智能辦公桌手托及桌面設計

赫 亮， 劉 偉， 曹夢昊

（1.北京建筑大學 機電與車輛工程學院， 北京 100044； 2.北京市建筑安全監(jiān)測工程技術研究中心， 北京100044）

0 引言

智能辦公桌的研發(fā)可以在一定程度上解決人們久坐不動對身體的影響， 同時還能為人們在辦公室工作提供一定的便利[1]。智能辦公桌應該不僅僅是辦公的基本工具，還應該能夠為人們提供更多的樂趣， 讓公司的員工在高強度的工作中保持良好的情緒和健康的身體[2]。

目前市場上售賣的辦公桌大多數(shù)只能實現(xiàn)升降功能，改變辦公桌的高度，從而實現(xiàn)站立式辦公和坐式辦公的轉換[3]。 在實際調查當中，智能辦公桌需要更多更加便捷和更加舒適的體驗[4]。本款智能辦公桌即從另外的角度進行了設計，在桌面部分設計了環(huán)抱式手托系統(tǒng)，該系統(tǒng)主要有以下優(yōu)點：①讓用戶體驗到私人空間的存在，擁有一定的環(huán)抱感，提升辦公室人員的工作熱情和效率；②在工作時將桌面的寬度增加，在工作后收回，達到節(jié)省空間的目的； ③后期可以在手托上放置光敏傳感器或者壓力傳感器，以配合單片機系統(tǒng)內置的定時器，檢測辦公人員工作時間， 從而可以達到用戶辦公人員工作或學習一定的時間之后， 系統(tǒng)能夠智能地提醒用戶辦公人員進行必要的休息。

1 智能辦公桌桌面的結構組成

手托部分折疊機構主要由減速電機、蝸桿渦輪、手托軸和手托主體構成。 通過紅外遙控單片機對減速電機的正反方向旋轉進行控制， 帶動單片機對蝸桿渦輪進行正向反向旋轉，蝸桿渦輪帶動單片機對渦輪進行選裝，形成空間交錯實現(xiàn)渦輪軸的轉矩和轉速的傳輸， 而后蝸桿渦輪和手托軸之間通過平鍵的連接， 將手托的動力轉速傳輸給渦輪到手托和軸上， 手托軸通過方形槽口與手托進行連接，帶動手托進行180°翻折，通過紅外遙控控制單片機，單片機控制電機正向反向轉動，實現(xiàn)手托180°翻折功能。

2 智能辦公桌手托板設計

手托板功能主要用來做肘部承接同時減小桌面長度，配合蝸輪蝸桿、電機等傳動機構可以在15s 內完成折出或收回，既節(jié)約了空間，又給人以一種環(huán)抱式的感覺。手托主體結構由木制材料構成， 為實現(xiàn)用戶工作或學習時間智能提醒功能，暫定右手托分兩層設計，通過膠合進行連接，在右手托下部進行開槽，在槽位上安裝光敏傳感器，右手托上部分進行開孔，將光敏傳感器光敏電阻部分通過孔位感知外部環(huán)境光線變化。 通過對外部光線的感知來檢測用戶使用的時間，再通過單片機進行判斷，若用戶連續(xù)工作時間過長則提醒用戶在長時間工作后進行一定的必要休息。 左右手托與桌面連接部分做45°切面處理，防止在旋轉時和桌面產生碰撞。左右手托手托軸相連接的部分采用壁厚為2 的方形鋼管構成， 末端開有方形槽孔， 與手托軸尾端設計的方形突起配合， 形成固定機構。 既能有效地傳遞支撐力， 又能為桌身輕量化提供幫助。 圖1 為左手托模型圖， 圖2 為右手托模型圖。

圖1 左手托模型圖

圖2 右手托模型圖

3 桌面主要結構設計

由于手托部分和折疊機構的存在， 一體式桌面已經(jīng)不能滿足當前需要，需要設計上下兩層分體式結構桌面，上下桌面以M6 內六角螺栓進行連接固定， 其上設計放置傳動機構、電機、電控模塊等部分的凹槽，同時上下桌面與手托連接部分做切口設計（見圖3、圖4），防止相碰。 各邊角做圓角設計，防止用戶在使用時磕碰造成較大損傷。

