多功能椅子设计.doc

人机工程学课程考核大作业 专 业： 机械设计制造及其自动化 班 级： 机械11202 序 号： 16 姓 名： 刘仁良平时成绩大作业成绩总评成绩2014 2015学年 第一学期摘要在多功能办公椅的设计中，蕴含了许多创新设计理念，主要能实现正常、舒适地办公、仰躺休息和进行臂力锻炼、进行颈椎按摩等功能，满足了布局合理、结构紧凑、安全舒适、操作方便、符合人性化设计等要求。该多功能椅结构简单、功能多样、经济实惠，能满足各类群众的需求。 一、设计题目 1.1 多功能椅设计背景和意义目前，越来越多的办公室人员及其他脑力、体力劳动者采用坐姿进行工作，并且随着技术的进步，坐姿还将成为我国未来劳动者主要的工作方式。因此，办公座椅设计和相关的坐姿分析日益得到人体工程研究者和设计师们的关注和研究。 20年前，患腰肌劳损的大多是凿四五十岁的搬运工人或在田间劳作的农民，他们的工作多以腰部力量为主所以易发生劳损；而如今，腰肌劳损并非是中老年人和体力劳动者的“专利”。来看病的患者中多了许多35岁以上的公司白领，他们大部分时间保持坐姿，即“三坐”人群：上下班路上坐车；上班时坐办公室；下班后久坐看电视、上网。正是由于这种工作、生活方式的改变。加上不良坐姿等原因，使腰肌劳损具有了高发性和年轻化的特点。同时由于城市化的飞速发展，现如今人们由于工作地点离家较远，中午很难得到午休，本文设计一款多功能椅来实现职工在中午进行短暂午休的功能。大多数在办公室从事脑力劳动的工作人员由于工作紧张、家务繁忙、场地不足、缺乏合适的健身器材等因素，参加健身锻炼的人数及效果都很不理想.而大多数在办公室从事脑力劳动的人员由于长期伏案工作，极易使颈、椎间盘疲劳受损而引发轻微的颈椎病；另一些使用电脑、打字机、复印机等办公设备的专职人员，由于长时间从事电脑数据输入、键盘打印以及其他需要手臂单调重复动作，极易引发以手、腕、臂功能性损伤为主要表现的“反复紧张性损伤症”的现代职业病。目前市场上常用的按摩椅只具有单一的按摩功能，健身器材又需要专用的房间安置，无论是普通按摩椅还是健身器材，都不适宜直接放置于办公室使用，为此开发设计了“ 多功能办公椅”，以帮助长期在办公室工作的人员进行方便、适当的休息与锻炼。多功能办公椅的顾客是久坐人群，如企业家、个体工商者、白领、中老年人、司机、学生等，在中国这些人群不低于1.5亿人，而且都是社会中高消费能力人群。所以本设计产品是有很大的市场和利润空间。当然现如今的多功能办公椅的发展也已经较为成熟，满足各种需求，实现各种功能的办公椅已经琳琅满目，如图-1、2。图1-1 现代出现的多功能椅图1-2 现代出现的多功能椅但是考虑到这些多功能椅的成本和功能性，本文提出了一种成本更加低廉，功能更加强大的多功能办公椅。1.2 多功能椅的创新点基于以上背景，本文设计了一款集合了多种功能的办公椅，实现了将多种功能实现到一个座椅之中，方便了人们锻炼，休息，调整坐姿，按摩等，并用了机械机构来实现设计的功能。本文依据图-3作为参考依据，加入本人的设计思路，调整各个单元的位置以及功能实现方式。图1-3 现代多功能椅结构图1.3 主要内容本文对多功能椅的各个部件进行设计，分析其的最优情况，对各个结构部分分块考虑，最后用Solidworks软件对其进行仿真，验证座椅的设计思路。第一节介绍多功能椅设计的背景意义，第二节说明各个模块的功能及详细的设计思路，第三节依照Solidworks软件对多功能椅进行仿真建模，更加直观的观测，并验证设计结果。第四节对本文进行总结，得到设计的多功能椅满足设计要求。二、 多功能椅结构设计 2.11多功能椅的基本结构坐椅设计需综合考虑功能、结构、造型、色彩、材料、生产等多方面因素并要符合人体生理、心理及人体活动规律，最大限度地减轻“坐疲劳”，同时达到安全、方便、舒适、美观之目的。据生理学知识，人体落坐后，脊柱被强制改变自然的曲度，由此形成的椎间压力使人在久坐之后感到腰酸背疼。故设计椅背的曲线能够契合坐姿脊柱，上体的重心落在臀部的骨骼上，上半身民大腿、大腿与小腿的角度均成85到90，确保使用者的重量尽可能分散在身体的不同接触面，产生舒适的感觉。对于大批量生产椅子，要符合多数成人人体的测量统计。作为多功能办公椅首先要实现普通椅子的功能，以下是正常、舒适办公的结构设计。