智能座椅设计说明书设计者：阮红艳东华理工大学长江学院机械与电子工程系，抚州344000）作品内容简介文章首先介绍了重力平衡装置的控制原理，通过在座椅上安装重力平衡装置，对其进行 恰当调节，使其不仅具有传统座椅的优点，而且能够及时提醒你上课中的睡觉行为。智能座 椅大幅度提高课堂纪律，使“学风”、“教风”从本质上提高。文章中着重介绍了智能座椅的 设计构造，主要功能和性能说明以及市场分析等。智能座椅从静态物体实现多功能智能化， 不仅满足学生的心理需求，而且从本质上提高学生的主观能动性，并应用 人类 工程 学原理， 增列 了靠背点 高和桌下净 空等多项 功能尺寸。1 研究背景及意义 椅子是我们生活中最常用的教具之一，几乎每天都要与我们亲密接触。同时，椅子也是 最重要的日常教具之一，在教具设计中占有重要的地位，一直备受设计师的重视。芬兰著名 的现代设计大师伊马理塔佩瓦拉曾经说过“椅子设计是任何室内设计的开端”可见，椅子 在室内设计中居首要位置。正因为椅子在室内设计中的重要地位，历史上很多建筑家、设计 家为自己设计过椅子，如英国工艺美术运动的先驱莫里斯为自己的新居“红房子”设计了整 套家具，其中就包括椅子。不但如此，一些先锋派家具设计师积极从材料和技术方面对现代 椅子设计进行探索，寻求新的表现形式、探索新的设计风格和探究新的审美价值。 以及更好 的符合人们的身体需要，和舒适感的满足。从人们的根本需求出发，做到人机合一。随着我 国经济体制改革的深入,社会各方面得到了迅速发展。同时,经济全球化和信息网络化也对人 们的价值观形成了很大的冲击。当代大学生受到了市场经济和金钱价值观的影响,有些学生过 多考虑个人利益,在学习上表现为学习目的不正确,学习态度功利化, 上课不是睡觉就是玩手 机。在这种情况下，只有通过加强学风建设,才能使大学生确立正确的学习目的和科学严谨的 学习态度,培养良好的学习习惯,自觉形成优良的学习行为。基于这种现象的严重性，智能座 椅从本质上达到改善学风,达到营造良好学习环境的氛围的目的。2主要功能和性能指标（1）座椅重力平衡的调节功能：是由重力自平衡装置机构来完成的：重力平衡装置连接一个 定滑轮机构来实现自动提醒功能。通过力的改变，使座椅平衡度改变。这种改变仅仅限于个 人，而不影响他人，反应灵敏迅速，能多快好省的让你进入学习状态，可以说是你学习的好 帮手。（2）座椅“趣味拳击”功能：这个装置是由一精致小盒连接定滑轮而成，内设一海绵制拳击 手套，靠弹簧来控制。当力改变时，小盒被拉开，拳击手套自动弹出，达到提醒你上课的目 的。该装置生动有趣，充分提高上课效率，能够以另一种方式达到管理的目的。（3）座椅矫正功能 ：座椅的高度调节根据人体工程学来确定，当重力失去平衡时，及时调 整坐姿，达到矫正坐姿的目的。（4）座椅安全性功能：座椅上的重力自平衡装置和定滑轮的连接装置安全固定，另外他们 之间的连接线采用硬制铝丝，使其不易被破坏。3设计方案3.1重力平衡控制用重力平衡装置来实现，其结构是由双儿底座1的后支耳上端通过销轴2与推杆3的一端铰 接，双儿底座1的前支耳上端通过销轴10与平衡曲臂6的前端铰接，推杆3的另一端通过销轴4 与平衡曲臂6的下端铰接，平衡曲臂6的上端通过通过销轴5与主力壁7的后端铰接，平衡曲臂 6的平行杆前部通过销轴11与支柱9的后端铰接，支柱9的前端通过销轴8与主力壁7铰接。其 结构如图所示：3.2定滑轮连接控制定滑轮根据座椅的扶手高度设计定滑轮的大小，定滑轮一端跟平衡装置8相连，另一端 跟座椅后背的小方盒相连。当重力失去平衡的时候，即a角等于0度时，滑轮带动小方盒的 盒盖，盒内的东西自然弹出。3.3小方盒设置小方盒使用木质材料，内设轻质弹簧，弹簧上链一海绵质拳击手套，整个装置精致美观， 趣味生动。