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作者:洪永杰(2003-06-25);推薦:徐業良(2004-04-06)

多功能座椅式倒立機“Ideal Chair”之設計

1.     “Ideal Chair”設計目的

脊椎由二十六塊獨立的脊椎體及相關的軟骨所組成,是支持人體重量中樞支柱,脊椎一旦歪斜,可能產生神經壓迫或刺激,酸痛和內臟功能異常等症狀接踵而來。根據臨床實驗,倒立能拉開脊椎間隔,免除神經壓迫之痛苦,再配合適度運動強化四周肌肉,以徹底改善骨刺引起之疼痛,因此利用「倒立機(Inversion Table)」作倒立動作已成為一種簡易的自我治療方式,如圖1所示。

1. 倒立機的使用情形[http://www.heartmonitors.com]

目前市售倒立機均為專用機台,設計上類似運動器材,僅能在倒立治療使用,並無與一般家具結合,且倒立機使用上動作較為激烈,180度完全倒立的姿態對於高齡者或有其他疾病之使用者來說,可能也較難適應。本計畫目的即是設計一台多功能座椅式倒立機-“Ideal Chair”,平時可以當成一般休閒座椅使用,同時兼具可調整至「零重力位置(Zero Gravity Position)」以及倒立位置的功能,此外“Ideal Chair”使用的動作和倒立的角度都比現有倒立機緩和,適合於較廣泛的使用對象。

本文首先對倒立機及零重力椅(Zero Gravity Chair)市售產品與相關專利作一分析,以期對市售產品有一基本瞭解。接著將針對本計畫產品提出相關的設計規劃與細部設計考量,同時於原型製作完成後,作一整合性測試,以達成預期之功能性。

2.     市售相關產品簡介

2.1倒立機市售產品簡介

目前市售倒立機常見的類型有二種,第一種類型如圖2所示,稱作「反地心引力倒掛器」,其主要的功用係提供使用者固定其下肢,利用倒立的動作使脊椎因反地心引力而獲得舒展,以避免脊椎損傷患者因長時間全身的重量集中於脊椎而造成負擔。

2. 市售倒立機(1)[ http://www.heartmonitors.com]

第二種倒立機型如圖3所示,稱作「牽引倒立機」,其主要的功用係提供使用者固定其下肢,利用倒立的動作以自身體重牽引脊椎45椎,以避免脊椎損傷患者因長時間全身的重量集中於脊椎而造成負擔。此種倒立機的原理與本計畫研發的座椅式倒立機有其相似之處,在此將其硬體組成與重要規格整理如下:

3. 市售倒立機(2) [http://ageless.com]

(1)   硬體組成

a.       尼龍材質靠墊:提供使用者倒立時上半身倚靠之用。

b.      無重力迴旋軸:提供倒立機達成旋轉的功能。

c.       可調整式活動桿:使用者可依其身高來調整倒立機的高度以方便使用。

d.      腳踝固定器:提供使用者倒立時固定其腳踝位置,以保持身體的平衡狀態。

e.       U型腳架:倒立機的整體架撐結構。

f.        扶手:提供使用者運動時扶持之用。

(2) 重要規格

此種倒立機提供旋轉角度約90°到-90°,同時允許使用者自行調整所需角度(不一定要完全倒立),使用時的角度變化如圖4所示。使用者體重上限亦為130公斤,身高上限為195公分

4. 使用時角度變化示意圖[ http://www.heartmonitors.com]

2.2「零重力椅(Zero Gravity Chair)」市售產品簡介

目前市售零重力椅如圖5所示,所謂的“Zero Gravity”的概念係取自於太空人於外太空中時的休息姿勢,此種姿勢有助於太空人於無重力的狀態下,使其身體機能維持在最佳狀態,同時有助於睡眠品質。根據醫學報導【1】指出,當人體於睡眠或休息時的姿勢維持在“Zero Gravity Position”時,將有效減輕心臟受到的壓迫、減少脊椎的負擔、促進血液循環、防止靜脈曲張的產生。醫學上定義的“Zero Gravity Position”的人體各部位相關位置如圖6所示。

5. 市售座椅式倒立機[http://www.comfortchannel.com]

