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作者:劉子吉、洪永杰(2004-07-12);推薦:徐業良(2004-07-12)

多功能健康休閒座椅底座結構與座墊角度調整機構設計

本文目的係針對本計畫「多功能健康休閒座椅」底座結構方面的基本規格作與設計概念作一描述。首先藉由市售類似座椅底座結構的種類與相關尺寸來瞭解相關技術,並訂定本計畫座椅基本規格,進而提出底座結構的設計概念,並利用3D繪圖軟體呈現設計概念與座椅結構外型尺寸。

1. 市售座椅底座結構簡介

目前一般市售休閒座椅底座結構大致可分為H型底座、圓盤型底座、與整體包覆式底座等3類,如圖1至圖6所示,以下針對三種底座結構的大部尺寸作一介紹。

1. 市售H型底座按摩椅

2. H型底座新式樣專利

3. 市售圓盤型底座按摩椅

4. 圓盤型底座新式樣專利

5. 市售整體包覆式與造型底座按摩椅

6. 整體包覆式與造型底座新式樣專利

(1)   H型底座

7與圖8顯示了兩種不同H型底座的按摩椅型式。浪越700型按摩椅本身採用一體成型的坐躺設計,腳靠墊、座墊與椅背間無角度變換功能,當座椅呈現躺姿時,其總長度為1500mm,頭枕部離地面約670mm。當座椅呈現一般坐姿時,腳靠墊離後底座約920mm,頭枕部離地面約1100mm。座椅寬度則為750mm

7. 浪越700型按摩椅

浪越770型按摩椅本身採用微調式電動躺臥,當座椅呈現躺姿時,其總長度為1730mm,頭枕部離地面約810mm。當座椅呈現一般坐姿時,腳靠墊離後底座約1050mm,頭枕部離地面約1070mm。座椅寬度則為800mm

8. 浪越770型按摩椅

(2)   圓盤型底座

9中的按摩椅其設計重點強調按摩的功能,因此椅背與座墊間的角度僅能維持固定。當座椅呈現一般坐姿時,座墊前緣離頭枕部約830mm,頭枕部離地面約1080mm。座椅寬度則為840mm

9. 金城國際B270型按摩椅

(3)   整體包覆式底座

10與圖11顯示了兩種不同造型按摩椅的大部尺寸。富士新體感按摩椅當座椅呈現躺姿時,其總長度為1700mm,頭枕部離地面約680mm。當座椅呈現一般坐姿時,腳靠墊離後底座約1150mm,頭枕部離地面約1100mm。座椅寬度則為830mm

10. 富士新體感按摩椅

浪越星際旗鑑按摩椅當座椅呈現躺姿時,其總長度為1750mm,頭枕部離地面約660mm。當座椅呈現一般坐姿時,腳靠墊離後底座約1100mm,頭枕部離地面約1150mm。座椅寬度則為780mm

11. 浪越星際旗鑑按摩椅

(4)   市售高背式辦公椅尺寸

依據台灣地區人體上與下肢軀幹計測尺寸資料【勞工衛生安全研究所,http://www.iosh.gov.tw/data/f12/e9.htm】,成年人頭頂至坐面的平均距離約為880.5mm;坐姿時坐面至腳底的平均距離約為393.51mm;臀部後緣至小腿內側的平均距離約為433.5mm;坐姿臀寬的平均距離約為338.56mm,因此一般市售高背式辦公椅其設計重點之一為椅背部份的高度須能達到支撐使用者的頭部,椅背的尺寸設計約略為940~1000mm,同時座墊至地面高度約為400mm左右。

12. 人體上與下肢軀幹計測尺寸(藍色:男平均值;紅:女平均值)

13. 市售高背辦公椅與簡易型休閒座椅尺寸

2. 座椅底座結構與座墊角度調整機構設計需求

考慮座椅的外觀與空間配置,同時需負載機構與使用者的重量,圓盤型底座由於在空間配置與穩定度不符本計畫的需求,故排除採用此種設計。H型底座的優點為穩定度高,同時椅腳間的橫桿可提供相關桿件與致動器的固定,使設計較具有整體感,如考量商品的美感,亦可在H型底座設計上作整體包覆式設計。本計畫「多功能健康休閒座椅」底座結構將採H型底座設計概念。

