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基于人机工程学的办公椅设计

2018/5/24    来源:互联网    作者:丁嘉浩  刘志斌  占志远  徐静      
关键字:工业设计  办公椅  人机工程学  Inventor  耦合  
基于人机工程学原理,利用Inventor软件进行了办公椅设计。首先,建立工效虚拟人和办公椅三维模型。其次,将人体脊椎图像导入Matlab进行灰度处理,利用Canny算子进行边缘检测,提取脊椎轮廓,从而根据三次样条插值原理得到人体脊椎曲线。最后,开展应力分析,考察耦合结果。根据安全系数分布,得知最小安全系数为1.13;在工作坐姿与深度休息坐姿两种情况下,人—椅整体重心均位于脚轮中心。满足了设计指标,确保了设计稳定性。

2 人—椅模型耦合

2.1 脊椎曲线重构

    考虑到办公椅应使工作者坐骨结节处的体压分布足够平缓,将座面设计成下凹的形状,尽量贴合臀部曲线,以提高舒适度。在深度休息时,为保证人的脊椎保持正常的生理曲线,椅背的形状应该尽量与脊椎曲线相匹配。

    将人体脊椎图像导入Matlab进行灰度处理后,利用Canny算子进行边缘检测,得到脊椎的轮廓,如图3所示。通过鼠标取点的方式,提取脊椎轮廓上的特征点。最后,在Inventor中根据三次样条插值原理,得到人体脊椎曲线,如图4所示。

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    图3 脊椎轮廓提取

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    图4 脊椎曲线重构

2.2 耦合分析

    将所建立的工效虚拟人与办公椅的三维模型相匹配,进行应力分析。将办公椅的五个脚轮设置为水平面,作固定约束,再加以重力场,进行网格划分。座面和椅背材料选择发泡棉。耦合结果如图5所示,其最小安全系数为1.13,满足安全系数不得小于1的设计要求。

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    图5 耦合分析结果

    在工作坐姿与深度休息坐姿两种情况下,以办公椅气弹簧轴与脚轮平面的交点为坐标原点,得到模型的整体重心结果,如表2所示。可见,在两种情况下,人—椅整体重心均位于脚轮中心,表明办公椅具有良好的稳定性。

    表2 整体重心分析

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3 总结与展望

    本文构建了工效虚拟人模型与办公椅三维模型,并进行了耦合。耦合结果分析表明,性能优良的办公椅设计得以实现。在椅背的曲线造型上,提出了一种通过Matlab图像提取脊椎轮廓,从而重构脊椎曲线的方法,使椅背形状更加符合人体脊椎曲线,保证人在工作和休息时能保持脊椎的正常生理弯曲。

    本文通过建立人—椅耦合模型,还对人体受力的舒适度进行了定量分析,但这仅考虑了静态时人的受力情况,并且无法分析坐姿时的脊椎受力,未能较好地反映真实情况,有待进一步研究。

责任编辑:张纯子
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