6. Zero Gravity Position[http://www.beneform.com]

市售零重力椅為利用馬達配合伸縮桿的方式(圖7)來提供使用者可依其需求形成不同角度之調整或呈倒立狀態,以提供不同之坐姿。

7. 座椅式倒立機角度調整裝置[http://www.interhealth.com]

3.     倒立機與座椅式倒立機國內專利分析

為了解目前倒立機與座椅式倒立機相關技術特點,此處利用中華民國專利公報資料庫,蒐尋近十年來國內有關倒立機與零重力椅的相關專利。相關結果整理如表1~4

1. 倒立機專利分析摘要表(1)

專利號碼

350346

國際專利分類

A63B23/02

摘要表編號

001

申請日

19980721

專利名稱

倒立機

申請人

郭忠仁(台灣)

公開日

19990111

技術分類

體育鍛練訓練設備用於腹部、脊骨、軀幹或肩部者(A63B23/02)

分析人員

洪永杰

分析日期

2002/08/26

技術手段:

一種倒立機,包含有:

一底架,具有二U型腳架,該二腳架係以開口端樞接,而可以該端為軸心相對開啟或併合,一限位件,設於一腳架上;一承載機構,包含一第一承載單元,可轉動地設於該二腳架樞接端之間,一第二承載單元,設於該第一承載單元一端,具有一抵制部對應該限位件;一鉤持機構,設置於該第一承載單元另端,包含一架體,二壓桿,相隔適當距離地設於該架體相對第一承載單元之另端;一束縛件,設於第一承載單元底端;藉此,操作者可躺或坐於該承載機構上,將雙腳置於該二壓桿間並以腳掌反勾,再以該束縛件將大腿固定於該第一承載單元上;當操作者將雙手朝後擺動時,可使該承載機構朝後側旋轉,俾進行倒立之動作。

    

 

2. 倒立機專利分析摘要表(2)(網頁尚無專利範圍的相關說明)

專利號碼

238215

國際專利分類

28/341

摘要表編號

002

申請日

19940131

專利名稱

倒立機

申請人

優愛工業股份有限公司(台灣)

公開日

19950101

技術分類

新式樣

分析人員

洪永杰

分析日期

2002/08/26

技術手段:

 

 

3. 倒立機專利分析摘要表(3) (網頁尚無專利範圍的相關說明)

專利號碼

239972

國際專利分類

A63B21/02

摘要表編號

003

申請日

19940131

專利名稱

倒立機

申請人

優愛工業股份有限公司(台灣)

公開日

19950201

技術分類

1.附有或不附有量測裝置,不依靠推力而發育或增強人體之肌肉或關節之訓練器械(A63B21/02)

分析人員

洪永杰

分析日期

2002/08/26

技術手段:

 

 

4. 座椅式倒立機專利分析摘要表(4)

專利號碼

492281

國際專利分類

A47C3/00,A47C13/00

摘要表編號

004

申請日

20001214

專利名稱

電動式活動倒立椅

申請人

台生實業股份有限公司(台灣)

公開日

20020621

技術分類

1.      能旋轉或可垂直調節座位之椅子(A47C3/00)

2.      能改變的椅子、凳、長凳(A47C13/00)

分析人員

洪永杰

分析日期

2002/08/26

技術手段:

一種電動式活動倒立椅,主要是由椅架與兩側支撐腳架組配而成,其中:
該椅架,係依人體坐姿曲線製成之架體,於其外表包覆設有彈性墊體,於椅架之座墊兩側分設一弧型導桿,於弧型導桿兩端近其與椅架連結部位內側並突設有適當之限位桿;該兩側腳架,於其內側面設有對應椅架弧型導桿之弧曲態樣的滑槽,於其滑槽近兩端位置分別延設容槽,於容槽內分設有限位片及樞組有滑輪;利用椅架兩側之弧型導桿分別契合嵌入兩側支撐腳架內側面預設之滑槽內,並以滑槽兩端限位片對導桿形成適當覆夾限位,且使滑輪與導桿取得接觸滑順性,藉以完成椅架與兩側支撐腳架之組配,並賦予椅架得藉兩側弧型導桿與腳架滑槽配合而獲得仰傾型態之調變效能;另於兩側腳架前連結橫桿部位乃設有一組馬達伸縮桿,並使馬達的伸縮桿銜結於椅架座墊部位近後側之桿架上,藉以得對椅架形成適當角度支撐;據此,在馬達伸縮桿處於突伸狀態時,乃得維持椅架之正常型態,而操控馬達伸縮桿內縮時,則可拉引椅架在其導桿與腳架滑槽的配合下,形成不同角度之調整或呈倒立狀態,以提供不同之坐姿需求,為其特徵者。

