面向舒适性的自适应自动调节座椅底盘设计 - 罗仕鉴 - 图文-

1、第30卷第11期2013年11月机械设计JOUNAL OF MACHINE DESIGNVol30No11Nov2013面向舒适性的自适应自动调节座椅底盘设计*罗仕鉴1,何基1,王健2(1浙江大学工业设计系,浙江杭州310027;2浙江大学体育科学与技术研究所,浙江杭州310028摘要:为研究座椅的舒适性,提出了一种新的自适应自动调节底盘设计方法。论述了座椅的舒适性,建立了座椅舒适性模型,分析了座椅部件对舒适性的影响。在对国内外底盘设计分析的基础上,提出了座椅设计中的两个问题,通过人体压力自适应技术和座、背联动技术研究,对基于人体压力的自适应自动调节底盘设计进行了验证,为新型座椅设计奠定了基础

2、。关键词:工业设计;人机工程学;座椅底盘;自适应;舒适性中图分类号:TB472文献标识码:A文章编号:10012354(201311009704座椅是现代人类社会办公、学习、休闲、生活乃至生产劳动过程中的一种必不可少的坐具。坐椅的发展经历了功能性座椅、人机工效学座椅等阶段,目前逐渐向健康座椅和个性化座椅方向发展1。那么,人们怎么样“坐”着舒适?怎么样“坐”着才会健康?这些问题已越来越受到人们的高度关注。舒适的、设计合理的办公座椅能减少相关职业病的生成,并能刺激最佳的工作效能。物理因素是影响座椅舒适性的最基本要素。目前,座椅舒适性设计主要从物理因素入手。从座椅的物理构成来看,主要包括头枕、靠背、

3、座面、底盘、扶手和椅脚等,与人体密切接触的是座面和靠背。座椅起到压力承载、缓解疲劳、辅助工作和保护健康等功能,主要由座面和靠背的相互配合来实现,座面和靠背主要由底盘来联接。底盘起到托起座面的作用,上面与靠背联接,下面与气杆联接。座椅的运动、倾仰、联动等功能,主要由底盘来实现。底盘的功能设计,是座椅舒适性的关键所在,也是座椅设计的难点之一。文中将以座椅的关键部件底盘出发,研究底盘设计对人体舒适性的影响,并设计一款新的底盘。1座椅舒适性11座椅舒适性的涵义据统计,在一天中,大多数人平均有8 9h是在形式各异的坐具上度过的。舒适性是人机工程学中,人与座椅交互过程中的一个重要衡量指标。舒适性是人自然的

4、一种主观感受,是人对环境的一种反应,受到多种因素的影响,包括生理、心理,且难以进行对比2。尽管人们经常谈及舒适,但没有一种被普遍接受的定义3。韦伯斯特词典对舒适性的定义为:舒适是一种放松、鼓励、快乐的状态或者感觉。Hertzberg等人4指出:舒适与不舒适是两种知觉状态,舒适就是没有不舒适的感觉。因此,人体有无不舒适的体验是决定座椅舒适性的根本性指标,在说明舒适与不舒适时,应将时间列入考虑。例如,坐在某座椅上1h是感觉舒适的,但持续坐2h就可能感到不舒适。Corlett等人5认为,舒适性为身体各部位的感觉综合。当人体感觉到平衡时,则称之为舒适;一旦感觉因外在因素而分散时,则认为有不舒适的感觉产

5、生。王健教授等人1对座椅舒适性的评价方法、评价指标体系及测量方法进行了阐述,包括基于Helander MG等人的实验、基于De Looze等人的文献综述、医学有限元的分析方法、主观及客观测量方法等。座椅的舒适性可归纳为以下3点:(1舒适本身是一种主观感受,会随使用者在不同的工作环境、时间长短及不同的任务而造成不同程度的舒适感觉。(2舒适的感觉是结合生理与心理两者之间经验的感知,在评价标准上需辅以生理测量为基础,进而评估主观心理感受。(3舒适会影响人的工作效能。*收稿日期:20130810;修订日期:20131014基金项目:国家自然科学基金资助项目(51175458;浙江省教育厅资助项目(Y2

