张旭 李道宽 刘思远

摘 要：综合运用单片机、电动机、机械装置、人体工学装置等功能的整体综合，用编程设计的指令，来实现改变人睡姿的止鼾目的，机械旋柄等一系列动作的自动实现，减少人力对改变睡姿这一目的执行，久而久之可以对习惯性打鼾的人进行有效的控制，也减少了打鼾人群在睡眠时给其他人带来的烦恼。

关键词：单片机；机械装置；改变睡姿

1 背景技术

现代社会生活节奏加快、社会环境复杂，人们的生活压力也越来越大。造成睡眠质量不高，人的呼吸系统机能出现问题，加之外界条件的干扰，从而引起睡觉打鼾。其实，打鼾是健康的大敌，由于打鼾使睡眠呼吸反复暂停，从而造成大脑、血液严重缺氧，形成低血氧症，易诱发高血压、脑心病、心率失常、心肌梗死、心绞痛。夜间呼吸暂停时间超过120秒容易在凌晨发生猝死。打鼾的原因众多，主要与人所接触的外界环境、睡觉习惯、呼吸系统功能有关。据了解，有60%的人选择仰卧睡姿，因为不压迫身体脏腑器官，是最佳的睡姿。但仰卧容易导致舌根下坠，阻塞呼吸。从而对打鼾患者而言不适合。于是我们就想利用一种有效的方法在不借助其它人力的情况下通过单片机的可控编程及声音传感器，控制枕头内部的机械装置帮助打鼾的人在睡觉时调整睡姿，使其停止打鼾，进入健康的睡眠状态。

2 基于TRIZ理论设计

目前，市场上的止鼾枕都是利用物理和生物疗法，而按摩枕也只是单纯的能起到按摩的作用。所以，我们就想利用目前市场现有的“单片机”、“检测声音信号的声音传感器”、以及机械装置，并运用“组合原理”，将其加以组合在一起，实现止鼾和按摩多功能一体。在组合中发现，为了提高整个系统的自动化程度，在技术上要求采用单片机的可控编程来控制整个声控电路。但从物体产生的有害因素上考虑，随着声控电路的介入，枕头就只能在夜晚人们睡觉时达到止鼾的效果，而无法在白天人们想休息时达到按摩的效果，因此，无法实现枕头的多功能化。在技术上则要求不使用单片机控制的声控电路。所以提出技术矛盾：为了提高系统的自动化程度，在将单片机控制的声控电路接入时，而不使其产生有害的因素使枕头的多功能化参数变差。用“通用工程参数”来描述该技术矛盾，可选用序号38“自动化程度”和序号31“物体产生的有害因素”两个参数。通过查询“39x39矛盾矩阵”得知可能的解集是M38-31=[2]，所以可应用“分离与分开原理（2）”引进一个“船型开关”将干扰部分（声控电路）分离出去，从而解决了此技术矛盾。此外，我们在机械装置上选择了一对相互对称的旋柄。在白天正常休息时，靠旋柄的旋转来对颈部进行按摩，夜晚睡觉时，当人在打鼾时，则是靠旋柄的旋转对人的颈部进行适度的有效控制，提醒打鼾者自行改变睡姿，从而达到止鼾的目的。但机械旋柄经旋转后停下时，位置具有不确定性，无法保证在鼾声停止后，旋柄也停到最初调试好的对人睡觉最舒服的位置。所以提出物理矛盾：白天日常休息时，靠旋柄的旋转达到按摩的目的；睡觉时，靠旋柄的旋转改变人的睡姿止鼾。所以要想实现多功能，机械旋柄应该存在；但旋柄经旋转停下后，无法保证停留在最初调试好的对人最舒服的位置，因此，旋柄不应该存在。分析系统中存在的资源，有时间资源可以利用。采用“时间分离原理”，应用“周期性作用原理（19）”提出：“把连续作用改为周期性或脉动式的作用”。经多次试验测得，旋柄旋转一周需要2秒的时间。所以将编程中旋柄的旋转的时间设定成10秒，经过5个整周期的运动，旋柄最后会自动停到起始调试好的最舒服位置，这样就避免了在鼾声停止时，旋柄旋转停到不确定的位置时而给人睡觉带来的不舒服的感觉，从而解决了此物理矛盾。

