基于主动保健的多功能机械式电脑椅开发设计

2018-06-12陈一泽陈金海

信息记录材料 2018年7期

陈一泽，陈金海

（福建省莆田第一中学福建莆田 351100）

1 引言

生活中人们越来越依赖电脑，电脑使用者在使用电脑的过程中由于时间长、专注度高，长期保持固定的姿势，无法在工作的同时兼顾运动，缺乏必要的身体锻炼，给人们的身体健康带来了很大的隐患。目前电脑用椅主要有旋转式和固定式两种，固定式电脑椅在电脑使用过程保持静止不动；旋转式电脑椅是使用者停止工作的状态下通过身体扭动才能实现椅子的旋转运动。人们已重视电脑椅的改进设计，但目前的电脑椅只是在它的尺寸可调性、休息期间可多体位健身方面进行优化，无法在使用电脑的同时通过椅子多种主动运动实现身体不同部位的保健，达到预防各种电脑职业病的功效。

为了电脑使用者既能正常使用电脑又防止职业疾病的发生，本项目从社会调查入手、运用机械机构原理、相对运动原理，结合疾病与保健基本常识，研究设计一种机械式主动保健电脑椅，能在使用电脑的同时迫使人们进行身体多部位健身运动，预防疾病，做到工作与保健“两不误”。

2 基于Pro/E的结构设计

2.1 电脑使用者现状调查

通过对城区随机抽样100位成年人的电脑使用情况调查问卷统计，成年人每天使用电脑超过2小时的人超过8成，占比为81%，这些人电脑使用相对较为频繁，24%成年人由于工作需要，每天电脑使用时间达到5小时以上，如图1。

图1 电脑使用时间饼图

2.2 电脑职业疾病种类及产生原因分析

在统计中成年人患有不同程度电脑职业病的占比40%以上，其中大部分年龄在35岁以上，15%年龄在35岁以下，图2绘出电脑疾病部位与电脑时间关系曲线。从图3看出，电脑疾病部位数量随电脑使用时间呈增大趋势，电脑使用时间越长，疾病产生的部位越多。这表明长时间的电脑使用带来的职业疾病已比较普遍，对身体的危害性已逐渐凸显，而且年龄日趋年轻化。

图2 电脑职业病与电脑使用时间关系曲线

图3 自动离合式传动机构图

从调查统计发现，电脑职业疾病主要有以下几种：眼部酸痛、视力下降；颈椎酸麻、肩膀疼痛，腰椎盘突出，手臂及褪部关节疼痛，髋部劳损，背部弯曲疼痛等，有的影响到脑部供血，出现头晕目眩等症状。电脑使用者普遍意识到长时间的固定坐姿、缺乏必要的运动锻炼是产生这些疾病的根源。

2.3 预防职业病的保健椅功能模块设计

根据以上对电脑职业疾病的类型及产生原因分析可以看出，不同部位的疾病均由于相应部位的长期固定姿态导致的，预防这些疾病的方案必须使这些部位在使用电脑时适当进行被动运动来实现。在使用电脑时双手和眼睛保持不动，不同部位所需运动不同，可通过电脑椅的不同运动功能模块来满足。

（1）电脑椅面间歇来回水平转动，实现对颈部、腰部、肩部、眼睛及髋关节的锻炼运动，防止颈椎、腰锥、肩周炎、眼部等疾病。电脑椅面的来回水平旋转运动，可通过设计一个自动离合的间歇式曲柄摇杆机构来实现。电机在变频器作用下获得一定的转速，其转动带动蜗杆转动（传动比为30），蜗杆带动两边的蜗轮转动，将电机的转速降低，满足人体的旋转舒适度要求，蜗杆、蜗轮、椅面转盘及椅架构成曲柄摇杆机构，椅面转盘产生左右往复摆动。其中一个蜗轮转动时，其下方同轴的齿轮带动中间的齿轮-凸轮轴转动，齿轮-凸轮轴转动使另一个蜗轮实现下降及上升，控制另一蜗轮与蜗杆的啮合和分离，实现椅面的间歇转动。在Pro/E软件设计的自动离合式传动机构见图3。

（2）椅面及方框的上下摆动，可以实现腰部、颈部、肩部的锻炼运动，防止腰椎、颈椎等疾病。齿轮-凸轮轴转动时，其下方端面的锥齿轮带动齿轮轴转动，齿轮轴末端的凸轮转动使其联接的顶杆上下运动，使椅框上下摆动。

（3）脚踏板的前后摆动，可以锻炼裸关节和腿部肌肉，防止裸关节及腿部疾病。椅框的上下摆动通过其下方的连杆带动脚踏板前后摆动。

（4）机构通过电机驱动实现运转，电机由变频器控制可调整运动速度的大小，满足不同人个性的需求。

2.4 保健电脑椅系统集成与建模仿真分析

将以上各模块结构与椅架集成一体，如图4所示。应用Pro/E5.0软件对主要组成的各结构进行3D建模，在软件上模块进行装配，其中固定件和运动件分配进行装配，运动件间的装配连接分别设置相应的连接方式，在软件的机构仿真模块进行模拟仿真判断结构的合理性。