防睡一體化課桌椅創(chuàng)新設(shè)計研究

倪江忠

摘要：本文從課桌標(biāo)準(zhǔn)、人機(jī)工程學(xué)和現(xiàn)有專利技術(shù)等方面開展研究，嘗試為大學(xué)生設(shè)計一種基于人機(jī)工程學(xué)的防睡課桌椅。該防睡課桌椅既可防趴睡，又可有效防止打盹或者靠在椅背（扶手）上睡覺，是對課桌標(biāo)準(zhǔn)和防止學(xué)生課堂睡覺的一種補(bǔ)充和完善，可實現(xiàn)多樣化防睡。

關(guān)鍵詞：人機(jī)工程學(xué);防睡;課桌;創(chuàng)新設(shè)計

中圖分類號：TS664 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A

文章編碼：1672-7053（2019）08-0071-02

2017年7月，《人民日報》刊登過一篇“沉睡中的大學(xué)生：你不失業(yè)，天理難容”。2018年10月，湖南環(huán)境生物職業(yè)技術(shù)學(xué)院發(fā)布通告，決定對學(xué)業(yè)成績沒有達(dá)到要求的22名學(xué)生進(jìn)行清退;11月，985名校華中科技大學(xué)發(fā)布通告，決定把18名學(xué)生的本科學(xué)歷轉(zhuǎn)成?？?。如何喚醒沉睡中的大學(xué)生，成為社會關(guān)注的焦點，本文嘗試為防止大學(xué)生課堂睡覺創(chuàng)新設(shè)計一種基于人機(jī)工程學(xué)的防睡課桌椅。

1高等院校課桌椅標(biāo)準(zhǔn)解讀

2014年12月，中華人民共和國國家質(zhì)量監(jiān)督檢驗檢疫總局和中國國家標(biāo)準(zhǔn)化管理委員會發(fā)布《學(xué)校課桌椅功能尺寸及技術(shù)要求》（GB/T 3976-2014），2015年5月1日實施。在“高等院校課桌椅”篇中規(guī)定：在高等院校中只設(shè)一種高度的課桌椅，男女通用，品種分固定式課桌椅（適用于階梯教室，也適用于平面教室）和非固定式課桌椅（適用于平面教室）。由于地域、遺傳、飲食和體育鍛煉等因素，學(xué)生個體身高存在差異。身高決定小腿加足高、肘高等不同因素，故學(xué)生個體對課桌和椅子舒適的高度不同，男生與女生差異就更大。而國標(biāo)規(guī)定只設(shè)一種高度課桌，男女通用，容易造成大部分學(xué)生因為課桌椅不符合人機(jī)工程學(xué)而引起不舒適，容易產(chǎn)生疲勞，導(dǎo)致在課堂上打瞌睡，甚至睡覺。設(shè)計一種適合不同人群、不同性別的課桌已迫在眉睫。

2現(xiàn)有防睡課桌的局限性

現(xiàn)有防睡課桌大多是一種防趴睡，多采用壓力原理，通過語言提醒、桌面升降、傾斜等實現(xiàn)，但還有一部分同學(xué)坐著打盹或者靠在椅背（扶手）睡覺就不能有效防止。比如一種防睡桌子優(yōu)點是結(jié)構(gòu)簡單，缺點是只能防趴睡，不能防止學(xué)生坐著打盹或者靠在椅背（扶手）上睡覺。

3防睡課桌椅創(chuàng)新設(shè)計實踐

3.1防睡課桌椅設(shè)計原理

人的眼睛近似球形，包括鞏膜（眼白）、瞳孔、虹膜及角膜等幾個主要部分。人眼虹膜是位于黑色瞳孔和白色鞏膜之間的圓環(huán)狀部分，其包含很多相互交錯的斑點、細(xì)絲、冠狀、條紋、隱窩等的細(xì)節(jié)特征。虹膜在胎兒發(fā)育階段形成后，在整個生命歷程中將是保持不變的，具有唯一性，可作為身份識別的標(biāo)識，如圖1所示。防睡課桌創(chuàng)新設(shè)計正是利用人眼虹膜的唯一性和特殊的條紋作為搜索對象，輔以微型處理器判斷人眼虹膜是否處于搜索范圍，以確定人是否處于睡覺狀態(tài)。

