人机讲台

人机工程学课程设计

1 摘 要

随着社会的不断发展，人们不仅仅是最求产品在功能上实现人们的要求，而且也更加最求产品与人的关系，要求使用时的舒适性。本设计就是从人机工程学的角度出发，专门为大学老师设计的一款普通讲桌。这款设计主要是结合了老师上课的姿势和动作，然后进行人机分析而设计出的一款多功能的讲桌。主要是通过模块化的设计思想，将讲台设计成很多歌部分再通过一定的组合实现需要的功能；本设计主要设计了三个部分即主讲台、可旋转的辅助讲台以及储物柜，用经过设计好的连接支架将这几个部分连接起来。可旋转的辅助讲台是人机设计的主要部分，在它上面还设计有弹性卡子和专门用来收集废弃粉笔的装置，它还能旋转到距离黑板很近的位置，以供老师上课更加方便。两边的储物柜设计是用来放一些书刊杂志和其他老师用品而设计的。整个设计在造型和功能上都脱离了现在大学所用的普通讲桌的设计。

关键词：讲台 人机工程学 多功能

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2 引 言

人机工程学是研究人与环境之间相互作用的学科，通过研究人体各项特性和工作场景以及信息传递装置等来进行人机系统的总体设计。考虑到人运动的同时还要结合运动环境，运动的安全性、舒适性以及持久性等等因素；对产品的设计进行怎样的设计才能满足人的最佳需要。对大学教室用大讲桌而言，首先，要考虑老师讲课时的各项动作姿势，老师上课需要课本还需要其它的讲课用具，设计时要考虑这些用具的摆放情况，怎样摆放它们才能让老师更轻松自然；其次，老师的活动范围大多数时间是在讲桌和黑板之间的区域 ，这就使得老师要不断在黑板和讲桌之间更换用具，怎样安排这些上课用具才合理也是应该考虑到的人机因素；再有，在确定讲桌尺寸时还要对整个讲台的各项尺寸进行测量分析来确定讲桌的位置关系，还要测量人的尺寸并对教师的身高等各项人体尺寸进行统计分析，最后来设计一款尺寸合理的讲桌等等。设计是要脱离现阶段普通讲桌的束缚，就要从最初的讲桌的作用结合人的活动出发来设计，适当增加讲桌的辅助功能，但又不繁琐，同时考虑到讲桌的应用场合时教室，用不着昂贵的材料和加工，所以要以尽量简单的结构和材料来实现所需要的功能，当然是在结构强度稳定和安全的情况下进行。一个好的讲桌不仅是作为老师讲课的工具，更是可以为老师讲课带来高效率和舒适性，及人机关系良好的讲桌，这才是人机工程设计所要达到的目的。

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3 任务与分析

本设计课题主要是通过对普通讲台的各项数据分析来设计一款符合人机关系的普通讲桌。在对人机关系环境分析后要进行合理的人机结构设计，并且利用这些结构实现所要实现的功能，能够用电脑三维软件表达出讲桌的结构，完成干涉检测和装配；还要完成效果图和前期草图的制作。

根据所要求的任务知，在设计时首先要进行想法的前期创作表达；然后确定产品所要实现的功能，完成功能分析及其可实现性，对现有产品进行足够的市场调查和分析，得出结论后来完善功能。完成前期调查和功能分析后，进行人机分析。对讲桌要实现的人机结构进行零件设计，对零件进行装配组合，还要进行干涉检测，不断修改最后表达出所要设计的普通讲桌。

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4 1 设计前期准备

1.1 现有讲台调查及结果分析

大学用的讲台现在分为普通教室用的普通讲台和多媒体教室用的多媒体讲台。在设计方面，多媒体讲台设计的形式多样而且考虑的人机关系因素也较多，大多数的多媒体讲台设计基本符合人机关系而且功能越来越多。普通讲由于要求的功能不多，所以设计时不像多媒体讲台那样功能多、造型丰富、人机合理；设计元素比较少，很少有考虑到人机关系的设计。经市场调查知,现有的大学所用的普通讲桌的设计一般都没有打破传统的设计路线。大多数的设计都没有考虑的人机关系，造型和功能都很单一。通过实物和问卷调查，现在大学用的普通讲台有以下几点现状：

