自动感应智能升降椅

罗源 学号12223017

（北京交通大学机械与电子控制工程学院，北京 100044）

摘 要：该自动感应智能升降椅是基于红外线传感器的采集数据，通过单片机分析处理数据，按照人体工学原理计算出最符合就座学生的座椅高度，并依照电动升降椅的原理实现座椅高度的调节。

关键词: 人体工学椅、人体工程学、红外线传感器、升降椅、红外线身高测量仪

在大学大教室上课时常会遇到坐在后排的个子矮的学生视线被前排个子高的学生影响的情况，若前排学生不低头则会影响后排学生的听课效果；若前排同学配合低头弯身听课，不仅不舒适，并且时间长会使腰背和颈椎就出现不同程度的疼痛。因此为了使同学们拥有一个更加舒适的学习听课环境，我们小组提出了设计基于红外线传感器获取就座学生的身高体重等数据通过单片机处理得到并自动调节椅面高度的智能升降椅。

该设计主要有三个主体部分，分别是红外线传感器、单片机及其相关电路（用于分析处理数据）和升降椅调节机构。本综述将从人体工程学座椅设计原理，升降椅已有几种类型比较和红外线传感器对该项目做详细介绍。

一、人体工学座椅设计原理

（一）名词解释及人体工学设计原理

1、 座高

[1]座高是指人在标准坐姿时，坐面距离地面或足支撑平面的距离，即座面到足平面的距离适当的座高应满足以下条件：首先，适当的座高应使大腿保持水平，小腿垂直双脚平放于地面其次，座面不能过高，否则小腿悬空时，大腿受椅面前缘压迫，使坐者感到不适，长时间这样坐着血液循环受阻，小腿麻木肿胀再次，座面亦不能太低，否则腿长的人骨盆后倾，正常的腰椎曲线被拉直，致使腰酸不适座高与身高间的计算公式为：亚洲人座高 = 0.222*H，（H为身高尺寸）

2、 座宽

座宽是指座椅坐面的宽度，通常以人体测量尺寸中的坐姿臀宽的数据作为设计依据适当的座宽应满足以下条件：首先，座宽必须能容纳身材粗壮的人对单人使用的座椅，参考尺寸是臀宽，以女性群体尺寸上限为设计根据。其次，对成排相邻放置的座椅，如剧场观众椅，则座宽应以肘间距的群体上限位为设计基准，以避免拥挤压迫感。再次，座宽亦不能太大，如长时间坐姿作业，双臂应得到应有的支承，如座宽太大，则肘部必须向两侧伸展以寻求支承，这样会引起肩部疲劳。座宽与身高间的计算公式为：亚洲人座宽 =0.199*H，（H为身高尺寸）

3、 靠背宽度

靠背宽度是指座椅靠背的宽度，通常以人体测量尺寸中肩宽的数据作为设计依据。适当的靠背宽度应满足以下条件：首先，座椅靠背的宽度可根据座椅的用途来确定，对于工作座椅，靠背的宽度应以不妨碍手臂的操作活动为前提。座宽与身高间的计算公式为：亚洲人靠背宽度 =0.222*H，（H为身高尺寸）[1]

4、 总结

上述座椅设计的主要参数与身高间的关系的计算公式，是在现有多种经验公式的基础上汇总、推算出来的，具有一定的可用性与可参考性。通过经验公式，在进行座椅设计时可以使关键参数的确定更为便捷、准确；可以有效地提高设计的效率。

在设计中充分考虑人体的各种尺度，一切操作装置都应设在人的肢体活动所能及的范围之内，其高低位置必须与人体相应部位的高低位置相适应；而且其布置应尽可能设在人操作方便、反应最灵活的范围之内。因而也就要求设计者能了解一些人体测量学方面的基本知识，并能在设计过程中正确使用这些尺寸。

（二）我国课桌椅（学生用）卫生标准要求[2]

