一種可移動多媒體講臺的結(jié)構(gòu)設(shè)計研究

楊輝

（常州工學(xué)院機械與車輛工程學(xué)院，江蘇常州213002）

0 引言

多媒體教學(xué)以其圖文并茂的演示效果而受到師生的喜愛，并已發(fā)展成主要的授課模式。作為多媒體教學(xué)必不可少的硬件，多媒體講臺受到眾多商家和研究者的青睞，有的研究者結(jié)合自身工作中使用多媒體講臺的感受及所調(diào)研教師的反饋意見，對現(xiàn)有多媒體講臺進行了改進及再設(shè)計[1-2]。無論是商家還是研究者，他們的目光都集中在多媒體教室及報告廳等固定多媒體講臺的設(shè)計、制作上[3-5]。而隨著高校對實驗教學(xué)、科研及教研活動等的重視及其開展實驗教學(xué)、科教活動的多樣性，需要采用多媒體教學(xué)動態(tài)演示實驗過程中不易察覺的現(xiàn)象、實驗條件變化所帶來的影響及不易開展實物操作的虛擬實驗等。由于這些場所不適于安裝固定的多媒體講臺，針對這種情況，本人從多年實驗教學(xué)的角度出發(fā)，研發(fā)了一款與實驗教學(xué)環(huán)境相適應(yīng)的可移動的多媒體講臺。該講臺也適用于機房、教研活動及學(xué)生社團活動等場合。

1 總體設(shè)計思想與方案

1.1 設(shè)計思想

由于該講臺是針對實驗室、教研活動等特殊場所設(shè)計的，因此設(shè)計該講臺時需要綜合考慮其使用頻率、占地面積、使用者身高及其演講時的習(xí)慣姿勢（站姿或坐姿）等。為此，將該講臺的功能細化為可移動、臺面折疊，內(nèi)置式投影儀及整體升降等。參考多媒體教室及報告廳等講臺的規(guī)格及根據(jù)人機工程學(xué)原理[6]，將該講臺的長×寬×高尺寸設(shè)計為（840～1600）mm×700 mm×（900～1300）mm；左右兩側(cè)儲物抽屜的長寬高尺寸為525 mm×420 mm×120 mm；內(nèi)置投影儀的抽屜尺寸為400 mm×400 mm×180 mm。該講臺由上臺體和下臺體組成，上臺體包括臺面、臺面下左右兩側(cè)儲物抽屜及內(nèi)置投影儀抽屜，其中投影儀抽屜位于儲物抽屜下方居中位置；下臺體包括底座、底座上方的升降機構(gòu)及4個底腳上安裝的萬向腳輪。

1.2 總體方案設(shè)計

根據(jù)前述設(shè)計思想，講臺的結(jié)構(gòu)如圖1所示。上臺體具有臺面擴展、放置儲物抽屜及內(nèi)置投影儀抽屜等功能，即上臺體的中間臺面左右兩側(cè)分別鉸接有左側(cè)臺面和右側(cè)臺面，左側(cè)臺面和右側(cè)臺面的大小均為中間臺面的1/2；中間臺面的下方左右兩側(cè)分別安裝有左側(cè)抽屜和右側(cè)抽屜，且左側(cè)抽屜和右側(cè)抽屜分別向兩側(cè)拉出時可用于支撐左側(cè)臺面和右側(cè)臺面；且在上臺體后面安裝有幕布固定裝置，用于安裝滾筒式幕布。在內(nèi)置投影儀抽屜的設(shè)計上采用了抽拉式的設(shè)計方案，不用時將投影儀置于抽屜中并隱藏于講臺內(nèi)。使用時將該抽屜沿滑軌抽出，拉出行程由3節(jié)尺寸為600 mm的滑軌控制。由于該方案中是直接將投影儀放在抽屜內(nèi)，因此需要將該抽屜拉出較遠距離才能使投影儀達到理想的使用效果，這樣不僅對滑軌的剛度要求較高，而且也會引起投影儀晃動，影響投影效果。下臺體的升降機構(gòu)是采用4組均布的導(dǎo)向組件，即導(dǎo)向桿套在側(cè)面有孔的導(dǎo)向套內(nèi)，由電動推桿控制導(dǎo)向桿沿導(dǎo)向套內(nèi)滑動的距離，并在其對應(yīng)孔的位置穿插螺釘以固定調(diào)節(jié)好的講臺高度。這種升降方式不但操作比較繁瑣，且對導(dǎo)向套側(cè)面上孔的位置精度要求很高，此外如果上升距離過長，對導(dǎo)向桿和導(dǎo)向套的強度和剛度要求很高，如果加工精度達不到要求會引起臺面不穩(wěn)。

圖1 講臺的結(jié)構(gòu)設(shè)計三維模型圖

由此可見，該方案中的投影儀投影及講臺升降功能都存在明顯的缺陷，在對其功能的實現(xiàn)方式進行深入細致的分析后，對這兩種功能的實現(xiàn)機構(gòu)進行了改進，其改進后的多媒體講臺如圖2所示。經(jīng)過此次改進，考慮到安裝在講臺上的幕布投影面積比較小，不適合多人的場合，為此將其改為大尺寸的可移動式幕布。在內(nèi)置投影儀抽屜中添加升降機構(gòu)，以縮短投影儀抽屜伸出距離，增加安放投影儀的穩(wěn)定性。采用剪式升降機構(gòu)替代原來的四柱式導(dǎo)向組件升降機構(gòu)，既增加了導(dǎo)向的平穩(wěn)性，又減少了人工固定位置的操作。由于該講臺采用的是模塊化的設(shè)計方案，因此改進后的講臺各功能間沒有干涉；同時講臺臺面可穩(wěn)定升降，滿足了不同身高的人群使用，改善了講演舒適度。