3.4座椅高度控制根据人体工程学原理设计座椅高度，扶手高度，以减轻腿部肌肉的负担，防止不自然的 弯曲姿势，降低血液循环系统的负担。座椅的高度是很重要的，应该根据工作面高度決定座 椅高度，常常出现的錯誤是从地面起量座椅的高度。決定座椅高度最重要的因素是造成人的 肘部离工作面之间有一个合适距离，距离是27525mm，在这个范围内，大腿的厚度占了一定 高度。95%男性和女性的大腿厚度是175mm。当上半身有了好的位置后，再注意到下肢。舒 服的坐姿是大腿近乎水平以及两脚被地面所支持。为了避免大腿下有过高的压力（一般发生在 大腿的前部），座位前沿到地面的高度不能大于腳底到大腿弯的距离。3.5座椅材料选取椅子表面的材料采用纤维材料，即可透气，又可减少身体下滑。不采用塑膜面，塑膜面 不透气，表面太滑，尤其在夏天容易黏在椅子表面。4理论设计计算4.1 椅子的尺寸设计4.1.1座面高度座面高度是指地面至就坐后座面上坐骨支撑处的高度。座面高度按我国尺寸度，可取为 380-450mm。适宜的椅面高度应使就坐者大腿近于水平，小腿自然垂直，脚掌平放于地面。座 面过高，身材矮小者小腿悬空时，使大腿受椅面前缘压迫，坐着感到不适，长时间这样坐， 则使小腿血液循环受阻，产生麻木肿胀感。如座面过低，则高身材的坐时骨盆倾斜，正常腰 椎曲线被拉直，增加背部肌肉负荷，易产生腰酸背痛感。所以椅面的高度以矮身材的人的小 腿加足高的树枝来设计。此高度为380-400mm为宜。对于学生学习用椅来说，人体通常需要 较直立式姿势且脚平方与地面，其高宜比休息用椅稍高。许多研究以为，工作用椅的坐高宜 用可调式，以适应大多数人使用。所以我们将教室的椅子高度进行了高度调整，因为产生了 腰酸背痛感，是由于座面过低，高身材的人坐时骨盆后倾，正常腰椎曲线被拉直，增加了北 部肌肉负荷，易产生腰酸背痛感。将原来椅子的高度增加为443mm，来符合人同学们的要求。4.1.2 椅面宽度椅面的宽度必须能容纳身材粗壮的人，原教室座椅的宽度为430mm，根据调查，分析出 百分之九十五的数值为440mm，并考虑了冬季着装的修正量，最终将座椅的宽度调整为460mm， 真正满足我校学生的生理需求，达到最佳的学习状态4.1.3 座面深度椅面深度是指椅面的前后距离，其尺寸应满足三个条件：使臀部得到充分的支持，腰部 得到靠背的支持，椅面前缘与小腿之间留有适当的距离，以保持大腿肌肉不受挤压，小腿可 以自由活动。如果座深大于身材矮小的学生大腿长，则座面前缘将压迫膝窝处压力敏感部位， 这样坐的时间久了会不舒服。因此，座深的设计应以座深的第五百分为设计，这样身材矮小 的学生坐着舒服，而身材高达的学生只要臀部得到支持，也不会在大腿部位引起疲劳。综上 所述，椅面的深度应以 400mm 左右为宜。4.1.4 座面角度经查有关资料休息用椅为 15-20 度，工作用椅小于 5 度，座垫向后倾斜有两种作用，首 先由于重心力，躯干会向靠背后移，使背部有所支撑。其次，在长期的坐姿下，座垫向后倾 斜以防止臀部逐渐滑出座面。对坐于各种不同靠背角的座椅的人体，采用肌电图测量其背部 肌肉所引变的活动力，其结果显示出具有与正中垂线成20的靠背倾斜线，即可获得良好的背 部支撑。就座椅功能和坐的动机而言，休息用椅后倾斜垫面有助于维持最佳的松弛状态。但 是根据对实际教室的测量，考虑座椅的功能，新设计座椅其座面角为 0 度，水平最适合同学 学习4.1.5 靠背的高度座椅的设计必须提供正确的腰部曲线，使脊椎处于自然均衡状态。成年人腰部前弯曲率 厚度为1.52.5cm，纵向弧度约为25cm半径，中心位置均为左面上方2326cm处，而腰椎的 支撑点位置则应稍高一点，以达到支撑人体背部重量的目的。靠背的尺寸与臀部、地面到肩 部的高度及肩宽有关。