①造型单一，大多数是长方体的造型。

②有些讲桌就是一个简单的长方体的台面，没有其它的的结构。

③在台面下面增加了一个储物柜，有的在两边有箱子。

④有些讲台现在增加了一些结构，比如在外边缘增加了一块板。

⑤材料单一，绝大多数是用的木材，少数讲桌有用塑料的。

⑥高度和位置都是固定不可调的。

⑦有些讲桌在制造时没有进行足够的倒角和圆角。

⑧很少的讲桌有其他的辅助上课设备。

图1-1 现有大学讲台样式

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5 由以上调查结果分析可知，现有的讲桌存在着很多的不足之处，主要是在人机设计方面欠缺考虑。主要表现在以下几个方面：

① 造型上结构简单单一，没什么创意。

② 功能单一，没什么辅助功能，不能给人提供其它的有效功能。

③ 高度不可调，只能适合少数的一部分人使用，对不适合这个高度的老师

来说，用起来就很不方便及不人机。

④ 对于某些边缘没有足够倒圆和倒角的讲桌，用起来会让人觉得不舒服。 ⑤ 没有其它辅助设备会老师的上课用具都放起一起，不规范，容易造成凌

乱，影响效率上课的效率。

这就是当前普通讲桌的基本情况和调查结果以及分析。

1.2 本设计的简单说明及设计理念

根据现有普通讲台的调差结果分析，本人针对现有普通讲桌的不足设计了一款多功能的普通讲桌。此讲台主要是从人机关系出发设计的一款符合人机工程学的讲台。首先老师上课肯定需要很稳定的讲桌，所以设计了一个主讲桌，它是固定不变的，作为放置主要物品和写字的台面。其次，根据老师上课的活动范围和姿势设计了两个可旋转的辅助桌面，它也是从人机工程学的角度出发的，可旋转是为了老师更方便地在黑板和讲桌之间更换工具。在辅助台上面还设计了弹性卡子和收集废弃粉笔的装置。在主讲桌两边分别设计了一个储物柜，用来装一些常用物品，还有固定作用。具体介绍见后。

本款普通讲桌主要是运用模块化的设计理念对现有的讲桌进行的一系列改良设计。将要实现的功能分解成一个一个的功能单元，然后将这些功能单元用有效的人机结构表达并将其实现，然后再将各个功能单元进行组装和配合，这样在实现各单元功能的同时又可以实现总体的功能。将各个功能单元进行重要性的分析排序，将主要功能附到主要的结构部件上，次要的附加到次要的结构部件上，以实现功能有序，提高效率。在实现这些功能的同时考虑到它们之间的干涉情况，所以将一部分功能单元设计成可以运动的部件以排除这些干涉。

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6 1.3功能分解

以上是主要的功能分析图解，具体功能后面有详细介绍。

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7 1.4初步人机分析

人机系统工作效能的高低首先取决于它的总体设计。而人机配合成功的基本原因是两者都要有自己的特点且要相互适合才行。对于大学讲桌的人机设计而言，首先要考虑到大学老师的上课特点，特别是老师的活动空间，来决定讲桌台面的尺寸。再要对老师的身高和肘高等要素进行统计分析来确定讲桌的高度。这些尺寸的设计直接影响到老师上课的方便性，如果尺寸过大或过小都会使老师用起来不舒适。所以在人机系统中，要充分发挥人与机械各自的特长，互补缩短，以达到人机系统整体的最佳效率与总体功能，这是人机系统设计的基础。

从尺寸既环境分析入手，在尺寸的选择时要充分考虑到人的活动空间和范围，有以下几个方面。

①、 老师的身高，这又联系着肘高，肘的高低影响着讲桌的高度。当人处于

立姿作业时，操作台面的高度影响着人的舒适度特别是人手的舒适度，

根据立姿作业的姿势，台面的高度收到肘高的影响如图1-2所示。所以

在确定讲桌高度时要统计教师的肘高。根据人机工程学的作业面高度的

确定方法，一般作业面的高度应该在肘部以下5—10cm ，对于特定的作

业环境，其作业高度取决于作业性质、个人喜好、座椅高度、作业厚度

等。

图1-2 人站姿操作

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8 ②、老师上课是在讲桌台面上的活动范围，包括最大范围和最小范围。这就要求测量人在水平作业面的各项尺寸来确定台面的尺寸如图1-3所示，老师上课主要活动姿势是站立着双手撑着桌子的边缘讲课，当老师坐着时候的操作范围比较大，根据这个人机分析这就可以确定讲桌的长度和宽度。考到作业姿势和环境还要对台面边缘进行一定的圆角处理，这是从安全性的因素考虑。