1、 桌面

有坡面和平面两种。坡面向作下侧倾斜的角度为10-12，其做人侧的桌高与平面相同。一般桌面宽度单人的为550-600mm，深度为380-420mm。

2、 桌下空间

任何形式的课桌都必须具有足够放置下肢的桌下空区。既保证就座学生下肢的前后移动。

3、 椅高

既椅座面离地面的高度，合适的椅高应略低于小腿1cm左右（穿鞋）。小腿略高，为的是能使下肢着力于整个脚掌，便于两腿前后移动。

4、 椅深

即椅座前后的宽度。应该相当于臀部至大腿全长的四分之三。椅面前缘不应有棱角，椅座面向后略倾斜0-2角。

5、 椅靠背

靠背向后倾斜，与椅面之间呈95-100角，腰靠背要合适脊柱弯曲，做着阅读时，背部肌肉得到休息，减少疲劳。

6、 桌椅距离

一般做人侧与椅前线之间前后水平距离，以负距离2-4cm为宜。[2]

二、五种典型的升降椅类型

1、 气压棒升降椅

气压棒升降椅是现在比较普遍的一种，各大家具市场中的升降椅大部分都是此类型，这说明气压棒升降椅已经成为现今的主流，它能成为主流必然是由于它具备了某种特性，使得人们热衷于使用它。它操作十分灵活，结构相对简单，因此方便于组装加工，进而可降低整体制造成本。气压棒升降椅的这些优点深受人们的喜爱。有人说过，未来的社会是使人变得越来越懒的社会。人们越来越将“方便”当做了首要标准。但与此同时，我们不得不为我们的“方便”付出一些代价。气压棒升降椅有一个很大的安全隐患，那就是它有发生爆炸的危险，对于正规的升降椅，一般有三种情况可能发生爆炸：一是氮气纯度不足，在高温环境或摩擦过于频繁的情况下，会导致气缸温度骤升、压力变大，可能发生爆炸；二是气缸容器壁不够坚固或是材质差，可能发生爆炸；三是封口密封不严密，导致气体迸出。有些黑厂家为压低成本，填充的甚至是高压空气，更容易引起爆炸。

2、 液压千斤顶升降椅

液压千斤顶升降椅多用于诸如理发椅等特殊场合，通常需要使用者之外的第三者施加驱动力来实现椅子的升降。由此一来，液压千斤顶升降椅就不如气压棒升降椅那样方便了。不过它结构紧凑，工作平稳，这一点是其突出的优点。但同时它也有缺点也较明显——容易漏油，尤其是在理发馆、美容院这样的场所，给用户带来了极大的不便。 

3、 螺旋式升降椅

螺旋式升降椅采用了螺后旋副中的摩擦，此类升降椅在气压棒升降椅问市之前比较流行，它结构简单，使用安全可靠，使用方法简单明了，但是由于采用了螺栓和螺母，和空气的接触面积比较大，所以它的杆容易生锈。使用一段时间后再要旋转进行升降就会花费更大的力气和更多的时间。进而新的升降椅诞生了，不过，它的简单与安全的特性应该被继承。 

4、 固定位置升降椅

固定位置升降椅升降方式相对其余的四种升降椅的升降方式就要机械得多了，它是靠螺钉固定的，每次升降的时候都要用工具将螺钉卸下才能进行升降，而且升降后的位置也是相对单一和固定的。不过它是一种特别安全的升降椅，几乎没有安全隐患。但是由于它的不方便性，现在很少有人使用此类升降椅了。 

5、 电动升降椅

电动升降椅采用了线性驱动器电动推杆升降的原理，它杜决现有产品通过液压升降易出现漏油的弊端,同时它的使用寿命大大的增强。使使用者减少了每两.三年就要重新设备投入的支出。并且，现今电器的使用已经成为了一种时尚。但与此同时，它的造价昂贵，消耗大，一方面加大了电量的使用，另一方面限制了有电的情况下才能使用。加之，电本身就具有一定的危险性。 

此五种升降椅代表了升降椅的一个发展历史，从最简单的固定位置升降椅在到现在流行的气压棒升降椅，可以看到技术的一个发展过程，科技的发展，带来了产品性能的不断革新；但是我们也不能一味的追求技术的先进而忽略了人的因素。本设计中采用电动升降椅，精确度高，并将红外线传感技术应用其中，能够自动调节座椅高低。

（二）红外线传感器

传感器的种类众多，但适用于测量身高数据的有激光传感器、红外线传感器和视觉传感器。其中红外线传感器灵敏度与精度都较高，且价格适中，因此我们的设计中选择红外线传感器。

