可穿戴坐具设计研究初探

2018-03-02周阳峰张仲凤LiLiZhouYangfengZhangZhongfeng

家具与室内装饰 2018年1期

■李丽周阳峰张仲凤 Li Li & Zhou Yangfeng & Zhang Zhongfeng

(1.2.3.中南林业科技大学，湖南省绿色家居工程技术中心，湖南长沙 410004）

“现代社会中很多工种要求工人长时间站立重复作业，比如医生、汽车工人、涂装工人、老师等，长期下来容易对身体的肌肉骨骼造成损害，罹患肌肉骨骼疾病（MSDS）[1-3]。同时现有研究也表明：长期保持站立姿势不仅严重影响工人的健康，也会大大降低工人的作业效率[4-5]，无形中增加企业的成本，造成高额的经济损失。据统计，美国职业性腰背痛平均每人每年赔偿额为0.8万多美元，每年经济赔偿机构直接赔偿额总计约为110亿美元；瑞典每年为患有MSDS的职员支付保险赔偿费高达24亿美元。因此，如何为长期站立重复作业的特殊人群设计一种用于缓解肌肉疲劳的辅助设备成为一个值得研究的问题。可穿戴坐具就是供工人进行长期站立重复作业时支撑身体的一类特殊家具。

1 可穿戴坐具设计研究现状

坐具即供人坐的用具[6]。可穿戴坐具即一类直接穿在身上供人坐的用具。最早的可穿戴坐具为美国设计师Bonner在1979年申请的专利—wearable chair（图1）。wearable chair借鉴了基本的椅子形态，采用手动调节的方式，可为工人屈膝站立作业时提供身体支撑。2014年，瑞士的初创公司Noonee，设计一款Chair less Chair（图2），它更像是一副腿部外骨骼，包裹住人体大腿后方，支架向下延伸固定在脚部，用来解决奥迪生产线上汽车工人长时间工作站立的问题。Chair less Chair需要电力，放入电池后，具有一定的续航能力，穿戴后可以自由行走，只需按一个键，就能固定住支架，给使用者在屈膝状态时提供支撑力。2016年，针对外科医生长期站立进行手术的肌肉骨骼疾病问题，日本模具制造公司Nitto与千叶大学以及设计公司Hiroaki Nishimura、科技公司Polymer Technology联合设计了可穿在身上的椅子Archelis(图3)。Archelis由两条支架作为支撑，在站立时为腿部提供支持力，由绷带绑住大腿、小腿，方便屈膝的时候进行支撑。但这三个可穿戴坐具均未实现批量化生产。另外，根据国家专利局的数据统计，在2015年~2017年三年间，中国有5项关于可穿戴坐具或座椅的专利申请成功，这些专利给可穿戴坐具的设计与研发提供了新的思路，同时也预示着可穿戴坐具在未来拥有巨大的市场前景[7-11]。

从国内外研究现状上可以看出，目前对于可穿戴坐具的研究大都局限于概念性设计上，并未形成系统的理论研究。鉴于可穿戴坐具在未来具有广阔的应用前景，作者以家具设计的专业角度对可穿戴坐具的设计原则、造型设计、结构设计、尺寸设计、材料设计等进行了归纳和总结，以便为后来可穿戴坐具的设计和批量化生产提供可借鉴的意义。

2 可穿戴坐具设计原则

2.1 人性化

人性化设计是当今家具产品设计必须考量的因素之一，要求设计中心必须围绕使用者的需求而展开。可穿戴坐具的人性化设计主要体现在以下几个方面。①采用质轻高强度的材料设计，不增加使用者额外的身体负担②合理的结构设计，保证使用者在切换动静态两种不同姿势作业时流畅无阻碍，不影响工作效率。③遵从人体工程学的设计原则，保证坐姿状态的舒适性。④采用环保和高性能的材料，满足使用者对于安全性的心理需求。

2.2 加工工艺性

中国需要长期站立工作的工种比较多，对可穿戴坐具的潜在需求量也较高。可穿戴坐具设计必须与加工工艺密切结合，以便实现批量化生产。可穿戴坐具的加工工艺性主要体现为选取的材料应具有良好的机械加工性能，同时能与新结构、新工艺和新设备相结合，尽量做到产品的标准化、零部件的通用化、结构的可拆装、产品互换性，使所设计的产品与现有的生产设备、工艺条件和技术水平相适应，尽量避免设计与生产实际脱节。

表1 指导可穿戴坐具设计人体尺寸数据统计

■图1 wearable chair■图2 Chairless Chair■图3 Archelis

2.3 经济性

目前需要用到可穿戴坐具的人群更多的为流水线工人、菜农、教师等经济收入不高的群体。在进行设计可穿戴坐具时，不仅要考虑其实用性，更需要考虑目标人群的经济情况与购买力。可穿戴坐具的经济性主要通过以下三个方面进行控制：①材料的经济性，选取的材料尽量为当前其他工业领域使用成熟的材料，以便控制材料的成本。②加工过程的经济性。设计简约的结构和标准化的零部件，通过降低加工难度和减少机械损耗等节约成本。③运输过程的经济性,结构可拆装便于扁平化运输，增长运输效率，降低了运输成本。

