■李 麗 周陽峰 張仲鳳 Li Li & Zhou Yangfeng & Zhang Zhongfeng

(1.2.3.中南林業(yè)科技大學(xué)，湖南省綠色家居工程技術(shù)中心，湖南長(zhǎng)沙 410004）

“現(xiàn)代社會(huì)中很多工種要求工人長(zhǎng)時(shí)間站立重復(fù)作業(yè)，比如醫(yī)生、汽車工人、涂裝工人、老師等，長(zhǎng)期下來容易對(duì)身體的肌肉骨骼造成損害，罹患肌肉骨骼疾病（MSDS）[1-3]。同時(shí)現(xiàn)有研究也表明：長(zhǎng)期保持站立姿勢(shì)不僅嚴(yán)重影響工人的健康，也會(huì)大大降低工人的作業(yè)效率[4-5]，無形中增加企業(yè)的成本，造成高額的經(jīng)濟(jì)損失。據(jù)統(tǒng)計(jì)，美國(guó)職業(yè)性腰背痛平均每人每年賠償額為0.8萬多美元，每年經(jīng)濟(jì)賠償機(jī)構(gòu)直接賠償額總計(jì)約為110億美元；瑞典每年為患有MSDS的職員支付保險(xiǎn)賠償費(fèi)高達(dá)24億美元。因此，如何為長(zhǎng)期站立重復(fù)作業(yè)的特殊人群設(shè)計(jì)一種用于緩解肌肉疲勞的輔助設(shè)備成為一個(gè)值得研究的問題?？纱┐髯呔褪枪┕と诉M(jìn)行長(zhǎng)期站立重復(fù)作業(yè)時(shí)支撐身體的一類特殊家具。

1 可穿戴坐具設(shè)計(jì)研究現(xiàn)狀

坐具即供人坐的用具[6]。可穿戴坐具即一類直接穿在身上供人坐的用具。最早的可穿戴坐具為美國(guó)設(shè)計(jì)師Bonner在1979年申請(qǐng)的專利—wearable chair（圖1）。wearable chair借鑒了基本的椅子形態(tài)，采用手動(dòng)調(diào)節(jié)的方式，可為工人屈膝站立作業(yè)時(shí)提供身體支撐。2014年，瑞士的初創(chuàng)公司Noonee，設(shè)計(jì)一款Chair less Chair（圖2），它更像是一副腿部外骨骼，包裹住人體大腿后方，支架向下延伸固定在腳部，用來解決奧迪生產(chǎn)線上汽車工人長(zhǎng)時(shí)間工作站立的問題。Chair less Chair需要電力，放入電池后，具有一定的續(xù)航能力，穿戴后可以自由行走，只需按一個(gè)鍵，就能固定住支架，給使用者在屈膝狀態(tài)時(shí)提供支撐力。2016年，針對(duì)外科醫(yī)生長(zhǎng)期站立進(jìn)行手術(shù)的肌肉骨骼疾病問題，日本模具制造公司Nitto與千葉大學(xué)以及設(shè)計(jì)公司Hiroaki Nishimura、科技公司Polymer Technology聯(lián)合設(shè)計(jì)了可穿在身上的椅子Archelis(圖3)。Archelis由兩條支架作為支撐，在站立時(shí)為腿部提供支持力，由繃帶綁住大腿、小腿，方便屈膝的時(shí)候進(jìn)行支撐。但這三個(gè)可穿戴坐具均未實(shí)現(xiàn)批量化生產(chǎn)。另外，根據(jù)國(guó)家專利局的數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)，在2015年~2017年三年間，中國(guó)有5項(xiàng)關(guān)于可穿戴坐具或座椅的專利申請(qǐng)成功，這些專利給可穿戴坐具的設(shè)計(jì)與研發(fā)提供了新的思路，同時(shí)也預(yù)示著可穿戴坐具在未來擁有巨大的市場(chǎng)前景[7-11]。

從國(guó)內(nèi)外研究現(xiàn)狀上可以看出，目前對(duì)于可穿戴坐具的研究大都局限于概念性設(shè)計(jì)上，并未形成系統(tǒng)的理論研究。鑒于可穿戴坐具在未來具有廣闊的應(yīng)用前景，作者以家具設(shè)計(jì)的專業(yè)角度對(duì)可穿戴坐具的設(shè)計(jì)原則、造型設(shè)計(jì)、結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、尺寸設(shè)計(jì)、材料設(shè)計(jì)等進(jìn)行了歸納和總結(jié)，以便為后來可穿戴坐具的設(shè)計(jì)和批量化生產(chǎn)提供可借鑒的意義。