(1)任意调节靠背角度的结构设计 根据各人坐姿习惯的不同，可以任意调节靠背的倾斜 角度(2)头部枕靠上下位置和前后位置调节的结构设计 根据各人身高不同，可以调节头部枕靠的下位置，根据各人坐姿习惯的不同，可以调节头部枕靠装置 的前后位置（移动距离在4050mm）(3) 坐垫深度的选择很重要，对于身材高大的人来说，坐垫太浅会因为大腿下面无足够的支撑面而感到不适；反之，身材稍小的人则会因为坐垫太深而背部不能与靠背接触，势必要端坐，长时间的端坐更容易疲劳；因此，坐垫深度一般取400到450mm，而且深度最好可调，即靠背能在坐垫面上移动，以保证不同身高的人都有一个舒适的位置。(4) 坐垫上表面至地板的距离也很重要，坐垫的高度在保证双脚能自如踏在地板上，并可以自由地前伸后屈。因此坐垫高度一般取380到450mm为宜，最低不小于300mm，最高不大于480mm。(5) 坐垫宽度可以稍微宽些，方便使用者调整姿势，但太宽会影响操作的方便性，一般取420到500mm。(6) 靠背宽度可以与坐垫的宽度相同，也可以比坐垫稍窄些，但太窄会破坏座椅的整体造型，为了造型美观及不影响上肢活动而设计成上窄下宽的外形。现代座椅一般取相同宽度。2.1.2 座位设计的一般原则关于座位的设计，设计人员有许多新奇的想法。我们的目的不是探索座位设计的前沿，而是讲述一些基本原则和基本信息，而它们是构成未来设计的坚实基础。不幸的是，有些看起来是坚实的基础，但也许可能是不稳定的。常常有人问市场上最好的椅子是什么样子。答案是坐上几个小时后你觉得舒服的那些。问题是不同的人所感觉的最舒适是不同的。没有一个椅子是适合所有人的。最好的办法是提供两三个最好的设计，人们可以从中选择。下面是一些座位设计的原则。促进腰椎前凸 当笔直站立时，脊椎的腰椎（后面的一小部分，恰好在屁股以上）通常是很自然地向内弯曲（凹曲线）的，也就是说，前凸（lordotic）。自然状态的腰椎前凸与脊柱的腰椎几乎在同一条垂直轴线上，这条轴线也经过大腿和骨盆，如图13-15所示。然而，当坐着的时候，大腿成90，背后的腰椎区变得平坦，甚至向外弯曲（凸状的），也就是说变得后凸（kyphotic），如图13-15所示。这是因为髋关节只扭转60，迫使骨盆向后扭转30以达到大腿的90。腰椎后凸导致脊柱的腰椎间的椎盘上的压力增加。2.2 多功能椅的休息功能基本结构本文的多功能椅实现了仰躺休息，仰躺休息装置的设计充分考虑人体仰躺姿态的生理特征。其中包括腿部支撑，腿部支撑的主要作用在于支撑腿部重量，增大人体重量的支撑面积，从而减小坐垫的压力，使人体压力分布过渡更趋均匀。在椅子前端的下部设计了一椅下脚板，来方便办公人员腿部休息。腿部板的移动主要依靠四连杆实现，通过调节四连杆调节来调节腿部支撑的角度。当需要仰躺休息的时候，头部有一个靠垫也可以伸出，可以临时充当枕头作用，缓解头部疲劳。通过对结构的优化，也基本上实现了对平躺的要求。多功能椅的旋转控制功能模仿轿车座椅的调整功能，使人们易于使用同时也降低了成本。现代社会从事脑力劳动的人越来越多，长期工作在办公室或电脑前的人腰背经常得不到放松休息，容易感到疲惫，甚至引发颈椎，腰椎等疾病。同时，多功能椅也实现了按摩的功能，本文设计的方案是在椅子的靠背位置加入多个按摩球，当人靠到靠背时候，依靠重力自身的作用来进行按摩作用。按摩部分是从后部插入的，留有足够的空间，当成本足够的时候也可加入电机，来带动按摩球的转动，来为使用者按摩。由于是组合安装的按摩球也可以单个拆装，改变按摩的位置，以免对人体造成伤害。2.3 多功能椅的健身功能基本结构多功能椅也加入了健身功能，臂力锻炼装置的设计，要进行臂力锻炼时。本文提出了两种方式。第一种是结合了一个拉力器在椅子背后，通过两者的结合来达到健身的目的。拉簧通过拉簧座固定在椅子背后，手柄放置在椅子两侧，在需要锻炼的时候就可以方便的使用。同时这套设备也可以拆卸下来不依赖于多功能椅来使用。此模块也可由其他各种类型的健身器械相结合，为本多功能椅的二次开发提供便利。第二种是两手从手柄D中抽出加长杆，旋转头部把手90度至垂 直位置，然后把扶手向前推，达到适合自己的手臂长度后两手握住把手作扩胸运动，扩胸运动时手柄围绕旋转轴在约45度范围内转动，通过克服扭转弹簧的阻力来达到锻炼的目的。