炫动魔方—多姿态交互课桌说明书

炫动魔方——多姿态交互课桌设计者：陈磊、张志君、李哲宇、李鹤、李天骄指导教师：曾平吉林大学机械科学与工程学院2014年4月目录第一章概述 (1)1.1摘要： (1)1.2作品内容简介 (1)1.3 研制背景及意义 (1)1.4 设计创新点 (2)第二章设计方案 (2)2.1功能设计 (2)2.1.1传统听课 (2)2.1.2交互讨论 (2)2.1.3放松休息 (4)2.1.4师生交互系统 (5)2.1.5电子设备、电力支持 (6)2.1.6椅子旋转功能 (6)2.1.8桌面自动升降功能 (7)2.2 创新设计及原理 (7)2.2.1自动旋转机构 (7)2.2.2自动升降机构 (8)2.2.3师生交互系统 (8)第三章参数计算 (8)3.1 驱动电机功率及转速计算 (8)3.2电动推杆设计 (9)3.3关键零件强度有限元分析 (9)3.3.1材料的特性 (9)3.3.2有限元网格模型 (9)3.3.3 displacement——位移模型 (10)第四章成本计算及其推广 (11)4.1 产品成本计算 (11)4.2产品推广 (11)参考文献： (12)1炫动魔方——多姿态交互课桌第一章概述1.1摘要：随着时代的发展，交互越来越成为课堂教学的核心。

传统的课堂桌椅，不仅无法为课堂成员的交流创造条件，一定程度上还限制了成员之间的交流。

本着促进交互，合理布局、保证课堂成员舒适性以及合理利用能源的原则，研发了此多姿态交互课桌。

关键词：课桌；变形；师生交互；压电发电；安卓系统；1.2作品内容简介本作品跟据本届机械创新设计大赛的主旨要求而设计，属于“课堂用机械”。

产品一方面利用自动升降、手动旋转结构的组合可将变形桌椅从传统课桌变为方便面对面的讨论桌以及能方便人休息的放松桌椅等五种形态。

利用嵌入基于安卓系统的应用程序，可以实现师生之间的无线交互，提高课堂学习效率的同时增加学习乐趣。

另一方面，桌椅采用蓄电池为桌面的USB孔提供电源，而蓄电池的一部分电力来源来自位于桌垫部分的压电发电振子，体现了产品的节能环保的性能。

1.3 研制背景及意义幻·梦课堂作为一个能够体现后现代特征的概念课堂，应当是学习者学习和获得发展的场所；应是以互动为核心，旨在提高课堂主体的主动性、能动性，创造和谐、自由发展的教与学的环境。

所以，课堂的物理架构设计也应充分体现和围绕互动这一核心。

然而，自从夸美纽斯提倡并组织实施班级授课制以来，课堂的形式虽然有着不同程度的微调，但是从本质上讲并没有太大的变化：课堂课桌椅的形状、排列，讲台的位置等基本不变，教师在讲台上宣讲，学生在下面听课、记笔记。

