■李 麗 周陽峰 張仲鳳 Li Li & Zhou Yangfeng & Zhang Zhongfeng

(1.2.3.中南林業(yè)科技大學(xué)，湖南省綠色家居工程技術(shù)中心，湖南長沙 410004）

“現(xiàn)代社會中很多工種要求工人長時間站立重復(fù)作業(yè)，比如醫(yī)生、汽車工人、涂裝工人、老師等，長期下來容易對身體的肌肉骨骼造成損害，罹患肌肉骨骼疾?。∕SDS）[1-3]。同時現(xiàn)有研究也表明：長期保持站立姿勢不僅嚴(yán)重影響工人的健康，也會大大降低工人的作業(yè)效率[4-5]，無形中增加企業(yè)的成本，造成高額的經(jīng)濟損失。據(jù)統(tǒng)計，美國職業(yè)性腰背痛平均每人每年賠償額為0.8萬多美元，每年經(jīng)濟賠償機構(gòu)直接賠償額總計約為110億美元；瑞典每年為患有MSDS的職員支付保險賠償費高達24億美元。因此，如何為長期站立重復(fù)作業(yè)的特殊人群設(shè)計一種用于緩解肌肉疲勞的輔助設(shè)備成為一個值得研究的問題。可穿戴坐具就是供工人進行長期站立重復(fù)作業(yè)時支撐身體的一類特殊家具。

1 可穿戴坐具設(shè)計研究現(xiàn)狀

坐具即供人坐的用具[6]?？纱┐髯呒匆活愔苯哟┰谏砩瞎┤俗挠镁?。最早的可穿戴坐具為美國設(shè)計師Bonner在1979年申請的專利—wearable chair（圖1）。wearable chair借鑒了基本的椅子形態(tài)，采用手動調(diào)節(jié)的方式，可為工人屈膝站立作業(yè)時提供身體支撐。2014年，瑞士的初創(chuàng)公司Noonee，設(shè)計一款Chair less Chair（圖2），它更像是一副腿部外骨骼，包裹住人體大腿后方，支架向下延伸固定在腳部，用來解決奧迪生產(chǎn)線上汽車工人長時間工作站立的問題。Chair less Chair需要電力，放入電池后，具有一定的續(xù)航能力，穿戴后可以自由行走，只需按一個鍵，就能固定住支架，給使用者在屈膝狀態(tài)時提供支撐力。2016年，針對外科醫(yī)生長期站立進行手術(shù)的肌肉骨骼疾病問題，日本模具制造公司Nitto與千葉大學(xué)以及設(shè)計公司Hiroaki Nishimura、科技公司Polymer Technology聯(lián)合設(shè)計了可穿在身上的椅子Archelis(圖3)。Archelis由兩條支架作為支撐，在站立時為腿部提供支持力，由繃帶綁住大腿、小腿，方便屈膝的時候進行支撐。但這三個可穿戴坐具均未實現(xiàn)批量化生產(chǎn)。另外，根據(jù)國家專利局的數(shù)據(jù)統(tǒng)計，在2015年~2017年三年間，中國有5項關(guān)于可穿戴坐具或座椅的專利申請成功，這些專利給可穿戴坐具的設(shè)計與研發(fā)提供了新的思路，同時也預(yù)示著可穿戴坐具在未來擁有巨大的市場前景[7-11]。

從國內(nèi)外研究現(xiàn)狀上可以看出，目前對于可穿戴坐具的研究大都局限于概念性設(shè)計上，并未形成系統(tǒng)的理論研究。鑒于可穿戴坐具在未來具有廣闊的應(yīng)用前景，作者以家具設(shè)計的專業(yè)角度對可穿戴坐具的設(shè)計原則、造型設(shè)計、結(jié)構(gòu)設(shè)計、尺寸設(shè)計、材料設(shè)計等進行了歸納和總結(jié)，以便為后來可穿戴坐具的設(shè)計和批量化生產(chǎn)提供可借鑒的意義。