其原理如下图所示。在使用过程中，使用者的双臂可以进行小范围的活动，从而在不影响正常的办公学习的前提下达到缓解工作疲劳舒展身体的目的。三、多功能椅Solidworks仿真实现3.1 基于Solidworks软件的多功能椅SolidWorks为达索系统（Dassault Systemes S.A）下的子公司，专门负责研发与销售机械设计软件的视窗产品。Solidworks软件功能强大，组件繁多。 有功能强大、易学易用和技术创新三大特点，这使得SolidWorks 成为领先的、主流的三维CAD解决方案。SolidWorks 能够提供不同的设计方案、减少设计过程中的错误以及提高产品质量。在使用SolidWorks进行仿真建模的同时，也是用了working model软件对四连杆机构进行仿真计算，得到了腿部支撑机械结构的尺寸。对多功能椅健身器械中的拉伸弹簧和扭转弹簧的选用也使用了SolidWorks插件迈迪工具进行设计。减少了设计的周期和计算量。如图4-1。图3-1 迈迪工具集设计各种弹簧本文使用SolidWorks2014最新版本进行仿真建模，建模效果如图4-2图3-2 SolidWorks2014作图界面通过SolidWorks的渲染工具得到如下的仿真效果图3-3 座椅效果图当椅子展开时可以平躺的效果图图3-4 座椅平躺效果图多功能椅的普通状态下总高约为1000mm，总长约为700mm，总宽为600mm，当展开时的总长约为1700mm，总高约为500mm。当然，多功能椅的总体尺寸也应设计为多种尺寸，来满足各式各样的需求，本文仅仅做了一种尺寸，主要做机构的介绍。3.2 多功能椅调整位置的Solidworks实现多功能椅腿部支撑的旋转实现主要是由四连杆机构实现，达到从15夹角到与座平行的角度。控制类似于汽车座椅的调整。四连杆的尺寸设计主要依靠working model软件来进行设计，保证角度的实现。此部分的Solidworks效果图如下。图3-5 腿部支撑四连杆效果图3.3 多功能椅按摩功能的Solidworks实现本文的多功能椅的按摩功能主要依靠座椅背部的按摩球来实现。如图所示。图3-5 按摩效果图3.4 多功能椅健身功能的Solidworks实现多功能椅的健身功有两种方案，第一种主要是加入了一个拉力器来进行实现，此部件可以由客户自行拆装。可以在坐着的状态锻炼，也可以拆下单独锻炼。效果如图所示。图3-5 拉力器效果图第二种方案是将扶手部分改为扩胸器，在使用的时候进行锻炼，效果如图所示。图3-6 扩胸器效果图四、 设计小结4.1 多功能办公椅设计实现本论文从最初的总体方案的制定，设计制作，然后通过多功能办公椅机械结构了解和认识，通过Solidworks软件对其进行仿真，通过以上设计仿真，本文得到了一款布局合理、结构紧凑、安全舒适、操作和维护方便的多功能办公椅，实现了办公、休闲、按摩和锻炼等各项设计功能。本文的设计思路是将问题简单化，将一个个功能单个解决，设计出每个部分的结构，最后再进行整合。这样的好处是设计的多功能椅可以方便的增添功能，为进一步的设计提供方便，也可以根据用户的需求，成本的限制来减少部分功能，应对各式各样的环境及要求。4.2 推广实现由于多功能办公椅选用的材料均为普通用材，零件的加工精度要求不高，头部枕靠和椅背调节装置可借用轿车座椅上的部件，如果形成批量生产，成本比普通的办公椅要高些，但比按摩椅要低许多，综合生产成本考虑，多功能办公椅应具有较高的实用价值，值得推广使用。从使用Solidworks仿真出的多功能办公椅的情况来看，基本满足了布局合理、结构紧凑、安全舒适、操作和维护方便等要求，实现了办公、休闲、按摩和锻炼等多功能的目的，达到了论文设计要求。本多功能椅有很大的应用空间。该产品不仅可以在家庭办公室等地方使用，而且可以推广放在公园作为休息座椅；候车室里，也可推广本产品，供旅客等车时休息；在旅途劳累的火车上，将产品推广在硬座中，可大大减轻旅途的疲劳。参考文献【1】刘加 都市白领莫让椅子伤了腰J-养生月刊2011,32(5)【2】吴修义 商用汽车驾驶员座椅的静态特性J-商用汽车2007(1)【3】茹铁征 就这样把你征服-Volvo(富豪汽车座椅)J-中国汽车市场2003(7)【4】周子良 基于人机工程学的办公用椅参数化