2 可穿戴坐具設(shè)計(jì)原則

2.1 人性化

人性化設(shè)計(jì)是當(dāng)今家具產(chǎn)品設(shè)計(jì)必須考量的因素之一，要求設(shè)計(jì)中心必須圍繞使用者的需求而展開?？纱┐髯叩娜诵曰O(shè)計(jì)主要體現(xiàn)在以下幾個(gè)方面。①采用質(zhì)輕高強(qiáng)度的材料設(shè)計(jì)，不增加使用者額外的身體負(fù)擔(dān)②合理的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，保證使用者在切換動(dòng)靜態(tài)兩種不同姿勢(shì)作業(yè)時(shí)流暢無阻礙，不影響工作效率。③遵從人體工程學(xué)的設(shè)計(jì)原則，保證坐姿狀態(tài)的舒適性。④采用環(huán)保和高性能的材料，滿足使用者對(duì)于安全性的心理需求。

2.2 加工工藝性

中國(guó)需要長(zhǎng)期站立工作的工種比較多，對(duì)可穿戴坐具的潛在需求量也較高。可穿戴坐具設(shè)計(jì)必須與加工工藝密切結(jié)合，以便實(shí)現(xiàn)批量化生產(chǎn)?？纱┐髯叩募庸すに囆灾饕w現(xiàn)為選取的材料應(yīng)具有良好的機(jī)械加工性能，同時(shí)能與新結(jié)構(gòu)、新工藝和新設(shè)備相結(jié)合，盡量做到產(chǎn)品的標(biāo)準(zhǔn)化、零部件的通用化、結(jié)構(gòu)的可拆裝、產(chǎn)品互換性，使所設(shè)計(jì)的產(chǎn)品與現(xiàn)有的生產(chǎn)設(shè)備、工藝條件和技術(shù)水平相適應(yīng)，盡量避免設(shè)計(jì)與生產(chǎn)實(shí)際脫節(jié)。

表1 指導(dǎo)可穿戴坐具設(shè)計(jì)人體尺寸數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)

■圖1 wearable chair■圖2 Chairless Chair■圖3 Archelis

2.3 經(jīng)濟(jì)性

目前需要用到可穿戴坐具的人群更多的為流水線工人、菜農(nóng)、教師等經(jīng)濟(jì)收入不高的群體。在進(jìn)行設(shè)計(jì)可穿戴坐具時(shí)，不僅要考慮其實(shí)用性，更需要考慮目標(biāo)人群的經(jīng)濟(jì)情況與購(gòu)買力?？纱┐髯叩慕?jīng)濟(jì)性主要通過以下三個(gè)方面進(jìn)行控制：①材料的經(jīng)濟(jì)性，選取的材料盡量為當(dāng)前其他工業(yè)領(lǐng)域使用成熟的材料，以便控制材料的成本。②加工過程的經(jīng)濟(jì)性。設(shè)計(jì)簡(jiǎn)約的結(jié)構(gòu)和標(biāo)準(zhǔn)化的零部件，通過降低加工難度和減少機(jī)械損耗等節(jié)約成本。③運(yùn)輸過程的經(jīng)濟(jì)性,結(jié)構(gòu)可拆裝便于扁平化運(yùn)輸，增長(zhǎng)運(yùn)輸效率，降低了運(yùn)輸成本。

3 可穿戴坐具設(shè)計(jì)

3.1 造型設(shè)計(jì)

可穿戴坐具是一類特殊的家具，其設(shè)計(jì)目的緊緊圍繞實(shí)現(xiàn)腿部支撐或者臀部支撐這一目標(biāo)，實(shí)用性遠(yuǎn)大于藝術(shù)性。在進(jìn)行造型設(shè)計(jì)時(shí)，一類是依據(jù)腿部形態(tài)和臀部的形狀所設(shè)計(jì)的的骨骼造型形態(tài)，最終造型類似于機(jī)械外骨骼，這種造型可經(jīng)由拓?fù)鋬?yōu)化設(shè)計(jì)[12]進(jìn)一步優(yōu)化，得到滿足既定載荷分布下的最佳材料布局和結(jié)構(gòu)形態(tài)。另一種是在傳統(tǒng)坐具的基礎(chǔ)上進(jìn)行的再設(shè)計(jì)，采用“蘑菇式”模型[13]設(shè)計(jì)方法，構(gòu)造坐具的“核心件”，即座面和支架。根據(jù)特殊的使用要求，增加“輔助件”，即可調(diào)節(jié)高度的連接件，最終形成滿足既定目標(biāo)的可穿戴坐具造型。

