JP6795807B2

JP6795807B2 - 寝具装置

Info

Publication number: JP6795807B2
Application number: JP2016110830A
Authority: JP
Inventors: 教夫伊能; 木村　仁; 仁木村; 昭季倉元; 航井上; 康仁大竹; 直人関山; 弘幸小野
Original assignee: Tokyo Institute of Technology NUC
Current assignee: Tokyo Institute of Technology NUC
Priority date: 2016-06-02
Filing date: 2016-06-02
Publication date: 2020-12-02
Anticipated expiration: 2036-06-02
Also published as: JP2017213305A

Description

本発明はユーザの寝姿勢に適した状態にリアルタイムで適応できる寝具装置に関する。

寝具装置としてのベッドは快適な睡眠を行う上で不可欠なマットレスを有する。

マットレスを寝心地のよい寝姿勢に保持する方法として、マットレスの素材を改良する方法及びマットレスの形状を変更する方法がある。

マットレスの素材を改良する方法は、ユーザの身体形状に受動的に変化するのみで、個々のユーザに能動的に変化できない。

他方、マットレスの形状を変更する方法としては、単一の空気ポンプで空気を流入させるベッド（参照：非特許文献１）、また、寝姿勢を変化させたり、時間的に変更する介護用ベッド（参照：非特許文献２）、さらに、複数のエアセル及び圧力センサを設け、体圧分散を図るエアーベッド（参照：特許文献１）さらにまた、体全体をブロック分割して空気圧で上下するアクチュエータを配置し、肩、脇、腰の接触圧を均一にし、体圧分散を図るベッド（参照：非特許文献３）がある。

特開２０１４−２０９９５８号公報

https://www.japanet.co.jp/shopping/bedclothes/catslist/ATINNV0301LP000000000005301/PDWGF7313990/ http://kaigobed.info/?pid=31736362 則次俊郎，井形俊也，高岩昌弘，佐々木大輔，``褥瘡（じょくそう）予防を目的とした体圧分散マットの開発'', 日本機械学会論文集(C編), Vol.71, No.703, p.951-958, 2005.

しかしながら、上述のマットレスの形状を変更する方法のいずれにおいても、接触圧を均等にするという制御を行うに留まっており、人体形状や姿勢を考慮しておらず、適切な姿勢に誘導することは実現できていないという課題がある。

上述の課題を解決するために、本発明に係る寝具装置は、マットレス上に２次元的に配列された複数の袋状アクチュエータと、各袋状アクチュエータの内圧を検出するための複数の内圧センサと、各袋状アクチュエータの上面に設けられた複数の接触圧センサと、内圧センサ及び接触圧センサに電気的に接続され、内圧センサの出力を用いて各袋状アクチュエータの内圧を制御して接触圧センサによって検出された検出接触圧分布が目標接触圧分布に近づくように制御するための制御ユニットとを具備し、制御ユニットは、検出接触圧分布に従って複数の体節よりなる人体骨格モデル及び該人体骨格モデルの目標接触圧分布を選択するための選択手段と、人体骨格モデルの各体節に相対角度変位及び各体節の共通の基準点高さを与えるための手段と、角度変位された人体骨格モデルのマットレス面に与える弾性力を演算するための第１の演算手段と、弾性力に応じて角度変位された人体骨格モデルの角度変位後接触圧分布を演算するための第２の演算手段と、角度変位後接触圧分布と目標接触圧分布との分布差を演算するための第３の演算手段と、第１、第２、第３の演算手段を複数回実行して分布差が最小の最適角度変位後接触圧分布を選択するための選択手段と、検出接触圧分布が最適角度変位後接触圧分布に近づくように袋状アクチュエータの内圧を制御するための制御手段とを具備するものである。このように、人体シミュレータを組込むことにより適切な姿勢に誘導する。