6、01122564作者简介:罗仕鉴(1974,男,湖北嘉鱼人,副教授,博士,博士生导师,研究方向:工业设计、用户体验设计等,发表论文30余篇。DOI:10.13841/ki.jxsj.2013.11.00312座椅舒适性模型人体的舒适性较为复杂,在坐姿办公过程中,对人体舒适性影响的因素可从生理和心理两个交叉领域进行解释,如图1所示 。图1座椅舒适性模型座椅舒适性主要从人、座椅、环境3个方面来考虑,这3个方面相互依存、互相作用。物理因素作用于人的生理因素,不同的物理特征会带来人体不同的生理反应。而舒适是人的一种主观情绪体验,以人的生理因素为基础,生理的不适会带来相关的心理反应。人的因素主要包括心理

7、因素和生理因素,二者互相作用。心理因素以生理因素为基础。此外,人的心理又受到个人特性的影响,是一个较复杂的体系。2座椅底盘设计成果综述一般来讲,座椅的底盘由金属、橡胶等材料组成。目前,座椅的高档底盘技术基本掌握在德国、美国和意大利等国家的企业中。德国座椅企业注重技术研发。Vitra 公司的Meda 系列办公椅6采用靠背底盘机构联动技术,使人机设计更加舒适。Wilkhahn 公司7的“ON ”座椅采用自然倾仰功能底盘,底盘与扶手靠背统一支撑,又具有活动关节,符合人体的自然活动。同时,“ON ”座椅利用底盘铝合金金属材料,具有较强的柔韧特性。Interstuhl 公司在座椅底部表盘上设计有d_Da

8、s 调节装置,使座椅能根据人的体质量调节。意大利Aresline 公司在ZEO7座椅8的背部运用双轴支撑杆,通过调节支撑杆与靠背的位置来调节靠背高度;同时,在座椅座垫中采用了大量新型凝胶囊排列,使臀部曲面达到良好的贴合,增加舒适性。美国HermanMiller 公司9的座椅底盘具有倾仰功能,可让身体沿脚踝、膝盖和臀部进行轴向运动,使用户方便改变坐姿,同步倾仰可进一步将身体压力转移到其宽阔的靠背上。此外,Enbody 是世界上第一把具有不稳定支撑面的座椅,其设计师创造性地设计出了Backfit 支撑系统,该背部支撑系统是活动的,当用户转身时,椅背将随人体一起转动,让用户能够自由活动。Steelc

9、ase 公司10的Think 座椅拥有座位角度自动调整感应装置,随着使用者坐深的改变,座面角度一直在自动微调,如向前坐时,座面微微前倾,通过这种微调让用户获得自然舒适的坐感。中国座椅企业由于缺乏基础的科学研究,在座椅支撑原理方面缺少科学突破。因此,底盘主要以中低档的金属弹簧底盘为主,对于提升座椅的档次存在较大的阻碍。底盘设计需在原理、技术、材料等方面进行重点突破,提供更合理的工效学原理和人机交互方式,带来更好的舒适性和用户体验。3人体压力自适应自动调节座椅底盘设计31问题分析在有靠背的办公座椅中,人们经常会遇到如下两个问题:(1每把座椅座面下均有一个阻尼调节机构。不同体质量的人坐在座椅上,通过

10、调节阻尼装置,可改变座椅倾仰的舒适性。据调查,大部分人都不会意识到去调节该阻尼机构,这样就影响了座椅的舒适性。(2办公座椅在倾仰过程中,座椅靠背向后发生位移变化,而座面保持不变。人体低腰(Low Back 部分与座椅靠背下部的空隙就会增大。当人体反复运动,座椅靠背不停地倾仰时,座椅靠背下部与人体低腰部分就会发生搓背问题,造成“脱衣服”现象。32解决方案针对上述两个问题,提出了基于人体压力的自适应自动调节座椅底盘整合设计方案,包括人体压力自89机械设计第30卷第11期适应和座背联动原理,机构原理如图2所示 。图2机构原理图321人体压力自适应去掉座面下的阻尼调节机构,在底盘中预设弹簧锁紧技术。当

