赫 亮， 劉 偉， 曹夢昊

（1.北京建筑大學(xué) 機(jī)電與車輛工程學(xué)院， 北京 100044； 2.北京市建筑安全監(jiān)測工程技術(shù)研究中心， 北京100044）

0 引言

智能辦公桌的研發(fā)可以在一定程度上解決人們久坐不動(dòng)對(duì)身體的影響， 同時(shí)還能為人們?cè)谵k公室工作提供一定的便利[1]。智能辦公桌應(yīng)該不僅僅是辦公的基本工具，還應(yīng)該能夠?yàn)槿藗兲峁└嗟臉啡ぃ?讓公司的員工在高強(qiáng)度的工作中保持良好的情緒和健康的身體[2]。

目前市場上售賣的辦公桌大多數(shù)只能實(shí)現(xiàn)升降功能，改變辦公桌的高度，從而實(shí)現(xiàn)站立式辦公和坐式辦公的轉(zhuǎn)換[3]。 在實(shí)際調(diào)查當(dāng)中，智能辦公桌需要更多更加便捷和更加舒適的體驗(yàn)[4]。本款智能辦公桌即從另外的角度進(jìn)行了設(shè)計(jì)，在桌面部分設(shè)計(jì)了環(huán)抱式手托系統(tǒng)，該系統(tǒng)主要有以下優(yōu)點(diǎn)：①讓用戶體驗(yàn)到私人空間的存在，擁有一定的環(huán)抱感，提升辦公室人員的工作熱情和效率；②在工作時(shí)將桌面的寬度增加，在工作后收回，達(dá)到節(jié)省空間的目的； ③后期可以在手托上放置光敏傳感器或者壓力傳感器，以配合單片機(jī)系統(tǒng)內(nèi)置的定時(shí)器，檢測辦公人員工作時(shí)間， 從而可以達(dá)到用戶辦公人員工作或?qū)W習(xí)一定的時(shí)間之后， 系統(tǒng)能夠智能地提醒用戶辦公人員進(jìn)行必要的休息。

1 智能辦公桌桌面的結(jié)構(gòu)組成

手托部分折疊機(jī)構(gòu)主要由減速電機(jī)、蝸桿渦輪、手托軸和手托主體構(gòu)成。 通過紅外遙控單片機(jī)對(duì)減速電機(jī)的正反方向旋轉(zhuǎn)進(jìn)行控制， 帶動(dòng)單片機(jī)對(duì)蝸桿渦輪進(jìn)行正向反向旋轉(zhuǎn)，蝸桿渦輪帶動(dòng)單片機(jī)對(duì)渦輪進(jìn)行選裝，形成空間交錯(cuò)實(shí)現(xiàn)渦輪軸的轉(zhuǎn)矩和轉(zhuǎn)速的傳輸， 而后蝸桿渦輪和手托軸之間通過平鍵的連接， 將手托的動(dòng)力轉(zhuǎn)速傳輸給渦輪到手托和軸上， 手托軸通過方形槽口與手托進(jìn)行連接，帶動(dòng)手托進(jìn)行180°翻折，通過紅外遙控控制單片機(jī)，單片機(jī)控制電機(jī)正向反向轉(zhuǎn)動(dòng)，實(shí)現(xiàn)手托180°翻折功能。

2 智能辦公桌手托板設(shè)計(jì)

手托板功能主要用來做肘部承接同時(shí)減小桌面長度，配合蝸輪蝸桿、電機(jī)等傳動(dòng)機(jī)構(gòu)可以在15s 內(nèi)完成折出或收回，既節(jié)約了空間，又給人以一種環(huán)抱式的感覺。手托主體結(jié)構(gòu)由木制材料構(gòu)成， 為實(shí)現(xiàn)用戶工作或?qū)W習(xí)時(shí)間智能提醒功能，暫定右手托分兩層設(shè)計(jì)，通過膠合進(jìn)行連接，在右手托下部進(jìn)行開槽，在槽位上安裝光敏傳感器，右手托上部分進(jìn)行開孔，將光敏傳感器光敏電阻部分通過孔位感知外部環(huán)境光線變化。 通過對(duì)外部光線的感知來檢測用戶使用的時(shí)間，再通過單片機(jī)進(jìn)行判斷，若用戶連續(xù)工作時(shí)間過長則提醒用戶在長時(shí)間工作后進(jìn)行一定的必要休息。 左右手托與桌面連接部分做45°切面處理，防止在旋轉(zhuǎn)時(shí)和桌面產(chǎn)生碰撞。左右手托手托軸相連接的部分采用壁厚為2 的方形鋼管構(gòu)成， 末端開有方形槽孔， 與手托軸尾端設(shè)計(jì)的方形突起配合， 形成固定機(jī)構(gòu)。 既能有效地傳遞支撐力， 又能為桌身輕量化提供幫助。 圖1 為左手托模型圖， 圖2 為右手托模型圖。