圖4 上桌面模型圖

在下桌面部分留有手托放置專用位置， 可以實現(xiàn)手托收回后，和桌面保持純平狀態(tài)，下桌面下表面做凹槽設計，其上設計通孔與下方桌腿利用螺栓連接，使桌面和桌腿形成一個完整的整體。兩桌面后部留有電源接口，為之后智能辦公桌供電提供便利條件。

4 手托軸和渦輪墊圈設計

手托軸用于連接渦輪與手托，傳遞轉矩，通過測量，成年人在正常坐姿的情況下， 兩手分開距離約為500mm時較為舒適，見圖5，并且在電腦辦公的情況下，兩手成內收狀。 手托軸全長560mm，其上開有2×6 標準A 型平鍵鍵槽，通過A 型平鍵與渦輪上的鍵槽進行配合，達到渦輪向手托的運動傳輸。兩端進行方形軸向切割，預留出與手托中方型鋼管孔位相配合的方形突出， 與手托鋼管上開的方形槽孔進行配合，從而達到渦輪帶動軸，軸帶動手托進行旋轉折疊的目的。全軸軸徑最大處為8mm，最小處為6mm，通體由45 號鋼制作，由于傳遞扭矩較小，在此不進行校核。

圖5 手托傳動軸模型圖

圖6 渦輪墊圈模型圖

由于渦輪和手托軸采用A 型平鍵進行連接， 只能約束其轉動方向，不能約束其滑動方向，因此特設計渦輪墊圈，見圖6，通過與手托軸梯形臺階進行配合防止渦輪進行橫向移動， 保證渦輪在運動范圍內只有旋轉方向上的一個自由度。

5 法蘭和軸承設計

軸與軸之間相互連接最常用的裝置就是聯(lián)軸器，由于電機軸和蝸桿最末端軸徑較小， 同時由于傳遞扭矩較小，因此采用硬質法蘭進行相互的連接，見圖7，通過法蘭的連接使電機與渦輪轉速相同，達到傳遞扭矩的作用，兩個法蘭的內徑分別為4mm、6mm， 底座長度為2mm，總長度12mm， 凸臺部分外徑為10mm， 底座部分外徑22mm。 法蘭之間通過四顆360°均分的M3 內角螺栓、螺母配合進行約束，從而將兩軸形成一個整體。法蘭內孔與軸的連接方式采用180°對稱分布的M3 開槽錐端緊定螺釘進行硬性連接， 防止兩軸與法蘭之間形成相互滑動以及轉動，影響力矩的相互傳遞。

圖7 法蘭配合模型圖

圖8 軸承模型圖

由于蝸桿旋轉速度相對較快， 并且需要在除旋轉方向以外的方向上進行運動約束，因此，采用在蝸桿兩端進行軸徑變小的處理， 同時在蝸桿軸兩側加上兩個GB／T276-94 深溝球軸承型號為6000-2Z 進行約束， 見圖8，以保證蝸桿在圓周方向上順利轉動， 在其他方向上不產生相對轉動或相對滑動，提高渦輪蝸桿之間的傳動效率。 圖9 為桌面安裝模型圖。

圖9 桌面安裝模型圖

6 電機選型

由于要保證手托升起速度控制在15s 左右， 不能太快也不能太慢，太快容易造成事故，太慢則會影響用戶體驗感。 因此傳動裝置選擇可以實現(xiàn)較大減速比的蝸輪蝸桿裝置，但是由于桌面厚度限制，蝸輪蝸桿的減速比控制在1：25 之內， 否則桌面的厚度將多厚。 需要一減速電機控制轉速， 初選JGA25-370 型號電機， 電機額定電壓12V，額定電流0.33A，額定功率3.96W，額定轉速50r/min。

7 控制系統(tǒng)設計

控制系統(tǒng)主要有兩個功能， 一個是完成對2 個減速電機的正反轉控制，帶動手托板翻出或收回；二是通過光敏傳感器判斷辦公人員的工作時間， 如果工作時間過長則發(fā)出休息提醒。