红外线传感器包括光学系统、检测元件和转换电路。光学系统按结构不同可分为透射式和反射式两类。检测元件按工作原理可分为热敏检测元件和检测元件。热敏元件应用最多的是。热敏电阻受到红外线辐射时温度升高，电阻发生变化，通过转换电路变成电信号输出。光电检测元件常用的是光敏元件，通常由硫化铅、硒化铅、砷化铟、砷化锑、碲镉汞三元合金、锗及硅掺杂等材料制成。

红外线传感器的分类

(1) 将红外线一部份变换为热，藉热取出电阻值变化及电动势等输出信号之热型。

(2) 利用半导体迁徙现象吸收能量差之光电效果及利用因PN 接合之光电动势效果的量子型。

热释电红外线传感器的工作原理[3]

该传感器主要是由一种高热电系数的材料，如锆钛酸铅系陶瓷、钽酸锂、硫酸三甘钛等制成尺寸为2*1mm的探测元件。在每个探测器内装入一个或两个探测元件，并将两个探测元件以反极性串联，以抑制由于自身温度升高而产生的干扰。由探测元件将探测并接收到的红外辐射转变成微弱的电压信号，经装在探头内的场效应管放大后向外输出。为了提高探测器的探测灵敏度以增大探测距离，一般在探测器的前方装设一个菲涅尔透镜，该透镜用透明塑料制成，将透镜的上、下两部分各分成若干等份，制成一种具有特殊光学系统的透镜，它和放大电路相配合，可将信号放大70分贝以上，这样就可以测出10~20米范围内人的行动。

菲涅尔透镜利用透镜的特殊光学原理，在探测器前方产生一个交替变化的“盲区”和“高灵敏区”，以提高它的探测接收灵敏度。当有人从透镜前走过时，人体发出的红外线就不断地交替从“盲区”进入“高灵敏区”，这样就使接收到的红外信号以忽强忽弱的脉冲形式输入，从而强其能量幅度。

人体辐射的红外线中心波长为9~10--um，而探测元件的波长灵敏度在0.2~20--um范围内几乎稳定不变。在传感器顶端开设了一个装有滤光镜片的窗口，这个滤光片可通过光的波长范围为7~10--um，正好适合于人体红外辐射的探测，而对其它波长的红外线由滤光片予以吸收，这样便形成了一种专门用作探测人体辐射的红外线传感器。[3]

因此我们决定利用[4]专利——红外线人体身高测量仪来完成我们的设计。该仪器包括光学成像系统、置于光学成像系统后的红外线传感器以及用于驱动光学成像系统和红外传感器上下运动的运动机构，人体所发出的红外线经过光学成像系统成像于红外线传感器上，运动机构驱动光学成像系统与红外线传感器同步运动，根据红外线传感器的初始位置以及人体的红外线在红外线传感器的成像范围计算出人体高度，这种检测方法无需任何测量器械的接触，只要人站在一定的范围内，该仪器就能迅速、准确的获取人体身高值。[4]

此外，我们通过在座面上增加承重传感器获取体重数据。这里就不做详细赘述了。

参考文献：
[1] 林崇德.工程心理学[M].人民教育出版社,2000

[2] 唐锡麟,王忆军 .升降式课桌椅卫生标准的研究[J].中国学校卫生,1994,(5)

[3] 郑宏.浅谈热释电红外线传感器RE200B的应用[J].中国高新技术企业.2008(18);119~121

[4] 潘伟潮.一种红外线人体身高测量仪[P].中国：200710026620.2,2007

[5] 杨志敏,张亚池,张双保.人机工效学在椅类设计中的应用[J].木材加工机械.2002,(4)

[6] 苏胜.基于舒适度的休息性座椅相关角度分析[J].包装工程.2010 (22)

[7] 丁玉兰．人机工程学[M]．北京理工大学出版社.2006

[8] 周燕,申东娅.一种新型红外感应全自动洗手器[J].云南大学学报.2004,26(4);312~314

[9] 罗玉明.人体工学课桌椅的设计原理[J].中国教育技术装备.2004(9)

[10]Bluebroc C-Station.人体工学椅[J].新潮电子.2005(4)

[11]米奇.办公椅中的人体工程学原理[J].家具.2003(6)

本文来源：https://www.2haoxitong.net/k/doc/efba765c844769eae009edbf.html