11、人体坐下和倾仰时,弹簧受到人体压力进行压缩,同时进行锁定;人体质量不同,座面所受到的压力也不同,弹簧的压缩和紧缩程度也不同。当身体做回复运动时,弹簧会起到一定的辅助回弹作用。人体质量越大,弹簧所起到的辅助回复力越大;人体质量越小,弹簧所起到的辅助回复力就越小。这样,座椅即可根据人体质量,辅助靠背产生运动,用户无需调节阻尼机构。通过理论计算和实验测试发现,无论是150kg 的人,还是45kg 的人坐在座椅上,通过人体压力的传递,锁紧弹簧均能发挥较好的回弹作用,座椅靠背均能自如地随人体产生运动。322座、背联动技术针对座椅靠背发生搓背问题和“脱衣服”现象,开发了“座、背联动”技术。即椅子的座面和靠

12、背同时运动,最大优点是在靠背向后运动时,座面随靠背同时运动,保证靠背和座面之间的相对位移为0,这样,人坐在椅子上向后靠时,臀部和背部的相对位置基本保持不变,使人体的腰部处在放松状态,解决了“脱衣服”现象,起到缓解腰部疲劳的作用。该设计的一个最有效应用即保证带有固定腰靠的椅子在靠背向后靠的过程中始终保持腰靠贴牢腰部,发挥腰靠应有的作用;同时,由于联动机构的作用,座面向后移动时,座面平移而基本不上翘,保证了舒适性。33方案设计根据研究的原理方案,对底盘结构进行了设计,方案如图3所示 。图3设计结构图产品的可实现性、可制造性和低成本,决定了产品的市场竞争性。在结构设计过程中,对设计方案的可安装性,以

13、及维护性进行了研究和分析,如图4所示。992013年11月罗仕鉴,等:面向舒适性的自适应自动调节座椅底盘设计 图4安装示意座椅底盘外观的美观性是影响座椅的一个重要因素。在完成结构设计和设计测试之后,设计了底盘的外壳造型,方案如图5所示 。图5底盘外壳造型设计针对该新型底盘,可开发设计一系列适应不同环境、不同人群的高档办公座椅,以提升产品的竞争力和产业的升级。4结论底盘是办公座椅设计的核心部件之一。底盘在功能、技术、材料和设计方面的突破性创新,能够为新型办公座椅设计带来革命性的改变。针对办公座椅座面下的阻尼调节不方便和座椅靠背搓背现象,提出了面向舒适性的基于人体压力自适应自动调节的座椅底盘设计,

14、为座椅设计提出了一种新的思路和参考。参考文献1王健,刘志平座椅舒适性及其评价理论和方法C /北京:第七届全国康复医学工程和康复工程学术研讨会,2010:2852912罗仕鉴基于生物学反应的驾驶舒适性研究D 杭州:浙江大学,20053赵江洪,谭浩人机工程学M 北京:高等教育出版社,20064Hertzberg ,H T EThe human buttock in sitting :pressures ,patterns and palliatives J Am Automob Trans1972,12(2:39475Corlett E N ,Bishop PA technique for ass

15、essing postural discomfort J Ergonomics ,1976,19(4:1751826VitraPhysix EB /OL http :/wwwvitracom /en lp /office ,199805217WilkhahnOn EB /OL http :/wwwwilkhahncom ,200206238ArslineZero7EB /OL http :/wwwareslinecom /scheda1_engphp ?id_art =14,200304169Herman MillerEnbody Chais EB /OL http :/wwwher-manm

16、illercom /products /seating /performance-work-chairs /embody-chairshtml ,2009021210SteelcaseThe New Think EB /OL http :/wwwsteel-casecom /en /products /category /seating /task /think /pages /the-new-thinkaspx ,20040416Comfort design of chair chassis with self-regulation and self-adaptionLUO Shi-jian

17、 1,HE Ji 1,WANG Jian 2(1Department of Industrial Design ,Zhejiang University ,Hangzhou 310027;2Institute of Sports Science and Technology ,Zhejiang University ,Hangzhou 310028Abstract :In order to study the comfort of chair ,an approach of chair chassis design with self-regulation and self-adaption

18、is pro-posedThe comfort of chair is discussed ,the chair comfort model is built and the effects of chair components to comfort are analyzedBased on the analysis of international chair chassis design status ,two problems are presentedThrough the studies of human weight self-adaption technology and seat and back linking technology ,the human weight-based c