控制器使用Arduino Mega 2560 控制板， 如圖10 所示，其傳感器輸入口和控制輸出口較多，便于系統(tǒng)擴展，Mega2560 采用USB 傳輸方式進行和電腦連接，其內部自帶USB 轉換窗口模塊，只需電腦安裝Arduino 開發(fā)軟件后調試開發(fā)環(huán)境，即可實現(xiàn)電腦與單片機系統(tǒng)的數(shù)據(jù)互聯(lián)。

由于電機額定功率和單片機工作電壓分別為12V 和5V，因此采用220-12 直流適配器和MB-102 電源板雙路輸出模塊如圖11 所示， 分別給電機和單片機單獨供電，以保證電壓和電流的穩(wěn)定性。MB-102 電源雙路輸出模塊用6.5～12V 直流電源直接供電，通過模塊轉化，輸出雙路5V 以及雙路3.3V 共四路電源，給剩余模塊進行供電。

圖10 Mega2560 控制板

圖11 MB-102 實物圖

電機控制模塊主要由四個型號為IRFS3607 的MOS管構成H 橋電路實現(xiàn)電機正反轉控制， 使用IR2104 芯片作為MOS 管驅動，3607MOS管可經(jīng)過的最大電流為80A，最大電壓為75V。 同時使用了高速光耦做pwm 信號隔離，單片機通過對IR2104 芯片的控制，從而對單片機信號進行放大，使得H 橋控制電路中連接在對角線上的兩個MOS 管信號同時導通， 使得電機正向轉動，同樣的工作原理，當單片機控制信號變換，則另外兩個MOS 管導通，實現(xiàn)電機反轉控制。 用戶操作時可以通過紅外遙控器發(fā)出的紅外信號，使單片機產生電機自動控制正反轉的信號， 從而驅動IR2104 芯片， 進而驅動MOS 管導通和關斷，實現(xiàn)電機進行正反轉控制。

桌面上還設計了員工疲勞程度提醒模塊， 主要由蜂鳴器、光敏模塊和定時器構成。光度敏感模塊用來感知周圍光的亮度，當周圍光的亮度沒有完全達到D0 口設定的閾值時， 或當周圍光被完全屏蔽時，D0 口會自動輸出3.3v 高電平。 如果周圍光的亮度超過設置的閾值，D0 口將自動輸出0v 低電平。 D0 輸出直接連接到一個單片機輸入引腳上，單片機即可以自動檢測周圍光的亮度高低。由此來檢測辦公桌旁是否有人。 當光敏模塊檢測到光線變暗時，反饋給Mega2560 單片機，單片機立即啟動定時器1 進行定時， 當定時器1 定時完成時啟動蜂鳴器對用戶進行休息提醒，若此期間光敏模塊檢測到光線變亮，則單片機啟動定時器2 模塊，同時暫停定時器1 的計時，若定時器2 定時完成則清空定時器1 的計時； 當定時器2啟動時， 光敏模塊檢測到光線變暗， 則定時器2 計時清零，定時器1 繼續(xù)計時。

8 結論

芯片價格問題： 目前該升降系統(tǒng)控制結構采用Arduino Mega 2560 控制器控制，該控制器雖然IO 接口較多，但價格昂貴。 在后續(xù)的系統(tǒng)優(yōu)化中可以更換為國產2560芯片或國產其他32 位控制芯片，以降低成本，增加利潤。

智能提醒功能問題： 目前該辦公桌智能提醒功能采用光敏模塊， 感知光線強弱進行控制定時器計算工作時間，光敏模塊會造成夜晚光線變弱后誤開啟模式，當前系統(tǒng)的解決方法是在達到員工工作時長， 報警之后需要員工將光線變強即離開手托一段時間系統(tǒng)才會重新計算員工工作時間， 這樣會造成光敏模塊在夜間的時候只會提醒一次，但仍不太符合設計要求，所以需要配合其他模塊或更換為壓力傳感器模塊實現(xiàn)提醒功能。

材質問題：目前辦公桌大部分材質為鋼鐵材制制成，造成辦公桌重量較重在挪動的時候不太方便， 同時目前辦公桌的結構較為零散，配合容易出現(xiàn)間隙，后續(xù)優(yōu)化方案中，可以將一部分結構設計成整體，達到辦公桌零部件數(shù)量減少，裝配難度降低的目的。