图1-3人手水平作业面的正常尺寸和最大尺寸

③、大学老师在上课时会在讲桌和黑板之间不断地活动，而这个活动距离是有一点限度的，可以根据这个活动空间来确定辅助功能单元的运动方式和模式。

④、从教室环境入手分析，一般大学的普通教室都安装了电风扇，而老师有时候会带一些比较少的纸张资料，如果就这样放置在桌面上的话很容易被风吹乱，所以根据这些特点可来设计一些相关的结构来解决这些问题，而怎样设计这些结构以方便使用还要不影响其它操作也是要从人机工程出发来合理设计它的机构和尺寸以及位置，同时考虑到成本问题还要求结构尽量简单可行。

⑤、从老师上课时所用的工具入手分析，大学老师在普通教室上课时最常用到的工具是粉笔，老师会经常在黑板和讲台之间更换粉笔，从这个动作姿势和动作的活动空间，可以设计一个装置使得老师更换粉笔更容易且运动的距离最小，提高老师讲课的效率，同时可以设计一个收集废弃粉笔的装置来收集不要的粉

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笔。

⑦、结合有些教学的需要，有些班集体在会经常在教室里面放置一些常用的书刊杂志等书籍，另外老师上课时会随身带上一些物品以便上课使用如包、茶杯、直尺等用品。怎样让这些物品放置有序，让人很快就能找到也是应该考虑的人机因素，根据这些问题可以设计一个装置来专门放置这些物品，但又要使这些装置不影响老师上课，所以在设计这个装置的尺寸和位置是又要合理布置安排。

⑧、本讲桌的设计还要从稳定性的角度出发考虑这些不同功能单元的相对位置以使整个结构更加稳定可靠。为了达到这个目的，本设计将两边的储物柜设置在主讲台的两侧，并与主讲台呈一定的夹角，他们之间的连接也从稳定性和可方便连接性出发来设计的。

以上是对大学教室普通讲桌的人机分析，根据这些人机分析来进行各功能单元的设计和配置，使之形成一个完整统一的人机系统。通过计算分析确定一下主要尺寸：

1）主讲桌高度——肘高：考虑到大学教室的情况，选取男性第95百分位：取平均肘高为80cm ，再根据肘高一般在作业面下10cm 左右，所以取主讲台高度为70cm 。

2）根据人手水平操作面的正常尺寸和最大尺寸的数据，主最面的长度设计为80cm ，宽度设计为50cm 。

其他尺寸如下表所示： 单位（mm ）

表1-1

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10 2设计步骤及结构分析

2.1主讲台结构设计

图 2-1 主讲桌

如图2-1所示是主讲桌的结构设计。经过人机分析确定的尺寸后主讲桌的结构形状应该在满足功能需要的同时还要要求人机结构合理。如上图所示，首先在长方体结构的基础上将讲桌进行造型变形，在前部分将讲台挖掉一部分，这为为了满足人脚的活动空间；再将讲台的上部分进行挖空如图中①所示，这是从节约材料的角度出发设计的加工。考虑到人在上面操作时的舒适性和安全性，在桌子的边缘进行一定的圆角处理，特别对正对人体的一方还要先进行倒角处理再进行较大的圆角处理。如图中②所示的圆柱孔，这个结构是用来和支撑架配合用的，为了满足配合的需要特意在它的外端缘进行一定的倒角处理。