其高度尺寸值如有座垫面时，必须取自人体坐定受压后的座面。高靠 背对于某些工作（例如打字），可能会妨碍到手臂及肩部的动作，此时则应采用支撑腰部区域 的低矮式靠背。因此，必须根据适用场合不同采用不同的靠背高度，靠背高度的范围为 46cm-61cm。实际教室靠背的高度保持不变，仍520mm，并且在460mm一610mm之间，符合人 机设计要求。对靠背腰部支持的设计，因为是学习用椅，并非休息用椅，我们忽略其设计（弧 形状），但仍使靠背与人相贴合。4.1.6 靠背的宽靠背的宽应采用人体数据的第九十五百分位肩宽为宜。这样有利于背部肌肉紧张。通过 计算和查阅，得出数据为437mm,加上衣服的修正量为13mm,所以新设计的靠背宽度为450mm, 更加符合人体生理需求。同时，在设计靠背时，为了配合落座时人体向后突出的骶骨和臀部 柔软的需要。同时又要使腰部能坚实地配合在靠背上,个人建议,在座垫正上方的靠背必须 有一个开口区域,或向后倾斜退缩,其高度空间至少为 7080mm。4.1.7 靠背角度 与座垫角度一样,靠背角度也具有两种目的,防止坐姿的人体向前滑动和引导腰弯部位 依靠在靠背上。针对用于不同场合的座椅其角度设定也不同,学习读书用可取95 度100度, 若靠背与座面夹角小于90度,则腹部受压迫,而夹角太大会降低人的警觉状态。因此,我新 设计的座椅靠背角度为98度,符合人体生理需求。4.18数据整理设计前座椅尺寸尺寸名称现状数据椅面咼度390mm椅面宽度430mm椅面深度360mm靠背高度480mm背下缘距座面咼度50mm靠背宽度450mm设计后座椅尺寸尺寸名称设计后数据座面高度443mm椅面宽度460mm座面深度400mm座面角度0mm靠背的高度520mm靠背的宽度80mm靠背角度8度4.2 重力平衡装置的尺寸确定及理论分析4.21 耳座的尺寸计算由于耳座需支撑整个座椅的平衡,所以对其进行载荷分析：对座椅的重量值，必须严格按照人体工程学额定载重量的要求配置，其重量可由下列公式来 计算：W = G + KQ式中W一人对椅总重量（千克）G座椅自重（千克）K平衡系数（数值一般为0.450.55）Q人的体重（千克）4.22重力平衡装置的受力分析整个装置处于平衡环境中，在垂直方向上受重力作用，其计算式为： OWWWWFSina当人体弯曲时，其a减小时，sina减小，则整个受力增大，座椅失去平衡。4.23重力平衡机构自由度计算：该机构无虚约束和局部自由度，由n=6,Pl=7，得自由度为F=3n 2Pl=3X6 2X8=25工作原理及性能分析整套座椅靠重力平衡系统来协调，当坐姿不正确时获者大幅度趴在桌子上睡觉获者玩别 的东西时，椅面失去平衡，角度a变小，由主力壁7连接的定滑轮移动，从而拉动小方盒盒 盖。另外座椅运用人机工程学的基本原理和理论，以“安全、舒适、高效、健康”的原则， 结合国内多数大生课桌椅的设计现状，通过对本校学生课桌椅其它使用情况的详细的调查分 析，再对照学生课桌椅国家标准，利用我国大学生的人体基本尺寸，对学生课桌椅进行人机 工程学的评析，充分满足广大同学的心理需求。如图所示：6创新点及应用一：新增重力平衡控制，该装置是基于高校教学管理方面，通过人机结合，从本质上改变教 学现状，改变以往人人的管理方式，提高学风管理建设。二：座椅的高度根据人体工程学原理，能矫正坐姿，且舒适度也提高，防止近视及驼背。三：安全有趣，能形象生动的提醒同学上课时的不良行为。7成品展示改进前椅子简易图5参考文献:(1) 郭青山，汪元辉.人机工程设计M.天津大学出版社,1994.(2) 机械设计，陈东，电子工业出版社(3) 机械原理，魏兵，华中科技大学出版(4) 机械创新设计理论与方法，邹慧君，高等教育出版社(5) 网络资源