2 可穿戴坐具設(shè)計原則

2.1 人性化

人性化設(shè)計是當(dāng)今家具產(chǎn)品設(shè)計必須考量的因素之一，要求設(shè)計中心必須圍繞使用者的需求而展開?？纱┐髯叩娜诵曰O(shè)計主要體現(xiàn)在以下幾個方面。①采用質(zhì)輕高強度的材料設(shè)計，不增加使用者額外的身體負(fù)擔(dān)②合理的結(jié)構(gòu)設(shè)計，保證使用者在切換動靜態(tài)兩種不同姿勢作業(yè)時流暢無阻礙，不影響工作效率。③遵從人體工程學(xué)的設(shè)計原則，保證坐姿狀態(tài)的舒適性。④采用環(huán)保和高性能的材料，滿足使用者對于安全性的心理需求。

2.2 加工工藝性

中國需要長期站立工作的工種比較多，對可穿戴坐具的潛在需求量也較高?？纱┐髯咴O(shè)計必須與加工工藝密切結(jié)合，以便實現(xiàn)批量化生產(chǎn)?？纱┐髯叩募庸すに囆灾饕w現(xiàn)為選取的材料應(yīng)具有良好的機械加工性能，同時能與新結(jié)構(gòu)、新工藝和新設(shè)備相結(jié)合，盡量做到產(chǎn)品的標(biāo)準(zhǔn)化、零部件的通用化、結(jié)構(gòu)的可拆裝、產(chǎn)品互換性，使所設(shè)計的產(chǎn)品與現(xiàn)有的生產(chǎn)設(shè)備、工藝條件和技術(shù)水平相適應(yīng)，盡量避免設(shè)計與生產(chǎn)實際脫節(jié)。

表1 指導(dǎo)可穿戴坐具設(shè)計人體尺寸數(shù)據(jù)統(tǒng)計

■圖1 wearable chair■圖2 Chairless Chair■圖3 Archelis

2.3 經(jīng)濟性

目前需要用到可穿戴坐具的人群更多的為流水線工人、菜農(nóng)、教師等經(jīng)濟收入不高的群體。在進行設(shè)計可穿戴坐具時，不僅要考慮其實用性，更需要考慮目標(biāo)人群的經(jīng)濟情況與購買力?？纱┐髯叩慕?jīng)濟性主要通過以下三個方面進行控制：①材料的經(jīng)濟性，選取的材料盡量為當(dāng)前其他工業(yè)領(lǐng)域使用成熟的材料，以便控制材料的成本。②加工過程的經(jīng)濟性。設(shè)計簡約的結(jié)構(gòu)和標(biāo)準(zhǔn)化的零部件，通過降低加工難度和減少機械損耗等節(jié)約成本。③運輸過程的經(jīng)濟性,結(jié)構(gòu)可拆裝便于扁平化運輸，增長運輸效率，降低了運輸成本。

3 可穿戴坐具設(shè)計

3.1 造型設(shè)計

可穿戴坐具是一類特殊的家具，其設(shè)計目的緊緊圍繞實現(xiàn)腿部支撐或者臀部支撐這一目標(biāo)，實用性遠(yuǎn)大于藝術(shù)性。在進行造型設(shè)計時，一類是依據(jù)腿部形態(tài)和臀部的形狀所設(shè)計的的骨骼造型形態(tài)，最終造型類似于機械外骨骼，這種造型可經(jīng)由拓?fù)鋬?yōu)化設(shè)計[12]進一步優(yōu)化，得到滿足既定載荷分布下的最佳材料布局和結(jié)構(gòu)形態(tài)。另一種是在傳統(tǒng)坐具的基礎(chǔ)上進行的再設(shè)計，采用“蘑菇式”模型[13]設(shè)計方法，構(gòu)造坐具的“核心件”，即座面和支架。根據(jù)特殊的使用要求，增加“輔助件”，即可調(diào)節(jié)高度的連接件，最終形成滿足既定目標(biāo)的可穿戴坐具造型。

