CN113080610B - 一种桌椅调节方法及桌椅 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种桌椅调节方法及桌椅。桌椅调节方法包括:构建姿态方程,通过姿态方程求解预设关节节点的坐标值,根据预设关节节点的坐标值调节工作台的位置;姿态方程通过关节节点的位置关系表示工作姿态,求解姿态方程时,确定工作姿态值,根据工作姿态值计算预设关节节点的坐标值;工作姿态值用于确定选定的工作姿态。本发明提出的桌椅调节方法中,工作姿态值为设定值,在人员使用桌椅前,根据设定的工作姿态值和姿态方程求解预设关节节点的坐标值,根据预设关节节点的坐标值调整桌椅的空间位置,使得当前人员使用桌椅时可以直接处于较佳的工作姿态,有效的减缓疲劳。
Description
技术领域
本发明实施例涉及自动控制技术,尤其涉及一种桌椅调节方法及桌椅。
背景技术
进行工作台设计时通常需要进行人体工程分析,以降低人在操作工作台的过程中,由于不合适的设计导致劳动损伤的问题。例如在进行桌子和椅子的尺寸设计,需要参照人体测量学数据进行设计。
为使设计出的桌椅可以适应不同人之间存在的个体差异,通常采取以下两种方案:其一是根据目标人群的特征分布,折衷选取一个适合大多数人的通用尺寸。该方法的缺点是,需要采集目标人群的人体工程学数据,不但耗时耗力,并且忽略了人体测量学数据的时变性,即每个人的人体测量学数据都是随时间变化的,例如在身体发育期、衰老期等。其二是设计相关尺寸可调节的桌椅,以适应更为广泛人群的个体差异,并且适应个体差异的时变性。但该方法的缺点是,需要使用者自己进行调节,而一般使用者很难知道准确的调节参数,通常依赖自我感觉进行桌椅调节,因此难以保证桌椅的尺寸合适,不合适的尺寸反而会对使用者造成损伤。
发明内容
本发明提供一种桌椅调节方法及桌椅,以达到使不同工作人员均可以处于符合自身条件的最佳工作姿态,进而有效的减缓疲劳,提高工作舒适性的目的。
第一方面,本发明实施例提供了一种桌椅调节方法,包括:获取工作姿态值,所述工作姿态值包括大臂躯干夹角值、大臂小臂夹角值、小臂手掌夹角值、大腿躯干夹角值、大腿小腿夹角值;
获取关节节点,所述关节节点包括大臂节点、小臂节点、手掌节点、第一躯干节点、第二躯干节点、大腿节点、小腿节点;
根据大臂躯干夹角、大臂小臂夹角、小臂手掌夹角、大腿躯干夹角、大腿小腿夹角,所述关节节点构建姿态方程;
基于所述工作姿态值求解所述姿态方程,得到所述大臂节点的坐标值,根据所述大臂节点的坐标值调节工作台,使所述工作台的位置与所述工作姿态相匹配。
进一步的,所述大腿躯干夹角值分为第一大腿躯干夹角值、第二大腿躯干夹角值,所述大腿小腿夹角值分为第一大腿小腿夹角值、第二大腿小腿夹角值;
还包括获取期望工作姿态,根据所述期望工作姿态选定所述为第一大腿躯干夹角值、第一大腿小腿夹角值或者所述第二大腿躯干夹角值、第二大腿小腿夹角值求解所述姿态方程。
进一步的,所述姿态方程包含所述大臂节点与所述小臂节点间的第一距离、所述小臂节点与所述手掌节点间的第二距离;
还包括获取初始姿态时的所述大臂节点、小臂节点、手掌节点的初始坐标值,根据所述初始坐标值计算所述第一距离、第二距离。
进一步的,基于机器视觉识别所述大臂节点、小臂节点、手掌节点。
进一步的,当处于所述取期望工作姿态时,还包括测量所述关节节点的实时坐标值;
根据所述实时坐标值计算实时工作姿态值,所述实时工作姿态值包括实时大臂躯干夹角值、实时大臂小臂夹角值、实时小臂手掌夹角值、实时大腿躯干夹角值、实时大腿小腿夹角值;
根据所述工作姿态值、所述实时工作姿态值判断是否需要再次调节所述工作台。