座墊角度調整機構的設計概念採用簡化形式「史都華平台(Stewart Platform)」的概念,如圖14所示,整體史都華平台為三根連接桿,連接上可動板(鎖附至座墊)與整體支撐架,其中AB兩根連接桿為固定長度之連接桿,C連接桿則為可變動的連接桿,此可變動長度的功能將由一線性致動器來達成,如此控制C連接桿伸長、縮短,即可控制可動板(座墊)單一方向的傾斜角度。

14. 簡化形式史都華平台

此多功能健康休閒座椅底座結構與座墊角度調整機構基本功能設計目標的敘述如下:

l      為求結構穩定,致動器裝置位置必須在座墊中央,並利用線性致動器來達成座墊角度的調整,而致動器依現有的規格進行設計,其規格如表1所示,共有3種不同的規格尺寸進行設計。

l      座墊調整角度由水平至前傾須約有20度的變化功能(起身輔助姿態)。

l      座墊調整角度由水平至後仰須約有20度的變化功能(緩和倒立姿態)。

l      座墊於輔助起身時,座墊高度變化需約有150mm

l      在緩和倒立時椅背頂端觸地,以提供適當支撐。

1. 致動器規格

 

現有致動器

標準規格#1

標準規格#2

致動器固實長度(mm)

273

253

303

致動器最大伸長長度(mm)

293

353

453

最大推力(N)/自鎖力(N)

4000/4000

4000/4000

4000/4000

依據上述的功能要求,將所需設計的座椅變數依其幾何位置表示如圖15所示所示,所包含的設計變數有:

l      :輔助起身角度

l      :緩和倒立角度

l      :支撐點A的長度

l      :致動器於一般座椅時長度

l      :座椅高度

15. 座椅變數與其幾何位置

在設計變數中、和設計變數值將可由圖16與式(1)~(4)計算得知。

16. 設計變數三角關係圖

                                             (1)

                   (2)

                 (3)

                  (4)

其中結構高度設為80mm

3. 座椅底座結構與座墊角度調整機構尺寸設計

以下將針對3種不同的致動器規格進行尺寸設計與最終致動器規格的選擇。

(1)現有致動器

變化兩設計變數,以現有致動器固實長度為273mm、最大伸長長度為393mm,由式(1)~(3)可以得到對應之之角度變化結果,如圖17所示。

17. 致動器長度長度對輔助起身與緩和倒立之角度變化

由圖17較為適當的設計為介於320~340mm則介於100~250mm之間,進一步觀察,當致動器長度330mm時,其輔助起身與緩和倒立的角度差較小,也較符合所訂定的設計設定目標,故再將此作詳細分析,如表2所示,其中設計9較符合需求。

2. 尺寸變數與對應功能變數表

 

座墊高度變化

1

100

330

38.6

218.4

35.2

362

2

110

330

34.6

204.6

31.5

425

3

120

330

31.4

193.0

28.6

487

4

130

330

28.8

183.2

26.2

550

5

140

330

26.6

174.7

24.1

612

6

150

330

24.7

167.4

22.4

674

7

160

330

23.1

160.9

20.9

737

8

170

330

21.7

155.2

19.7

799

9

180

330

20.4

150.1

18.5

861

10

190

330

19.3

145.6

17.5

923

11

200

330

18.3

141.5

16.6

985

12

210

330

17.4

137.7

15.8

1047

13

220

330

16.6

134.4

15.0

1110

14

230

330

15.9

131.3

14.4

1172

15

240

330

15.2

128.4

13.8

1234

16

250

330

14.6

125.8

13.2

1296

(2)致動器標準規格#1

變化兩設計變數,以致動器標準規格#1固實長度為253mm、最大伸長長度為353mm,由式(1)~(3)可以得到對應之之角度變化結果,如圖18所示。

18. 致動器長度長度對輔助起身與緩和倒立之角度變化

由圖18較為適當的設計為介於280~330mm則介於100~250mm之間,進一步觀察,當致動器長度300mm時,其輔助起身與緩和倒立的角度差較小,也較符合所訂定的設計設定目標,故再將此作詳細分析,如表3所示,其中設計5較符合需求。

