作者：吳菁菁 徐樂 張志強(qiáng)

單位：河海大學(xué)

指導(dǎo)老師：施敏虎 趙建華

一、作品簡(jiǎn)介

1. 作品介紹

? ? ? ?久坐本身及其導(dǎo)致的各種錯(cuò)誤坐姿行為常常會(huì)引發(fā)一系列健康問題，不利于人體健康。

? ? ? ?椅子作為人在久坐狀態(tài)下與人體接觸時(shí)間最長(zhǎng)的工具則成為了市場(chǎng)上矯正坐姿的首要產(chǎn)品。

? ? ? ?經(jīng)過對(duì)市場(chǎng)上現(xiàn)有產(chǎn)品的對(duì)比研究發(fā)現(xiàn)，一個(gè)優(yōu)秀的坐姿矯正椅應(yīng)具備以下特點(diǎn)：

? ? ? ? ? ? ? 1）通過新的提醒方式解決傳統(tǒng)坐姿矯正椅警示效果不明顯的問題；

? ? ? ? ? ? ? 2） 打破常規(guī)，一椅多用，增加功能調(diào)節(jié)模式，提升座椅性價(jià)比和用戶體驗(yàn)度；

? ? ? ? ? ? ? 3）基于人機(jī)工程學(xué)設(shè)計(jì)追求座椅使用舒適度，同時(shí)結(jié)合青少年成長(zhǎng)需求，合理延展座椅適用年齡段。

? ? ? ?據(jù)此，本作品進(jìn)行了智能正姿椅的設(shè)計(jì)和研究，希望能為大家解決坐姿行為習(xí)慣養(yǎng)成的問題。

? ? ? 本裝置的設(shè)計(jì)目標(biāo)是解決現(xiàn)有坐姿矯正產(chǎn)品功能單一、效果不明顯、體驗(yàn)感不佳等問題。本作品由“變形金剛”得到靈感，打破思維定勢(shì)，結(jié)合人機(jī)工程學(xué)原理，設(shè)計(jì)出了一款可以“變形”的智能椅，既能成為使用者坐姿矯正的好幫手，又能給使用者帶來新鮮有趣的體驗(yàn)感。

結(jié)構(gòu)方面。

? ? ? 該裝置整體由四大部分構(gòu)成：

? ? ? ? ? ? ?① 椅面處一組聯(lián)動(dòng)式平行四邊形機(jī)構(gòu)；

? ? ? ? ? ? ?② 椅背處一組聯(lián)動(dòng)式曲柄滑塊機(jī)構(gòu)；

? ? ? ? ? ? ?③ 膝靠板處一組聯(lián)動(dòng)式平行四邊形與曲柄滑塊組合機(jī)構(gòu)；

? ? ? ? ? ? ?④ 椅面雙側(cè)齒輪傳動(dòng)剪叉式復(fù)合椅腿構(gòu)成。

? ? ? 機(jī)構(gòu)①②③合稱為對(duì)稱式主軸聯(lián)動(dòng)機(jī)構(gòu)，負(fù)責(zé)實(shí)現(xiàn)椅背傾角由90°至180°的變換以及膝靠板的收放功能；機(jī)構(gòu)④通過齒輪傳動(dòng)實(shí)現(xiàn)兩側(cè)復(fù)合椅腿的角度開合，實(shí)現(xiàn)椅面升降與傾斜。

? ? ? 控制方面，主要包括arduino開發(fā)板、電機(jī)、超聲波傳感器、蜂鳴器、壓力傳感器、觸碰開關(guān)等。開發(fā)板是整個(gè)控制系統(tǒng)的中心，通過開發(fā)板對(duì)電機(jī)的控制，使得對(duì)稱式主軸聯(lián)動(dòng)機(jī)構(gòu)可以調(diào)整為不同的姿態(tài)，實(shí)現(xiàn)控制椅背以及膝靠板的角度變換。超聲波傳感器和壓力傳感器是監(jiān)測(cè)模塊的核心部分，蜂鳴器和電機(jī)是干預(yù)模塊的響應(yīng)部分。當(dāng)兩個(gè)超聲波傳感器檢測(cè)到距離差大于設(shè)定值時(shí)，釋放電信號(hào)，開發(fā)板根據(jù)程序及檢測(cè)到的電信號(hào)，啟動(dòng)干預(yù)模塊。同理，當(dāng)壓力傳感器檢測(cè)到持續(xù)壓力時(shí)間超過設(shè)定值或兩個(gè)壓力傳感器所測(cè)數(shù)值差大于設(shè)定值時(shí)，干預(yù)模塊開啟。觸碰開關(guān)安裝在座椅扶手兩側(cè)，當(dāng)使用者按住開關(guān)時(shí)，開發(fā)板根據(jù)程序及檢測(cè)到的電信號(hào)做出相應(yīng)調(diào)整。

