一種可移動多媒體講臺的結構設計研究

楊輝

（常州工學院機械與車輛工程學院，江蘇常州213002）

0 引言

多媒體教學以其圖文并茂的演示效果而受到師生的喜愛，并已發(fā)展成主要的授課模式。作為多媒體教學必不可少的硬件，多媒體講臺受到眾多商家和研究者的青睞，有的研究者結合自身工作中使用多媒體講臺的感受及所調(diào)研教師的反饋意見，對現(xiàn)有多媒體講臺進行了改進及再設計[1-2]。無論是商家還是研究者，他們的目光都集中在多媒體教室及報告廳等固定多媒體講臺的設計、制作上[3-5]。而隨著高校對實驗教學、科研及教研活動等的重視及其開展實驗教學、科教活動的多樣性，需要采用多媒體教學動態(tài)演示實驗過程中不易察覺的現(xiàn)象、實驗條件變化所帶來的影響及不易開展實物操作的虛擬實驗等。由于這些場所不適于安裝固定的多媒體講臺，針對這種情況，本人從多年實驗教學的角度出發(fā)，研發(fā)了一款與實驗教學環(huán)境相適應的可移動的多媒體講臺。該講臺也適用于機房、教研活動及學生社團活動等場合。

1 總體設計思想與方案

1.1 設計思想

由于該講臺是針對實驗室、教研活動等特殊場所設計的，因此設計該講臺時需要綜合考慮其使用頻率、占地面積、使用者身高及其演講時的習慣姿勢（站姿或坐姿）等。為此，將該講臺的功能細化為可移動、臺面折疊，內(nèi)置式投影儀及整體升降等。參考多媒體教室及報告廳等講臺的規(guī)格及根據(jù)人機工程學原理[6]，將該講臺的長×寬×高尺寸設計為（840～1600）mm×700 mm×（900～1300）mm；左右兩側(cè)儲物抽屜的長寬高尺寸為525 mm×420 mm×120 mm；內(nèi)置投影儀的抽屜尺寸為400 mm×400 mm×180 mm。該講臺由上臺體和下臺體組成，上臺體包括臺面、臺面下左右兩側(cè)儲物抽屜及內(nèi)置投影儀抽屜，其中投影儀抽屜位于儲物抽屜下方居中位置；下臺體包括底座、底座上方的升降機構及4個底腳上安裝的萬向腳輪。

1.2 總體方案設計

根據(jù)前述設計思想，講臺的結構如圖1所示。上臺體具有臺面擴展、放置儲物抽屜及內(nèi)置投影儀抽屜等功能，即上臺體的中間臺面左右兩側(cè)分別鉸接有左側(cè)臺面和右側(cè)臺面，左側(cè)臺面和右側(cè)臺面的大小均為中間臺面的1/2；中間臺面的下方左右兩側(cè)分別安裝有左側(cè)抽屜和右側(cè)抽屜，且左側(cè)抽屜和右側(cè)抽屜分別向兩側(cè)拉出時可用于支撐左側(cè)臺面和右側(cè)臺面；且在上臺體后面安裝有幕布固定裝置，用于安裝滾筒式幕布。在內(nèi)置投影儀抽屜的設計上采用了抽拉式的設計方案，不用時將投影儀置于抽屜中并隱藏于講臺內(nèi)。使用時將該抽屜沿滑軌抽出，拉出行程由3節(jié)尺寸為600 mm的滑軌控制。由于該方案中是直接將投影儀放在抽屜內(nèi)，因此需要將該抽屜拉出較遠距離才能使投影儀達到理想的使用效果，這樣不僅對滑軌的剛度要求較高，而且也會引起投影儀晃動，影響投影效果。下臺體的升降機構是采用4組均布的導向組件，即導向桿套在側(cè)面有孔的導向套內(nèi)，由電動推桿控制導向桿沿導向套內(nèi)滑動的距離，并在其對應孔的位置穿插螺釘以固定調(diào)節(jié)好的講臺高度。這種升降方式不但操作比較繁瑣，且對導向套側(cè)面上孔的位置精度要求很高，此外如果上升距離過長，對導向桿和導向套的強度和剛度要求很高，如果加工精度達不到要求會引起臺面不穩(wěn)。

圖1 講臺的結構設計三維模型圖

由此可見，該方案中的投影儀投影及講臺升降功能都存在明顯的缺陷，在對其功能的實現(xiàn)方式進行深入細致的分析后，對這兩種功能的實現(xiàn)機構進行了改進，其改進后的多媒體講臺如圖2所示。經(jīng)過此次改進，考慮到安裝在講臺上的幕布投影面積比較小，不適合多人的場合，為此將其改為大尺寸的可移動式幕布。在內(nèi)置投影儀抽屜中添加升降機構，以縮短投影儀抽屜伸出距離，增加安放投影儀的穩(wěn)定性。采用剪式升降機構替代原來的四柱式導向組件升降機構，既增加了導向的平穩(wěn)性，又減少了人工固定位置的操作。由于該講臺采用的是模塊化的設計方案，因此改進后的講臺各功能間沒有干涉；同時講臺臺面可穩(wěn)定升降，滿足了不同身高的人群使用，改善了講演舒適度。