3 TRIZ解题流程

3.1 系统完备性法则（见图1）

图1

3.2 功能分析

在人不睡觉时，枕头的机械旋柄可以用来按摩；在人睡觉时，枕头的机械装置可以用来改变人的睡姿止鼾。

3.3 九屏图（见图2）

图2

3.4 生命曲线（见图3）

图3

从目前市场上的止鼾枕和按摩枕上看，经“发明”、“改进”其技术已经达到了一个非常成熟的阶段。而止鼾按摩枕处于刚刚发明阶段，所以在“发明”后期处于虚线状态。

3.5 资源分析

现有资源：

物质资源：单片机、声音传感器、继电器、蜗杆、蜗轮、机械旋柄。

能量资源：电能、机械能。

信息资源：根据鼾声的有无，来判断机械装置是否运行。

功能资源：利用系统已有的机械装置，在实现按摩功能的基础上又增加了止鼾的功能。

系统可引用的资源

时间资源：对机械旋柄的时间加以控制。

3.6 最终理想解

实现按摩、止鼾为一体的多功能枕头。

4 运用TRIZ工具

技术矛盾1：为了提高系统的自动化程度，在将单片机控制的声控电路接入时，而不使其产生有害的因素使枕头的多功能化参数变差。

此问题的矛盾矩阵为（见图4）：

此问题的物场模型为（见图5）：

图5

技术矛盾1的解决方案：用“通用工程参数”来描述该技术矛盾，可选用序号38“自动化程度”和序号31“物体产生的有害因素”两个参数。通过查询“39x39矛盾矩阵”得知可能的解集是M38-31=[2]，所以可应用“分离与分开原理（2）”引进一个“船型开关”将干扰部分（声控电路）分离出去，从而解决了此技术矛盾。

物场模型推荐求解策略为：根据“解决问题的76个标准解”中的第一级标准解法“建立和拆解物-场模型”，在物场中加入第三种物质，消除有害因素。在人们需要休息时，将声控电路断开，使枕头达到保健按摩的功能；在夜晚人们睡觉时，将声控电路接入，使枕头达到改变人的睡姿止鼾的功能。故引入“船型开关”。

物理矛盾2的解决方案：物理矛盾推荐原理解为采用时间分离原理，应用周期性作用原理（19）提出：“把连续作用改为周期性或脉动式的作用。”经多次试验测得，旋柄旋转一周需要2秒的时间。所以将编程中旋柄的旋转的时间设定成10秒，经过5个整周期的运动，旋柄最后会自动停到起始调试好的最舒服位置，这样就避免了旋柄旋转停到不确定的位置时而给人睡觉带来的不舒服的感觉，从而解决了此物理矛盾。

5 最终方案

该止鼾按摩枕，在白天日常休息时，将声控电路断开，靠机械旋柄的旋转达到保健按摩的目的。在夜晚睡觉时，将声控电路接入，利用单片机的可控编程控制声感器来接收到鼾声的信号，当打鼾患者发出的鼾声信号在你设定好的能检测到的范围内时，继电器就会开始工作，从而驱动电机带动机械旋柄。机械旋柄会自动的360度旋转，当人的颈部感觉到机械旋柄在转动时。就会随着机械旋柄被轻微的带动。潜意识下感到自己的颈部有异动，人就会自行调整睡姿，从而停止打鼾，实现了在不借助人力的情况下用机械装置来改变睡姿止鼾的目的。

参考文献

[1]沈萌红.TRIZ理论概述[M].北京大学出版社，2011.

[2]刘训涛.TRIZ理论及应用[M].北京大学出版社，2011.

[3]孙丽媛.机械制造工艺[M].北京冶金工业出版社，2007.

[4]邢敏.机械制造手册[M].辽宁科学技术出版社，2002.

[5]彭兴礼.机械再制造特种修复技术[M].化工工业出版社，2011.