陳一澤,陳金海
(福建省莆田第一中學(xué) 福建 莆田 351100)
生活中人們?cè)絹碓揭蕾囯娔X,電腦使用者在使用電腦的過程中由于時(shí)間長(zhǎng)、專注度高,長(zhǎng)期保持固定的姿勢(shì),無法在工作的同時(shí)兼顧運(yùn)動(dòng),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(zhuǎn)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(dòng);旋轉(zhuǎn)式電腦椅是使用者停止工作的狀態(tài)下通過身體扭動(dòng)才能實(shí)現(xiàn)椅子的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)。人們已重視電腦椅的改進(jìn)設(shè)計(jì),但目前的電腦椅只是在它的尺寸可調(diào)性、休息期間可多體位健身方面進(jìn)行優(yōu)化,無法在使用電腦的同時(shí)通過椅子多種主動(dòng)運(yùn)動(dòng)實(shí)現(xiàn)身體不同部位的保健,達(dá)到預(yù)防各種電腦職業(yè)病的功效。
為了電腦使用者既能正常使用電腦又防止職業(yè)疾病的發(fā)生,本項(xiàng)目從社會(huì)調(diào)查入手、運(yùn)用機(jī)械機(jī)構(gòu)原理、相對(duì)運(yùn)動(dòng)原理,結(jié)合疾病與保健基本常識(shí),研究設(shè)計(jì)一種機(jī)械式主動(dòng)保健電腦椅,能在使用電腦的同時(shí)迫使人們進(jìn)行身體多部位健身運(yùn)動(dòng),預(yù)防疾病,做到工作與保健“兩不誤”。
2.1 電腦使用者現(xiàn)狀調(diào)查
通過對(duì)城區(qū)隨機(jī)抽樣100位成年人的電腦使用情況調(diào)查問卷統(tǒng)計(jì),成年人每天使用電腦超過2小時(shí)的人超過8成,占比為81%,這些人電腦使用相對(duì)較為頻繁,24%成年人由于工作需要,每天電腦使用時(shí)間達(dá)到5小時(shí)以上,如圖1。
圖1 電腦使用時(shí)間餅圖
2.2 電腦職業(yè)疾病種類及產(chǎn)生原因分析
在統(tǒng)計(jì)中成年人患有不同程度電腦職業(yè)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(shí)間關(guān)系曲線。從圖3看出,電腦疾病部位數(shù)量隨電腦使用時(shí)間呈增大趨勢(shì),電腦使用時(shí)間越長(zhǎng),疾病產(chǎn)生的部位越多。這表明長(zhǎng)時(shí)間的電腦使用帶來的職業(yè)疾病已比較普遍,對(duì)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(yè)病與電腦使用時(shí)間關(guān)系曲線
圖3 自動(dòng)離合式傳動(dòng)機(jī)構(gòu)圖
從調(diào)查統(tǒng)計(jì)發(fā)現(xiàn),電腦職業(yè)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(guān)節(jié)疼痛,髖部勞損,背部彎曲疼痛等,有的影響到腦部供血,出現(xiàn)頭暈?zāi)垦5劝Y狀。電腦使用者普遍意識(shí)到長(zhǎng)時(shí)間的固定坐姿、缺乏必要的運(yùn)動(dòng)鍛煉是產(chǎn)生這些疾病的根源。
2.3 預(yù)防職業(yè)病的保健椅功能模塊設(shè)計(jì)
根據(jù)以上對(duì)電腦職業(yè)疾病的類型及產(chǎn)生原因分析可以看出,不同部位的疾病均由于相應(yīng)部位的長(zhǎng)期固定姿態(tài)導(dǎo)致的,預(yù)防這些疾病的方案必須使這些部位在使用電腦時(shí)適當(dāng)進(jìn)行被動(dòng)運(yùn)動(dòng)來實(shí)現(xiàn)。在使用電腦時(shí)雙手和眼睛保持不動(dòng),不同部位所需運(yùn)動(dòng)不同,可通過電腦椅的不同運(yùn)動(dòng)功能模塊來滿足。