结构功能：作为老师上课用的主要工具；掏空处可以存储一些杂物。

材料设计： 表2-1

①

②

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11 2.2支撑架结构设计

图2-2 支撑架机构

如图2-2所示是支撑架的结构设计，它是用来连接主讲桌和储物柜子用的。图中①所示的结构式用来连接储物柜用的，它相对于桌子边缘的的角度是45°；图中②所示是用来连接主讲桌用的，它与左面保持平行。图中③所示的结构是为了与旋转板以及后面要用到的顶盖结构相配合用的，它的一部分是进行了螺纹处理的，且它要高出桌面10cm,这是为了防止转动板转动时产生干涉。整个结构的造型都是为了有效地将各个功能单元进行相应的人机组合而设计的。它们的配合都采用过盈配合，这是因为它要连接的两个构件都是尺寸比较大的构件，不方便螺纹配合。如下图2-3所示的装配。

图2-3 支撑的配合连接

①

②

③

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12 结构功能：主要起到连接作用，用来连接桌子与储物柜还有旋转台面。中间横杆的造型是为了满足稳定性的需要。

制造要求：铸造时要求中空处理。

材料设计：

表2-2

2.3储物柜结构设计

图2-4 左储物柜 图2-5 右储物柜

储物柜是用来存储老师上课用的工具盒班集体日常用的物品用的。如图2-4是连接在讲桌左边的储物柜，由于这个储物柜的尺寸并不大，所以将它分成了六个半封闭空间，它就像一个小的书架，里面可以放置一些书刊杂志等物品，在它的右侧有一个向外的突台，突台上加工了一个空，它的尺寸刚好能与支撑架配合（如图2-3右边的图所示）。图2-5是右边储物柜，它的主要作用是用来放老师用的包和大的直尺等物品，结构比较简单，在它的左侧设计有余左边柜子一样的连接突台。另外考虑到这个储物柜与底边的接触是属于大平面接触，所以在底部有比较低的突台用来和地面直接接触（如图2-7所示）。在中间的板的外边缘处设计了一个向上的斜面（如图2-6所示），这是从人机工程的角度出发设计的，它的作用是防止包等大的物品向外滑动掉到地上。两个储物柜进过组装装配后还能起到支撑架的作用，它们一起将整个讲桌的重心稳定在中间，使得整个系统更

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13 加稳定牢固。

图2-6 板外缘结构及其侧面结构图

图2-7箱体的底部结构

结构主要功能：存储物品，将物品分类存放；支撑作用，加强系统稳定。

材料设计： 表2-3

主要尺寸： 单位（mm ）

表2-4

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14 2.4旋转讲台及其部件结构设计

2.4.1旋转板主体设计

图2-8 旋转板主体结构

如图2-8所示是辅助旋转板的结构及其造型。它是通过如图中右边的转动副结构与支撑装配结合它的孔半径为30mm ，外轮廓半径为50mm 。在它上面设计了一个四方形的大的孔结构，这是用来装粉笔的一个配件，在这个结构的后面部分也设计有用于转动的结构，通过与其它结构的配合就可以用来收集粉笔。另外在板的周围设计了三个小孔结构，它是用来与螺钉装配用的。制造时要求内层有金属支架结构，转动处采用金属材料。考虑到人用它时的方便性，在它的轮廓边缘要进行适当的圆角。

结构功能：作为旋转台的主体部分和其它结构的载体。

材料设计：

表2-4 主要尺寸： 单位（mm ）

表2-5

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15 2.4.2弹性卡子设计

图2-9 弹性卡片

图2-10 弹性夹子装配结构

图2-11 转配情况

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16 如图2-9是用于旋转板上的弹性夹子结构。它通过弯曲的加工工艺将其做成有弹性的刚片，通过用螺丝将它装配到旋转板的边缘来实现它的功能。图中①所示的造型结构式从人机工程的角度出发设计的结构，考虑方便使用，将这个部分设计成向上翘起的结构，这样手指就能更方便地将它搬起夹持纸张。考虑到整个板的尺寸，在板的边缘一共安装了三个相同这样的结构，图2-10展示的是与它配套使用的装配结构。图2-11是它们的最后装配情况。