3.2防睡課桌椅功能尺寸設(shè)計

國際人類工效學(xué)學(xué)會為人機(jī)工程學(xué)下了最有權(quán)威、最全面的定義：即研究人在某種工作環(huán)境中的解剖學(xué)、生理學(xué)和心理學(xué)等方面的因素;研究人和機(jī)器及環(huán)境的相互作用;研究在工作中、家庭生活中和休假時怎樣統(tǒng)一考慮工作效率、健康、安全和舒適等問題的學(xué)科。人機(jī)工程學(xué)最大特點在于將人一機(jī)—環(huán)境作為一個系統(tǒng)來設(shè)計。

從人機(jī)工程學(xué)的角度研究課桌椅，主要是把人、課桌椅和環(huán)境作為一個系統(tǒng)來研究，重點考慮人在使用課桌椅時的舒適性、健康性和安全性三個方面的問題。課桌椅功能尺寸決定人在使用過程中是否舒服，須重點研究課桌面高度和課椅面高度兩個尺寸。《學(xué)校課桌椅功能尺寸及技術(shù)要求》（GB/T 3976-2014）規(guī)定高校固定式課桌椅和非固定式課桌和課椅主要尺寸如表1。

首先來研究課椅面高度：如果課椅面太高，人的腳無法著地，將壓迫大腿神經(jīng)，導(dǎo)致腿部麻木;如果課椅面太低，人的小腿必須彎曲或者前伸，容易引起疲勞或者不舒服。國標(biāo)GB10000-88是1989年7月開始實施的我國成年人人體尺寸國家標(biāo)準(zhǔn)。該標(biāo)準(zhǔn)共提供了七類共47項人體尺寸基礎(chǔ)數(shù)據(jù)，從提供的表中查詢坐姿人體尺寸：小腿加足高，百分位數(shù)為P5的人群男性為383mm，女性為342mm;百分位數(shù)為P50的人群男性為413mm，女性為382mm;百分位數(shù)為P95的人群男性為448mm，女性為405mm;再查詢正常人著裝身體尺寸修正值：鞋高修正量為：25—38mm，著裝衣服修正量為3mm。以課椅面高度計算為例：課椅面高度=小腿加足高+鞋高-著裝修正量，具體計算過程見表2。

從表2可以得出：課椅面高度差達(dá)95mm左右。在人性化設(shè)計的今天，高度可調(diào)或者多種型號桌椅成為必然趨勢。現(xiàn)今GB/T3976-2014中規(guī)定高校固定式或非固定式課椅面高度只有一種為410+10mm，僅能適用偏矮的男性和中等高的女性。

繼續(xù)研究桌面高度：桌面過高，人的雙手將上抬，腰椎前突;桌面過低，人的雙手將下放，腰椎后突。無論腰椎前突或者后突，腰弧曲線都處于非正常狀態(tài)。一旦脊椎偏離自然狀態(tài)，肌腱組織就會受到相互壓力（或拉伸）的作用，使肌肉活動度增加，導(dǎo)致疲勞，甚至將椎間盤從腰椎之間擠出來，壓迫中樞神經(jīng)，產(chǎn)生腰部酸痛、疲勞等不適感。人體各種不同姿勢下所產(chǎn)生的腰椎曲線如圖2，想要獲得與腰椎幾乎一致的腰弧曲線，軀干與大腿之間必須大于90°的角度，如圖2中F腰弧曲線。為保持正常的腰弧曲線，可采取座面適當(dāng)前傾，這樣更加適合工作、學(xué)習(xí)等有一定精度要求的工作。座面傾斜角度建議為10°左右，如果靠背后傾5°左右，則相當(dāng)于座面與靠背夾角為105°，這是坐姿要求的最少舒適角度。為防止坐著從座面滑脫，坐者需用腿部抵住地面，而—體化課桌椅剛好利用課桌底座與地面高度差實現(xiàn)坐者前滑。