3.2 結(jié)構(gòu)設(shè)計

可穿戴坐具的可穿戴特點，使得坐具與使用者之間的互動顯得尤為重要，設(shè)計的過程中必須滿足其穿戴坐具的舒適性、攜帶的便捷性、優(yōu)良的承重性能。由于每個人的大腿長和小腿長是不一樣的，而可穿戴坐具使用時又需貼合人的身體，不得妨礙人體走動，這就要求可穿戴坐具具備調(diào)節(jié)高度的功能。類似于機械外骨骼的可穿戴坐具，為滿足行走時大腿和小腿的運動形態(tài)，一般上下支架之間通過可伸縮的結(jié)構(gòu)件連接。為靈活的活動，零件之間的連接應(yīng)采用精度高、質(zhì)輕、可旋轉(zhuǎn)靈活運作的活動連接件，主要有螺栓結(jié)構(gòu)、活頁連接，在成本控制的前提下也可以采用特制的轉(zhuǎn)軸進行連接。另外，為便于長途運輸與快速組裝，可采用可拆裝、可自組裝的結(jié)構(gòu)方式[14]。同時可采用魔術(shù)貼粘黏等連接方式，以實現(xiàn)可穿戴坐具快速的穿戴與脫下，增加工人的作業(yè)效率。

3.3 可穿戴坐具的尺寸設(shè)計

不管采用何種造型方式，可穿戴坐具都需依據(jù)人體的尺寸數(shù)據(jù)進行設(shè)計。用于指導(dǎo)可穿戴坐具設(shè)計的人體尺寸數(shù)據(jù)有：人體大腿和小腿的長度、坐姿高度、人在正常行走時髖關(guān)節(jié)屈伸范圍、膝關(guān)節(jié)屈伸范圍踝及關(guān)節(jié)屈伸范圍（表1）。現(xiàn)在使用的為1988年的人體尺寸數(shù)據(jù)，2018年將會發(fā)布最新的中國人體尺寸數(shù)據(jù)[15]，后續(xù)需要根據(jù)新的人體尺寸數(shù)據(jù)進行尺寸設(shè)計與調(diào)整。

3.4 材料設(shè)計

可穿戴坐具需要將其穿戴在身上，所以對材料的比重要求非常高，前文提到的Chair less Chair 其重量只有2公斤，穿戴時不會造成過度負(fù)荷?？纱┐髯呤菫榱嗽谡玖r提供支撐力，且不妨礙移動，基于坐具的重量問題考慮，要求材料具備輕膚、質(zhì)輕、承重性能好的特點，而批量化的工業(yè)生產(chǎn)模式要求材料必須具有良好的加工性能，考慮使用環(huán)境的復(fù)雜性，還要求材料需具備耐腐蝕、耐污、易清理的性能特點[16]。目前，有很多材料可被應(yīng)用于制作可穿戴坐具，例如聚碳酸酯質(zhì)輕、具備很高的強度和沖擊強度，耐疲勞性好，是廣泛使用的工程塑料之一；聚酯纖維擁有較高的強度與彈性恢復(fù)能力，堅牢耐用，耐光性較好，耐各種化學(xué)品性能良好，酸、堿對其侵蝕破壞小，同時不怕霉菌，也不怕蟲蛀；鋁合金大幅度提高了鋁材的機械強度和表面硬度，并仍然保持著鋁重量輕的固有特性，也是可穿戴坐具制造的理想材料之一。

4 結(jié)語

可穿戴坐具的出現(xiàn)，給長期站立重復(fù)作業(yè)的工人帶來了福音。但目前的可穿戴坐具均未實現(xiàn)批量化生產(chǎn)，距離可穿戴坐具的量產(chǎn)與使用普及，還有很長的一段路要走，需要多方力量的共同推動?？纱┐髯咴O(shè)計需要綜合考慮多方面因素，本文僅從幾個方面對可穿戴坐具設(shè)計進行了研究，希望為后續(xù)可穿戴坐具設(shè)計提供可參考的依據(jù)。同時通過文章的撰寫，引起更多人關(guān)注可穿戴坐具的發(fā)展，推動可穿戴坐具的快速市場化，使工人遠(yuǎn)離肌肉骨骼疾病的痛楚，同時降低企業(yè)的成本，提高企業(yè)的盈利能力。

（責(zé)任編輯：張 楊）

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