應(yīng)用場(chǎng)景，可變式智能正姿椅旨在幫助“久坐族”和坐姿習(xí)慣不當(dāng)?shù)娜巳海缟习嘧?，學(xué)生等，可用于辦公室，自習(xí)室和居家環(huán)境等場(chǎng)景，有助于使用者養(yǎng)成健康行為習(xí)慣，避免脊柱健康問題等，同時(shí)可實(shí)現(xiàn)“一椅多用”。

? ? ? 在制作過程中，小組成員用matlab對(duì)所需數(shù)據(jù)進(jìn)行了分析，簡(jiǎn)化物理模型，用solidworks 進(jìn)行了模型構(gòu)建和關(guān)鍵零部件的靜力分析，用 arduino 進(jìn)行編程，控制電機(jī)、舵機(jī)等結(jié)構(gòu)。本裝置的物理模型由探索者套件搭建，并燒入程序進(jìn)行調(diào)試，在調(diào)試中不斷根據(jù)實(shí)際反饋結(jié)果優(yōu)化結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。經(jīng)過近兩個(gè)月的制作與優(yōu)化，團(tuán)隊(duì)制作出了物理樣機(jī)，實(shí)現(xiàn)了預(yù)期功能。

2. 工作過程

2.1坐姿矯正過程

? ? ? ?該裝置的矯正過程如下圖所示，當(dāng)產(chǎn)生錯(cuò)誤坐姿時(shí)，監(jiān)測(cè)系統(tǒng)發(fā)出電信號(hào)，單片機(jī)進(jìn)行處理，并開啟矯正過程，座椅兩側(cè)電機(jī)工作，帶動(dòng)齒輪傳動(dòng)及復(fù)合椅腿角度變換，從而使椅面高度改變，在一定程度上干擾使用者，達(dá)到提醒使用者矯正坐姿的目的。當(dāng)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)檢測(cè)到使用者重新坐好時(shí)，座椅椅面恢復(fù)正常。整個(gè)裝置完成坐姿矯正功能。此外，當(dāng)使用者按壓觸碰開關(guān)時(shí)產(chǎn)生持續(xù)電信號(hào)也可自主調(diào)整座椅高度。

2.2 模式變換過程

? ? ? 該裝置三種模式如下圖所示，椅面為固定部分，舵機(jī)帶動(dòng)椅面處平行四連桿機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)，從而帶動(dòng)與其前后兩端固連的椅背和膝靠板機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)，使椅背與膝靠板都能以椅面所在軸線旋轉(zhuǎn)。同時(shí)，膝靠板處另設(shè)一舵機(jī)，控制曲柄滑塊機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)，實(shí)現(xiàn)膝靠板單獨(dú)收放，該裝置完成模式變化過程。

3. 創(chuàng)新點(diǎn)介紹

3.1功能創(chuàng)新

? ? ? ① 本裝置采用基于壓力傳感器的人體坐姿識(shí)別測(cè)試方法對(duì)使用者的坐姿進(jìn)行判斷，該監(jiān)測(cè)方法具有操作方便、穩(wěn)定性高、準(zhǔn)確率高、成本較低等優(yōu)點(diǎn)。

? ? ? ② 本裝置結(jié)合蜂鳴器警報(bào)以及椅面高度變化的強(qiáng)制干預(yù)功能，與傳統(tǒng)提示相比，能夠有效地實(shí)時(shí)干預(yù)使用者的錯(cuò)誤坐姿，幫助使用者自覺養(yǎng)成健康的坐姿習(xí)慣。

? ? ? ③ 本裝置提供了三種坐姿模式的選擇，實(shí)現(xiàn)了一椅多用功能，同時(shí)可以自主調(diào)整座椅高度和椅背傾斜角度，滿足不同使用者的需求。

3.2設(shè)計(jì)創(chuàng)新

? ? ? ① 采用剪叉式復(fù)合升降椅腿代替?zhèn)鹘y(tǒng)氣壓升降立柱。傳統(tǒng)氣壓升降椅會(huì)由于零部件老化、產(chǎn)品質(zhì)量欠佳以及使用習(xí)慣不正確發(fā)生爆炸，具有極大的安全隱患，在綜合考量各種機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)的優(yōu)缺點(diǎn)后，本裝置采用剪叉式復(fù)合椅腿完成座椅升降功能，經(jīng)過實(shí)驗(yàn)和分析，該機(jī)構(gòu)具有穩(wěn)定性強(qiáng)、安全性能高等優(yōu)點(diǎn)。 ?