3. 尺寸變數與對應功能變數表

 

座墊高度變化

1

100

300

31.8

184.4

28.2

454

2

110

300

28.7

172.6

25.4

525

3

120

300

26.1

162.8

23.2

596

4

130

300

24.0

154.4

21.3

668

5

140

300

22.2

147.2

19.7

739

6

150

300

20.6

141.0

18.3

810

7

160

300

19.3

135.5

17.1

881

8

170

300

18.1

130.7

16.1

952

9

180

300

17.1

126.4

15.2

1023

10

190

300

16.2

122.6

14.3

1094

11

200

300

15.3

119.1

13.6

1165

12

210

300

14.6

116.0

13.0

1236

13

220

300

13.9

113.1

12.3

1307

14

230

300

13.3

110.5

11.8

1378

15

240

300

12.7

108.1

11.3

1449

16

250

300

12.2

106.0

10.8

1520

(3)致動器標準規格#2

變化兩設計變數,以致動器標準規格#1固實長度為303mm、最大伸長長度為453mm,由式(1)~(3)可以得到對應之之角度變化結果,如圖19所示。

19. 致動器長度長度對輔助起身與緩和倒立之角度變化

由圖19較為適當的設計為介於330~420mm則介於140~250mm之間,進一步觀察,當致動器長度380mm時,其輔助起身與緩和倒立的角度差較小,也較符合所訂定的設計設定目標,故再將此作詳細分析,如表4所示,其中設計9較符合需求。

4. 尺寸變數與對應功能變數表

 

座墊高度變化

1

140

380

31.21

202.1

33.82

436

2

150

380

28.96

193.6

31.23

487

3

160

380

27.01

186.2

29.04

538

4

170

380

25.32

179.6

27.15

588

5

180

380

23.84

173.8

25.51

638

6

190

380

22.52

168.5

24.06

688

7

200

380

21.34

163.8

22.77

739

8

210

380

20.29

159.5

21.62

789

9

220

380

19.33

155.6

20.58

839

10

230

380

18.46

152.0

19.64

889

11

240

380

17.67

148.8

18.78

939

12

250

380

16.95

145.7

18.00

989

4. 緩和倒立姿勢時致動器推力計算

依據先前一節的尺寸計算,選擇出3個尺寸的設計進行緩和倒立姿勢時致動器推力的計算。表5為座椅尺寸變數的設計,圖20則為緩和倒立姿勢時致動器推力Fa計算的力平衡示意圖。假設人體的重量W施力於1/2L的位置,L的定義如圖20所示。

5. 座椅設計變數

 

椅背長

現有致動器規格(273, 393)

180

330

18.5

861

1.95

標準規格#1(253, 353)

140

300

19.7

739

1.86

標準規格#1(303, 453)

220

380

20.58

839

2.66

20. 進行緩和倒立姿勢時座椅受力之力平衡示意圖

致動器推力計算以A點為支點做力矩平衡計算如下

                                                   (5)

    (6)

                      (7)

                                      (8)

21為不同的致動器規格在不同的荷重W下,其致動器所需的推力Fa。觀察圖21,標準規格#1的致動器在1000N的荷重下,其推力超過4000N最大的推力,不適用本設計。現有的致動器與標準規格#2均可適合目前的設計,在考量產品的生產成本下,選擇標準規格#2的設計(如表6),並依上述的尺寸進行CAD的繪製。

6. 座椅底座結構與座墊角度調整機構尺寸設計

時座墊高度變化

220mm

380mm

19.33o

155.6mm

20.58o

839mm

21. 致動器推力與荷重關係圖