进一步的,根据人体工程学风险指标确定所述工作姿态值。
进一步的,所述工作姿态值还包括小腿脚踝夹角值,所述关节节点还包括脚踝节点。
第二方面,本发明实施例还提供了一种桌椅,配置有控制器,所述控制器用于执行本发明实施例记载的桌椅调节方法。
进一步的,还配置有视觉传感器,所述视觉传感器用于识别期望工作姿态、识别初始姿态时的关节节点,并获取所述关节节点的初始坐标值。
进一步的,所述视觉传感器还用于当处于所述取期望工作姿态时测量所述关节节点的实时坐标值;
所述控制器还用于根据所述实时坐标值计算实时工作姿态值,根据工作姿态值、所述实时工作姿态值判断是否需要再次调节工作台。
与现有技术相比,本发明的有益效果在于:本发明提出的桌椅调节方法设定工作姿态值,基于工作姿态值求解姿态方程,根据求解结果调整桌椅的位置,可以使不同工作人员使用桌椅时均处于符合自身条件的最佳工作姿态,进而有效的减缓疲劳,提高工作舒适性。
附图说明
图1是实施例中的桌椅调节方法流程图;
图2是实施例中的关节节点示意图;
图3是实施例中的站姿示意图;
图4是实施例中的坐姿示意图;
图5是实施例中的另一种桌椅调节方法流程图;
图6是实施例中的桌椅结构示意图。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明作进一步的详细说明。可以理解的是,此处所描述的具体实施例仅仅用于解释本发明,而非对本发明的限定。另外还需要说明的是,为了便于描述,附图中仅示出了与本发明相关的部分而非全部结构。
实施例一
本实施例提出一种桌椅调节方法,包括:构建姿态方程,通过姿态方程求解预设关节节点的坐标值,根据预设关节节点的坐标值调节工作台的位置。
姿态方程通过关节节点的位置关系表示工作姿态,求解姿态方程时,确定工作姿态值,根据工作姿态值计算预设关节节点的坐标值,其中,工作姿态值用于确定选定的工作姿态。
示例性的,本实施例中,可以基于神经网络等技术,以人体关节节点间骨骼的长度作为训练样本生成姿态模型,将姿态模型作为姿态方程,也可以通过关节节点与工作姿态的平面或者空间几何关系构成姿态方程。
示例性的,本实施例中,工作姿态可以包括站、坐、卧、蹲等基本工作姿态,一套工作姿态值对应一种基本工作姿态。
示例性的,本实施例中,工作姿态值表示工作时人体处于较佳姿态时各主要关节处的折弯角度,其用于限定处于一种工作姿态时的较佳姿态,人体处于较佳姿态时,可以减少肌肉骨骼异常、肌肉损伤,血液流通不畅,腰椎脊椎错位等,实现减缓疲劳,提高工作舒适性。
示例性的,本实施例中,预设关节节点可以为大臂节点、小臂节点、手掌节点、第一躯干节点、第二躯干节点、大腿节点、小腿节点、头部节点、颈部节点、胸部节点、腰椎节点、髋关节点、脚裸节点中的一种或几种。
示例性的,本实施例中,工作姿态值为设定值,在人员使用桌椅前,根据设定的工作姿态值和姿态方程求解预设关节节点的坐标值,根据预设关节节点的坐标值调整桌椅的空间位置,使得当前人员使用桌椅时可以直接处于一种基本工作姿态的较佳姿态。
本实施例提出的桌椅调节方法设定工作姿态值,基于工作姿态值求解姿态方程,根据求解结果调整桌椅的位置,可以使不同工作人员使用桌椅时均处于符合自身条件的最佳工作姿态,进而有效的减缓疲劳,提高工作舒适性。
图1是实施例中的桌椅调节方法流程图,参考图1,优选的,桌椅调节方法包括:
S101.获取工作姿态值,工作姿态值包括大臂躯干夹角值、大臂小臂夹角值、小臂手掌夹角值、大腿躯干夹角值、大腿小腿夹角值。
S102.获取关节节点,关节节点包括大臂节点、小臂节点、手掌节点、第一躯干节点、第二躯干节点、大腿节点、小腿节点。
