多體位電腦椅的研制*

李建永 高興華 楊 澤 王明旭

隨著IT技術的飛速發(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和電腦桌椅調節(jié)功能欠缺[1,2]。

據(jù)相關數(shù)據(jù)統(tǒng)計，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)病率隨著計算機應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計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，并運用人機工程學原理，結合人體解剖學和人體坐姿特性等知識以及現(xiàn)代先進設計方法對其各個部件進行設計并研制出能夠實現(xiàn)連續(xù)體位調整的電腦椅[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構、座面與腿板聯(lián)動機構、扶手機構、圓弧導向機構、顯示器和鍵盤調節(jié)機構等組成。該電腦椅不僅能實現(xiàn)由坐姿向臥姿連續(xù)轉換，同時也可完成手臂、腿部、頸部等多種體位調整功能，通過控制系統(tǒng)，可手動或自動進行體位變換，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 傳動機構的設計

傳動機構包括一個電動機、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，滾筒和電動機固定在圓弧導向機構的橫梁上，鋼絲繩繞在滾筒上，并將其中間的一圈固定在滾筒上，防止產生打滑現(xiàn)象，當電動機帶動滾筒轉動時，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筒相對底架運動，從而迫使圓弧導向機構產生繞其圓心的轉動，再通過底架對圓弧導向機構的導向、限位，使圓弧導向機構能繞其圓心自轉，進而實現(xiàn)體位調整。

圖2 傳動機構原理圖Fig.2 The schematic diagram of transmission mechanism

圖3 動力機構原理圖Fig.3 The schematic diagram of power mechanism

1.2 座面聯(lián)動機構的設計

如圖4所示，多體位電腦椅的座面聯(lián)動機構主要由靠背、座面、電動缸以及腿板組成。電腦椅的靠背與圓弧導向機構固聯(lián)，座面與靠背鉸接于b點，座面能繞其連接軸f做圓周運動，座面Lbe、靠背Lac、Lcd和Lde構成四桿機構，在電動缸作用下，桿Lcd長度發(fā)生變化，靠背Lac及圓弧導向機構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L旋轉，完成腿板的同步展開，實現(xiàn)人體坐姿與躺姿的體位調整。圖5所示為多體位電腦椅座面與靠背聯(lián)動調節(jié)后的坐姿和臥姿兩種狀態(tài)。

圖4 座面聯(lián)動機構原理圖Fig.4 The schematic diagram of seat plane linkage

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

1.3 扶手機構的設計

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節(jié)、傾斜角度調節(jié)、擺角調節(jié)和伸縮調節(jié)功能，其方案圖如圖6所示。多體位電腦椅的扶手設置在電腦椅靠背上，扶手和鼠標托盤可以繞固定軸AC在一定的角度范圍內左右擺動，扶手也可繞C點上下擺動，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托盤的方向自由伸縮，鼠標托盤設在扶手下面的扶手滑道上，可以方便地操作鍵盤和鼠標。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 扶手機構原理圖Fig.6 The schematic diagram of handrail mechanism

1.4 顯示器及鍵盤調節(jié)機構的設計

如圖7所示，多體位電腦椅的顯示設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，從而避免在體位調節(jié)過程中對顯示設備的調整。鍵盤設置在電腦椅的圓弧支架上，可以在鍵盤架上相對滑動，以調節(jié)電腦操作者與鍵盤之間的距離，另外在滑動的軌道內加制動裝置，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 顯示設備及鍵盤支架的結構原理Fig.7 The schematic diagram of display device and keyboard support

2 多體位電腦椅的結構設計及優(yōu)化分析

2.1 多體位電腦椅的結構設計

多體位電腦椅結構設計包括傳動機構的設計、體位調整機構的設計、支架結構的設計、限位機構的設計等。在前期方案設計的基礎上，依據(jù)人機工程學原理，運用現(xiàn)代設計方法完成該多體位電腦椅詳細結構設計，其總體三維結構圖如圖8所示。

圖8 多體位電腦椅的三維結構圖Fig.8 The 3D figure of multi-position computer chair

2.2 圓弧導向機構的仿真分析

圓弧導向機構作為該多體位電腦椅的主要受力部分，其剛度、強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軟件對其進行了剛度、強度的分析，建立有限元模型，得到其應變分布云圖和應力分布云圖如圖9、10所示。

圖9 多體位電腦椅支架應變分布云圖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向支架在承重100 kg的質量時，多體位電腦椅在工作中的最大應變值為0.039 6 m，最大應力為8.59 MPa，最大應力點主要分布在靠背上端與圓弧導軌的連接處以及圓弧導軌與底架到相連接處，最大應力遠遠小于結構鋼材料的許用應力225～353 MPa。因此，該結構設計滿足設計要求，達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)由主驅動電機、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 結論

該項目采用了先進設計方法，結合人機工程學等相關技術經(jīng)嚴格的分析論證研制而成，通過試驗得出多體位電腦椅的體位調整角度范圍為100°～150°，腿板調整范圍為-90°～45°；扶手傾斜角度調整范圍為-30°～10°，扶手的高度可在0～30 mm內調節(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 多體位電腦椅的實物照片F(xiàn)ig.12 The physical photograph of multiposition computer chair

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[6] 陳雷雷,沈妙妙,李俊,等.基于人因學的大學生電腦桌椅優(yōu)化設計[J].中國現(xiàn)代教育裝備,2014(19):12-13,16.