可穿戴坐具設計研究初探

■李 麗 周陽峰 張仲鳳 Li Li & Zhou Yangfeng & Zhang Zhongfeng

(1.2.3.中南林業科技大學，湖南省綠色家居工程技術中心，湖南長沙 410004）

“現代社會中很多工種要求工人長時間站立重復作業，比如醫生、汽車工人、涂裝工人、老師等，長期下來容易對身體的肌肉骨骼造成損害，罹患肌肉骨骼疾病（MSDS）[1-3]。同時現有研究也表明：長期保持站立姿勢不僅嚴重影響工人的健康，也會大大降低工人的作業效率[4-5]，無形中增加企業的成本，造成高額的經濟損失。據統計，美國職業性腰背痛平均每人每年賠償額為0.8萬多美元，每年經濟賠償機構直接賠償額總計約為110億美元；瑞典每年為患有MSDS的職員支付保險賠償費高達24億美元。因此，如何為長期站立重復作業的特殊人群設計一種用于緩解肌肉疲勞的輔助設備成為一個值得研究的問題。可穿戴坐具就是供工人進行長期站立重復作業時支撐身體的一類特殊家具。

1 可穿戴坐具設計研究現狀

坐具即供人坐的用具[6]。可穿戴坐具即一類直接穿在身上供人坐的用具。最早的可穿戴坐具為美國設計師Bonner在1979年申請的專利—wearable chair（圖1）。wearable chair借鑒了基本的椅子形態，采用手動調節的方式，可為工人屈膝站立作業時提供身體支撐。2014年，瑞士的初創公司Noonee，設計一款Chair less Chair（圖2），它更像是一副腿部外骨骼，包裹住人體大腿后方，支架向下延伸固定在腳部，用來解決奧迪生產線上汽車工人長時間工作站立的問題。Chair less Chair需要電力，放入電池后，具有一定的續航能力，穿戴后可以自由行走，只需按一個鍵，就能固定住支架，給使用者在屈膝狀態時提供支撐力。2016年，針對外科醫生長期站立進行手術的肌肉骨骼疾病問題，日本模具制造公司Nitto與千葉大學以及設計公司Hiroaki Nishimura、科技公司Polymer Technology聯合設計了可穿在身上的椅子Archelis(圖3)。Archelis由兩條支架作為支撐，在站立時為腿部提供支持力，由繃帶綁住大腿、小腿，方便屈膝的時候進行支撐。但這三個可穿戴坐具均未實現批量化生產。另外，根據國家專利局的數據統計，在2015年~2017年三年間，中國有5項關于可穿戴坐具或座椅的專利申請成功，這些專利給可穿戴坐具的設計與研發提供了新的思路，同時也預示著可穿戴坐具在未來擁有巨大的市場前景[7-11]。

從國內外研究現狀上可以看出，目前對于可穿戴坐具的研究大都局限于概念性設計上，并未形成系統的理論研究。鑒于可穿戴坐具在未來具有廣闊的應用前景，作者以家具設計的專業角度對可穿戴坐具的設計原則、造型設計、結構設計、尺寸設計、材料設計等進行了歸納和總結，以便為后來可穿戴坐具的設計和批量化生產提供可借鑒的意義。

2 可穿戴坐具設計原則

2.1 人性化

人性化設計是當今家具產品設計必須考量的因素之一，要求設計中心必須圍繞使用者的需求而展開。可穿戴坐具的人性化設計主要體現在以下幾個方面。①采用質輕高強度的材料設計，不增加使用者額外的身體負擔②合理的結構設計，保證使用者在切換動靜態兩種不同姿勢作業時流暢無阻礙，不影響工作效率。③遵從人體工程學的設計原則，保證坐姿狀態的舒適性。④采用環保和高性能的材料，滿足使用者對于安全性的心理需求。

2.2 加工工藝性

中國需要長期站立工作的工種比較多，對可穿戴坐具的潛在需求量也較高。可穿戴坐具設計必須與加工工藝密切結合，以便實現批量化生產。可穿戴坐具的加工工藝性主要體現為選取的材料應具有良好的機械加工性能，同時能與新結構、新工藝和新設備相結合，盡量做到產品的標準化、零部件的通用化、結構的可拆裝、產品互換性，使所設計的產品與現有的生產設備、工藝條件和技術水平相適應，盡量避免設計與生產實際脫節。