示例性的,本实施例中关节节点为设定的,进行桌椅调节时需要识别的关节节点,图2是实施例中的关节节点示意图,参考图2,关节节点可以为大臂节点(4、20),小臂节点(5、19),手掌节点(6、18),第一躯干节点(3、21),第二躯干节点(10、17),大腿节点(11、16),小腿节点(12、15)。
S103.根据大臂躯干夹角、大臂小臂夹角、小臂手掌夹角、大腿躯干夹角、大腿小腿夹角,关节节点构建姿态方程。
作为一种可实施方案,本步骤中,根据大臂躯干夹角、大臂小臂夹角、小臂手掌夹角、大腿躯干夹角、大腿小腿夹角、大臂节点、小臂节点、手掌节点、第一躯干节点、第二躯干节点、大腿节点、小腿节点之间的平面几何关系构建姿态方程。
图3是实施例中的站姿示意图,图4是实施例中的坐姿示意图,参考图3和图4,本实施例中,选用站姿和坐姿作为基本工作姿态。
示例性的,设定大臂节点、小臂节点、手掌节点、第一躯干节点、第二躯干节点、大腿节点、小腿节点的平面坐标依次为(x4,y4)、(x5,y5)、(x6,y6)、(x3,y3)、(x10,y10)、(x11,y11)、(x12,y12),大臂躯干夹角为θ2、大臂小臂夹角为θ3、小臂手掌夹角为θ4、大腿躯干夹角为θ5、大腿小腿夹角为θ6,则姿态方程为:
上式中,Lij表示关节节点i至关节节点j之间的距离。
S104.基于工作姿态值求解姿态方程,得到大臂节点的坐标值,根据大臂节点的坐标值调节工作台,使工作台的位置与工作姿态相匹配。
示例性的,步骤S103所示的姿态方程包含大臂节点(x4,y4)与小臂节点(x5,y5)间的第一距离L45、小臂节点(x5,y5)与手掌节点(x6,y6)间的第二距离L56、第一躯干节点(x3,y3)与大臂节点(x4,y4)间的第三距离L34、第二躯干节点(x10,y10)与大腿节点(x11,y11)间的第四距离L1011、大腿节点(x11,y11)与小腿节点(x12,y12)间的第五距离L1112。
示例性的,针对某一特定人员,第一距离L45、第二距离L56、第三距离L34、第四距离L1011、第五距离L1112为固定值,求解姿态方程时将第一距离L45、第二距离L56、第三距离L34、第四距离L1011、第五距离L1112作为已知量。
示例性的,本步骤中,求解满足下式的关节节点坐标值,并根据大臂节点的坐标值调节工作台(参考图3,若工作台为桌子,则根据大臂节点的纵坐标y4调节桌子的高度)。
∑(θi-θj)2≤ε
式中θi为设定的工作姿态值,θj为根据上述姿态方程计算出的工作姿态值,ε为设定的阈值。
本方案中,从人体整体姿态的角度出发,基于大臂躯干夹角、大臂小臂夹角、小臂手掌夹角、大腿躯干夹角、大腿小腿夹角构建姿态方程。求解姿态方程时,将设定的工作姿态值作为基准条件,在各主要关节角度协同制约的条件下计算出姿态方程中关节节点的坐标,并根据关节节点的坐标调整工作台的位置,避免基于单一约束条件调节工作台的位置,而造成使用人员工作姿态不协调的问题。同时,由于工作姿态值表示了可以减少肌肉骨骼异常、肌肉损伤,血液流通不畅,腰椎脊椎错位等的理论较佳工作姿态,因此针对不同身材比例的使用人员,通过多关节角度协同制约的姿态方程求解出的关节节点坐标调节工作台,可以使不同工作人员均处于符合自身条件的最佳工作姿态,进而有效的减缓疲劳,提高工作舒适性。
图5是实施例中的另一种桌椅调节方法流程图,参考图5,桌椅调节方法还可以为:
S201.获取工作姿态值,工作姿态值包括大臂躯干夹角值、大臂小臂夹角值、小臂手掌夹角值、大腿躯干夹角值、大腿小腿夹角值。
S202.获取关节节点,关节节点包括大臂节点、小臂节点、手掌节点、第一躯干节点、第二躯干节点、大腿节点、小腿节点。