 

在建構出倒立機與座椅式倒立機的專利分析摘要表之後,可以由表中歸納出一些專利分析的初步結論:

(1)   倒立機方面

綜觀上述專利資料可以發現,多數的技術手段皆集中於倒立機的整體機構設計上,能夠達到的功能僅提供倒立運動之用。

(2)   零重力椅方面

經過搜尋之後,國內僅有一篇關於座椅式倒立機的專利,此篇專利的技術手段皆集中於整體機構設計。由此篇專利可以看出其整體設計除了將“Zero Gravity Position”的功能實現之外,同時亦將倒立的功能考慮進去,公開日為2002年六月,相當值得重視。本計畫多功能座椅式倒立機“Ideal Chair”之設計開發,規劃上必須有更整體、更新穎、超越現有設計之功能。

4. 整體設計概念

4.1整體設計概念的描述

本計畫目的即是設計一台多功能座椅式倒立機-“Ideal Chair”,平時可以當成一般休閒座椅使用,同時兼具可調整至零重力位置以及倒立位置的功能,此外“Ideal Chair”使用的動作和倒立的角度都比現有倒立機緩和,適合於較廣泛的使用對象。初步整體設計概念描述如下(參考圖8):

“使用者坐在椅子鬆開位於座椅旁的插銷,讓座椅自然擺動至下一個位置固定後,輕觸位於扶手處的面板按鈕,座椅角度便能轉換至零重力位置。完畢後可以選擇讓座椅回復成原來的位置,或者想利用倒立的姿勢時,使用者將腳掌輕扣住位於座椅下半部的腳踝固定器後,再次輕觸位於扶手處的面板按鈕,座椅便能自動伸展成一倒立板,讓使用者進行倒立的動作。”

“當結束倒立的動作時,輕觸位於扶手處的面板按鈕,座椅便能自動變換成零重力位置,此時鬆開位於座椅旁的插銷,身體稍微前傾,座椅自然擺動回正常位置,並加以固定。利用面板按鈕,即可回復成原來的狀態”

8. 倒立機作動流程圖

4.2子系統定義

在此需求下,本多功能座椅式倒立機可分為以下三個子系統:

(1)   座椅角度調整子系統:本子系統除提供一般乘坐功能外,背靠、椅墊、膝墊間各接點必須有足夠調整彈性,可調整至“Zero Gravity Position”所需角度,以及倒立位置所需角度(180度)。圖10為醫學上“Zero Gravity Position”1~4】的各部位角度。圖中綠點位置代表使用者的頭顱倚靠在頭靠墊時的頭部重心位置,3個紅點由左至右依序代表使用者的肩膀、髖關節與膝關節的位置。

10. “Zero Gravity Position”的各部位角度

(2)   位置變換子系統:主要功能為調整座椅整體角度,以達成零重力位置以及倒立位置。

(3)   支架結構子系統:功能為固定、結合前二項子系統,支撐整體重量,並提供扶手、控制面版等周邊功能。

在此三項子系統中,角度調整子系統為關鍵子系統,此子系統之設計概念要先確立,其他兩子系統之設計才能配合發展,因此首先討論角度調整子系統之設計概念。

5. 角度調整子系統的設計

5.1座椅式倒立機座椅設計需求

本段即在描述座椅子系統角度變換機構概念設計,首先針對座椅子系統方面的設計需求與基本規格作一描述,同時藉由專利分析瞭解座椅角度變換機構的相關技術,進而提出座椅角度變換機構設計概念,並利用3D機構模擬軟體分析整體機構作動的可行性。