圖1 左手托模型圖

圖2 右手托模型圖

3 桌面主要結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

由于手托部分和折疊機(jī)構(gòu)的存在， 一體式桌面已經(jīng)不能滿足當(dāng)前需要，需要設(shè)計(jì)上下兩層分體式結(jié)構(gòu)桌面，上下桌面以M6 內(nèi)六角螺栓進(jìn)行連接固定， 其上設(shè)計(jì)放置傳動(dòng)機(jī)構(gòu)、電機(jī)、電控模塊等部分的凹槽，同時(shí)上下桌面與手托連接部分做切口設(shè)計(jì)（見圖3、圖4），防止相碰。 各邊角做圓角設(shè)計(jì)，防止用戶在使用時(shí)磕碰造成較大損傷。

圖4 上桌面模型圖

在下桌面部分留有手托放置專用位置， 可以實(shí)現(xiàn)手托收回后，和桌面保持純平狀態(tài)，下桌面下表面做凹槽設(shè)計(jì)，其上設(shè)計(jì)通孔與下方桌腿利用螺栓連接，使桌面和桌腿形成一個(gè)完整的整體。兩桌面后部留有電源接口，為之后智能辦公桌供電提供便利條件。

4 手托軸和渦輪墊圈設(shè)計(jì)

手托軸用于連接渦輪與手托，傳遞轉(zhuǎn)矩，通過測量，成年人在正常坐姿的情況下， 兩手分開距離約為500mm時(shí)較為舒適，見圖5，并且在電腦辦公的情況下，兩手成內(nèi)收狀。 手托軸全長560mm，其上開有2×6 標(biāo)準(zhǔn)A 型平鍵鍵槽，通過A 型平鍵與渦輪上的鍵槽進(jìn)行配合，達(dá)到渦輪向手托的運(yùn)動(dòng)傳輸。兩端進(jìn)行方形軸向切割，預(yù)留出與手托中方型鋼管孔位相配合的方形突出， 與手托鋼管上開的方形槽孔進(jìn)行配合，從而達(dá)到渦輪帶動(dòng)軸，軸帶動(dòng)手托進(jìn)行旋轉(zhuǎn)折疊的目的。全軸軸徑最大處為8mm，最小處為6mm，通體由45 號(hào)鋼制作，由于傳遞扭矩較小，在此不進(jìn)行校核。

圖5 手托傳動(dòng)軸模型圖

圖6 渦輪墊圈模型圖

由于渦輪和手托軸采用A 型平鍵進(jìn)行連接， 只能約束其轉(zhuǎn)動(dòng)方向，不能約束其滑動(dòng)方向，因此特設(shè)計(jì)渦輪墊圈，見圖6，通過與手托軸梯形臺(tái)階進(jìn)行配合防止渦輪進(jìn)行橫向移動(dòng)， 保證渦輪在運(yùn)動(dòng)范圍內(nèi)只有旋轉(zhuǎn)方向上的一個(gè)自由度。

5 法蘭和軸承設(shè)計(jì)

軸與軸之間相互連接最常用的裝置就是聯(lián)軸器，由于電機(jī)軸和蝸桿最末端軸徑較小， 同時(shí)由于傳遞扭矩較小，因此采用硬質(zhì)法蘭進(jìn)行相互的連接，見圖7，通過法蘭的連接使電機(jī)與渦輪轉(zhuǎn)速相同，達(dá)到傳遞扭矩的作用，兩個(gè)法蘭的內(nèi)徑分別為4mm、6mm， 底座長度為2mm，總長度12mm， 凸臺(tái)部分外徑為10mm， 底座部分外徑22mm。 法蘭之間通過四顆360°均分的M3 內(nèi)角螺栓、螺母配合進(jìn)行約束，從而將兩軸形成一個(gè)整體。法蘭內(nèi)孔與軸的連接方式采用180°對(duì)稱分布的M3 開槽錐端緊定螺釘進(jìn)行硬性連接， 防止兩軸與法蘭之間形成相互滑動(dòng)以及轉(zhuǎn)動(dòng)，影響力矩的相互傳遞。

