李建永 高興華 楊 澤 王明旭

隨著IT技術(shù)的飛速發(fā)展，電腦逐漸成為人們工作和生活不可缺少的工具，但如果使用姿勢不當(dāng)或使用時間過長就會引發(fā)腰酸背痛、頸椎疼痛等電腦職業(yè)病，造成這種疾病的主要原因是電腦使用姿勢不當(dāng)和電腦桌椅調(diào)節(jié)功能欠缺[1,2]。

據(jù)相關(guān)數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)，在美國使用電腦的人群中，有75%～90%的人患有不同程度的電腦職業(yè)病，而在我國，電腦職業(yè)病的發(fā)病率隨著計(jì)算機(jī)應(yīng)用的普及正在以驚人的速度增長[3]。為此，針對目前市場上電腦桌椅在設(shè)計(jì)中存在的問題和缺陷及其對人體健康的種種不良影響，依據(jù)對人體坐姿脊椎受力情況的分析，找出電腦職業(yè)病的發(fā)病根源，并運(yùn)用人機(jī)工程學(xué)原理，結(jié)合人體解剖學(xué)和人體坐姿特性等知識以及現(xiàn)代先進(jìn)設(shè)計(jì)方法對其各個部件進(jìn)行設(shè)計(jì)并研制出能夠?qū)崿F(xiàn)連續(xù)體位調(diào)整的電腦椅[4,5]。

1 多體位電腦椅的組成及工作原理

多體位電腦椅主要由傳動機(jī)構(gòu)、座面與腿板聯(lián)動機(jī)構(gòu)、扶手機(jī)構(gòu)、圓弧導(dǎo)向機(jī)構(gòu)、顯示器和鍵盤調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)等組成。該電腦椅不僅能實(shí)現(xiàn)由坐姿向臥姿連續(xù)轉(zhuǎn)換，同時也可完成手臂、腿部、頸部等多種體位調(diào)整功能，通過控制系統(tǒng)，可手動或自動進(jìn)行體位變換，以緩解疲勞和避免電腦職業(yè)病的發(fā)生[6]。其總體方案圖如圖1所示。

圖1 多體位電腦椅整體方案原理圖Fig.1 The overall scheme of multi-position computer chair

1.1 傳動機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)

傳動機(jī)構(gòu)包括一個電動機(jī)、兩個滾筒、兩根鋼絲繩和鋼絲繩張緊架，其原理圖見圖2、3。鋼絲繩固定在底架上,并由張緊架將鋼絲繩張緊，滾筒和電動機(jī)固定在圓弧導(dǎo)向機(jī)構(gòu)的橫梁上，鋼絲繩繞在滾筒上，并將其中間的一圈固定在滾筒上，防止產(chǎn)生打滑現(xiàn)象，當(dāng)電動機(jī)帶動滾筒轉(zhuǎn)動時，卷筒一面纏繞鋼絲，另一面釋放鋼絲，由于鋼絲繩固定在底架上保持靜止，就會使?jié)L筒相對底架運(yùn)動，從而迫使圓弧導(dǎo)向機(jī)構(gòu)產(chǎn)生繞其圓心的轉(zhuǎn)動，再通過底架對圓弧導(dǎo)向機(jī)構(gòu)的導(dǎo)向、限位，使圓弧導(dǎo)向機(jī)構(gòu)能繞其圓心自轉(zhuǎn)，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)體位調(diào)整。

圖2 傳動機(jī)構(gòu)原理圖Fig.2 The schematic diagram of transmission mechanism

圖3 動力機(jī)構(gòu)原理圖Fig.3 The schematic diagram of power mechanism

1.2 座面聯(lián)動機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)