S203.根据大臂躯干夹角、大臂小臂夹角、小臂手掌夹角、大腿躯干夹角、大腿小腿夹角,关节节点构建姿态方程。
示例性的,在步骤S201至S203的基础上,关节节点的种类可以根据需设定,参考图2,除上述关节节点外,关节节点还可以包括头部节点1、颈部节点2、胸部节点7、腰椎节点8、髋关节点9、脚裸节点(13、14)等。
示例性的,基于上述关节,可以设计出与不同基本工作姿态对应的姿态方程。
例如,若设定关节节点包括大臂节点、小臂节点、手掌节点、第一躯干节点、第二躯干节点、大腿节点、小腿节点和脚裸节点,工作姿态值包括大臂躯干夹角值、大臂小臂夹角值、小臂手掌夹角值、大腿躯干夹角值、大腿小腿夹角值、小腿脚踝夹角值,则姿态方程为:
S204.识别关节节点,获取关节节点的初始坐标值,根据初始坐标值计算关节节点间的距离。
示例性的,本步骤中,关节节点的初始坐标值为人员处于自然站立状态时,各关节节点的坐标值,其中识别关节节点的方法不做限定,可以采用机器视觉等图像方法识别关节节点。
本步骤中,获取初始坐标值后,基于初始坐标值计算第一距离L45、第二距离L56、第三距离L34、第四距离L1011、第五距离L1112。
S205.获取期望工作姿态。
示例性的,一套工作台可以对应多种不同的基本工作姿态,例如若工作台为桌椅,则基本工作姿态可以包括站姿和坐姿。
示例性的,本步骤中,期望工作姿态指使用工作台的人员想要采取的基本工作姿态,工作台可以获取使用人员作出的手势,通过手势识别使用人员的期望工作姿态。
S206.基于工作姿态值、期望工作姿态、关节节点间的距离求解姿态方程,得到大臂节点的坐标值,根据大臂节点的坐标值调节工作台。
参考图2至图4,一般情况下,针对某一特定人员,处于工作姿态时第一躯干节点的位置相对自然站立状态时第一躯干节点的位置相同或者相对自然站立状态时第一躯干节点的位置在y轴方向偏移一固定值,因此,求解姿态方程时,除将第一距离L45、第二距离L56、第三距离L34、第四距离L1011、第五距离L1112作为已知量外,同时将第一躯干节点的坐标(x3,y3)也作为已知量。
示例性的,在步骤S205的基础上,可以根据期望工作姿态调整姿态方程、调整工作姿态值。
例如,大腿躯干夹角值可以分为第一大腿躯干夹角值、第二大腿躯干夹角值,大腿小腿夹角值分为第一大腿小腿夹角值、第二大腿小腿夹角值,其中,第一大腿躯干夹角值、第一大腿小腿夹角值对应站姿;第二大腿躯干夹角值、第二大腿小腿夹角值对应坐姿,若期望工作姿态为站姿,则选定第一大腿躯干夹角值、第一大腿小腿夹角值求解姿态方程;若期望工作姿态为坐姿,则选定第二大腿躯干夹角值、第二大腿小腿夹角值求解姿态方程。
示例性的,也可以同时调整姿态方程和调整工作姿态值,若期望工作姿态为站姿,则保留大臂躯干夹角θ2、大臂小臂夹角θ3、小臂手掌夹角θ4对应的方程,此时姿态方程为:
参考图3,根据上述姿态方程求解出大臂节点的(x4,y4)后,根据大臂节点的纵坐标调节桌子的高度为H0。
若期望工作姿态为坐姿,则添加头躯干夹角θ1,同时设定头躯干夹角值,此时姿态方程为:
参考图4,求解上述姿态方程后,根据大臂节点的纵坐标调节桌子的高度为H1,根据第二躯干节点的纵坐标调整椅子坐垫的高度为H2,根据大臂节点的纵坐标以及第二躯干节点的纵坐标调整椅子靠垫的高度为H3,根据大臂节点的纵坐标以及头部节点的纵坐标调整椅子头枕的高度为H4。
本步骤中,求解姿态方程的其余流程与步骤S104中记载的内容相同,计算出大臂节点坐标后,基于大臂节点坐标对工作台进行一次调节。
S207.识别关节节点,获取关节节点的实时坐标值,根据实时坐标值计算实时工作姿态值。