(1)電腦椅面間歇來回水平轉(zhuǎn)動(dòng),實(shí)現(xiàn)對(duì)頸部、腰部、肩部、眼睛及髖關(guān)節(jié)的鍛煉運(yùn)動(dòng),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(zhuǎn)運(yùn)動(dòng),可通過設(shè)計(jì)一個(gè)自動(dòng)離合的間歇式曲柄搖桿機(jī)構(gòu)來實(shí)現(xiàn)。電機(jī)在變頻器作用下獲得一定的轉(zhuǎn)速,其轉(zhuǎn)動(dòng)帶動(dòng)蝸桿轉(zhuǎn)動(dòng)(傳動(dòng)比為30),蝸桿帶動(dòng)兩邊的蝸輪轉(zhuǎn)動(dòng),將電機(jī)的轉(zhuǎn)速降低,滿足人體的旋轉(zhuǎn)舒適度要求,蝸桿、蝸輪、椅面轉(zhuǎn)盤及椅架構(gòu)成曲柄搖桿機(jī)構(gòu),椅面轉(zhuǎn)盤產(chǎn)生左右往復(fù)擺動(dòng)。其中一個(gè)蝸輪轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí),其下方同軸的齒輪帶動(dòng)中間的齒輪-凸輪軸轉(zhuǎn)動(dòng),齒輪-凸輪軸轉(zhuǎn)動(dòng)使另一個(gè)蝸輪實(shí)現(xiàn)下降及上升,控制另一蝸輪與蝸桿的嚙合和分離,實(shí)現(xiàn)椅面的間歇轉(zhuǎn)動(dòng)。在Pro/E軟件設(shè)計(jì)的自動(dòng)離合式傳動(dòng)機(jī)構(gòu)見圖3。
(2)椅面及方框的上下擺動(dòng),可以實(shí)現(xiàn)腰部、頸部、肩部的鍛煉運(yùn)動(dòng),防止腰椎、頸椎等疾病。齒輪-凸輪軸轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí),其下方端面的錐齒輪帶動(dòng)齒輪軸轉(zhuǎn)動(dòng),齒輪軸末端的凸輪轉(zhuǎn)動(dòng)使其聯(lián)接的頂桿上下運(yùn)動(dòng),使椅框上下擺動(dòng)。
(3)腳踏板的前后擺動(dòng),可以鍛煉裸關(guān)節(jié)和腿部肌肉,防止裸關(guān)節(jié)及腿部疾病。椅框的上下擺動(dòng)通過其下方的連桿帶動(dòng)腳踏板前后擺動(dòng)。
(4)機(jī)構(gòu)通過電機(jī)驅(qū)動(dòng)實(shí)現(xiàn)運(yùn)轉(zhuǎn),電機(jī)由變頻器控制可調(diào)整運(yùn)動(dòng)速度的大小,滿足不同人個(gè)性的需求。
2.4 保健電腦椅系統(tǒng)集成與建模仿真分析
將以上各模塊結(jié)構(gòu)與椅架集成一體,如圖4所示。應(yīng)用Pro/E5.0軟件對(duì)主要組成的各結(jié)構(gòu)進(jìn)行3D建模,在軟件上模塊進(jìn)行裝配,其中固定件和運(yùn)動(dòng)件分配進(jìn)行裝配,運(yùn)動(dòng)件間的裝配連接分別設(shè)置相應(yīng)的連接方式,在軟件的機(jī)構(gòu)仿真模塊進(jìn)行模擬仿真判斷結(jié)構(gòu)的合理性。
圖4 電腦椅結(jié)構(gòu)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(dǎo)出后,在3D打印機(jī)或光固化打印機(jī)操作界面上布局,設(shè)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(jìn)行組裝成整體。如圖5所示。
基于對(duì)電腦職業(yè)疾病的原因分析,針對(duì)性地開發(fā)設(shè)計(jì)保健電腦椅,其成效分析如下:
3.1 本設(shè)計(jì)顛覆了人們需要停止使用電腦來保健運(yùn)動(dòng)預(yù)防電腦職業(yè)病的傳統(tǒng)設(shè)計(jì)思路,采用的以電腦職業(yè)疾病預(yù)防的主動(dòng)保健思路,集電腦椅與健身功能于一體,實(shí)現(xiàn)既正常使用電腦,又能預(yù)防疾病,做到了正常使用電腦與保健“兩不誤”。
3.2 根據(jù)相對(duì)運(yùn)動(dòng)原理,結(jié)合人體工學(xué)和預(yù)防疾病基本常識(shí),設(shè)計(jì)相對(duì)應(yīng)的機(jī)構(gòu)在使用電腦中實(shí)現(xiàn)身體相應(yīng)部位的主動(dòng)式保健運(yùn)動(dòng)鍛煉,可以防止電腦職業(yè)疾病的產(chǎn)生。
3.3 使用單一動(dòng)力驅(qū)動(dòng),將曲柄搖桿、蝸桿蝸輪、凸輪、齒輪傳動(dòng)機(jī)構(gòu)集成一體,實(shí)現(xiàn)多個(gè)運(yùn)動(dòng)協(xié)調(diào)有序運(yùn)行,可預(yù)防眼部、頸椎、肩周、背部、腰部、腿部等人體多部位電腦職業(yè)疾病。
3.4 本設(shè)計(jì)適用于所有電腦使用者,運(yùn)動(dòng)速度可調(diào)以滿足不同個(gè)性的舒適性需求。
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