11為勞工衛生安全研究所[http://www.iosh.gov.tw/data/f12/e9.htm]統計的台灣地區人體上與下肢軀幹計測尺寸資料,圖12為一般市售頭靠式座椅的細部尺寸,可依據上述資料初步訂定出本倒立機中座椅部份的尺寸。但本計畫完成之設計原型利用一般市售躺椅之骨架作為座椅之結構,尺寸如圖13所示。

11. 人體上與下肢軀幹計測尺寸(藍色:男平均值;紅:女平均值)

12. 市售座椅尺寸圖

13. 倒立機座椅部份細部尺寸

5.2座椅角度變換機構相關專利搜尋

為了解座椅角度變換機構的相關技術特點,此處利用中華民國專利公報資料庫,蒐尋近十年來國內相關專利,表5~7是此次專利蒐集分析的結果。

5. 座椅角度變換機構專利分析摘要表(1)

專利號碼

469790

國際專利分類

A47C19/04 , A47C20/04

摘要表編號

001

申請日

20010212

專利名稱

具升降調整功能之電動折疊床結構

申請人

施龍潭(台灣)

公開日

20011221

技術分類

家具→椅子;沙發;床→床架→伸縮的床架,如有可調長度,寬度,高度者(A47C19/04)

家具→椅子;沙發;床→床、沙發等用之頭架、腳架等→可調整傾角者(A47C20/04)

分析人員

洪永杰

分析日期

2002/11/23

技術手段:

一種具升降調整功能之電動折疊床結構,其係由相互樞組之床頭、床尾底部連結有支撐桿架,床架上則分別設有背墊、腰墊及腳墊,床架一處設有驅動馬達,藉一傳動軸可將馬達動力帶動至一移動管上以促使其做前拉、後伸之移動,且移動管端裝設有旋臂及鋼索以分別帶動背墊及腳墊呈撐起、平躺之狀態;其特徵在於:該床頭、床尾的支撐桿架係設置有可伸縮調整桿且藉由驅動裝置以分別控制其伸縮狀態;藉此,該折疊床得以在其背墊及腳墊呈平躺或撐起之狀態下皆能控制調整其床架呈一適當之昇降及斜傾狀態,使其功能性更加提昇者。

   

 

6. 座椅角度變換機構專利分析摘要表(2)

專利號碼

276492

國際專利分類

A61G7/002

摘要表編號

002

申請日

19941027

專利名稱

護理病床之床墊傾斜調節機構

申請人

林茂林(台灣)

公開日

19960521

技術分類

醫學或獸醫學;衛生學→運送病人或方便病人之設備;手術台或手術椅;牙科椅子;喪葬用具→專用於護理之床;提升病人之裝置→附大小便設備者或有特殊用途之大小便裝置者

分析人員

洪永杰

分析日期

2002/11/23

技術手段:

一種護理病床之床墊傾斜調節機構,主要係由一驅動裝置、一鎖定裝置、一電源控制裝置、兩個活動床墊架與一個固定床墊架所構成,兩個活動床墊架分別搭接於該固定床墊架之兩端,其特徵在於:

驅動裝置係由一馬達、一被該馬達帶動之蝸桿及一與該蝸桿囓合之齒輪所組成,其中該齒輪係樞設於活動床墊架上,而該馬達與蝸桿則設於固定床墊架上;鎖定裝置係由一止退桿與一棘齒及一彈性件所組成,其中該棘齒係設於活動床墊架之端緣,而該止退桿一端則係設於該棘齒轉動之行程附近,另一端可探入棘齒對該棘齒作止動,該彈性件則用於提供止退桿具有回復力;電源控制裝置,由一電磁閥與一開關電路所組成,其中該電磁閥上設有一受其連動之推動臂,而該推動臂之另一端則與前述止退桿之探入端並接樞設;如是,藉由上述構造之組合,當該開關電路啟開時,馬達將帶動蝸桿與齒輪,此同時,該電磁閥將拉回推動臂,而將該止退桿亦往後拉,此時常態下探入於棘齒之止退桿將解除對棘齒之活動限制,如是,該活動床墊架將可被向上旋動,當該開關電路關閉,則該電磁閥將推回該推動臂,而該止退桿在彈性件之拉引配合下,將探入棘齒將向上旋動在某一角度之床墊架定位;反之,則可控制向下旋動之某一角度者。

 

7. 座椅角度變換機構專利分析摘要表(3)

