一種智能化辦公桌椅的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)及其運(yùn)動仿真

畢大品 黃金桂 盧艷 管佳程 李朱鋒

摘 要：現(xiàn)如今，智能化家具的發(fā)展已成為了一種新趨勢。本文以人機(jī)工程學(xué)、美學(xué)的理念為設(shè)計(jì)元素，設(shè)計(jì)出一種集“辦公—休閑—健康”三位一體的智能化辦公桌椅，通過對其運(yùn)動分析達(dá)到兩種模式五種狀態(tài)，最后采用PLC控制實(shí)現(xiàn)智能化辦公桌椅的配合使用。

關(guān)鍵詞：辦公桌椅;結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì);運(yùn)動仿真

1 緒論

隨著智能化技術(shù)的不斷進(jìn)步，而智能化辦公家具的發(fā)展成為了一種趨勢。普通的辦公桌椅功能過于單一，并且久坐危害健康，本文以人機(jī)工程學(xué)、美學(xué)的理念為設(shè)計(jì)元素，設(shè)計(jì)出一種適合那些追求時尚的白領(lǐng)人群、學(xué)生、小戶型住戶的“旋式”升降的集“辦公—休閑—健康”三位一體的智能化辦公桌椅，并利用PLC準(zhǔn)確地控制執(zhí)行部件完成所需要的動作，實(shí)現(xiàn)辦公模式和休閑模式的相互轉(zhuǎn)化。

2 功能分析

本次設(shè)計(jì)的智能化辦公桌椅分工作和休閑兩種模式，可以實(shí)現(xiàn)坐、站、躺三種姿勢的相互轉(zhuǎn)換，這樣不但可以極大地提高人們的工作效率，而且也方便人們的日常生活。

其辦公模式有三種狀態(tài)：（1）辦公桌單獨(dú)使用，將桌面升高，使人站著工作保持舒服狀態(tài);（2）桌椅的配合，氣缸未升高時，桌面呈水平靜止?fàn)顟B(tài)，此時人可以坐著進(jìn)行辦公;（3）桌椅的配合，氣缸升高時，前桌腿的部分桌面足夠人正常辦公。

其休閑模式有兩種狀態(tài)：（1）單獨(dú)使用智能化辦公椅，人躺在椅子上便可以達(dá)到理想的舒適狀態(tài);（2）桌椅的配合使用，調(diào)整桌面的高度和傾斜角度，滿足各類人的舒適需求。

3 新型智能化辦公座椅的設(shè)計(jì)

3.1 智能辦公桌的設(shè)計(jì)

智能化辦公桌主要由前桌腿、后桌面、后腿柱和連接部件四部分組成，前桌腿與后桌面由連接軸連接，而后桌面與后腿柱是通過連接部分導(dǎo)軌和聯(lián)結(jié)件配合連接。如圖1所示。

由《中國成年人人體尺寸》標(biāo)準(zhǔn)（GB/T 10000—1988），桌子的設(shè)計(jì)尺寸如圖2所示。

3.2 智能化辦公椅的設(shè)計(jì)

由上面的坐姿研究以及人機(jī)工程學(xué)和美學(xué)理念的設(shè)計(jì)元素，智能化辦公椅的組成結(jié)構(gòu)主要包括坐墊、靠背、扶手、腿靠和傳動部分，如圖3所示。

由《中國成年人人體尺寸》標(biāo)準(zhǔn)（GB/T 10000—1988），椅子的設(shè)計(jì)尺寸如圖4所示。

4 智能化辦公桌椅的配合模式分析

該智能化辦公桌椅分兩種模式，其中辦公模式根據(jù)坐、站三種不同情況可分為三種辦公狀態(tài)，休閑兩種模式根據(jù)坐、躺兩種不同情況可分為兩種休閑狀態(tài)，共計(jì)五種狀態(tài)從而可以實(shí)現(xiàn)坐、站、躺三種狀態(tài)，辦公和休閑兩種模式的相互轉(zhuǎn)換，不但可以極大的提高人們的工作效率，而且也方便人們的日常生活。

4.1 辦公狀態(tài)一

根據(jù)人體工程學(xué)保證坐墊與靠背之間的夾角在95°到105°范圍內(nèi)，可使座椅處于辦公狀態(tài)氣缸未升高時，適當(dāng)調(diào)整桌椅距離，保證人在辦公時眼睛到物體的距離在500mm以內(nèi)，以便人在工作時達(dá)到最舒服的坐姿狀態(tài)。桌面呈水平靜止?fàn)顟B(tài)，如圖5的左圖。此時，人可以坐到椅子上進(jìn)行正常的辦公，桌面上還內(nèi)嵌有一個大支撐板可以拉開，以便支撐書籍、資料、筆記本電腦等，它的旋轉(zhuǎn)角度范圍在0°到120°之間，能夠根據(jù)人體的需要進(jìn)行有效調(diào)整，如圖5的右圖所示。

4.2 辦公狀態(tài)二

當(dāng)前桌腿的部分桌面足夠人正常地處理一些文件時，可適當(dāng)升高氣缸，升高的后桌面除了可以起到支撐的作用外，還可以用于粘貼工作時的資料或者用來提醒自己需要做的事項(xiàng)的便利貼等，還可以進(jìn)行專業(yè)的圖紙繪制等工作，如圖6的左圖所示。

此外，可以利用內(nèi)嵌在后桌面的大支撐板的背面進(jìn)行支撐，將它水平放置，可以支撐筆記本電腦。如圖6的右圖所示。

4.3 辦公狀態(tài)三

長期坐著工作會對身體健康帶來很大的傷害，所以本文設(shè)計(jì)站立辦公狀態(tài)。將桌面升高，大支撐板與地面的高度在1020mm左右，符合人機(jī)工程學(xué)，使人站著工作保持舒服狀態(tài)，如圖7所示。

