基于人因工程學的智能座椅設計＊

曹學晨，閆龍，張鴻，任森麗，王迎嵩

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基于人因工程學的智能座椅設計＊

曹學晨，閆龍，張鴻，任森麗，王迎嵩

（山東工商學院 管理科學與工程學院，山東 煙臺 264005）

學習桌椅應體現(xiàn)人文關懷，為引導學生建立健康學習方式而設計。目前市場銷售的學習桌椅存在著不少設計方面的缺陷，如果學生長時間使用這類不良桌椅，必然會導致一系列不良姿勢，并從姿勢性變異發(fā)展為習慣性變異，導致結構性病變，不僅導致學習效率低下，而且嚴重損害人體健康。針對青少年眼部疾病、脊椎病、上肢及下肢疾病等四類常見病的成因，綜合行為學、美學、醫(yī)學等多個學科，從健康的角度，特別是在行為導向方面，對青少年學習桌椅進行了改良設計。

人因工程；機械設計；TensorFlow；質(zhì)量控制

對兒童時期座椅進行調(diào)查發(fā)現(xiàn)，兒童座椅很難長時間使兒童保持科學坐姿，違反了兒童時期身體骨骼較柔軟、脊椎未定型，心理上自制力、危害預見性差以及行為上活潑好動等客觀規(guī)律。錯誤的坐姿和市場上普遍存在的傳統(tǒng)座椅都不利于長時間維持人體脊柱的正常生理曲度。如果學生長時間使用這類不良座椅，會引發(fā)一系列姿勢性變異，嚴重損害人體健康。在現(xiàn)代市場椅子不能滿足家長需求的情況下，我們結合綜合行為學、人因工程學、人體力學、電學等多個學科，從健康的角度，橫跨技術、人因、心理、市場四個層面，對兒童學習座椅進行了改良設計，經(jīng)過反復測試和實驗，不斷探索各項科學合理的設計指標，提出了基于人因工程學的智能矯正兒童座椅的設計設想和方法。

1 研究思路

智能坐姿矯正兒童座椅利用人因工程學對座椅進行了設計，根據(jù)GB/T 14774—1993《工作座椅一般人類工學要求》以及兒童身體結構尺寸對座椅進行了坐姿生理解剖、尺寸設計，根據(jù)椅面體壓分布設計了合理舒適的坐墊，結合坐姿下的股骨、肩部、小腿與背肌設計了學習休息相結合的新型坐跪兩用式兒童座椅。座椅整體采取三向受力、多點支撐的方式——身體前傾式，可長時間、有效地保持人體脊柱正常生理曲度。座椅上裝配的傳感器實現(xiàn)了座椅的智能化以及數(shù)據(jù)反饋，壓力傳感器用于檢測兒童學習時的重心位置，從而來判斷兒童坐姿是否標準，通過藍牙將數(shù)據(jù)實時傳輸給家長手機達到實時監(jiān)控的效果，座椅扶手上的OLED顯示屏用于反饋兒童的學習時間和坐姿數(shù)據(jù)，同時在兒童坐姿不標準時報警。兒童智能座椅設計框架如圖1所示。通過對座椅的力學分析，智能坐姿矯正兒童座椅設計了S-KTG同步休息靠背式機械結構，使靠背與坐墊同時根據(jù)兒童休息需求移動；類H型防翻底座保證了兒童休息時座椅后傾翻倒；自鎖式座椅輪通過簡單的剎車機構使座椅不受力時可自由移動，兒童坐下后椅輪抱死無法移動；可調(diào)高座椅可以使較低年齡段的兒童坐在相對舒適的高度學習。兒童在保持坐姿的時候能夠自動校正，家長也可以隨時監(jiān)控孩子的身體情況。

兒童座椅在結構方面相比較傳統(tǒng)座椅增加了膝枕，同時從根本上改變了兒童的不良學習坐姿，使兒童重力分布更均勻，并且可減少肌肉和韌帶的應力對上身平衡的影響，同時緩解上臂、頸部和背部的疼痛以及對大腿部位的壓迫導致的麻木，有助于血液循環(huán)；大范圍采用高密度聚乙烯（兼有塑料與金屬的優(yōu)良性能，而且不生銹，無污染）、聚丙烯（更易降解）、綠色染料等更加環(huán)保、節(jié)省成本的材料。