本発明によれば、就寝中にあっても常に検出接触圧分布が目標接触圧分布となるように制御されるので、寝姿勢が変化した場合でも快適な寝姿勢にリアルタイムで適応できる。

本発明に係る寝具装置の実施の形態を示す図である。図１の袋状アクチュエータを示す写真であり（Ａ）は無負荷状態を示し、（Ｂ）は負荷状態を示す。図１の袋状アクチュエータの内圧特性図である。図１の袋状アクチュエータの内圧と接触圧との関係を説明するための図である。図４の袋状アクチュエータ上にユーザの腰部を負荷とした場合の内圧及び接触圧を示す図である。比較例としての接触圧センサ出力のみによるフィードバック制御を示す図である。本発明の制御原理を説明する図である。図１の制御ユニットの動作を説明するためのフローチャートである。図８のステップ８０１の検出接触圧分布を説明するためのグラフである。図８のステップ８０２の人体骨格モデル及び最適接触圧分布を説明するための図である。図８のステップ８０３における角度変位及び基準点高さを説明するための図である。図８のステップ８０３のマットレス弾性力を説明するための図である。図８のステップ８０４にて得られる絶対沈み込み量の例を示すグラフである。図８のステップ８０４にて得られる弾性力の例を示すグラフである。

図１は本発明に係る寝具装置の実施の形態を示す図である。

図１において、マットレスの上部に２次元的に複数の袋状アクチュエータ１−１、１−２、…を配置し、また、各袋状アクチュエータ１−１、１−２、…内の圧力（内圧）を検知するための内圧センサ２−１、２−２、…を各袋状アクチュエータ１−１、１−２、…のチューブ１−１ａ、１−２ａ、…内に設け、さらに、チューブ１−１ａ、１−２ａ、…は圧力制御弁３−１、３−２、…を介して電動ポンプ４に接続され、空気が供給される。

各袋状アクチュエータ１−１、１−２、…の外上面に人体Ｂとの接触圧を検出するためのシート状の接触圧センサ５−１、５−２、…を設ける。

内圧センサ２−１、２−２、…、圧力制御弁３−１、３−２、…、電動ポンプ４、接触圧センサ５−１、５−２、…はマイクロコンピュータ等よりなる制御ユニット６に接続されている。制御ユニット６は内圧センサ２−１、２−２、…、接触圧センサ５−１、５−２、…の出力に応じて圧力制御弁３−１、３−２ａ、…及び電動ポンプ４つまり袋状アクチュエータ１−１、１−２、…の内圧をフィードバック制御する。尚、図１には図示していないが、マットレスと人体Ｂの頭部との間には図７に示す枕７が挿入されている。

図２は図１の袋状アクチュエータ１−１、１−２、…を示す写真であり、（Ａ）を無負荷状態を示し、（Ｂ）は負荷状態を示す。

図２の（Ａ）に示すように、袋状アクチュエータ１−１、１−２、…は、チューブ状ホース（消防ホース）を適切な長さで切断して両端を熱溶着して気密構造とし、内部に空気を流入できる構造となっている。また、図２の（Ｂ）に示すように、たとえば負荷約６００Ｎを印加しても、袋状アクチュエータ１−１、１−２、…は破壊に至らず、従って、マットレスに対して十分耐える耐圧性を有することが分る。従って、袋状アクチュエータ１−１、１−２、…は形状及び剛性を変化させることによってユーザの各身体部を支持することができる。また、袋状アクチュエータ１−１、１−２、…はその半径を変化させることにより機械的特性たとえば内圧に対する変形率及び剛性を異ならせることができる。尚、袋状アクチュエータ１−１、１−２、…の長さはその機械的特性にほとんど影響しない。従って、ユーザの各身体部に対して径の異なる袋状アクチュエータ１−１、１−２、…を組合わせることによりユーザの各身体部を効果的に支持できる。

図３は図１の袋状アクチュエータ１−１、１−２、…の内圧特性図である。

図３に示すように、袋状アクチュエータ１−１、１−２、…は目標内圧１０ｋＰａ〜１００ｋＰａに３５ｓ以内に到達し、その後、目標内圧を維持していることが分る。そのとき、各袋状アクチュエータ１−１、１−２、…に供給される空気圧は少量であり、従って、圧力制御弁３−１、３−２、…、電動ポンプ４及び制御ユニット６は軽量小型であり、これらに必要な電源も電池でも可能となる。

図４は図１の袋状アクチュエータ１−１、１−２、１−３の内圧と接触圧との関係を説明するための図である。この場合、袋状アクチュエータ１−１、１−２、１−３の内圧は同一とし、ユーザの腰部を負荷とした場合の袋状アクチュエータ１−１、１−２、１−３の接触圧を図５に示す。