3.2 結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

可穿戴坐具的可穿戴特點(diǎn)，使得坐具與使用者之間的互動(dòng)顯得尤為重要，設(shè)計(jì)的過程中必須滿足其穿戴坐具的舒適性、攜帶的便捷性、優(yōu)良的承重性能。由于每個(gè)人的大腿長(zhǎng)和小腿長(zhǎng)是不一樣的，而可穿戴坐具使用時(shí)又需貼合人的身體，不得妨礙人體走動(dòng)，這就要求可穿戴坐具具備調(diào)節(jié)高度的功能。類似于機(jī)械外骨骼的可穿戴坐具，為滿足行走時(shí)大腿和小腿的運(yùn)動(dòng)形態(tài)，一般上下支架之間通過可伸縮的結(jié)構(gòu)件連接。為靈活的活動(dòng)，零件之間的連接應(yīng)采用精度高、質(zhì)輕、可旋轉(zhuǎn)靈活運(yùn)作的活動(dòng)連接件，主要有螺栓結(jié)構(gòu)、活頁連接，在成本控制的前提下也可以采用特制的轉(zhuǎn)軸進(jìn)行連接。另外，為便于長(zhǎng)途運(yùn)輸與快速組裝，可采用可拆裝、可自組裝的結(jié)構(gòu)方式[14]。同時(shí)可采用魔術(shù)貼粘黏等連接方式，以實(shí)現(xiàn)可穿戴坐具快速的穿戴與脫下，增加工人的作業(yè)效率。

3.3 可穿戴坐具的尺寸設(shè)計(jì)

不管采用何種造型方式，可穿戴坐具都需依據(jù)人體的尺寸數(shù)據(jù)進(jìn)行設(shè)計(jì)。用于指導(dǎo)可穿戴坐具設(shè)計(jì)的人體尺寸數(shù)據(jù)有：人體大腿和小腿的長(zhǎng)度、坐姿高度、人在正常行走時(shí)髖關(guān)節(jié)屈伸范圍、膝關(guān)節(jié)屈伸范圍踝及關(guān)節(jié)屈伸范圍（表1）?，F(xiàn)在使用的為1988年的人體尺寸數(shù)據(jù)，2018年將會(huì)發(fā)布最新的中國(guó)人體尺寸數(shù)據(jù)[15]，后續(xù)需要根據(jù)新的人體尺寸數(shù)據(jù)進(jìn)行尺寸設(shè)計(jì)與調(diào)整。

3.4 材料設(shè)計(jì)

可穿戴坐具需要將其穿戴在身上，所以對(duì)材料的比重要求非常高，前文提到的Chair less Chair 其重量只有2公斤，穿戴時(shí)不會(huì)造成過度負(fù)荷?？纱┐髯呤菫榱嗽谡玖r(shí)提供支撐力，且不妨礙移動(dòng)，基于坐具的重量問題考慮，要求材料具備輕膚、質(zhì)輕、承重性能好的特點(diǎn)，而批量化的工業(yè)生產(chǎn)模式要求材料必須具有良好的加工性能，考慮使用環(huán)境的復(fù)雜性，還要求材料需具備耐腐蝕、耐污、易清理的性能特點(diǎn)[16]。目前，有很多材料可被應(yīng)用于制作可穿戴坐具，例如聚碳酸酯質(zhì)輕、具備很高的強(qiáng)度和沖擊強(qiáng)度，耐疲勞性好，是廣泛使用的工程塑料之一；聚酯纖維擁有較高的強(qiáng)度與彈性恢復(fù)能力，堅(jiān)牢耐用，耐光性較好，耐各種化學(xué)品性能良好，酸、堿對(duì)其侵蝕破壞小，同時(shí)不怕霉菌，也不怕蟲蛀；鋁合金大幅度提高了鋁材的機(jī)械強(qiáng)度和表面硬度，并仍然保持著鋁重量輕的固有特性，也是可穿戴坐具制造的理想材料之一。

4 結(jié)語

可穿戴坐具的出現(xiàn)，給長(zhǎng)期站立重復(fù)作業(yè)的工人帶來了福音。但目前的可穿戴坐具均未實(shí)現(xiàn)批量化生產(chǎn)，距離可穿戴坐具的量產(chǎn)與使用普及，還有很長(zhǎng)的一段路要走，需要多方力量的共同推動(dòng)?？纱┐髯咴O(shè)計(jì)需要綜合考慮多方面因素，本文僅從幾個(gè)方面對(duì)可穿戴坐具設(shè)計(jì)進(jìn)行了研究，希望為后續(xù)可穿戴坐具設(shè)計(jì)提供可參考的依據(jù)。同時(shí)通過文章的撰寫，引起更多人關(guān)注可穿戴坐具的發(fā)展，推動(dòng)可穿戴坐具的快速市場(chǎng)化，使工人遠(yuǎn)離肌肉骨骼疾病的痛楚，同時(shí)降低企業(yè)的成本，提高企業(yè)的盈利能力。

（責(zé)任編輯：張 楊）

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