圖2 改進后多媒體講臺的結構設計三維模型圖

2 多媒體講臺的主要結構設計及仿真分析

多媒體講臺能否穩(wěn)定地工作及滿足不同使用者的需求，取決于多媒體講臺中的投影儀托板的升降機構及講臺的剪式升降機構的結構設計是否合理。

2.1 投影儀托板升降機構的結構設計及仿真分析

由圖3可知，投影儀托板升降機構由驅(qū)動組件、投影儀托板支架及其導向元件組成。投影儀托板支架是由2根支撐桿通過軸桿連接成的2組“X”形結構組成，且第1支撐桿的一端鉸接于安裝在投影儀抽屜底部框架上的滑塊上，另一端鉸接于投影儀托板的底部。第2支撐桿的一端鉸接于投影儀托板底部的滑塊上，另一端鉸接于投影儀抽屜的底部框架上；滑塊通過滑軌安裝于投影儀托板的底部及其抽屜的底部框架上。驅(qū)動組件包括電動機、絲杠和螺母，電動機安裝于投影儀抽屜的底部框架外側(cè)，絲杠的一端與電動機的輸出軸相連，另一端通過軸承安裝于投影儀抽屜的底部框架上，螺母配合安裝于絲杠上，且螺母與投影儀抽屜的底部框架上的滑塊相連，絲杠驅(qū)動螺母前后移動，從而使投影儀托板在其抽屜內(nèi)做升降運動。這種結構緊湊小巧，可以將投影儀完全自行收回投影儀抽屜內(nèi)部，同時又可以將投影儀伸出較高的位置，使用靈活方便。

圖3 投影儀托板升降機構的結構設計三維模型圖

在完成上臺體的結構設計后，為了保證將投影儀抽屜拉出臺體后，將投影儀托板上升到接近于臺面高度即可正常使用投影儀。經(jīng)計算，該抽屜中升降托板在原位時（最低位置）距離抽屜上邊緣高度為105 mm，距離臺面為280 mm，考慮到投影儀厚度及投影光源的位置因素，托板升降距離至少為250 mm。由圖4可知，投影儀托板的最大升降距離約為260 mm，而且該升降機構的慣性小，運行比較平穩(wěn)，完全滿足投影要求。

圖4 投影儀托板升降機構的運動仿真圖

圖5 講臺升降機構的結構設計三維模型圖

圖6 講臺整體升降機構的運動仿真圖

2.2 講臺升降機構的結構設計及仿真分析

講臺升降機構位于下臺體和上臺體之間，是典型的剪式升降機構，其具體結構如圖5所示。該結構主要由電動推桿、支撐桿、軸桿及滑軌、滑塊等組成。電動推桿的一端鉸接于下臺體的框架上，另一端鉸接于安裝在第2支撐桿的橫梁上；兩組交叉設置的第1支撐桿和第2支撐桿安裝于上臺體和下臺體之間，它們通過軸桿連接成“X”形結構，且第1支撐桿的一端安裝在上臺體的滑塊上，另一端鉸接于下臺體上，第2支撐桿的一端安裝在下臺體的滑塊上，另一端鉸接于上臺體上；滑塊通過滑軌分別安裝于上臺體和下臺體上；通過控制電動推桿的伸縮運動帶動第1支撐桿和第2支撐桿組成的“X”形結構夾角變化，從而實現(xiàn)講臺的高度變化。

根據(jù)人機工程學原理及人體尺寸數(shù)據(jù)，為滿足多數(shù)人在坐、站兩種姿勢下舒適地使用多媒體講臺，講臺的整體升降高度需達到400 mm。由圖6的升降機構運動仿真結果可知，該講臺的最大升降高度約為415 mm，完全滿足使用者在坐、站姿勢下舒適地講演需求，且該結構承載的載荷大，臺體升降穩(wěn)定可靠。

3 結論

該多媒體講臺集移動、桌面擴展、儲物、內(nèi)置投影儀及其伸出升降、整體高度升降功能于一體，其結構簡單輕巧，迎合了實驗室、小型會議室等場所的特殊需求，提高了其使用頻率。通過對該講臺的投影儀托板升降機構及整體剪式升降機構的運動仿真分析，表明其結構設計合理，投影儀抽屜伸縮及其托板升降平穩(wěn)，投影儀升降高度合適；講臺整體升降幅度大，滿足了不同身高的人群使用，改善了講演者的舒適度。