図５の（Ａ）に示すように、内圧が０ｋＰａのときに、袋状アクチュエータ１−１、１−２、１−３の接触圧センサ５−１、５−２、５−３は接触圧３６、３８、５８ｇ/ｃｍ^２を示し、図５の（Ｂ）に示すように、内圧が５ｋＰａのときに、袋状アクチュエータ１−１、１−２、１−３の接触圧センサ５−１、５−２、５−３は接触圧４２、４４、５５ｇ/ｃｍ^２を示し、図５の（Ｃ）に示すように、内圧が５０ｋＰａのときに、袋状アクチュエータ１−１、１−２、１−３の接触圧センサ５−１、５−２、５−３は接触圧４９、５０、５２ｇ/ｃｍ^２を示す。このように、内圧が０、５、５０ｋＰａと変化すると、腰部が変化して接触圧が変化するが、内圧と接触圧とは相関がないことが分る。従って、ユーザの体圧分布を調整するには、内圧及び接触圧が必要であることが分る。

図１の制御ユニット６のフィードバック制御の説明の前に比較例としての接触圧センサ出力のみによるフィードバック制御を図６を参照して説明する。

図６の（Ａ）において、矢印に示すごとく、ユーザの腰関節が回転すると、接触圧センサ出力の接触圧分布が腰関節で大きくなる。従って、接触圧分布を単純に均一にしようとするフィードバック制御を行い、接触圧が大きい腰関節の内圧を減少させて他の部位の接触圧を上昇させると、図６の（Ｂ）に示すごとく、接触圧分布は分散されずさらに集中し、ユーザの腰関節がさらに屈曲する状態となる。

図７は本発明の人体骨格モデルを説明するための図である。

図７の（Ａ）に示すように、仰臥位安定姿勢の人体Ｂにおいては、首関節、腰関節、膝関節において屈折方向が異なり、また、頭部、胴部、上腿部、下腿部の骨格も異なる。これらを簡略化して、図７（Ｂ）に示すごとく、４つの偏心重力Ｗ_１、Ｗ_２、Ｗ_３、Ｗ_４を有する体節Ｂ_１、Ｂ_２、Ｂ_３、Ｂ_４を回転対偶により連結された２次元人体骨格モデルを導入する。本発明においては、図７（Ｂ）に示す人体骨格モデルに関節角度及び基準位を初期値として与えてシミュレーションにより就眠中のユーザに最適な接触圧分布を確立する。そして、この最適な接触圧分布を実現するように袋状アクチュエータ１−１、１−２、…の内圧を増減する。

次に、図１の制御ユニット６の動作を図８を参照して詳細に説明する。尚、図８の割込みルーチンは所定時間たとえば１分毎に実行される。つまり、上述のごとく、袋状アクチュエータ１−１、１−２、…は最大内圧１００ｋＰａに到達するのに４０ｓ以内であるので、図８の割込みルーチンは１分毎で十分であり、この結果、省エネルギーが図れる。

始めに、ステップ８０１にて、接触圧センサ５−１、５−２、…から接触圧データを取込み、図９に示す検出接触圧分布を記憶する。

次に、ステップ８０２にて、図９に示す検出接触圧分布から図１０に示す人体骨格モデル及び目標接触圧分布を選択する。この場合、制御ユニット６は予め多数の人体骨格モデルを目標接触圧分布と共に記憶しており、接触圧分布以外にマットレス形状、ユーザの重量等を参考にして図１０に示す人体骨格モデルをその目標接触圧分布と共に選択する。

次に、ステップ８０３にて、人体骨格モデルの各体節Ｂ_ｉに相対角度変位Δθ_ｉを与えかつ共通の基準点ｈを与える。尚、与えられる相対角度変位値Δθ_ｉは前段の体節Ｂ_ｉー１の角度に対する相対的角度変位であり、検出接触圧分布と目標接触圧分布との差を考慮して定める。