4.4 休閑狀態(tài)一

第一種休閑狀態(tài)單獨(dú)使用智能化辦公椅，調(diào)整靠背與椅面的角度在110°到120°之間，此時按照人機(jī)工程學(xué)原理，人躺在椅子上便可以達(dá)到理想的舒適狀態(tài)，實(shí)現(xiàn)較好的休閑功能，如圖8所示。

4.5 休閑狀態(tài)二

除休息狀態(tài)外，還可以進(jìn)行娛樂活動。在休閑狀態(tài)一的基礎(chǔ)上，與智能化辦公桌配合，調(diào)整桌面的高度和傾斜角度，以此來滿足各類人的舒適需求。

當(dāng)桌面未升高時，利用大支撐板支撐筆記本電腦、平板電腦或手機(jī)等，如圖9的左圖所示。當(dāng)桌面升高后，可以用后桌面和大支撐板來支撐筆記本電腦、平板電腦或手機(jī)等，如圖9的中圖和右圖所示。此時，人可以躺在椅子上，觀看桌面上筆記本電腦放的電視劇、電影、綜藝等節(jié)目，達(dá)到休閑娛樂的效果。

5 智能化辦公桌椅的運(yùn)動分析

5.1 運(yùn)動仿真分析

根據(jù)上一節(jié)智能化辦公桌椅的兩種模式的介紹，利用SolidWorks制圖軟件的運(yùn)動仿真來分別實(shí)現(xiàn)智能化辦公桌椅兩種模式的轉(zhuǎn)換。

5.2 桌子的運(yùn)動仿真

桌子的運(yùn)動過程是由氣缸進(jìn)氣口進(jìn)氣，從而推動活塞桿向上運(yùn)動，帶動聯(lián)結(jié)件在與桌面相連的導(dǎo)軌上來回移動，進(jìn)而推動桌面上升移動。

對桌子進(jìn)行了運(yùn)動仿真，由圖10可知，在活塞桿上加了一個相對于氣缸向上運(yùn)動的線性馬達(dá)，使它以50mm/s的勻速度向上運(yùn)動，從而實(shí)現(xiàn)后桌面的抬起。例如，后桌面水平狀態(tài)時的高度為760mm，活塞桿以50mm/s的勻速推動后桌面上升，運(yùn)行5秒后，此時后桌面打開大支撐板呈水平狀態(tài)后距離地面的高度為1010mm，達(dá)到人站立工作的要求。圖11為桌子的速度時間圖。

5.3 椅子的運(yùn)動仿真

椅子的運(yùn)動過程是以靠背和坐墊的連接軸為軸心進(jìn)行轉(zhuǎn)動，椅背帶動與之連接的曲桿，進(jìn)而使曲桿帶動滾輪在腿靠背的軌道上往返移動，從而撐起腿靠，達(dá)到座椅變躺椅的目的。

圖12和圖13是座椅到躺椅轉(zhuǎn)動的起始圖和最終圖，對座椅進(jìn)行運(yùn)動仿真，由圖14可得，在靠背和坐墊的連接軸上加了一個相對于坐墊向后運(yùn)動的旋轉(zhuǎn)馬達(dá)，設(shè)定轉(zhuǎn)速為1RPM實(shí)現(xiàn)等速轉(zhuǎn)動，當(dāng)轉(zhuǎn)動5s后，椅子靠背的背傾角從104°的工作狀態(tài)向后轉(zhuǎn)動20°，背傾角變?yōu)?24°，達(dá)到休閑狀態(tài)，從而實(shí)現(xiàn)座椅的運(yùn)動仿真。圖15為旋轉(zhuǎn)馬達(dá)的轉(zhuǎn)速時間圖。

5.4 智能化辦公桌的PLC控制

智能化辦公桌的運(yùn)動是通過氣缸的升降實(shí)現(xiàn)的，氣缸閥門與PLC控制器連接，按鈕開關(guān)給PLC控制器發(fā)送指令來控制氣動閥門，從而推動活塞桿向上運(yùn)動，帶動聯(lián)結(jié)件在導(dǎo)軌上移動，抬升桌面，最終達(dá)到理想高度。

智能化辦公椅的運(yùn)動是連接軸的轉(zhuǎn)動，按鈕開關(guān)給PLC控制器發(fā)送指令來控制連接軸，帶動曲桿轉(zhuǎn)動，從而推動滾輪使小腿坐墊部分升起，最終實(shí)現(xiàn)座椅變躺椅的動作，達(dá)到舒適狀態(tài)。

6 結(jié)語

本文通過對互聯(lián)網(wǎng)時代下辦公形態(tài)的研究，了解人們對智能化辦公桌的需求，以人機(jī)工程學(xué)、美學(xué)的理念為設(shè)計(jì)元素，在制圖軟件SolidWorks2015上設(shè)計(jì)出桌子和椅子的模型。在反復(fù)修改調(diào)整之后，最終設(shè)計(jì)出智能化辦公氣缸桌和智能化辦公躺椅。桌椅進(jìn)行配合使用能夠?qū)崿F(xiàn)辦公模式和休閑模式兩種狀態(tài)，達(dá)到“辦公—休閑—健康”三位一體的效果。

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基金項(xiàng)目：江蘇省高等學(xué)校大學(xué)生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)訓(xùn)練計(jì)劃項(xiàng)目：基于PLC的新型智能辦公桌椅的設(shè)計(jì)（201712056011Y）

作者簡介：畢大品（1995—），男，漢族，江蘇鎮(zhèn)江人，本科，研究方向：機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。

通訊作者：李朱鋒（1989—），男，漢族，江蘇南通人，碩士，講師，主要研究方向：工程力學(xué)與機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。