许多研究表明，这样的学习环境不适应社会的发展和教育的变革，不能发挥学生学习的积极性。

多姿态交互课桌可以实现桌椅在传统课桌形态与讨论桌，休息椅子等五种形态之间的变化，既能满足传统课堂学生听讲的要求，又能方便学生面对面讨论问题，增进交流。

同时能劳逸结合，在需要休息的时候提供舒适的空间适当放松，提高学习效率。

师生交互系统的加入，能让教师更了解学生对知识的掌握情况，既能提高课堂效率，又能增加课堂乐趣。

为USB孔的蓄电池充电的压电发电装置顺应绿色发展的潮流，体现装置的节能环保的特性。

2吉林大学机械科学与工程学院1.4 设计创新点（1）多姿态交互课桌通过推杆、牛眼轮等实现部件空间位置变化，满足教室中师生的多种交互需求。

（2）基于安卓系统自主开发了师生交互系统，师生可以及时迅速的交流信息。

（3）利用压电发电装置作为桌面USB孔的蓄电池电力来源的一部分，体现产品的绿色节能环保性。

第二章设计方案2.1功能设计2.1.1传统听课作为一个课桌，首先需要满足传统课堂中学生听讲的要求。

在多姿态交互课桌的基本形态中，能为学生在课堂上创造一个舒适，方便的学习环境。

（座椅效果如图1所示）。

图1 多姿态交互课桌椅基本形态2.1.2交互讨论为了顺应未来课堂以交互为核心的理念，该作品可变换为便于学生面对面讨论的讨论桌。

该作品采用折叠，旋转的方法，位于两侧的桌椅可以以位于中间桌椅的桌腿整体进行旋转，这样就可以由成排放置（效果如图1所示），变为面对面放置（效果如图2所示）。

炫动魔方——多姿态交互课桌33图2 讨论桌形式还可以只旋转部分桌椅而变成躺椅及围坐教授的放置位置（效果如图3所示）。

图3 躺椅及围坐形式4吉林大学机械科学与工程学院2.1.3放松休息高效的学习方式是劳逸结合的，该课桌充分考虑到这一点。

椅背采用180°折叠设计，可以实现正向坐姿和反向坐姿两种方式，靠在椅背上，课间休息放松（效果如图4所示）。

图4 放松休息形式利用桌面的升降系统，降低桌面，椅背翻折之后，变为一个平面装置，便于学习者进行无障碍交流。

在课堂的间隙，便于学习者进行放松，体现人性化的思想（效果如图5所示）。

图5 放松休息形式炫动魔方——多姿态交互课桌5 5 2.1.4师生交互系统在桌面左上角，该作品嵌入了电子师生交互系统。

此自主开发的基于安卓系统的师生交互系统，能实现学师生及时迅速的交流信息，让教师更了解学生对知识的掌握情况，既能提高课堂效率，又能增加课堂乐趣。

（效果如图6所示）。

图6 师生交互系统界面师生交互系统分为教室客户端和学生客户端，教室客户端的界面如下图所示（如图7所示）。

其中小人可以作为同学的签到，当同学在手机端签到之后，该名同学名字前面的小人会变亮，表明该同学到教室上课了。

当同学在手机端举手时，在界面的左下角会有课堂举手的显示，以提醒教师该同学有问题要询问。

位于右下角的圆盘作用是为了及时给教师提醒同学的掌握情况，当同学在手机客户端单击课堂反馈中的三个选项时，软件会自动计算选择三个选项的人数，并通过饼状图直观的反映出来，以便于教师及时的掌握同学们的学习情况，调整课堂的授课速度。

图8为学生端。

图7 师生交互系统教师端6吉林大学机械科学与工程学院图8 师生交互系统学生端2.1.5电子设备、电力支持该作品配备了USB接口设施，为电子设备提供必要支持，而USB接口的电源由位于课桌中一个小型的蓄电池供电，蓄电池的电力来源有两部分。

一部分为位于桌垫部分的压电振子（效果如图9所示），当有人坐在椅子上的时候，由于冲击会带动桌垫做上下振动，进而带动矩形悬臂梁式压电振子做上下振动，产生电流为蓄电池充电，而另一部分则为教室常用的220V交流电压充电。

图9 悬臂梁式压电振子2.1.6椅子旋转功能在椅子底部安装飞碟型牛眼轮，当椅子需要旋转的时候通过手动移动椅子，在牛眼轮的传动下，桌子可以实现旋转的运动，飞碟式牛眼轮的结构如图10所示（效果如图10所示）。

炫动魔方——多姿态交互课桌77图10 飞碟式牛眼轮2.1.8桌面自动升降功能在旋转轴中安装自动推杆，实现桌面的自动升降。

既能将课桌变换为一个平面方便交流或休息，也能根据使用者身高进行微调，令使用更加舒适（效果如图11所示）。

图11 自动推杆2.2 创新设计及原理2.2.1自动旋转机构在桌腿下部安装牛眼轮，在人手动推力的作用下，通过牛眼轮的传动实现桌椅的相对转动。

8吉林大学机械科学与工程学院2.2.2自动升降机构自动升降机构由电动推杆与升缩杆固连组成，可使桌面随推杆的升降而移动.电动推杆由永磁直流电机与推杆组成：推杆最短长度L min=100mm＋S（行程）；推杆最长长度L max=100mm＋2XS（行程）令S=375mm，则L min=475mm，L max=850mm即桌面最低为475mm，最高为850mm。

图15 推杆示意图2.2.3师生交互系统该系统是有教师终端，学生终端两个部分组成。

教师终端及学生终端为能安装安卓系统的移动设备。

主要实现的功能有学生通过操作，向教师端反馈是否上课，是否有问题提问，教师讲课内容是否可以理解等，帮助教师掌握学生的理解程度，调节教学进度。

第三章参数计算3.1 驱动电机功率及转速计算轮子摩擦力=总体重量⨯轮子与地板摩擦系数=N200=⨯603.0电机扭矩=轮子摩擦力⨯轮子半径=m=60N⨯0255.1.09 电机功率=扭矩⨯转速=9550605.1÷⨯W 78.9=电机实际功率=电机功率⨯系数=W 20278.9≈⨯3.2电动推杆设计（1）永磁直流电机驱动，电压： 24V （2）行程设计：推杆最短长度Lmin=100mm ＋S （行程）； 推杆最长长度Lmax= 100mm ＋2XS （行程） 令S=375mm ，则Lmin=475mm ，Lmax=850mm （3）空载速率：最大50mm ／s（4）速度与推力的关系：2mm ／s （1000N ）-50mm ／s （100N ） （5）低噪音设计，噪音等级低于42dB （6）可配有线或者遥控器3.3关键零件强度有限元分析由于桌面面板由伸缩机构支撑，所以需要对支撑处的强度进行有限元分析。

为此，我们利用CATIA 软件有限元分析的功能，对桌面这个零件进行了有限元的分析，具体过程如下： 3.3.1材料的特性3.3.2有限元网格模型利用混合有限元网格剖分，得到有限元网格模型，其中该模型共包含138012个节点数以及67716个单元。

利用材料力学第四强度理论(形状改变比能理论)，我们得出了该零件的Mises 等效应力——Von Mises Stress 。

3.3.3 displacement——位移模型综上分析，可以得出结论：该设计符合强度要求，在位移允许的范围内，该作品的结构是符合要求的。

第四章成本计算及其推广4.1 产品成本计算通过我们的实践以及相关调查,我们估算出了该产品的成本：备注：如果进行大批量生产,我们的成本会进一步降低,这样就更加有利于该多姿态交互课桌的普及。

4.2产品推广本产品基于以人为本的思想，充分考虑人机工程学。

产品构思新颖，结构巧妙，加工制造容易，安装方便，批量生产，成本较低。

相对于传统课桌，能提高课堂效率，增加学习乐趣，提高课堂的交互性，符合现代化教学的趋势。

在批量生产后，能大幅降低成本，市场前景广阔。

11参考文献：1、申永胜.机械原理教程[M]2版.北京：清华大学出版社，2006.2、朱景锌.机械设计概要[M].北京：人民教育出版社，1982.3、于兴芝; 赵德申. 创新设计技巧[J]. , 2010-01-28.。