專利號碼

308055

國際專利分類

A61G7/057

摘要表編號

003

申請日

19960416

專利名稱

護理病床

申請人

莊錦山(台灣)

公開日

19970611

技術分類

醫學或獸醫學;衛生學→運送病人或方便病人之設備;手術台或手術椅;牙科椅子;喪葬用具→專用於護理之床;提升病人之裝置→防止褥瘡或幫助病人翻升之裝置,例如用於此目的之特殊床墊

分析人員

洪永杰

分析日期

2002/11/23

技術手段:

一種護理病床,具有:一底座;及一第一床架,係設於前述底座之上;及多數個固定床板,係與前述第一床架之兩側邊垂直,且相互平行間隔地設於前述第一床架上;及一第二床架,係可上、下垂直移動地設於前述第一床架下方;及多數個活動床板,係以與前述第二床架具有一適當高度且相互間隔地位於前述各個固定床板之間的間隙中的方式架設於前述第二床架之上;及一第一驅動裝置,係用以驅動前述第二床架上、下移動;

其改良部份包括:二側翻架,係用以幫助病人翻身側躺,分別地具有一轉軸,係縱向並列地設於前述底座中央;及多數支撐架,係以相互平行間隔地位於前述固定床板與活動床板之間的間隙中之方式設於前述轉軸之上;且可受前述轉軸帶動而旋轉;及一驅動機構,係用以帶動前述轉軸旋轉;

藉由以上裝置之組合,前述之活動床板係可上移至高出前述固定床板或下降而低於前述固定床板,而使病人身體受壓部位改變,且可藉由前述側翻架協助病人翻身側躺而改變躺臥姿態。

 

由上述相關專利資料分析可以發現,座椅角度變換機構雖亦有直接驅動方式(如表6專利),但以線性致動器為動力源,設計連桿作座椅角度變換顯然是設計主流。此設計概念應用在座椅式倒立機座椅角度變換上,需考慮座椅的外觀與空間配置,儘量簡化整體機構設計,並將所有元件儘量集中在座墊部分,而座椅背靠與坐墊連接部份及坐墊與膝墊連接部份的角度變化可以獨立操控。

5.3座椅角度變換機構細部設計與電腦模擬分析

本計畫設計的座椅式倒立機初步決定採用線性致動器為動力源,設計連桿作座椅角度變換,接下來將進行細部設計,並以Working Model 6.1機構動態分析軟體[http://www.workingmodel.com/overview.html],模擬線性致動器對背靠與坐墊、坐墊與膝墊進行角度變換,對此過程中實際所需的馬達推力、拉力與螺桿的自鎖力進行分析。同時模擬中背靠、坐墊與膝墊的尺寸,將以圖13中之座椅實際尺寸為基準。

5.3.1背靠與坐墊連接部份致動器的選擇

14為倒立機背靠與椅墊間角度變換機構模擬模型,其中椅架部份於模擬過程中將被固定以作為基準面。運動模擬期間,須給定的參數為線性致動器的推力,而欲求取的參數為在此推力下所能撐起的使用者最大重量、螺桿的自鎖力與螺桿行程。

14. 倒立機座椅角度變換機構背靠與坐墊連接部份模擬分析模型

模擬初始給定條件如下:

(1)     座椅背靠與坐墊的角度變化為180°→100°(由水平位置→正常位置),如圖15所示。

15. 模擬時角度變化示意圖

(2)     線性致動器初始推力的給定係利用現有市售產品的規格為基準,尋找產品型錄,選擇5組規格化的致動器作為最大推力與最大自鎖力的模擬初始設定,如表8所示。

8. 線性致動器重要規格表(大銀微系統公司線性致動器型錄)

型式

最大推力(N)

最大拉力(N)

最大自鎖力(N)

LAS-2

800

800

400

LAS-1

1200

1200

800

LAM-2

2000

2000

1400

LAH1-3

3000

3000

1200

LAM-1

4000

4000

4000

(3)     於背部框架預先施加一本倒立機額定使用者最大體重(設定為80公斤)的負荷。

在此模擬中欲觀察之現象與欲求解的參數如下:

(1)   8中的5組線性致動器何者能在設定的負荷下(80公斤784N),提供足夠的推力使角度變換的過程中維持穩定的作動?