如圖4所示，多體位電腦椅的座面聯(lián)動機(jī)構(gòu)主要由靠背、座面、電動缸以及腿板組成。電腦椅的靠背與圓弧導(dǎo)向機(jī)構(gòu)固聯(lián)，座面與靠背鉸接于b點(diǎn)，座面能繞其連接軸f做圓周運(yùn)動，座面Lbe、靠背Lac、Lcd和Lde構(gòu)成四桿機(jī)構(gòu)，在電動缸作用下，桿Lcd長度發(fā)生變化，靠背Lac及圓弧導(dǎo)向機(jī)構(gòu)沿底架支撐滑動副滑動，帶動靠背Lab與座面Lbe角度發(fā)生變化，與此同時，腿板繞座面與腿板的鉸接點(diǎn)L旋轉(zhuǎn)，完成腿板的同步展開，實(shí)現(xiàn)人體坐姿與躺姿的體位調(diào)整。圖5所示為多體位電腦椅座面與靠背聯(lián)動調(diào)節(jié)后的坐姿和臥姿兩種狀態(tài)。

圖4 座面聯(lián)動機(jī)構(gòu)原理圖Fig.4 The schematic diagram of seat plane linkage

圖5 多體位電腦椅體位姿調(diào)整示意圖Fig.5 The posture adjustment diagram of multi-position computer chair

1.3 扶手機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)

為了最大限度地增加使用者的舒適性和緩解操作疲勞，電腦椅的扶手具有高低位置調(diào)節(jié)、傾斜角度調(diào)節(jié)、擺角調(diào)節(jié)和伸縮調(diào)節(jié)功能，其方案圖如圖6所示。多體位電腦椅的扶手設(shè)置在電腦椅靠背上，扶手和鼠標(biāo)托盤可以繞固定軸AC在一定的角度范圍內(nèi)左右擺動，扶手也可繞C點(diǎn)上下擺動，可控性氣彈簧起到阻尼作用，能將其阻滯在某一合適的位置；扶手可隨人手沿鼠標(biāo)托盤的方向自由伸縮，鼠標(biāo)托盤設(shè)在扶手下面的扶手滑道上，可以方便地操作鍵盤和鼠標(biāo)。在扶手前端的彈簧支撐，可以很好地改善手部工作時的姿勢，保證了小臂和腕部支撐的可靠性、舒適性，有效緩解腕部疲勞。

圖6 扶手機(jī)構(gòu)原理圖Fig.6 The schematic diagram of handrail mechanism

1.4 顯示器及鍵盤調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)

如圖7所示，多體位電腦椅的顯示設(shè)備固定在電腦椅的圓弧支架上，而靠背與圓弧支架相固連，這樣可保證在使用中顯示器與電腦操作者的位置保持相對靜止，從而避免在體位調(diào)節(jié)過程中對顯示設(shè)備的調(diào)整。鍵盤設(shè)置在電腦椅的圓弧支架上，可以在鍵盤架上相對滑動，以調(diào)節(jié)電腦操作者與鍵盤之間的距離，另外在滑動的軌道內(nèi)加制動裝置，便于將鍵盤定位在距離人體較為合適的位置；同時鍵盤又可以繞鍵盤架上一根軸C轉(zhuǎn)動，改變鍵盤與人體的夾角，使鍵盤操作更加舒適。

圖7 顯示設(shè)備及鍵盤支架的結(jié)構(gòu)原理Fig.7 The schematic diagram of display device and keyboard support

2 多體位電腦椅的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)及優(yōu)化分析

2.1 多體位電腦椅的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

多體位電腦椅結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)包括傳動機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)、體位調(diào)整機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)、支架結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)、限位機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)等。在前期方案設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)上，依據(jù)人機(jī)工程學(xué)原理，運(yùn)用現(xiàn)代設(shè)計(jì)方法完成該多體位電腦椅詳細(xì)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，其總體三維結(jié)構(gòu)圖如圖8所示。

