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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。

引言

    国内学者对基于人机工程学的办公椅做了很多研究,但研究成本高、设计周期长。三维CAD技术能够更好地演绎设计人员的理念,极大提升产品的创新效率。此项研究可解决办公室工作者因长时间的单一坐姿患上腰椎疾病等问题。

    本文在Inventor软件中对工效虚拟人与基于人机工程学的办公椅模型加以耦合,采用内嵌的应力分析工具箱开展有限元分析,以期为办公椅舒适性的定量分析提供一种方法,为其结构的优化设计提供理论支撑。

1 模型构建

1.1 工效虚拟人

    本文在Hanavan模型的基础上进行虚拟人的构建。按照中国成年人人体尺寸标准数据中18~55岁女子的第95百分位数得到虚拟人各体段尺寸。人体各部位密度和当量弹性模量不同,仿真参数如表1所示。

    表1 人体各体段参数

    1

1.2 办公椅三维模型

    人坐在座椅上时,主要支撑结构是脊柱、骨盆和腿足。合理设计的办公椅应具有以下功能:

    (1)座面与水平面的角度能根据人体坐姿的变化而改变;

    (2)椅背与座面的角度能够调节。

    座面与水平面之间夹角的变化可以用图1所示的“杠杆机构”来实现。伏案工作时,座面应前倾5°;在深度休息时,座面应后倾10°。弹簧起缓冲作用。

    椅背与坐面的连接设计为铰链四杆机构,如图2所示。当工作者倚靠在椅背上稍作休息时,椅背与座面之间的夹角应在95°到105°之间,以提供适当的支撑;在后倾深度休息时,椅背与座面之间夹角应保持在127°左右,使椎间盘及周围肌肉受力最小。利用滑槽与弹簧杆实现角度调节。不进行深度休息时,滑槽上的开关将被锁上,形成一个稳定三角形;深度休息时,按下开关解锁滑槽,使椅背能随着人一起后倾。

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    图1 座面调节机构简图

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    图2 椅背调节机构简图

    座椅尺寸要与人体相关的测量值匹配,该测量值通过查阅坐姿人体尺寸表的国家标准得到。设计时还需要考虑穿鞋引起的高度变化和穿衣引起的围宽、厚度变化,将人体坐姿尺寸进行10mm扩大和圆整修正。

责任编辑:张纯子
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