在研究過程中將整個項目分為了兩個階段：①前期設計。通過上網(wǎng)查閱相關資料，整理分析其生產(chǎn)過程的可行性、座椅材料方面的各種可能性與可行性，人因工學兒童學習椅在市場上的需求、前景和競爭力。傳統(tǒng)人因工程學座椅是對普通成年人的尺寸進行研究，我們以此為依據(jù)結合實際實地調(diào)研對普通兒童尺寸分性別與年齡段進行綜合測量得出適合兒童的座椅尺寸。②功能實現(xiàn)。借鑒人因工程學和GB/T 14774—1993《工作座椅一般人類工學要求》，總結出傳統(tǒng)兒童座椅存在的弊端。利用傳感器與物聯(lián)網(wǎng)工程對傳統(tǒng)座椅進行革新，使座椅更加智能化，將工作時間與坐姿調(diào)整數(shù)據(jù)化，做到更好的人機反饋。利用3ds Max建立空間幾何模型，初步確定座椅結構、座椅尺寸，將改良點與創(chuàng)新點可視化。在實體座椅中加入壓力傳感器、藍牙、OLED顯示屏等電子模塊以及腳輪自鎖結構、S-KTG氣彈簧聯(lián)動機構，類H型底座等機械結構。安排實驗人員進行實際操作與體驗，通過體驗式的監(jiān)測來確定座椅功能是否完善可行。測試電子模塊以及機械結構是否達到理論預期以及預期運行流暢度，在此基礎上進行微調(diào)。

2 座椅整體研究與設計

2.1 椅面高度

椅面高度一般指椅面至地面的高度。椅面高度的設計應比“小腿加足高”略低一些，避免就坐者的大腿緊壓在座椅前緣或就坐時足夠不著地面，造成生理疲勞。兒童的身高在青春期前平均每年長高3～4 cm，進人青春期后，身高以平均每年長高6～8 cm的速度增長，有些孩子的年增高量甚至在10 cm左右。因此，椅面高度的可調(diào)節(jié)功能延長了兒童座椅的使用年限，降低了家長的經(jīng)濟成本。

本產(chǎn)品目標人群為7～12歲的學齡期兒童，根據(jù)國家標準GB/T 26158—2010《中國未成年人人體尺寸》進行查閱設置座面的高度。

參考我國7～10歲女童5百分位數(shù)膝高數(shù)值和11～12歲男童95百分位膝高數(shù)值并增加適當?shù)闹b修正量和心理修正量，將椅面高度初始數(shù)值定為340～500 mm。

2.2 深度和寬度

設計座椅深度一般以“臀膝距”尺寸作為參考。同齡的男童與女童相比，女童的平均臀膝距大于男童，取11～12歲女童第5百分位數(shù)的3/4作為設計依據(jù)，結合適量的修正量設置椅深為350 mm。同理學習椅座寬的設定應該以同年齡段較高百分位的女童臀寬設定，參考我國11～12歲女童95百分位臀寬數(shù)據(jù)和修正量，座椅寬度設定為360 mm。國家標準GB/T 26158—2010中，7～10歲男性、女性未成年人人體尺寸百分位表分別如表1、表2所示。

圖1 兒童智能座椅設計框架

表1 國家標準GB/T 26158—2010：7～10歲男性未成年人人體尺寸百分位表（單位：mm）

測量項目百分數(shù) P1P5P10P25P50P75P90P95P99 體重/kg17.920.321.423.927.933.640.946.455.3 身高1 1301 1871 2141 2601 3201 3801 4311 4621 525 膝高325343353371393417436449468 腘高263280288302324342360371389 臀寬200212218231247269292306331 臀膝距358381391413440466492509535 臀腘距292311322341364388409423446

表2 國家標準GB/T 26158—2010：7～10歲女性未成年人人體尺寸百分位表（單位：mm）

測量項目百分數(shù) P1P5P10P25P50P75P90P95P99 體重/kg17.119.220.322.726.031.036.841.050.0 身高1 1251 1701 1981 2461 3061 3701 4291 4661 543 膝高323338350367389411432446469 腘高263277285300320339357368387 臀寬195201216227244263282299323 臀膝距362382394413439465490508538 臀腘距296316326345366391413428456