? ? ? ② 采用對(duì)稱式主軸聯(lián)動(dòng)機(jī)構(gòu)實(shí)現(xiàn)椅背、膝靠板配合運(yùn)動(dòng)。為實(shí)現(xiàn)座椅三種模式的正常變換，本裝置特地采用由平行四邊形機(jī)構(gòu)與曲柄滑塊復(fù)合機(jī)構(gòu)組成的對(duì)稱式主軸機(jī)構(gòu)，該設(shè)計(jì)具有運(yùn)動(dòng)平穩(wěn)連續(xù)、操作方便等優(yōu)點(diǎn)，能夠較好地實(shí)現(xiàn)座椅仰躺式、膝靠式以及常規(guī)式三種模式的轉(zhuǎn)變。

二、裝置介紹

1. 機(jī)械結(jié)構(gòu)總體規(guī)劃設(shè)計(jì)

? ? ? ?本裝置核心部分為對(duì)稱式主軸聯(lián)動(dòng)機(jī)構(gòu)，主要包括聯(lián)動(dòng)式平行四邊形機(jī)構(gòu)與曲柄滑塊機(jī)構(gòu)，該設(shè)計(jì)在一定程度上既確保了運(yùn)動(dòng)的流暢性，也保證了裝置的穩(wěn)定性；同時(shí)該裝置摒棄傳統(tǒng)的液壓升降裝置，創(chuàng)新椅腿結(jié)構(gòu)化設(shè)計(jì)，采用齒輪傳動(dòng)搭載剪叉式復(fù)合椅腿的設(shè)計(jì)，通過變換復(fù)合椅腿開合角度實(shí)現(xiàn)座椅升降。

? ? ? ?具體研究步驟如下：

? ? ? ?① 搜集資料分析各種機(jī)構(gòu)優(yōu)缺點(diǎn)，由裝置具體功能確定各機(jī)構(gòu)及其連接方式；

? ? ? ?② 根據(jù)人機(jī)工程學(xué)及機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)方程確定機(jī)構(gòu)間角度變化范圍；

? ? ? ?③ 使用 Solidworks 軟件，搭建裝置模型，并進(jìn)行運(yùn)動(dòng)仿真，確保各機(jī)構(gòu)間運(yùn)動(dòng)互不干涉。

1.1變換機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)

? ? ? 變換機(jī)構(gòu)采用如下圖所示的對(duì)稱式主軸聯(lián)動(dòng)設(shè)計(jì)，可分為椅面、椅背和膝靠板三部分，包括椅面處平行四邊形機(jī)構(gòu)，椅背處曲柄滑塊機(jī)構(gòu)與膝靠板處平行四邊形機(jī)構(gòu)與曲柄滑塊組合機(jī)構(gòu)。若機(jī)構(gòu)存在死點(diǎn)位置，則該處的驅(qū)動(dòng)力對(duì)從動(dòng)件有效回轉(zhuǎn)力矩為零，會(huì)對(duì)連續(xù)傳動(dòng)產(chǎn)生阻礙，從而影響裝置運(yùn)動(dòng)的流暢性。由于本裝置采用的平行四邊形機(jī)構(gòu)屬于雙曲柄機(jī)構(gòu)，無死點(diǎn)位置，故僅需考慮兩處曲柄滑塊處的死點(diǎn)位置。當(dāng)曲柄連桿與滑塊行程軌跡共線時(shí)形成死點(diǎn)位置，但通過規(guī)定角度范圍，已有效避免機(jī)構(gòu)到達(dá)死點(diǎn)位置。

1.2 矯正機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)

? ? ? 矯正機(jī)構(gòu)主要由椅面兩側(cè)齒輪傳動(dòng)搭載剪叉式復(fù)合椅腿構(gòu)成，如下圖所示。該設(shè)計(jì)結(jié)合

? ? ? 剪叉式升降機(jī)構(gòu)和開合式機(jī)械爪模型，采用“X”形復(fù)合椅腿設(shè)計(jì)?！癤”形椅腿由腿1、腿2組成，上端分別與齒輪軸相連，下端與滾輪相連，確保流暢度與穩(wěn)定性。電機(jī)控制齒輪傳動(dòng)，帶動(dòng)“X”角度變換，從而控制椅面升降。通過椅面升降這一行為干預(yù)措施達(dá)到提醒使用者矯正坐姿目的。