圖7 法蘭配合模型圖

圖8 軸承模型圖

由于蝸桿旋轉(zhuǎn)速度相對(duì)較快， 并且需要在除旋轉(zhuǎn)方向以外的方向上進(jìn)行運(yùn)動(dòng)約束，因此，采用在蝸桿兩端進(jìn)行軸徑變小的處理， 同時(shí)在蝸桿軸兩側(cè)加上兩個(gè)GB／T276-94 深溝球軸承型號(hào)為6000-2Z 進(jìn)行約束， 見圖8，以保證蝸桿在圓周方向上順利轉(zhuǎn)動(dòng)， 在其他方向上不產(chǎn)生相對(duì)轉(zhuǎn)動(dòng)或相對(duì)滑動(dòng)，提高渦輪蝸桿之間的傳動(dòng)效率。 圖9 為桌面安裝模型圖。

圖9 桌面安裝模型圖

6 電機(jī)選型

由于要保證手托升起速度控制在15s 左右， 不能太快也不能太慢，太快容易造成事故，太慢則會(huì)影響用戶體驗(yàn)感。 因此傳動(dòng)裝置選擇可以實(shí)現(xiàn)較大減速比的蝸輪蝸桿裝置，但是由于桌面厚度限制，蝸輪蝸桿的減速比控制在1：25 之內(nèi)， 否則桌面的厚度將多厚。 需要一減速電機(jī)控制轉(zhuǎn)速， 初選JGA25-370 型號(hào)電機(jī)， 電機(jī)額定電壓12V，額定電流0.33A，額定功率3.96W，額定轉(zhuǎn)速50r/min。

7 控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

控制系統(tǒng)主要有兩個(gè)功能， 一個(gè)是完成對(duì)2 個(gè)減速電機(jī)的正反轉(zhuǎn)控制，帶動(dòng)手托板翻出或收回；二是通過光敏傳感器判斷辦公人員的工作時(shí)間， 如果工作時(shí)間過長則發(fā)出休息提醒。

控制器使用Arduino Mega 2560 控制板， 如圖10 所示，其傳感器輸入口和控制輸出口較多，便于系統(tǒng)擴(kuò)展，Mega2560 采用USB 傳輸方式進(jìn)行和電腦連接，其內(nèi)部自帶USB 轉(zhuǎn)換窗口模塊，只需電腦安裝Arduino 開發(fā)軟件后調(diào)試開發(fā)環(huán)境，即可實(shí)現(xiàn)電腦與單片機(jī)系統(tǒng)的數(shù)據(jù)互聯(lián)。

由于電機(jī)額定功率和單片機(jī)工作電壓分別為12V 和5V，因此采用220-12 直流適配器和MB-102 電源板雙路輸出模塊如圖11 所示， 分別給電機(jī)和單片機(jī)單獨(dú)供電，以保證電壓和電流的穩(wěn)定性。MB-102 電源雙路輸出模塊用6.5～12V 直流電源直接供電，通過模塊轉(zhuǎn)化，輸出雙路5V 以及雙路3.3V 共四路電源，給剩余模塊進(jìn)行供電。