次に、ステップ８０４にて、角度変位された人体骨格モデルの各体節Ｂ_ｉの作用点ｊ＝１、２、３（袋状アクチュエータ位置）におけるマットレスの弾性力ｆ_ｉ１、ｆ_ｉ２、ｆ_ｉ３を求める。すなわち、図１２に示すごとく、体節Ｂ_ｉに作用する力と作用位置までのベクトル図を示す図１１において、垂直方向の釣り合いから、
また、体節Ｂ_ｉのモーメントの釣り合いから、
但し、Ｗ_ｉは体節Ｂ_ｉの重心に作用する重力、
ｆ_ｉ１、ｆ_ｉ２、ｆ_ｉ３はマットレスの作用点ｊ＝１、２、３から作用する弾性力
ｆ_ｉ１、ｆ_ｉ＋１は隣接する体節Ｂ_ｉ−１、Ｂ_ｉ＋１から反力
となる。弾性力ｆ_ｉ１、ｆ_ｉ２、ｆ_ｉ３は各体節Ｂ_ｉの相対角度変位Δθ_ｉ及び絶対沈み込み量ｄ_ｉ１、ｄ_ｉ２、ｄ_ｉ３から計算する。ここで、絶対角度変位θ_ｉは、
で表される。また、上述のごとく、各体節Ｂ_ｉに相対角度変位Δθ_ｉ及び基準点の高さｈを与えて式（１）、（２）からなる非線形多元連立方程式を数値解析で弾性力ｆ_ｉ１、ｆ_ｉ２、ｆ_ｉ３を解く。すなわち、体節Ｂ_ｉの変形前の角度を基準とした作用点ｊ＝１、２、３の座標（ｒｆ_ｉｊ−ｘ、ｒｆ_ｉｊ−ｙ）から、絶対角度変位θ_ｉが与えられた作用点ｊ＝１、２、３の座標は（４）式
で与えられる。体節Ｂ_ｉの支点ｊの絶対沈み込み量Ｚ_ｉは、
Ｚ_１＝ｈ
Ｚ_２＝ｈ＋ｌ_２ｓｉｎθ_２
Ｚ_３＝ｈ＋ｌ_２ｓｉｎθ_２＋ｌ_３ｓｉｎθ_３
但し、ｌ_２、ｌ_３は体節Ｂ_２、Ｂ_３の長さであり、体節Ｂ_１、Ｂ_２、Ｂ_３の絶対角度変位θ_１、θ_２、θ_３を（３）式から、
θ_１＝Δθ_１
θ_２＝Δθ_１＋Δθ_２
θ_３＝Δθ_１＋Δθ_２＋Δθ_３
とする。従って、体節Ｂ_ｉの絶対沈み込み量ｄ_ｉｊ（ｊ＝１、２、４）は、式（５）
で表され、各作用点ｊ＝１、２、３の弾性力ｆ_ｉｊ（ｊ＝１、２、３）は式（６）
で表される。たとえば、得られた絶対沈み込み量ｄ_ｉｊ及び弾性力ｆ_ｉｊの例を図１３、図１４に示す。

次に、ステップ８０５にて、ステップ８０４にて得られた弾性力に基づいて角度変位後人体骨格モデルの各体節Ｂ_ｉの角度変位後接触圧分布を演算する。尚、弾性力と接触圧とは所定の関係を有し、この関係を予め記憶しておき、この関係を利用して弾性力を接触圧に変換することによって接触圧分布を演算する。

次に、ステップ８０６にて、ステップ８０５にて得られた角度変位後接触圧分布とステップ８０２にて選択された目標接触圧分布との分布の差を演算する。たとえば、各作用点における接触圧差の絶対値を加算することによって上述の分布差を演算する。

上述のステップ８０３〜８０６は、他の角度変位及び基準点高さを与えて複数回繰返す。

次に、ステップ８０７にて、複数の角度変位後人体骨格モデルのうち、分布差が最小つまり角度変位後接触圧分布が目標接触圧分布に一番近いものを最適角度変位後接触圧分布として選択する。

次に、ステップ８０８にて、ステップ８０７において選択された最適角度変位後接触圧分布とステップ８０１において検出された検出接触圧分布との差に応じた内圧を増減して袋状アクチュエータ１−１、１−２、…の内圧を制御する。つまり、各圧力制御弁３−１、３−２、…を制御して内圧センサ２−１、２−２、…の内圧データが上記増減された内圧となるようにすることにより最適角度変位後接触圧分布を実現する。

そして、ステップ８０９にて、図８の割込みルーチンは終了する。

上述の実施の形態において、人体骨格モデルの精度を上げて多数準備し、各人体骨格モデルに対して快適な仰臥位、横臥位等の寝姿勢の目標接触圧分布を準備することによって個人毎に快適な寝姿勢をリアルタイムで実現できる。