3.3防睡課桌椅構(gòu)成

防睡課桌椅包括課桌和座椅，兩者為一個整體。桌面上裝有攝像器材、警示燈、課桌升降按鈕和椅子升降按鈕，桌面內(nèi)裝有微型處理器（包括蓄電池、開關(guān)、圖像處理器），課桌和椅子下都裝有升降彈簧裝置;攝像器材、課桌升降按鈕和椅子升降按鈕與微型處理器連接，微型處理器再分別與桌面警示燈、課桌下彈簧升降裝置和椅子下升降彈簧裝置連接;連接件起到傳達(dá)數(shù)據(jù)作用，如圖3所示。

從人機(jī)工程學(xué)的角度設(shè)計一款舒適的課桌椅，桌面和座面高度應(yīng)該都為可調(diào)。從表2可知座面高度最低為375mm，最高為470 mm，可調(diào)高度為95mm;從表1可知桌面高度與座椅椅面高度差少于等于320mm，故桌面高度最低為695 mm，最高為790mm。

3.4防睡課桌椅的使用

在使用防睡課桌椅前，需提前采集學(xué)生人眼虹膜數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)采集完成后可通過網(wǎng)絡(luò)傳輸?shù)矫繌埛浪n桌椅。學(xué)生上課前需先調(diào)整防睡課桌椅課桌的高度，先按桌面高度調(diào)節(jié)按鈕，調(diào)整桌面高度至適合學(xué)生舒適的高度：按一次桌面往上上升，連續(xù)按兩下，桌面往下下降，當(dāng)上升或者下降到合適高度是，再次按按鈕，桌面停止升降;同理可以按座椅升降按鈕調(diào)整座椅面高度以適合學(xué)生坐姿的高度。課堂上，桌面攝像器材開始對人的頭部進(jìn)行拍攝，并將拍攝到的圖像傳輸?shù)轿⑿吞幚砥?，微型處理器對搜索到的人眼虹膜進(jìn)行判斷。如果圖像中虹膜連續(xù)存在，說明學(xué)生處于正常聽課狀態(tài)，不做任何操作;如虹膜間斷或連續(xù)1分鐘在圖像中搜索不到，桌面開啟警示燈，學(xué)生察覺到警示燈亮，必須及時調(diào)整好姿勢或者狀態(tài)，警示燈熄滅，若學(xué)生置警示燈亮而不顧或者處于睡覺狀態(tài)，5分鐘內(nèi)無法繼續(xù)搜索人眼虹膜，微型處理將發(fā)出指令啟動座椅彈簧裝置升降裝置，甚至旋轉(zhuǎn)，以實現(xiàn)防睡目的。

4總結(jié)

基于人機(jī)工程學(xué)的防睡課桌椅創(chuàng)新設(shè)計，通過對人眼虹膜的搜索，借助微型處理器對搜索到的圖像進(jìn)行處理，從而判斷學(xué)生上課時所處的狀態(tài)，其優(yōu)點：一是基于人機(jī)工程學(xué)設(shè)計座椅面和課桌面高度可調(diào)，是對國標(biāo)（GB/T 3976-2014）一種補(bǔ)充和完善，大大提高產(chǎn)品使用的舒適度，能滿足各種百分位人群對功能尺寸使用的需求;二是有效防止打盹或者靠在椅背（扶手）上睡覺，是對學(xué)生課堂睡覺的一種補(bǔ)充和完善，實現(xiàn)多樣化防睡。

雖然該防睡課桌椅提高了舒適性和實現(xiàn)了多樣化防睡，但也存在自身不足：成本相對比較高，推廣和普及存在一定困難。針對以上不足，筆者認(rèn)為在現(xiàn)有技術(shù)條件下可以在一定范圍內(nèi)對部分人群使用，比如一個教室放置5—10臺左右，專門用于那些在課堂上經(jīng)常睡覺的學(xué)生。