圖10 Mega2560 控制板

圖11 MB-102 實(shí)物圖

電機(jī)控制模塊主要由四個(gè)型號(hào)為IRFS3607 的MOS管構(gòu)成H 橋電路實(shí)現(xiàn)電機(jī)正反轉(zhuǎn)控制， 使用IR2104 芯片作為MOS 管驅(qū)動(dòng)，3607MOS管可經(jīng)過的最大電流為80A，最大電壓為75V。 同時(shí)使用了高速光耦做pwm 信號(hào)隔離，單片機(jī)通過對(duì)IR2104 芯片的控制，從而對(duì)單片機(jī)信號(hào)進(jìn)行放大，使得H 橋控制電路中連接在對(duì)角線上的兩個(gè)MOS 管信號(hào)同時(shí)導(dǎo)通， 使得電機(jī)正向轉(zhuǎn)動(dòng)，同樣的工作原理，當(dāng)單片機(jī)控制信號(hào)變換，則另外兩個(gè)MOS 管導(dǎo)通，實(shí)現(xiàn)電機(jī)反轉(zhuǎn)控制。 用戶操作時(shí)可以通過紅外遙控器發(fā)出的紅外信號(hào)，使單片機(jī)產(chǎn)生電機(jī)自動(dòng)控制正反轉(zhuǎn)的信號(hào)， 從而驅(qū)動(dòng)IR2104 芯片， 進(jìn)而驅(qū)動(dòng)MOS 管導(dǎo)通和關(guān)斷，實(shí)現(xiàn)電機(jī)進(jìn)行正反轉(zhuǎn)控制。

桌面上還設(shè)計(jì)了員工疲勞程度提醒模塊， 主要由蜂鳴器、光敏模塊和定時(shí)器構(gòu)成。光度敏感模塊用來感知周圍光的亮度，當(dāng)周圍光的亮度沒有完全達(dá)到D0 口設(shè)定的閾值時(shí)， 或當(dāng)周圍光被完全屏蔽時(shí)，D0 口會(huì)自動(dòng)輸出3.3v 高電平。 如果周圍光的亮度超過設(shè)置的閾值，D0 口將自動(dòng)輸出0v 低電平。 D0 輸出直接連接到一個(gè)單片機(jī)輸入引腳上，單片機(jī)即可以自動(dòng)檢測周圍光的亮度高低。由此來檢測辦公桌旁是否有人。 當(dāng)光敏模塊檢測到光線變暗時(shí)，反饋給Mega2560 單片機(jī)，單片機(jī)立即啟動(dòng)定時(shí)器1 進(jìn)行定時(shí)， 當(dāng)定時(shí)器1 定時(shí)完成時(shí)啟動(dòng)蜂鳴器對(duì)用戶進(jìn)行休息提醒，若此期間光敏模塊檢測到光線變亮，則單片機(jī)啟動(dòng)定時(shí)器2 模塊，同時(shí)暫停定時(shí)器1 的計(jì)時(shí)，若定時(shí)器2 定時(shí)完成則清空定時(shí)器1 的計(jì)時(shí)； 當(dāng)定時(shí)器2啟動(dòng)時(shí)， 光敏模塊檢測到光線變暗， 則定時(shí)器2 計(jì)時(shí)清零，定時(shí)器1 繼續(xù)計(jì)時(shí)。

8 結(jié)論

芯片價(jià)格問題： 目前該升降系統(tǒng)控制結(jié)構(gòu)采用Arduino Mega 2560 控制器控制，該控制器雖然IO 接口較多，但價(jià)格昂貴。 在后續(xù)的系統(tǒng)優(yōu)化中可以更換為國產(chǎn)2560芯片或國產(chǎn)其他32 位控制芯片，以降低成本，增加利潤。

智能提醒功能問題： 目前該辦公桌智能提醒功能采用光敏模塊， 感知光線強(qiáng)弱進(jìn)行控制定時(shí)器計(jì)算工作時(shí)間，光敏模塊會(huì)造成夜晚光線變?nèi)鹾笳`開啟模式，當(dāng)前系統(tǒng)的解決方法是在達(dá)到員工工作時(shí)長， 報(bào)警之后需要員工將光線變強(qiáng)即離開手托一段時(shí)間系統(tǒng)才會(huì)重新計(jì)算員工工作時(shí)間， 這樣會(huì)造成光敏模塊在夜間的時(shí)候只會(huì)提醒一次，但仍不太符合設(shè)計(jì)要求，所以需要配合其他模塊或更換為壓力傳感器模塊實(shí)現(xiàn)提醒功能。

材質(zhì)問題：目前辦公桌大部分材質(zhì)為鋼鐵材制制成，造成辦公桌重量較重在挪動(dòng)的時(shí)候不太方便， 同時(shí)目前辦公桌的結(jié)構(gòu)較為零散，配合容易出現(xiàn)間隙，后續(xù)優(yōu)化方案中，可以將一部分結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)成整體，達(dá)到辦公桌零部件數(shù)量減少，裝配難度降低的目的。