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作者:吳科沅(2012-07-28);推薦:徐業良(2012-08-23)
附註:本文為一百學年度元智大學機械工程研究所吳科沅碩士論文「適用於居家環境具止鼾功能之智慧型床墊設計與開發」第章。

第二章 具止鼾功能之智慧型床墊設計概念

本章敘述具止鼾功能之智慧型床墊之使用情境與設計需求,並概略說明系統三項主要元件的功能。

2.1 使用情境

如圖2-1所示,睡眠者睡眠前啟動「鼾聲監測裝置」,在睡眠過程中監測睡眠者是否有打鼾的狀態,同時「軟質壓力感測床墊」判斷睡眠過程中睡眠者之睡姿。根據睡眠者睡姿為仰臥或側躺,以及鼾聲持續的時間,啟動床墊內的「頭部抬升機構」將床頭抬高不同角度,最大可將床頭抬高30度。無打鼾狀態時,回到初始的水平狀態。

2-1. 居家環境使用具止鼾功能之智慧型床墊整體使用情境

根據上述使用情境,本研究開發之具止鼾功能之智慧型床墊有三項主要設計需求:

(1)     鼾聲監測裝置監測鼾聲模式特徵,以非察覺性監測方式為設計重點,能在居家睡眠環境、不影響正常睡眠前提下做長期監測,監測資料能以記憶卡將監測歷程記錄下來,供使用者瀏覽;

(2)     軟質壓力感測床墊能對睡眠者姿勢進行即時判斷;

(3)     頭部抬升機構要整合於世大化成公司生產之泡棉床墊內,機構作動上需考量製造成本、舒適性與安全性。

如圖2-2所示,本系統包括軟質壓力感測床墊、鼾聲監測裝置和頭部抬升機構等三項主要元件,以下將說明各元件的細部功能:

2-2. 整體系統運作架構圖

(1)  軟質壓力感測床墊

軟質壓力感測床墊為本研究中心已開發之監測技術,軟質壓力感測床墊結合世大化成公司所提供之溫感釋壓泡棉材料與市售之導電纖維材料,設計軟質、舒適、可清洗且低成本的壓力感測墊,不需以特殊感測元件為基礎,進而整合3個軟質壓力感測單元成為3個感測區塊(如圖2-3所示),分別監測軀幹活動、臀部活動與下肢活動,可進行臥床活動與壓力監測。如圖2-4所示,壓力實驗也已證實所受壓力與其反映電阻呈現線性關係,以簡單的分壓電路即可以輸出電壓來監測軟質壓力感測單元所受壓力。

2-3. 軟質壓力感測床墊

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2-4. 軟質壓力感測床墊壓力-電阻性能曲線圖

如圖2-5所示,軟質壓力感測床墊將3個軟質壓力單元佈置成為軀幹、臀部與下肢等3個感測區塊,可監測身體不同部位之活動,其中軀幹感測區塊可以利用電壓差值做為正側躺判斷依據(側躺壓力大於正躺),並可即時了解使用者的方向與位置。此外各個感測區塊間均有適當的分隔距離,以防止因頭部上升機構調整斜度或高度時造成感測區塊的扭曲變形,可確保訊號量測的真實性與準確度。軟質壓力感測床墊的核心技術已進行申請中華民國發明專利非察覺式活動感測裝置及其方法」。

2-5. 軟質壓力感測床墊實際感測床墊規格

(2)  鼾聲監測裝置

鼾聲監測裝置以電容式麥克風接受聲波訊號,經濾波後進入Arduino微處理器,鼾聲判斷演算法程式辨別聲波訊號為鼾聲或其他環境異音,配合睡眠者睡姿判斷以及鼾聲持續的時間,啟動床墊內的「頭部抬升機構」將床頭抬高不同角度。鼾聲判斷結果並儲存在記憶卡中。鼾聲監測裝置軟硬體設計將在第三章作介紹。

(3)  頭部抬升機構

頭部抬升機構建置於軟質壓力感測床墊內部,可接受鼾聲監測裝置之指令,將床頭抬高不同角度最高抬升角度為30度。當無打鼾狀態時,鼾聲監測裝置發送控制訊號至頭部抬升機構,使其回到初始的水平狀態。頭部抬升機構軟硬體設計將在第四章作介紹。