以允许通过倾斜三角测量可以看到线被投射在其上的表面的距离。应当理解，设置构件3、6和7的目的是为激光器4和摄像机5提供适当的位置、方向和偏移，并且为此目的不需要精确的直角。其它配置也是可行的。

现在参照图2，降低组件直到它与床垫8的表面接触。激光线9被投射到床垫的表面上。由于床垫的表面是平坦的并且没有变形，因此线是直的，并且以此呈现在相机5中。

在图3中，组件被下降到床垫上，使得现在组件的全部重量搁置在床垫上，引起床垫表面的相应位移和变形。对应于两个质量块之间的床垫表面的变形形状，投射的激光线现在呈现弯曲形状10。

应当理解，以其自身重量将组件降低到床垫上仅是在负载下使组件的压痕压入床垫中的一种可能的方法。同样地，可以用致动器将相对较轻的组件驱动到床垫中，直到达到规定的负载或规定的变形。对于本领域技术人员来说许多其他的方法是显而易见的。

图4显示了摄像机所拍摄的投射的激光线。顶部图像显示激光线11随着床垫表面从直线变形。底部图像显示了可从该图像中获取的各种有用测量值。

首先，可以建立基线12作为未偏转激光线的原始位置。这可以在接触时捕获，或者在质量块2的下极之间插入，或者以其他方式校准。现在处于加载状态的该线表示穿入质量块下边缘的床垫的最终位置。

线13表示激光线在负载下距基线12的最大垂直位移。线13和线12之间的垂直距离是床垫柔软度/硬度的函数度量。位移的绝对值可以容易地通过将测量值除以摄像机从垂直方向偏移的正弦并通过对质量块2或其他校准装置之间的已知距离进行缩放来计算。

垂直的线14表示激光线11上接近原始表面位置(用线13表示)的位置。在这种情况下，标准是恢复到线12和13之间距离的80％。这比100％(即与13完全一致)更稳健，因为此时11的小梯度导致放大后的测量误差。但是，也可以有效地使用其它比例(50％、60％、90％等)。

使用这条线作为标记可以提供床垫的局部整合行为的度量，因为它基本上是质量块2所形成的压痕的尺寸的度量。在这种情况下，它告诉我们由于质量块2的位移，距离质量块2的距离仍然有20％的位移。

该线也可用于给出跨度的度量。例如，通过减去11和13与质量块之间的总距离的重合的部分，留下了有效跨度，也就是它们彼此没有影响的质量块之间的最小距离。可替代地，可以从线14的水平间距计算跨度，并进行适当的校正。应当理解，许多其他的方法(例如多项式建模)可用于表征由装置提供的压痕轮廓线。

参考图5，我们在顶部和底部看到具有不同结构的两个床垫上检查的激光线。

顶部床垫有帆布罩，紧接着下面的是聚酯絮状物。这些成分具有非常小的伸展性，因此床垫具有明显的吊床成分。

底部床垫具有横切泡沫填充物，具有可拉伸的针织罩，因此具有较少的吊床成分。这种不同在垂直线16的间距上是明显的。如预期的那样，顶部床垫具有比底部床垫更长的跨度。

从分析的图像中还可以明显看出，顶部床垫比底部床垫更坚固。这可以通过水平线之间的相对较小的垂直位移看出。

使用该系统也可以容易地测量床垫的弹性、粘弹性和其他的时间依赖性。例如，当装置被装载到床垫上时，可以捕获一系列定时图像，并且可以随时间绘制先前提到的所有参数。随时间绘制位移，例如螺旋弹簧床垫的弹性床垫的典型观察将是在非常短暂的时间内增加位移，直到所有的负载完全被加载，然后是恒定位移的平直线，而没有进一步的变化。相反，例如记忆泡沫的粘性床垫将在所有负载完全被加载后呈现出连续的位移蠕变。

有许多方法可用于表征或量化这些特性。例如，可以使用加载和卸载循环来建立磁滞回线，或者可以使用负载作用下的固定时间点之间的蠕变，或者可以使用加载后的时间常数来识别动态成分。

在进一步的实施例中，可以使用多个激光线将网格或点阵列投射到床垫的表面上。这将允许二维表面偏转的可视化和测量，而不是跨越表面的单条线。

此外，压痕质量块的下边缘可以被布置为不平行，使得它们之间的间隔在床垫表面上变化。

应当理解，本发明引入的适用于表征床垫表面的原理也适用于表征其他材料的弹性、粘弹性和拉伸特性。这可能包括坐垫，如轮椅垫或其他座垫。它还可以包括生物材料，例如人体皮肤。例如，可以将如上提到的装置的非常小的版本压入足部的皮肤中以做某些医学状况下表面弹性降低的试验。类似地，它可用于测量肿瘤的纹理特性。类似地测量肌肉或其他组织中的色调，例如在分娩期间监测收缩。

当然可以理解，在所附权利要求限定的本发明的范围内可以进行各种修改和变更。

Claims (7)

1.一种同时测量床垫的压痕硬度特性、跨度特性和弹性特性的系统，包括第一压痕装置和第二压痕装置，以及用于以预定的力将所述第一压痕装置和所述第二压痕装置推入所述床垫中的装置，还包括用于投射激光线在所述床垫的表面上的激光装置，所述激光线横跨在所述第一压痕装置和所述第二压痕装置之间，且被配置为映射所述第一压痕装置和所述第二压痕装置之间的床垫表面的合成偏转的幅度、形状和时间依赖性。

2.如权利要求1所述的系统，其中所述映射通过摄影三角测量来完成。

3.如权利要求1所述的系统，其中所述第一压痕装置和所述第二压痕装置为彼此独立地操作。

4.如权利要求1所述的系统，其中所述第一压痕装置和所述第二压痕装置为一起操作。

5.如权利要求4所述的系统，其中所述第一压痕装置和所述第二压痕装置为一起操作并被刚性连接在一起以便于同时操作。

6.一种同时测量床垫的压痕硬度特性、跨度特性和弹性特性的方法，包括以下步骤：

提供第一压痕装置和第二压痕装置，和

提供用于以预定的力将所述第一压痕装置和所述第二压痕装置彼此独立地推入所述床垫中的装置，并提供用于在将所述第一压痕装置和所述第二压痕装置推入所述床垫中的同时投射激光线在所述床垫的表面上的激光装置，所述激光线横跨在所述第一压痕装置和所述第二压痕装置之间；并且提供用于映射所述第一压痕装置和所述第二压痕装置之间的床垫表面的合成偏转的幅度、形状和时间依赖性的装置。

7.如权利要求6所述的方法，其中所述映射通过摄影三角测量来完成。

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