尚、上述の実施の形態においては、枕７に袋状アクチュエータを設けていない。従って、接触圧はマットレスと枕７との間で発生している。しかし、枕７に袋状アクチュエータを設けることもできる。この場合、接触圧は枕と頭部との間に発生し、制御ユニット６は枕７内の袋状アクチュエータの内圧センサ及び接触圧センサをも用いてマットレス上の袋状アクチュエータと共に枕７内の袋状アクチュエータを制御する。つまり、マットレス１及び枕７上の検出接触圧分布がマットレス１及び枕７内の目標接触圧分布に近づくように袋状アクチュエータの内圧を制御する。

また、上述の実施の形態においては、体節の数を３としているが、他の数になし得る。

さらに、本発明は上述の実施の形態の自明の範囲のいかなる変更にも適用できる。

１：マットレス
１−１、１−２、…：袋状アクチュエータ
１−１ａ、１−２ａ、…：チューブ
２−１、２−２、…：内圧センサ
３−１、３−２、…：圧力制御弁
４：電動ポンプ
５−１、５−２、…：接触圧センサ
６：制御ユニット
７：枕
Ｂ：人体
Ｂ_１、Ｂ_２、Ｂ_３、Ｂ_４：体節（骨格）
Ｗ_１、Ｗ_２、Ｗ_３、Ｗ_４：偏心重力

Claims

マットレス上に２次元的に配列された複数の袋状アクチュエータと、
前記各袋状アクチュエータの内圧を検出するための複数の内圧センサと、
前記各袋状アクチュエータの上面に設けられた複数の接触圧センサと、
前記内圧センサ及び前記接触圧センサに電気的に接続され、前記内圧センサの出力を用いて前記各袋状アクチュエータの内圧を制御して前記接触圧センサによって検出された検出接触圧分布が目標接触圧分布に近づくように制御するための制御ユニットと
を具備し、
前記制御ユニットは、
前記検出接触圧分布に従って複数の体節よりなる人体骨格モデル及び該人体骨格モデルの前記目標接触圧分布を選択するための選択手段と、
前記人体骨格モデルの前記各体節に相対角度変位及び前記各体節の共通の基準点高さを与えるための手段と、
前記角度変位された人体骨格モデルの前記マットレス面に与える弾性力を演算するための第１の演算手段と、
前記弾性力に応じて前記角度変位された人体骨格モデルの角度変位後接触圧分布を演算するための第２の演算手段と、
前記角度変位後接触圧分布と前記目標接触圧分布との分布差を演算するための第３の演算手段と、
前記第１、第２、第３の演算手段を複数回実行して前記分布差が最小の最適角度変位後接触圧分布を選択するための選択手段と、
前記検出接触圧分布が前記最適角度変位後接触圧分布に近づくように前記袋状アクチュエータの内圧を制御するための制御手段と
を具備する寝具装置。
マットレス上及び該マットレス上の枕内に２次元的に配列された複数の袋状アクチュエータと、
前記各袋状アクチュエータの内圧を検出するための複数の内圧センサと、
前記各袋状アクチュエータの上面に設けられた複数の接触圧センサと、
前記内圧センサ及び前記接触圧センサに電気的に接続され、前記内圧センサの出力を用いて前記各袋状アクチュエータの内圧を制御して前記接触圧センサによって検出された検出接触圧分布が目標接触圧分布に近づくように制御するための制御ユニットと
を具備し、
前記制御ユニットは、
前記検出接触圧分布に従って複数の体節よりなる人体骨格モデル及び該人体骨格モデルの前記目標接触圧分布を選択するための選択手段と、
前記人体骨格モデルの前記各体節に相対角度変位及び前記各体節の共通の基準点高さを与えるための手段と、
前記角度変位された人体骨格モデルの前記マットレス面に与える弾性力を演算するための第１の演算手段と、
前記弾性力に応じて前記角度変位された人体骨格モデルの角度変位後接触圧分布を演算するための第２の演算手段と、
前記角度変位後接触圧分布と前記目標接触圧分布との分布差を演算するための第３の演算手段と、
前記第１、第２、第３の演算手段を複数回実行して前記分布差が最小の最適角度変位後接触圧分布を選択するための選択手段と、
前記検出接触圧分布が前記最適角度変位後接触圧分布に近づくように前記袋状アクチュエータの内圧を制御するための制御手段と
を具備する寝具装置。