2.3 坐墊

坐墊的主要目的是使使用者的體重能夠較均勻分布在椅面。椅面坐墊過軟過厚，缺乏反向力，使腰推下沉彎曲、腰腹肌肉松軟、脂肪積聚，甚至還影響肌膚的溫濕平衡，引發(fā)皮膚病，并妨礙男孩的性發(fā)育；座椅面過硬，坐骨隆起部分及其外包的皮肉首先抵觸到座位面，久坐后容易使這個部位有麻木、酸痛的感受。所以我們設置軟度和形態(tài)特點與人體相適應的人體工學曲面U型設計坐墊，貼合臀部，久坐不累。坐墊選用麻絨或皮質(zhì)，填充物為新棉。

2.4 座椅面傾角

跪式座椅設計時，座面前傾角應不小于15°，當小于此值時，腿部支撐將失去作用。隨著座面前傾角度的增大，人體的重心也隨之前傾，身體的重量逐漸轉移到腿部，使得腿部支撐上的壓力和接觸面積都隨著座面傾角的增大而增加。當座面傾角過大會降低就座者身體的穩(wěn)定性，增加使用者向前滑動的可能性。合理的座面傾角可以減少使用者背部和腿部肌肉的拉伸程度，并使座面壓力分布更均勻。經(jīng)由查詢相關資料得知座面角度為15°～20°時，人體頸部、肩部、腰部和小腿的舒適度較高，跪式坐姿舒適度較高。當座椅未使用膝枕學習狀態(tài)時，椅面一般后傾3°左右為宜。當座椅供休息時，椅面一般后傾5°～15°左右。為滿足座椅使用者的不同需求和使用的安全性，椅面傾角設置為30°～45°。

2.5 靠背

靠背的主要功能是給人體后背支撐，從而降低脊柱尤其是腰椎部的受壓程度，同時能使脊柱保持自然的彎姿，產(chǎn)生輕松省力的作用。

2.6 靠背尺寸

高靠背是指高度達到肩部的靠背，高靠背具有支撐腰椎部和胸椎下半部，其上下高度取400 mm。坐姿比較省力，適用面較廣。高靠背加上頭枕就成了全靠背，可以用于休息使用。

2.7 靠背角

靠背角指靠背與椅面的角度?？勘辰堑拇笮ψ撕图怪?、背肌的負荷程度有重要影響。當使用者未使用座椅膝枕采用正常坐姿時，座椅可根據(jù)兒童的坐姿需求調(diào)整前后傾斜角度。如“伏案”時椅板可調(diào)節(jié)前傾6°～7°，“正座”時椅板可調(diào)節(jié)后斜6°～7°，可使人無論伏案還是正座，均能實現(xiàn)軀體的4個90°令脊推接近生理角度，讓人挺胸、直腰、抬頭，保持理想的讀寫視距，預防兒童近視和駝背。人體臥姿時靠背的角度在103°～115°，較好地防止人體向前滑動和引導腰部依靠在靠背上，設置靠背角最大調(diào)節(jié)角度為135°，結合圖3的臥姿受力分析，保障椅子使用的穩(wěn)定性。

2.8 靠背形狀

在站立時，人的脊椎相對直一些，向前凸，坐下時人的脊椎后凸。實驗表明（納切森測得），在站、坐兩種姿勢下，人的第三根腰椎和第四根腰椎之間的壓力，以站立時壓力為100%，則直著坐時，壓力為140%，彎著身子坐下時壓力為190%，增加了近一倍。所以靠背要設計成與脊柱的自然彎曲狀相適應的形狀。脊柱腰椎段是承受上體重量的關鍵部位，應呈較大的前凸彎曲形狀?？勘硲谘狄揽坎课贿m度隆起，即靠背形狀呈S形使人后靠在靠背上與腰椎段自然彎曲貼合，并使上體前傾，避免腰椎段后凸，使就座者盡可能的保持健康坐姿。

2.9 扶手

扶手高度以坐者上臂下垂時的肘部高度或略低于肘部高度。因為使用者的身高體型波動較大，所以扶手采用可調(diào)節(jié)高度和角度設計，高度距椅面20 cm時可調(diào)高度，寬度設置為10 cm。