圖2 改進后多媒體講臺的結(jié)構(gòu)設(shè)計三維模型圖

2 多媒體講臺的主要結(jié)構(gòu)設(shè)計及仿真分析

多媒體講臺能否穩(wěn)定地工作及滿足不同使用者的需求，取決于多媒體講臺中的投影儀托板的升降機構(gòu)及講臺的剪式升降機構(gòu)的結(jié)構(gòu)設(shè)計是否合理。

2.1 投影儀托板升降機構(gòu)的結(jié)構(gòu)設(shè)計及仿真分析

由圖3可知，投影儀托板升降機構(gòu)由驅(qū)動組件、投影儀托板支架及其導(dǎo)向元件組成。投影儀托板支架是由2根支撐桿通過軸桿連接成的2組“X”形結(jié)構(gòu)組成，且第1支撐桿的一端鉸接于安裝在投影儀抽屜底部框架上的滑塊上，另一端鉸接于投影儀托板的底部。第2支撐桿的一端鉸接于投影儀托板底部的滑塊上，另一端鉸接于投影儀抽屜的底部框架上；滑塊通過滑軌安裝于投影儀托板的底部及其抽屜的底部框架上。驅(qū)動組件包括電動機、絲杠和螺母，電動機安裝于投影儀抽屜的底部框架外側(cè)，絲杠的一端與電動機的輸出軸相連，另一端通過軸承安裝于投影儀抽屜的底部框架上，螺母配合安裝于絲杠上，且螺母與投影儀抽屜的底部框架上的滑塊相連，絲杠驅(qū)動螺母前后移動，從而使投影儀托板在其抽屜內(nèi)做升降運動。這種結(jié)構(gòu)緊湊小巧，可以將投影儀完全自行收回投影儀抽屜內(nèi)部，同時又可以將投影儀伸出較高的位置，使用靈活方便。

圖3 投影儀托板升降機構(gòu)的結(jié)構(gòu)設(shè)計三維模型圖

在完成上臺體的結(jié)構(gòu)設(shè)計后，為了保證將投影儀抽屜拉出臺體后，將投影儀托板上升到接近于臺面高度即可正常使用投影儀。經(jīng)計算，該抽屜中升降托板在原位時（最低位置）距離抽屜上邊緣高度為105 mm，距離臺面為280 mm，考慮到投影儀厚度及投影光源的位置因素，托板升降距離至少為250 mm。由圖4可知，投影儀托板的最大升降距離約為260 mm，而且該升降機構(gòu)的慣性小，運行比較平穩(wěn)，完全滿足投影要求。

圖4 投影儀托板升降機構(gòu)的運動仿真圖

圖5 講臺升降機構(gòu)的結(jié)構(gòu)設(shè)計三維模型圖

圖6 講臺整體升降機構(gòu)的運動仿真圖

2.2 講臺升降機構(gòu)的結(jié)構(gòu)設(shè)計及仿真分析

講臺升降機構(gòu)位于下臺體和上臺體之間，是典型的剪式升降機構(gòu)，其具體結(jié)構(gòu)如圖5所示。該結(jié)構(gòu)主要由電動推桿、支撐桿、軸桿及滑軌、滑塊等組成。電動推桿的一端鉸接于下臺體的框架上，另一端鉸接于安裝在第2支撐桿的橫梁上；兩組交叉設(shè)置的第1支撐桿和第2支撐桿安裝于上臺體和下臺體之間，它們通過軸桿連接成“X”形結(jié)構(gòu)，且第1支撐桿的一端安裝在上臺體的滑塊上，另一端鉸接于下臺體上，第2支撐桿的一端安裝在下臺體的滑塊上，另一端鉸接于上臺體上；滑塊通過滑軌分別安裝于上臺體和下臺體上；通過控制電動推桿的伸縮運動帶動第1支撐桿和第2支撐桿組成的“X”形結(jié)構(gòu)夾角變化，從而實現(xiàn)講臺的高度變化。

根據(jù)人機工程學(xué)原理及人體尺寸數(shù)據(jù)，為滿足多數(shù)人在坐、站兩種姿勢下舒適地使用多媒體講臺，講臺的整體升降高度需達到400 mm。由圖6的升降機構(gòu)運動仿真結(jié)果可知，該講臺的最大升降高度約為415 mm，完全滿足使用者在坐、站姿勢下舒適地講演需求，且該結(jié)構(gòu)承載的載荷大，臺體升降穩(wěn)定可靠。

3 結(jié)論

該多媒體講臺集移動、桌面擴展、儲物、內(nèi)置投影儀及其伸出升降、整體高度升降功能于一體，其結(jié)構(gòu)簡單輕巧，迎合了實驗室、小型會議室等場所的特殊需求，提高了其使用頻率。通過對該講臺的投影儀托板升降機構(gòu)及整體剪式升降機構(gòu)的運動仿真分析，表明其結(jié)構(gòu)設(shè)計合理，投影儀抽屜伸縮及其托板升降平穩(wěn)，投影儀升降高度合適；講臺整體升降幅度大，滿足了不同身高的人群使用，改善了講演者的舒適度。