(2)   8中的5組線性致動器何者能在不作動時(不通電時),同時在設定的負荷下(80公斤784N),內部螺桿能提供足夠的自鎖力,使座椅整體結構維持在平衡狀態?

(3)   致動器本體長度加上所需行程長度後的整體長度是否超出椅架的最大長度(490mm)

將上述5組致動器最大推力、最大拉力與自鎖力等參數代入模擬,可分別獲得其所能稱起的最大負荷、螺桿最大自鎖力所能抵抗的最大負荷、致動器所需行程與其整體長度,所獲得的數據如表9

9. 不同線性致動器所對應相關參數比值表

型式

支撐最大負荷(N)

抵抗最大負荷(N)

行程(mm)

整體長度(mm)

LAS-2

220

225

131

381

LAS-1

330

445

131

381

LAM-2

550

780

131

415

LAH1-3

830

670

131

435

LAM-1

1100

2200

131

415

由表9可看出,此5組線性致動器中僅有型式LAM-1的致動器符合需求,接下我們繼續求取坐墊與膝墊連接部份致動器規格。

5.3.2坐墊與膝墊連接部份致動器的選擇

16為倒立機坐墊與膝墊間角度變換機構模擬模型,其中椅架部份於模擬過程中將被固定以作為基準面。運動模擬期間,須給定的參數為線性致動器的推力,而欲求取的參數為在此推力下所能撐起的使用者下肢最大重量、螺桿的自鎖力與螺桿行程。

16. 倒立機座椅角度變換機構(坐墊與膝墊連接部份)模擬分析模型

模擬初始給定條件如下:

(1)      座椅坐墊與膝墊的角度變化為105°→180°(由正常位置→水平位置),如圖17所示。

17. 模擬時角度變化示意圖

(2)      線性致動器初始推力的給定係利用現有市售產品的規格為基準,尋找產品型錄,選擇5組規格化的致動器作為最大推力與最大自鎖力的模擬初始設定,如表9所示。

9. 線性致動器重要規格表(大銀微系統公司線性致動器型錄)

型式

最大推力(N)

最大拉力(N)

最大自鎖力(N)

LAS-2

800

800

400

LAS-1

1200

1200

800

LAM-2

2000

2000

1400

LAH1-3

3000

3000

1200

LAM-1

4000

4000

4000

(3)      於腳部框架預先施加一本倒立機額定使用者最大體重(設定為80公斤)一半的負荷(40公斤)。

在此模擬中欲觀察之現象與欲求解的參數如下:

(1)    9中的5組線性致動器何者能在設定的負荷下(40公斤392N),提供足夠的推力使角度變換的過程中維持穩定的作動?

(2)    9中的5組線性致動器何者能在不作動時(不通電時),同時在設定的負荷下(40公斤392N),內部螺桿能提供足夠的自鎖力,使座椅整體結構維持在平衡狀態?

(3)    致動器本體長度加上所需行程長度後的整體長度是否超出椅架的最大長度(490mm)

將上述5組致動器最大推力、最大拉力與自鎖力等參數代入模擬,可分別獲得其所能稱起的最大負荷、螺桿最大自鎖力所能抵抗的最大負荷、致動器所需行程與其整體長度,所獲得的數據如表10

10. 不同線性致動器所對應相關參數比值表

型式

支撐最大負荷(N)

抵抗最大負荷(N)

行程(mm)

整體長度(mm)

LAS-2

150

60

132

383

LAS-1

450

337

132

383

LAM-2

580

460

132

417

LAH1-3

690

600

132

437

LAM-1

930

914

132

417

由表10可看出,此5組線性致動器中僅有型式LAS-1的致動器最符合需求。

經由上述電腦模擬分析之後,倒立機角度變換機構設計概念的可行性已經獲得初步驗證,整體座椅與角度變換機構外觀如圖18

18. 整體座椅與角度變換機構外觀3D圖與細部零件圖

5.4 .1角度變換機構原型製作

19~圖27為整體座椅與角度變換機構細部零件尺寸圖,圖2829為零件相對位置佈置圖,表11則為零件細目表。

19. 座椅下半部ㄇ型桿零件圖

20. 座椅上半部ㄇ型桿零件圖

21. 致動器連接座(1)零件圖

22. 致動器連接座(2)零件圖

23. 致動器連接座(3)零件圖

24. 背框架橫桿零件圖

25. 腳踝固定器零件圖

26. 腳架零件圖

 