3 可穿戴坐具设计

3.1 造型设计

可穿戴坐具是一类特殊的家具，其设计目的紧紧围绕实现腿部支撑或者臀部支撑这一目标，实用性远大于艺术性。在进行造型设计时，一类是依据腿部形态和臀部的形状所设计的的骨骼造型形态，最终造型类似于机械外骨骼，这种造型可经由拓扑优化设计[12]进一步优化，得到满足既定载荷分布下的最佳材料布局和结构形态。另一种是在传统坐具的基础上进行的再设计，采用“蘑菇式”模型[13]设计方法，构造坐具的“核心件”，即座面和支架。根据特殊的使用要求，增加“辅助件”，即可调节高度的连接件，最终形成满足既定目标的可穿戴坐具造型。

3.2 结构设计

可穿戴坐具的可穿戴特点，使得坐具与使用者之间的互动显得尤为重要，设计的过程中必须满足其穿戴坐具的舒适性、携带的便捷性、优良的承重性能。由于每个人的大腿长和小腿长是不一样的，而可穿戴坐具使用时又需贴合人的身体，不得妨碍人体走动，这就要求可穿戴坐具具备调节高度的功能。类似于机械外骨骼的可穿戴坐具，为满足行走时大腿和小腿的运动形态，一般上下支架之间通过可伸缩的结构件连接。为灵活的活动，零件之间的连接应采用精度高、质轻、可旋转灵活运作的活动连接件，主要有螺栓结构、活页连接，在成本控制的前提下也可以采用特制的转轴进行连接。另外，为便于长途运输与快速组装，可采用可拆装、可自组装的结构方式[14]。同时可采用魔术贴粘黏等连接方式，以实现可穿戴坐具快速的穿戴与脱下，增加工人的作业效率。

3.3 可穿戴坐具的尺寸设计

不管采用何种造型方式，可穿戴坐具都需依据人体的尺寸数据进行设计。用于指导可穿戴坐具设计的人体尺寸数据有：人体大腿和小腿的长度、坐姿高度、人在正常行走时髋关节屈伸范围、膝关节屈伸范围踝及关节屈伸范围（表1）。现在使用的为1988年的人体尺寸数据，2018年将会发布最新的中国人体尺寸数据[15]，后续需要根据新的人体尺寸数据进行尺寸设计与调整。

3.4 材料设计

可穿戴坐具需要将其穿戴在身上，所以对材料的比重要求非常高，前文提到的Chair less Chair 其重量只有2公斤，穿戴时不会造成过度负荷。可穿戴坐具是为了在站立时提供支撑力，且不妨碍移动，基于坐具的重量问题考虑，要求材料具备轻肤、质轻、承重性能好的特点，而批量化的工业生产模式要求材料必须具有良好的加工性能，考虑使用环境的复杂性，还要求材料需具备耐腐蚀、耐污、易清理的性能特点[16]。目前，有很多材料可被应用于制作可穿戴坐具，例如聚碳酸酯质轻、具备很高的强度和冲击强度，耐疲劳性好，是广泛使用的工程塑料之一；聚酯纤维拥有较高的强度与弹性恢复能力，坚牢耐用，耐光性较好，耐各种化学品性能良好，酸、碱对其侵蚀破坏小，同时不怕霉菌，也不怕虫蛀；铝合金大幅度提高了铝材的机械强度和表面硬度，并仍然保持着铝重量轻的固有特性，也是可穿戴坐具制造的理想材料之一。

4 结语

可穿戴坐具的出现，给长期站立重复作业的工人带来了福音。但目前的可穿戴坐具均未实现批量化生产，距离可穿戴坐具的量产与使用普及，还有很长的一段路要走，需要多方力量的共同推动。可穿戴坐具设计需要综合考虑多方面因素，本文仅从几个方面对可穿戴坐具设计进行了研究，希望为后续可穿戴坐具设计提供可参考的依据。同时通过文章的撰写，引起更多人关注可穿戴坐具的发展，推动可穿戴坐具的快速市场化，使工人远离肌肉骨骼疾病的痛楚，同时降低企业的成本，提高企业的盈利能力。

（责任编辑：张杨）

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[1]李玉珍,李珏,李刚,等.汽车装配作业工人肌肉骨骼损伤与工效学负荷水平的相关性[J].环境与职业医学,2015,32(05):393-398.

[2]刘继文,陶宁,刘斌,等.中小学教师慢性肌肉骨骼损伤与工作能力关系[J].中国公共卫生.2009,25(01):54-55.

[3]陈蕾,曾娜芬.陈华英.手术室护士职业性肌肉骨骼损伤状况及其影响因素分析[J].现代临床护理,2013,(12):6-11.

[4]王晓光,鄢杰.特定作业环境下作业姿势的研究[J].工程图学学报,2007,(01):105-110.

[5]张俊,孔庆华.流水线作业姿势的疲劳分析[J].现代制造工程,2009,(10):58-61.

[6]李慧,张仲凤,戴向东.基于不同材料特性的竹坐具设计研究[J].家具与室内装饰,2016,(02):66-67.

[7]不公告发明人.可穿戴座椅[P].中国专利:CN106859122A,2017-06-20.

[8]田瑜基,姚术林,乔志勇,等.一种可穿戴智能座椅[P].中国专利:CN205696755U,2016-11-23.

[9]金亨俊.可穿戴式座椅装置[P].韩国专利:CN105324056A,2016-02-10.

[10]李霄峰,王武义.可穿戴座椅[P].中国专利:CN104970607A,2015-10-14.