多体位电脑椅的研制*

李建永 高兴华 杨 泽 王明旭

随着IT技术的飞速发展，电脑逐渐成为人们工作和生活不可缺少的工具，但如果使用姿势不当或使用时间过长就会引发腰酸背痛、颈椎疼痛等电脑职业病，造成这种疾病的主要原因是电脑使用姿势不当和电脑桌椅调节功能欠缺[1,2]。

据相关数据统计，在美国使用电脑的人群中，有75%～90%的人患有不同程度的电脑职业病，而在我国，电脑职业病的发病率随着计算机应用的普及正在以惊人的速度增长[3]。为此，针对目前市场上电脑桌椅在设计中存在的问题和缺陷及其对人体健康的种种不良影响，依据对人体坐姿脊椎受力情况的分析，找出电脑职业病的发病根源，并运用人机工程学原理，结合人体解剖学和人体坐姿特性等知识以及现代先进设计方法对其各个部件进行设计并研制出能够实现连续体位调整的电脑椅[4,5]。

1 多体位电脑椅的组成及工作原理

多体位电脑椅主要由传动机构、座面与腿板联动机构、扶手机构、圆弧导向机构、显示器和键盘调节机构等组成。该电脑椅不仅能实现由坐姿向卧姿连续转换，同时也可完成手臂、腿部、颈部等多种体位调整功能，通过控制系统，可手动或自动进行体位变换，以缓解疲劳和避免电脑职业病的发生[6]。其总体方案图如图1所示。

图1 多体位电脑椅整体方案原理图Fig.1 The overall scheme of multi-position computer chair

1.1 传动机构的设计

传动机构包括一个电动机、两个滚筒、两根钢丝绳和钢丝绳张紧架，其原理图见图2、3。钢丝绳固定在底架上,并由张紧架将钢丝绳张紧，滚筒和电动机固定在圆弧导向机构的横梁上，钢丝绳绕在滚筒上，并将其中间的一圈固定在滚筒上，防止产生打滑现象，当电动机带动滚筒转动时，卷筒一面缠绕钢丝，另一面释放钢丝，由于钢丝绳固定在底架上保持静止，就会使滚筒相对底架运动，从而迫使圆弧导向机构产生绕其圆心的转动，再通过底架对圆弧导向机构的导向、限位，使圆弧导向机构能绕其圆心自转，进而实现体位调整。

图2 传动机构原理图Fig.2 The schematic diagram of transmission mechanism

图3 动力机构原理图Fig.3 The schematic diagram of power mechanism

1.2 座面联动机构的设计

如图4所示，多体位电脑椅的座面联动机构主要由靠背、座面、电动缸以及腿板组成。电脑椅的靠背与圆弧导向机构固联，座面与靠背铰接于b点，座面能绕其连接轴f做圆周运动，座面Lbe、靠背Lac、Lcd和Lde构成四杆机构，在电动缸作用下，杆Lcd长度发生变化，靠背Lac及圆弧导向机构沿底架支撑滑动副滑动，带动靠背Lab与座面Lbe角度发生变化，与此同时，腿板绕座面与腿板的铰接点L旋转，完成腿板的同步展开，实现人体坐姿与躺姿的体位调整。图5所示为多体位电脑椅座面与靠背联动调节后的坐姿和卧姿两种状态。

图4 座面联动机构原理图Fig.4 The schematic diagram of seat plane linkage

图5 多体位电脑椅体位姿调整示意图Fig.5 The posture adjustment diagram of multi-position computer chair

1.3 扶手机构的设计

为了最大限度地增加使用者的舒适性和缓解操作疲劳，电脑椅的扶手具有高低位置调节、倾斜角度调节、摆角调节和伸缩调节功能，其方案图如图6所示。多体位电脑椅的扶手设置在电脑椅靠背上，扶手和鼠标托盘可以绕固定轴AC在一定的角度范围内左右摆动，扶手也可绕C点上下摆动，可控性气弹簧起到阻尼作用，能将其阻滞在某一合适的位置；扶手可随人手沿鼠标托盘的方向自由伸缩，鼠标托盘设在扶手下面的扶手滑道上，可以方便地操作键盘和鼠标。在扶手前端的弹簧支撑，可以很好地改善手部工作时的姿势，保证了小臂和腕部支撑的可靠性、舒适性，有效缓解腕部疲劳。