27. 連接座零件圖

28. 座椅與角度變換機構(下半部)佈置圖

29. 座椅與角度變換機構(上半部)佈置圖

11. 座椅與角度變換機構零件表

編號

名稱

數量

材料

來源

1

腳踝固定器

1

鋁材

外包製作

2

致動器連接座(2)

2

黑鐵

外包製作

3

腳架

1

鋁材

外包製作

4

連接座

2

白鐵

外包製作

5

座椅下半部ㄇ型桿

1

鋁材

外包製作

6

致動器連接座(1)

1

黑鐵

外包製作

7

背框架橫桿

1

白鐵

外包製作

8

座椅上半部ㄇ型桿

1

鋁材

外包製作

9

致動器連接座(3)

1

黑鐵

外包製作

5.4.2角度變換機構功能性測試(座椅下半部)

初始設定的角度變化為90°~180°,同時依據Working Model模擬出來的結果,角度變化由於受到桿件長度與相對位置的影響,所得的角度變化為102°~177°(圖30)。完成原型實際角度變化,為92°~175°(圖31),角度與模擬出結果相當。

30. 腳架角度變化將可由177°~102°

 

32. 實際腳架角度變化由92°~175°

5.4.3角度變換機構功能性測試(座椅上半部)

初始設定的角度變化為90°~180°,同時依據Working Model模擬出來的結果,角度變化由於受到桿件長度與相對位置的影響,所得的角度變化為103°~180°(圖33)。完成原型實際角度變化,為100°~180°(圖34),角度與模擬出結果相當。

33. 椅背角度變化將可由180°~103°

 

34. 實際椅背角度變化180°~100°

6. 位置變換子系統與支架結構子系統之設計

本座椅式倒立機的核心目標即是設計一可於正常位置、零重力位置、與倒立位置間做角度切換調整的機構。而市售倒立機由站立位置轉換成倒立位置,是靠一“擺動”動作達成,因此本設計中位置變換子系統嘗試利用同樣的擺動動作。

6.1位置變換子系統與支架結構子系統之概念設計

35為旋擺定位機構示意圖,整體設計係由一擺板與一固定板所組成,A型支架部份負責支撐整體座椅結構。固定板與A型支架固定於一體,並在上端與近中間處開設一軸孔,軸孔的功能為提供擺板上軸心與之結合之用。擺板上設有一弧槽與2個小圓孔洞,當使用者欲將座椅角度做變換時,只要用手稍微鬆開位於固定板上的定位銷使其脫離圓孔洞,順勢將身體重心變換,即可達到所需位置並自動定位。

目前弧槽尺寸設計是以讓座椅角度由水平變化至23度,如需要增大倒立角度可加大弧槽尺寸。

35. 旋擺定位機構3D示意圖

6.2位置變換子系統與支架結構子系統原型製作與功能測試

6.2.1位置變換子系統與支架結構子系統原型製作

36~圖39為整體座椅與角度變換機構細部零件尺寸圖,圖40為零件相對位置佈置圖,表12則為零件細目表。

36. A型支架零件圖

37. 擺板零件圖

38. 固定板零件圖

39. A型支架固定器零件圖

40. 位置變換子系統與支架結構子系統零件佈置圖

12. 位置變換子系統與支架結構子系統零件表

編號

名稱

數量

材料

來源

1

A型支架固定器

2

黑鐵

外包製作

2

擺板

2

白鐵

外包製作

3

固定板

2

白鐵

外包製作

4

插銷

2

2212.406

伍全公司

5

滾珠軸承

2

外徑:42mm,內徑:20mm

外購

6

A型支架

2

白鐵

外包製作

6.2整體功能測試

41~圖44為位置變換子系統、支架結構子系統原型完成後,與位置變換子系統整合後功能性測試圖,原先規劃的位置變換、角度變換功能均可達成。

41. 正常位置

42. 零重力位置

43. 倒立位置

44. 座椅式倒立機