基于主動保健的多功能機械式電腦椅開發設計

陳一澤，陳金海

（福建省莆田第一中學 福建 莆田 351100）

1 引言

生活中人們越來越依賴電腦，電腦使用者在使用電腦的過程中由于時間長、專注度高，長期保持固定的姿勢，無法在工作的同時兼顧運動，缺乏必要的身體鍛煉，給人們的身體健康帶來了很大的隱患。目前電腦用椅主要有旋轉式和固定式兩種，固定式電腦椅在電腦使用過程保持靜止不動；旋轉式電腦椅是使用者停止工作的狀態下通過身體扭動才能實現椅子的旋轉運動。人們已重視電腦椅的改進設計，但目前的電腦椅只是在它的尺寸可調性、休息期間可多體位健身方面進行優化，無法在使用電腦的同時通過椅子多種主動運動實現身體不同部位的保健，達到預防各種電腦職業病的功效。

為了電腦使用者既能正常使用電腦又防止職業疾病的發生，本項目從社會調查入手、運用機械機構原理、相對運動原理，結合疾病與保健基本常識，研究設計一種機械式主動保健電腦椅，能在使用電腦的同時迫使人們進行身體多部位健身運動，預防疾病，做到工作與保健“兩不誤”。

2 基于Pro/E的結構設計

2.1 電腦使用者現狀調查

通過對城區隨機抽樣100位成年人的電腦使用情況調查問卷統計，成年人每天使用電腦超過2小時的人超過8成，占比為81%，這些人電腦使用相對較為頻繁，24%成年人由于工作需要，每天電腦使用時間達到5小時以上，如圖1。

圖1 電腦使用時間餅圖

2.2 電腦職業疾病種類及產生原因分析

在統計中成年人患有不同程度電腦職業病的占比40%以上，其中大部分年齡在35歲以上，15%年齡在35歲以下，圖2繪出電腦疾病部位與電腦時間關系曲線。從圖3看出，電腦疾病部位數量隨電腦使用時間呈增大趨勢，電腦使用時間越長，疾病產生的部位越多。這表明長時間的電腦使用帶來的職業疾病已比較普遍，對身體的危害性已逐漸凸顯，而且年齡日趨年輕化。

圖2 電腦職業病與電腦使用時間關系曲線

圖3 自動離合式傳動機構圖

從調查統計發現，電腦職業疾病主要有以下幾種：眼部酸痛、視力下降；頸椎酸麻、肩膀疼痛，腰椎盤突出，手臂及褪部關節疼痛，髖部勞損，背部彎曲疼痛等，有的影響到腦部供血，出現頭暈目眩等癥狀。電腦使用者普遍意識到長時間的固定坐姿、缺乏必要的運動鍛煉是產生這些疾病的根源。

2.3 預防職業病的保健椅功能模塊設計

根據以上對電腦職業疾病的類型及產生原因分析可以看出，不同部位的疾病均由于相應部位的長期固定姿態導致的，預防這些疾病的方案必須使這些部位在使用電腦時適當進行被動運動來實現。在使用電腦時雙手和眼睛保持不動，不同部位所需運動不同，可通過電腦椅的不同運動功能模塊來滿足。

（1）電腦椅面間歇來回水平轉動，實現對頸部、腰部、肩部、眼睛及髖關節的鍛煉運動，防止頸椎、腰錐、肩周炎、眼部等疾病。電腦椅面的來回水平旋轉運動，可通過設計一個自動離合的間歇式曲柄搖桿機構來實現。電機在變頻器作用下獲得一定的轉速，其轉動帶動蝸桿轉動（傳動比為30），蝸桿帶動兩邊的蝸輪轉動，將電機的轉速降低，滿足人體的旋轉舒適度要求，蝸桿、蝸輪、椅面轉盤及椅架構成曲柄搖桿機構，椅面轉盤產生左右往復擺動。其中一個蝸輪轉動時，其下方同軸的齒輪帶動中間的齒輪-凸輪軸轉動，齒輪-凸輪軸轉動使另一個蝸輪實現下降及上升，控制另一蝸輪與蝸桿的嚙合和分離，實現椅面的間歇轉動。在Pro/E軟件設計的自動離合式傳動機構見圖3。

（2）椅面及方框的上下擺動，可以實現腰部、頸部、肩部的鍛煉運動，防止腰椎、頸椎等疾病。齒輪-凸輪軸轉動時，其下方端面的錐齒輪帶動齒輪軸轉動，齒輪軸末端的凸輪轉動使其聯接的頂桿上下運動，使椅框上下擺動。

（3）腳踏板的前后擺動，可以鍛煉裸關節和腿部肌肉，防止裸關節及腿部疾病。椅框的上下擺動通過其下方的連桿帶動腳踏板前后擺動。

（4）機構通過電機驅動實現運轉，電機由變頻器控制可調整運動速度的大小，滿足不同人個性的需求。

2.4 保健電腦椅系統集成與建模仿真分析

將以上各模塊結構與椅架集成一體，如圖4所示。應用Pro/E5.0軟件對主要組成的各結構進行3D建模，在軟件上模塊進行裝配，其中固定件和運動件分配進行裝配，運動件間的裝配連接分別設置相應的連接方式，在軟件的機構仿真模塊進行模擬仿真判斷結構的合理性。

圖4 電腦椅結構圖

圖5 電腦椅3D打印主要零件圖

2.5 保健電腦椅的3D打印與模型組裝

將各組件3D模型以.STL格式高精度導出后，在3D打印機或光固化打印機操作界面上布局，設置切片方案及打印層厚，逐層掃描打印出各組件模型，并將各組件進行組裝成整體。如圖5所示。

3 成效分析

基于對電腦職業疾病的原因分析，針對性地開發設計保健電腦椅，其成效分析如下：

3.1 本設計顛覆了人們需要停止使用電腦來保健運動預防電腦職業病的傳統設計思路，采用的以電腦職業疾病預防的主動保健思路，集電腦椅與健身功能于一體，實現既正常使用電腦，又能預防疾病，做到了正常使用電腦與保健“兩不誤”。

3.2 根據相對運動原理，結合人體工學和預防疾病基本常識，設計相對應的機構在使用電腦中實現身體相應部位的主動式保健運動鍛煉，可以防止電腦職業疾病的產生。

3.3 使用單一動力驅動，將曲柄搖桿、蝸桿蝸輪、凸輪、齒輪傳動機構集成一體，實現多個運動協調有序運行，可預防眼部、頸椎、肩周、背部、腰部、腿部等人體多部位電腦職業疾病。

3.4 本設計適用于所有電腦使用者，運動速度可調以滿足不同個性的舒適性需求。

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