圖8 多體位電腦椅的三維結(jié)構(gòu)圖Fig.8 The 3D figure of multi-position computer chair

2.2 圓弧導(dǎo)向機(jī)構(gòu)的仿真分析

圓弧導(dǎo)向機(jī)構(gòu)作為該多體位電腦椅的主要受力部分，其剛度、強(qiáng)度的好壞將直接影響到多體位電腦椅的可靠性。為此，利用有限元分析ANSYS軟件對其進(jìn)行了剛度、強(qiáng)度的分析，建立有限元模型，得到其應(yīng)變分布云圖和應(yīng)力分布云圖如圖9、10所示。

圖9 多體位電腦椅支架應(yīng)變分布云圖Fig.9 The strain distribution nephogram of multiposition computer chair holder

圖10 多體位電腦椅支架應(yīng)力分布云圖Fig.10 The stress distribution nephogram of multiposition computer chair holder

通過分析得出了圓弧導(dǎo)向支架在承重100 kg的質(zhì)量時，多體位電腦椅在工作中的最大應(yīng)變值為0.039 6 m，最大應(yīng)力為8.59 MPa，最大應(yīng)力點(diǎn)主要分布在靠背上端與圓弧導(dǎo)軌的連接處以及圓弧導(dǎo)軌與底架到相連接處，最大應(yīng)力遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于結(jié)構(gòu)鋼材料的許用應(yīng)力225～353 MPa。因此，該結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)滿足設(shè)計(jì)要求，達(dá)到了高剛度及高硬度要求。

3 多體位電腦椅的控制系統(tǒng)

電腦椅的控制系統(tǒng)如圖11所示，控制系統(tǒng)由主驅(qū)動電機(jī)、電動推桿、控制面板、位置檢測傳感器、光電編碼器、電源模塊及單片機(jī)核心控制器組成，使用者在使用過程中，感覺某一姿勢特別舒適時，可以啟動儲存記憶按鈕將電腦椅各運(yùn)動控制部件所處的位置參數(shù)存儲下來，以便以后快速定位到該位置。

圖11 電腦椅的控制系統(tǒng)原理圖Fig.11 The schematic diagram of computer chair's control system

4 結(jié)論

該項(xiàng)目采用了先進(jìn)設(shè)計(jì)方法，結(jié)合人機(jī)工程學(xué)等相關(guān)技術(shù)經(jīng)嚴(yán)格的分析論證研制而成，通過試驗(yàn)得出多體位電腦椅的體位調(diào)整角度范圍為100°～150°，腿板調(diào)整范圍為-90°～45°；扶手傾斜角度調(diào)整范圍為-30°～10°，扶手的高度可在0～30 mm內(nèi)調(diào)節(jié)。該新型多體位電腦椅可有效改善電腦工作者的工作環(huán)境，減輕工作強(qiáng)度，降低電腦職業(yè)病的發(fā)病率，有利于電腦使用者輕松工作。

圖12 多體位電腦椅的實(shí)物照片F(xiàn)ig.12 The physical photograph of multiposition computer chair

[1] 蘇垣.辦公桌人性化設(shè)計(jì)研究[J].包裝工程,2010(24):18-22.

[2] 余肖紅,費(fèi)海玲,張亞池,等.人體工程學(xué)與全方位電腦桌椅的設(shè)計(jì)[J].木材加工機(jī)械,2002(5):15-19.

[3] 甄佳,陳立輝.辦公室電腦操作者的職業(yè)危害研究[J].中國個體防護(hù)裝備,2013(3):47-50.

[4] 藺吉順,陳偉,王晶,等.多姿電腦操作臺的設(shè)計(jì)[J].機(jī)械研究與應(yīng)用,2015(6):121-122,125.

[5] 馬曉紅,陶毓博.基于人機(jī)工程學(xué)的可升降辦公桌設(shè)計(jì)研究[J].家具,2015(6):71-75,98.

[6] 陳雷雷,沈妙妙,李俊,等.基于人因?qū)W的大學(xué)生電腦桌椅優(yōu)化設(shè)計(jì)[J].中國現(xiàn)代教育裝備,2014(19):12-13,16.