示例性的,本步骤中,当使用人员使用工作台工作时,实时识别使用人员的关节节点,获取关节节点的实时坐标值,根据实时坐标值以及姿态方程计算实时工作姿态值,即实时大臂躯干夹角值、实时大臂小臂夹角值、实时小臂手掌夹角值、实时大腿躯干夹角值、实时大腿小腿夹角值等实时角度值。
示例性的,本步骤还可以包括获取当前的期望工作姿态,根据当前的期望工作姿态重新选定适配的工作姿态值。
S208.根据工作姿态值、实时工作姿态值判断是否需要再次调节工作台。
示例性的,本步骤中比较设定的工作姿态值和计算出的实时工作姿态值,若实时工作姿态值较工作姿态值偏差过大,则再次调整工作台,减小实时工作姿态值与工作姿态值之间的偏差。
在前述方案有益效果的基础上,本方案中,在求解姿态方程前,识别当前使用人员的关节节点,并获取各关节节点的初始坐标值,根据初始坐标值计算求解姿态方程时,所需的关节节点之间的距离,避免了由于使用人员在身体发育期、衰老期等时期人体数据发生变化,采用预先存储的人体数据而造成姿态方程求解不准确的问题。此外,可以通过识别工作人员的手势确定使用人员的期望工作姿态,使得一套工作台可以适应多种基本工作姿态,提高调解方法的灵活性,当使用人员希望变换工作姿态时,可以根据最新的期望工作姿态自动调节工作台,实现全流程的自动化调节。
示例性的,上述各方案中,根据人体工程学风险指标确定工作姿态值,其中可以根据人体工程学风险指标中标称的安全角度设定工作姿态值。可选的,人体工程学风险指标包括RULA、NIOSH、OWAS、REBA。
实施例二
图6是实施例中的桌椅结构示意图,参考图6,桌椅包括桌1、椅2,其中桌1配置工作面11、脚踏12,椅2配置有坐板21、背垫22、头枕23。其中,工作面11的倾角a1、脚踏12的倾斜角a2可调,坐板21、背垫22、头枕23相对地面的高度以及桌1主体的高度可调。
示例性的,桌1内配置有控制器,控制器用于执行实施例一中记载的任意一种桌椅调节方法。作为一种可实施方案,桌椅中可以配置电机,控制器完成计算后可以指示电机将桌椅上可调节的部件调节到指定的位置。
示例性的,配置工作面11的倾斜角度与头躯干夹角θ1、大臂躯干夹角θ2、大臂小臂夹角θ3相关,其满足如下关系:
a1=θ1+θ2-θ3+π/2
作为一种可实施方案,桌1上还配置有视觉传感器13,视觉传感器13用于识别期望工作姿态、识别初始姿态时的关节节点,并获取关节节点的初始坐标值。视觉传感器13还用于当处于取期望工作姿态时测量关节节点的实时坐标值。
作为一种可实施方案,桌椅上还可以配置按钮,按钮用于输入使用人员的期望工作姿态。
示例性的,桌椅的使用方式可以为:
步骤1、使用人员进入视觉传感器的测量范围内,视觉传感器识别该使用人员的关节节点,计算各关节节点的初始坐标值,计算关节节点间的距离(例如实施例一中记载的第一距离L45、第二距离L56、第三距离L34、第四距离L1011、第五距离L1112等)。
步骤2、视觉传感器捕获使用人员作出的手势,控制器根据手势确定使用人员的期望工作姿态,并选定与期望工作姿态对应的工作姿态值。
步骤3、控制器根据工作姿态值、关节节点间的距离以及姿态方程求解关节节点坐标,并根据关节节点坐标调节桌椅至目标位置。
步骤4、使用人员利用调节至目标位置的工作台开始工作。
步骤5、工作过程中,使用人员通过按钮输入最新的期望工作姿态,若最新的期望工作姿态与当前的基本工作姿态不同,则控制器根据最新的期望工作姿态选定工作姿态值,求解姿态方程后,根据关节节点坐标将桌椅调节至目标位置。
本实施例中,桌椅的有益效果与实施例一中对应记载的有益效果相同,在此不再赘述。