2. 監(jiān)測(cè)模塊設(shè)計(jì)

? ? ? 本作品采用基于壓力傳感器的人體坐姿識(shí)別測(cè)試方法來監(jiān)測(cè)使用者的不同坐姿狀態(tài)，并以此判斷錯(cuò)誤坐姿。具體研究步驟如下：

? ? ? ① 將人與椅面接觸部分簡(jiǎn)化為“兩點(diǎn)一線”，即兩個(gè)坐骨接觸點(diǎn)和一條脊柱線段，如下圖所示：

② 根據(jù)簡(jiǎn)化物理模型，在椅面坐骨兩點(diǎn)處分別安裝壓力傳感器，在椅背處脊柱線段對(duì)應(yīng)的上下兩點(diǎn)分別安裝超聲波傳感器，如下圖所示：

③ 收集不同錯(cuò)誤坐姿下對(duì)應(yīng)的傳感器數(shù)據(jù)，并用 matlab 對(duì)所得數(shù)據(jù)進(jìn)行擬合分析；

④ 編寫程序，設(shè)定傳感器響應(yīng)范圍，確保在錯(cuò)誤坐姿發(fā)生時(shí)，傳感器能夠發(fā)生電信號(hào)，并由單片機(jī)進(jìn)行下一步工作，到此監(jiān)測(cè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)完成。

3. 人機(jī)工程學(xué)設(shè)計(jì)

? ? ? ?為給使用者帶來更好的舒適性體驗(yàn)，本設(shè)計(jì)結(jié)合人機(jī)工程學(xué)原理與使用群體特征，對(duì)座椅各方面尺寸指標(biāo)進(jìn)行了分析與研究。

? ? ? ① 座椅高度：研究表明，為避免大腿下有過高的壓力，座位前沿到地面或腳踏的高度不應(yīng)大于腳底到大腿膝蓋的距離。對(duì)于青少年而言，椅面高度可調(diào)范圍以38~45cm為宜，并且應(yīng)設(shè)計(jì)為可調(diào)整式, 以適應(yīng)不同用戶的身體尺寸。

? ? ? ② 椅面寬度：椅面寬度以38~48cm為宜。對(duì)于有扶手的座椅, 應(yīng)以扶手的內(nèi)寬作為座寬的尺寸, 一般不應(yīng)小于47cm。

? ? ? ③ 椅面傾角：一般情況下，座面傾角越大，下肢肌肉受力就越小，疲勞度也越小。但學(xué)習(xí)用椅的傾角不能太大, 一般4~5°為宜。

? ? ? ④ 座椅靠背：靠背設(shè)計(jì)的主要目的是為脊柱提供穩(wěn)定的支承, 放松背肌, 使椎間盤接近正常受力狀態(tài)。就人體脊柱形狀而言, 為使脊柱接近于自然的S形生理曲度,靠背角度115°左右為最佳。

4. 靜力學(xué)分析

? ? ? 在solidworks進(jìn)行建模，并使用其中的simulation模塊對(duì)模型部分部件進(jìn)行強(qiáng)度校核。本節(jié)中校核的零部件考慮到質(zhì)量和強(qiáng)度的問題，均采用合金鋼材料。彈性模量為2.1e+11N/m^2，質(zhì)量密度為7700kg/m^3，中泊松比為0.28。具體操作步驟為：

? ? ? ① 在 solidworks 內(nèi)建立模型，打開solidworks中的simulation模塊；

? ? ? ② 對(duì)模型進(jìn)行網(wǎng)格劃分；

? ? ? ③ 對(duì)模型添加約束；

? ? ? ④ 對(duì)模型添加應(yīng)力；

? ? ? ⑤ 進(jìn)行仿真，得出應(yīng)力分布云圖。

? ? ? 椅面、椅腿、齒輪的應(yīng)力分布云圖如上所示，當(dāng)根據(jù)人體較大體重添加至2000N時(shí)，通過云圖可以看出這三部分均無應(yīng)力破壞現(xiàn)象，符合工作條件。由此可知，根據(jù)人體質(zhì)量當(dāng)添加較大重力時(shí)，其應(yīng)力變化均在承受載荷所允許的范圍內(nèi)，因此該作品設(shè)計(jì)滿足正常的使用需求。

三、程序代碼

1. 示例程序

2. 資料下載

資料內(nèi)容：

①程序源代碼

②樣機(jī)3D文件

資料下載地址：可變式智能正姿椅【https://www.robotway.com/h-col-252.html】

四、參考文獻(xiàn)

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