表1 指導可穿戴坐具設計人體尺寸數據統計

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

2.3 經濟性

目前需要用到可穿戴坐具的人群更多的為流水線工人、菜農、教師等經濟收入不高的群體。在進行設計可穿戴坐具時，不僅要考慮其實用性，更需要考慮目標人群的經濟情況與購買力。可穿戴坐具的經濟性主要通過以下三個方面進行控制：①材料的經濟性，選取的材料盡量為當前其他工業領域使用成熟的材料，以便控制材料的成本。②加工過程的經濟性。設計簡約的結構和標準化的零部件，通過降低加工難度和減少機械損耗等節約成本。③運輸過程的經濟性,結構可拆裝便于扁平化運輸，增長運輸效率，降低了運輸成本。

3 可穿戴坐具設計

3.1 造型設計

可穿戴坐具是一類特殊的家具，其設計目的緊緊圍繞實現腿部支撐或者臀部支撐這一目標，實用性遠大于藝術性。在進行造型設計時，一類是依據腿部形態和臀部的形狀所設計的的骨骼造型形態，最終造型類似于機械外骨骼，這種造型可經由拓撲優化設計[12]進一步優化，得到滿足既定載荷分布下的最佳材料布局和結構形態。另一種是在傳統坐具的基礎上進行的再設計，采用“蘑菇式”模型[13]設計方法，構造坐具的“核心件”，即座面和支架。根據特殊的使用要求，增加“輔助件”，即可調節高度的連接件，最終形成滿足既定目標的可穿戴坐具造型。

3.2 結構設計

可穿戴坐具的可穿戴特點，使得坐具與使用者之間的互動顯得尤為重要，設計的過程中必須滿足其穿戴坐具的舒適性、攜帶的便捷性、優良的承重性能。由于每個人的大腿長和小腿長是不一樣的，而可穿戴坐具使用時又需貼合人的身體，不得妨礙人體走動，這就要求可穿戴坐具具備調節高度的功能。類似于機械外骨骼的可穿戴坐具，為滿足行走時大腿和小腿的運動形態，一般上下支架之間通過可伸縮的結構件連接。為靈活的活動，零件之間的連接應采用精度高、質輕、可旋轉靈活運作的活動連接件，主要有螺栓結構、活頁連接，在成本控制的前提下也可以采用特制的轉軸進行連接。另外，為便于長途運輸與快速組裝，可采用可拆裝、可自組裝的結構方式[14]。同時可采用魔術貼粘黏等連接方式，以實現可穿戴坐具快速的穿戴與脫下，增加工人的作業效率。

3.3 可穿戴坐具的尺寸設計

不管采用何種造型方式，可穿戴坐具都需依據人體的尺寸數據進行設計。用于指導可穿戴坐具設計的人體尺寸數據有：人體大腿和小腿的長度、坐姿高度、人在正常行走時髖關節屈伸范圍、膝關節屈伸范圍踝及關節屈伸范圍（表1）。現在使用的為1988年的人體尺寸數據，2018年將會發布最新的中國人體尺寸數據[15]，后續需要根據新的人體尺寸數據進行尺寸設計與調整。

3.4 材料設計

可穿戴坐具需要將其穿戴在身上，所以對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，穿戴時不會造成過度負荷。可穿戴坐具是為了在站立時提供支撐力，且不妨礙移動，基于坐具的重量問題考慮，要求材料具備輕膚、質輕、承重性能好的特點，而批量化的工業生產模式要求材料必須具有良好的加工性能，考慮使用環境的復雜性，還要求材料需具備耐腐蝕、耐污、易清理的性能特點[16]。目前，有很多材料可被應用于制作可穿戴坐具，例如聚碳酸酯質輕、具備很高的強度和沖擊強度，耐疲勞性好，是廣泛使用的工程塑料之一；聚酯纖維擁有較高的強度與彈性恢復能力，堅牢耐用，耐光性較好，耐各種化學品性能良好，酸、堿對其侵蝕破壞小，同時不怕霉菌，也不怕蟲蛀；鋁合金大幅度提高了鋁材的機械強度和表面硬度，并仍然保持著鋁重量輕的固有特性，也是可穿戴坐具制造的理想材料之一。

4 結語

可穿戴坐具的出現，給長期站立重復作業的工人帶來了福音。但目前的可穿戴坐具均未實現批量化生產，距離可穿戴坐具的量產與使用普及，還有很長的一段路要走，需要多方力量的共同推動。可穿戴坐具設計需要綜合考慮多方面因素，本文僅從幾個方面對可穿戴坐具設計進行了研究，希望為后續可穿戴坐具設計提供可參考的依據。同時通過文章的撰寫，引起更多人關注可穿戴坐具的發展，推動可穿戴坐具的快速市場化，使工人遠離肌肉骨骼疾病的痛楚，同時降低企業的成本，提高企業的盈利能力。

（責任編輯：張 楊）

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