2.10 頭枕

頭枕采用可拆卸設計，方便換洗和喜好選擇。頭枕根據(jù)頸椎弧度，設計30°弧形，保護頸椎，輕松休息。

2.11 膝枕

膝枕的較為舒適支撐腿部角度調(diào)節(jié)范圍在20°～40°，通過角度調(diào)節(jié)來支撐人體腿部不同部位，使人體重力分布更均勻，以傾斜的座面和膝枕配合的跪姿方式使人體的脊椎處于最接近于自然直立狀態(tài)的理想姿勢，從而減輕了人體的坐姿疲勞。膝枕的伸縮性使其滿足不同形體就座者的使用并且方便收放，不妨礙座椅其他坐姿的使用。

2.12 腳踏

椅子設置高低在50～100 mm可調(diào)節(jié)的腳踏，滿足不同身高的就座者，不同高度搭配的桌面使用需求，使就座者的大腿處于近似水平的舒適位置，并且還可使腰部、臀部和腿部經(jīng)常得到活動，增加血液循環(huán)，減免座椅長期使用者下肢靜脈曲張和痔瘡的產(chǎn)生。

2.13 腳輪

腳輪直徑為50 mm，寬度為38 mm，采用重力自鎖設計，利用彈簧、阻力片，使兒童在坐下的時候，彈簧發(fā)生形變，阻力片與腳輪接觸，抱死防止腳輪移動，當兒童站起時彈簧恢復原狀，阻力片與腳輪分離，恢復滾動。座椅承重20 kg以上鎖輪自動鎖定，保障兒童安全，學習更加專注；無人坐時，椅子可以輕松旋轉。

2.14 顏色

因兒童注意力易分散的特點，學習椅在顏色的設計上不能選用過多的色彩，采用同色調(diào)配色或單純色，避免顏色花哨。簡易受力分析如圖2所示，人正常作業(yè)時重心如圖3所示，因為椅面前傾6°～7°，人的重心略向前移，人的部分重量由大腿和背部（若能靠背時）分擔，作業(yè)坐姿的平均壓力比未使用坐姿矯正椅的壓力小。采用跪式正常作業(yè)坐姿時重心如圖4所示，跪式坐姿椅面前傾15°～20°為宜，重心又前移，膝枕的設計使人體部分重量由小腿合理分擔，臀部及大腿部平均受壓均比正常作業(yè)坐姿小。當人采用跪式不正確作業(yè)坐姿時，人慣性地駝背前傾導致人體重心下移，腿部支撐角度變小，如圖5所示，當腿部支撐角度小于15°時，腿部支撐不能合理有效的提供支撐，最終導致人體的臀部和大腿受壓均增大。此時，座椅上的壓力傳感器發(fā)出警報，提醒兒童和家長，兒童坐姿不正確應及時調(diào)整正確坐姿，達到矯正坐姿的功能。

3 總結

通過對座椅的力學分析，智能兒童椅設計了S-KTG同步結構，達到靠背與坐墊同時根據(jù)兒童休息需求移動；H型防翻底座保證兒童休息時座椅不會后傾翻倒；自鎖式座椅輪通過簡單的剎車機構使座椅不受力時可自由移動，兒童坐下后椅輪抱死無法移動；可調(diào)高座椅滿足了一定年齡段的兒童在與桌面相對舒適的高度學習。

圖2 臥姿時的受力分析

圖3 正常作業(yè)坐姿

圖4 跪式正常作業(yè)坐姿

圖5 跪式不正確作業(yè)坐姿

整個智能兒童座椅使用了堅固、環(huán)保、健康的綠色材料，使座椅滿足兒童端正坐姿的要求下，同時有益于兒童的健康。每天的學習及坐姿時間數(shù)據(jù)可視化更提高了兒童學習的積極性。滿足了市場和家長兒童需求的同時，迎合了當下家具用品大數(shù)據(jù)化、智能化的趨勢。

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曹學晨（1997—），江蘇南京人，工業(yè)工程專業(yè)。

閆龍（1980—），山東泰安人，博士，副教授，研究方向為機器視覺、人工智能。

山東省教育廳高等學?？萍加媱潱ň幪枺篔17KA068），國家級大學生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)計劃項目

2095－6835（2019）03－0021－04

U463.836

A

10.15913/j.cnki.kjycx.2019.03.021

〔編輯：嚴麗琴〕