注意,上述仅为本发明的较佳实施例及所运用技术原理。本领域技术人员会理解,本发明不限于这里所述的特定实施例,对本领域技术人员来说能够进行各种明显的变化、重新调整和替代而不会脱离本发明的保护范围。因此,虽然通过以上实施例对本发明进行了较为详细的说明,但是本发明不仅仅限于以上实施例,在不脱离本发明构思的情况下,还可以包括更多其他等效实施例,而本发明的范围由所附的权利要求范围决定。
Claims (10)
1.一种桌椅调节方法,其特征在于,包括:构建姿态方程,通过所述姿态方程求解预设关节节点的坐标值,根据所述预设关节节点的坐标值调节工作台的位置;
所述姿态方程通过关节节点的位置关系表示工作姿态,求解所述姿态方程时,确定工作姿态值,根据所述工作姿态值计算所述预设关节节点的坐标值;
所述工作姿态值用于确定选定的所述工作姿态;
设定所述关节节点中大臂节点、小臂节点、手掌节点、第一躯干节点、第二躯干节点、大腿节点、小腿节点的平面坐标依次为(x4,y4)、(x5,y5)、(x6,y6)、(x3,y3)、(x10,y10)、(x11,y11)、(x12,y12),设定所述工作姿态值中的大臂躯干夹角为θ2、大臂小臂夹角为θ3、小臂手掌夹角为θ4、大腿躯干夹角为θ5、大腿小腿夹角为θ6,则所述姿态方程为:
上式中,Lij表示关节节点i至关节节点j之间的距离。
2.如权利要求1所述的桌椅调节方法,其特征在于,基于所述工作姿态值求解所述姿态方程,得到所述大臂节点的坐标值,根据所述大臂节点的坐标值调节工作台,使所述工作台的位置与所述工作姿态相匹配。
3.如权利要求2所述的桌椅调节方法,其特征在于,所述大腿躯干夹角值分为第一大腿躯干夹角值、第二大腿躯干夹角值,所述大腿小腿夹角值分为第一大腿小腿夹角值、第二大腿小腿夹角值;
还包括获取期望工作姿态,根据所述期望工作姿态选定所述为第一大腿躯干夹角值、第一大腿小腿夹角值或者所述第二大腿躯干夹角值、第二大腿小腿夹角值求解所述姿态方程。
4.如权利要求2所述的桌椅调节方法,其特征在于,所述姿态方程包含所述大臂节点与所述小臂节点间的第一距离、所述小臂节点与所述手掌节点间的第二距离;
还包括获取初始姿态时的所述大臂节点、小臂节点、手掌节点的初始坐标值,根据所述初始坐标值计算所述第一距离、第二距离。
5.如权利要求3所述的桌椅调节方法,其特征在于,当处于所述取期望工作姿态时,还包括测量所述关节节点的实时坐标值;
根据所述实时坐标值计算实时工作姿态值,所述实时工作姿态值包括实时大臂躯干夹角值、实时大臂小臂夹角值、实时小臂手掌夹角值、实时大腿躯干夹角值、实时大腿小腿夹角值;
根据所述工作姿态值、所述实时工作姿态值判断是否需要再次调节所述工作台。
6.如权利要求1所述的桌椅调节方法,其特征在于,根据人体工程学风险指标确定所述工作姿态值。
7.如权利要求1所述的桌椅调节方法,其特征在于,所述工作姿态值还包括小腿脚踝夹角值,所述关节节点还包括脚踝节点。
8.一种桌椅,其特征在于,配置有控制器,所述控制器用于执行权利要求1所述的桌椅调节方法。
9.如权利要求8所述的桌椅,其特征在于,还配置有传感器,所述传感器用于识别期望工作姿态、识别初始姿态时的关节节点,并获取所述关节节点的初始坐标值。
10.如权利要求9所述的桌椅,其特征在于,所述传感器还用于当处于所述期望工作姿态时测量所述关节节点的实时坐标值;
所述控制器还用于根据所述实时坐标值计算实时工作姿态值,根据工作姿态值、所述实时工作姿态值判断是否需要再次调节工作台。
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