图6 扶手机构原理图Fig.6 The schematic diagram of handrail mechanism

1.4 显示器及键盘调节机构的设计

如图7所示，多体位电脑椅的显示设备固定在电脑椅的圆弧支架上，而靠背与圆弧支架相固连，这样可保证在使用中显示器与电脑操作者的位置保持相对静止，从而避免在体位调节过程中对显示设备的调整。键盘设置在电脑椅的圆弧支架上，可以在键盘架上相对滑动，以调节电脑操作者与键盘之间的距离，另外在滑动的轨道内加制动装置，便于将键盘定位在距离人体较为合适的位置；同时键盘又可以绕键盘架上一根轴C转动，改变键盘与人体的夹角，使键盘操作更加舒适。

图7 显示设备及键盘支架的结构原理Fig.7 The schematic diagram of display device and keyboard support

2 多体位电脑椅的结构设计及优化分析

2.1 多体位电脑椅的结构设计

多体位电脑椅结构设计包括传动机构的设计、体位调整机构的设计、支架结构的设计、限位机构的设计等。在前期方案设计的基础上，依据人机工程学原理，运用现代设计方法完成该多体位电脑椅详细结构设计，其总体三维结构图如图8所示。

图8 多体位电脑椅的三维结构图Fig.8 The 3D figure of multi-position computer chair

2.2 圆弧导向机构的仿真分析

圆弧导向机构作为该多体位电脑椅的主要受力部分，其刚度、强度的好坏将直接影响到多体位电脑椅的可靠性。为此，利用有限元分析ANSYS软件对其进行了刚度、强度的分析，建立有限元模型，得到其应变分布云图和应力分布云图如图9、10所示。

图9 多体位电脑椅支架应变分布云图Fig.9 The strain distribution nephogram of multiposition computer chair holder

图10 多体位电脑椅支架应力分布云图Fig.10 The stress distribution nephogram of multiposition computer chair holder

通过分析得出了圆弧导向支架在承重100 kg的质量时，多体位电脑椅在工作中的最大应变值为0.039 6 m，最大应力为8.59 MPa，最大应力点主要分布在靠背上端与圆弧导轨的连接处以及圆弧导轨与底架到相连接处，最大应力远远小于结构钢材料的许用应力225～353 MPa。因此，该结构设计满足设计要求，达到了高刚度及高硬度要求。

3 多体位电脑椅的控制系统

电脑椅的控制系统如图11所示，控制系统由主驱动电机、电动推杆、控制面板、位置检测传感器、光电编码器、电源模块及单片机核心控制器组成，使用者在使用过程中，感觉某一姿势特别舒适时，可以启动储存记忆按钮将电脑椅各运动控制部件所处的位置参数存储下来，以便以后快速定位到该位置。

图11 电脑椅的控制系统原理图Fig.11 The schematic diagram of computer chair's control system

4 结论

该项目采用了先进设计方法，结合人机工程学等相关技术经严格的分析论证研制而成，通过试验得出多体位电脑椅的体位调整角度范围为100°～150°，腿板调整范围为-90°～45°；扶手倾斜角度调整范围为-30°～10°，扶手的高度可在0～30 mm内调节。该新型多体位电脑椅可有效改善电脑工作者的工作环境，减轻工作强度，降低电脑职业病的发病率，有利于电脑使用者轻松工作。

图12 多体位电脑椅的实物照片Fig.12 The physical photograph of multiposition computer chair

[1] 苏垣.办公桌人性化设计研究[J].包装工程,2010(24):18-22.

[2] 余肖红,费海玲,张亚池,等.人体工程学与全方位电脑桌椅的设计[J].木材加工机械,2002(5):15-19.

[3] 甄佳,陈立辉.办公室电脑操作者的职业危害研究[J].中国个体防护装备,2013(3):47-50.

[4] 蔺吉顺,陈伟,王晶,等.多姿电脑操作台的设计[J].机械研究与应用,2015(6):121-122,125.

[5] 马晓红,陶毓博.基于人机工程学的可升降办公桌设计研究[J].家具,2015(6):71-75,98.

[6] 陈雷雷,沈妙妙,李俊,等.基于人因学的大学生电脑桌椅优化设计[J].中国现代教育装备,2014(19):12-13,16.