结构功能：夹持一些零碎的资料，避免老师用的资料被风吹散。

材料设计：

表2-6

2.4.3粉笔收集装置设计

图2-12 粉笔装置挡板 图2-13转动阀螺钉

图2-14 装配销

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图2-15转动阀

图2-16 粉笔装置的两种状态

以上这组图是粉笔收集装置的各个结构图以及装配图。图2-12是挡板的结构，它的这种结构都是为了装配时不发生干涉而设计的造型结构。图2-14的装配销是用来和挡板装配使用的，它一端的小孔又是用来装配小销以达到固定的目的。另外，为了能方便地收集已经装好的粉笔，设计了一个能够轻松将挡板打开和关闭的转动阀门。图2-15就是一个转动阀，它呈一个弯折的造型，这是为了转动时发生干涉，通过螺钉将它装配到转动板主体上，要装分笔时只需将转动阀轻轻转动即可将单板靠紧旋转台，要将收集好的粉笔带走只需将转动阀转开就可以（如图2-16的粉笔装置的两种状态）。

机构功能：方便收集废弃的短粉笔，以免不用的短粉笔到处散乱，保持台面的整洁。

材料设计：

表2-7

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18 尺寸设计： 单位（mm ）

表2-8 将以上这些部件通过有次序的装配就可以得到整个辅助转台系统如下图2-17和2-18所示。

图2-17 辅助旋转台的背面爆炸

图2-18 辅助转动台爆炸

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19 2.4.4 辅助转台的总体装配及其连接机构

图2-19 辅助台面系统及其作用

转动台经过各个部件的连接装配后就形成了具有一定结构功能的整体，如图2-19所示是它的功能展示。以方便它可以绕着支撑架转动，这样可以更靠近黑板，方便老师取放东西上课工具，当老师在黑板上用完粉笔时只需转身就可以很方便将不用的粉笔丢在在粉笔收集盒里面，同时更换粉笔。 另外在台面上的弹性夹子可以夹持一些纸张资料（如图2-19所示）。

图2-20 辅助转台的旋转结构

辅助台面的转动式用转动副来实现的，如图2-20所示是它的装配情况。装配时先将转动台通过间歇配合直接装到支撑杆上，在将带有内螺纹的盖①通过与支撑杆的螺纹装配将转动台压紧，这就防止了转动台转动不稳定的问题。

①

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20 2.5通体装配结构展示

图2-20 总装图

图2-21 总装另一种状态

上图展示的是本次所设计的总装图，从图中可以看出这个讲台的造型结构比较独特，目的是实现各功能单元功能的同时实现总体功能，且要达到整体机构稳定。

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21 2.6总体爆炸图展示

图2-22 总体爆炸图

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22 设计总结

本次设计是基于人机工程学的设计，它通过研究人、机械及其工作环境之间相互作用来设计相关产品。在设计时不仅是涉及产品本身的功能以及造型要素，而且要分析人体形态特征参数、人的感知特性、人的反应特性以及人在劳动中的心理特征。通过研究人的运动姿势和运动范围来确定产品某些功能单元的尺寸，并使产品的运动功能单元的运动特征与人的运动特征相符合，以满足人的需要，方便人使用。在确定某些形状尺寸时要对相应的人的尺寸进行分析统计，根据这些统计结果来设计相应的形状尺寸，如人在站立操作时的操作台面的高度受人的肘高的影响，怎样设计这些尺寸才能使人在操作时更加方便舒适。再有，为了提高工作效率和满足人的需要，就要设计某些特殊的功能单元和附加功能，例如在设计讲桌的功能时，考虑到风对某些纸质资料的影响，就相应设计了用于夹持纸的弹性夹子结构；另外人机配合成功的基本原因是两者都有自己的特点，在系统中可以互补彼此的不足，工作场所设计的合理与否，将对人的工作效率产生直接影响。整个设计还要考虑到这个产品的使用场合和制造成本，所以在设计是应尽量使用最简单的结构来实现所需要的功能，某些结构虽然能实现这个功能，但制造所需的成本高，所以要尽量寻求简单易加工的结构来实现相同的功能。在设计过程中，不仅要考虑各零件的人机结构关系，还要考虑这些结构在装配时是否会发生干涉的情况，所以要一步一步地将这些结构尺寸记录下来再进行装配干涉检查才能完成最后的总体装配。设计完成后再对整体结构进行人机分析，再对个功能单元进行人机关系分析和人机结构分析，不断修改以完善设计。

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