一種智能屏幕支架的設計

程智勇，李曉娟，陳文尉，劉賽文，李樂欣（廣州鐵路職業技術學院 機電學院，廣州 510430）

0 引言

隨著信息化時代的發展，人們的生活及辦公己經逐漸離不開電腦，越來越多的人被長時間“固定”在電腦桌前，每天數小時乃至十幾個小時電腦前的工作、學習、娛樂己經成為了現代生活的常態。

據“白領工社”網站的統計，中國的白領人數已經占到了人口比重的10%以上，每天在辦公桌前久坐不動的時間更是達到了7 h以上，但由于顯示設備的使用不當所造成的病痛也隨之而來了，再加上工作狀態中肌肉和骨骼長期處于緊張狀態，從而導致頸椎病、肩周炎、腰肌勞損等身體病變，對身體造成了極大傷害，職業亞健康狀況所引發的問題也日益凸顯。

為解決部分辦公類產品設計的不合理，以及長時間使用電腦作業對人們身體狀況的影響，本文從辦公用品的智能化下手，進行智能屏幕支架創新設計。本項目通過對市場同類智能支架的調研和對消費者反饋的意見的分析，研究了一系列安裝放置于辦公桌上的智能支架及一般辦公環境中使用者的狀態，并從人體工程學角度出發，深入探討了伸展式支架的使用方式，并且通過進一步的調研，證明其能夠運用于辦公環境中讓使用者能有更好的體驗感，從而可以預防一些常見職場亞健康癥狀，很大程度上提高了工作效率[1]。

1 智能屏幕支架基本思路

本文要解決的技術問題是克服現有的缺陷，提供一種智能屏幕支架，可以適應不同身高、姿勢的人使用，能夠實現左右旋轉和前后翻轉，且具有遙控調整屏幕高度和朝向的功能，可以有效解決背景技術中的問題。

為實現上述目的，本文提供如下技術方案：該智能屏幕支架包括底座、左右轉向機構和前后翻轉機構；底座的頂端安裝有伸縮套筒，伸縮套筒的頂端安裝有頂板，頂板上設有旋轉軸，旋轉軸的頂端通過軸承轉動連接有安裝基座，安裝基座的底端連接有轉動盤，轉動盤與頂板滑動連接，轉動盤的中部設有橢圓形通孔，頂板的中部安裝有定齒輪，定齒輪位于橢圓形通孔內，安裝基座上轉動連接有轉接板，轉接板的側面安裝有屏幕安裝板；轉動盤上設置有殼蓋，殼蓋的兩端與轉軸轉動連接，轉接板位于殼蓋的外側，殼蓋內部設置有左右轉向機構、前后翻轉機構[2]。

2 智能屏幕支架結構和功能

智能屏幕支架的結構自上而下有:傾斜關節（可以自動上下傾斜）、旋轉蓋（能夠自動360°旋轉）、顯示屏固定架（也能夠自動360°旋轉）、內外桿（可以自動上下升降）；其最突出的特點是在底座上安裝了一個智能攝像頭，可以實現自動追蹤和實時監控的功能，整體上是靠外接24 V直流電源來維持運作的，同時帶有智能語音調整的功能；并且還可以通過微信小程序來對支架進行遠程精準地控制，來實現上下升降、360°旋轉等操作指令。

智能屏幕支架創新點：第一，支架上裝有智能監控，通過智能攝像頭對目標的監控和追蹤，自動捕捉人體曲線和人力數據，如高度、頸椎、腰椎等角度數據；第二，通過大數據的采集，完成灰度線性增強圖像預處理、降維、求解協方差矩陣等程序建立人體亞健康數據庫，以此調整支架的合理角度，從而改變人體坐姿，避免腰椎、頸椎勞損等亞健康問題。

圖1 智能屏幕支架

3 自動升降裝置伺服系統控制策略研究

3.1 控制算法研究

3.1.1 經典PID控制方法

PID 是 比 例（Proportion）、積 分（Integral）、微 分（Derivative）的簡稱，其控制的難點是如何整定控制器的參數，作為一種經典的控制算法的PID控制算法是控制系統中應用最廣的控制算法之一[3]，系統是由PID 控制器與被控對象（如支架等）組成（如圖2）。

圖2 PID控制器系統框圖

PID 控制器的作用如下：用時間比喻來講，比例環節是控制系統當前誤差，積分環節是控制系統歷史誤差，而微分環節是控制系統變化趨勢的誤差，這三者就如“過去、現在、未來”的有機融合[4]。

PID控制經典算法中，作為e（t）偏差是給定值跟測量值之間的差值，對于PID控制器算法的輸出U（t），根據連續控制過程，PID算法的表達式為

3.1.2 PID控制算法的選擇

PID控制算法具有適用面廣、易實現、原理簡單、獨立的參數控制、選擇參數較簡單的特點。理論方面可論證，對典型對象的過程控制，PID控制算法是一種最好的選擇。當前控制點包含較簡單的PID控制算法是：增量式算法、位置算法、微分先行等3種，且3種算法基本能滿足大多數要求。

在智能屏幕支架自動升降裝置的過程控制中，要求支架定位位置準確，且在速度運行要求同步誤差小、響應快。因在高精度的伺服控制系統中，控制算法選擇增量式PID算法[6]。

式中：u（t）為PID控制器的輸出值；e（t）為控制器給定值跟測量值之間的差值；Kp為比例環節系數；Ti為積分環節時間常數；Td為微分環節時間常數；T為調節周期；β為積分環節分離值。

3.2 上下運動控制

上位機通過監控軟件發出指令后，指令在總線PROFIBUS傳送到PLC控制系統，PLC控制系統檢測到伺服電動機位置與運動速度參數后將指令傳送給讀取模塊，對上下運動軸伺服電動機進行速度與位置閉環控制，使其到達準確位置。與此同時PLC控制系統將伺服電動機實際運行過程中的轉速與位置等參數反饋到上位機的監控軟件，并顯示在上位機界面[9]。上下運動控制功能數據流程如圖3所示。

3.3 安全性限位功能

智能屏幕支架安全保護功能是用PLC控制系統的上位機構軟限位達到保護相關性能。

其作用是：當屏幕支架上下運動機構的所在位置達到或超過軟件設定限制位置時，PLC控制系統向各執行部件對應的伺服系統發出剎車及停止指令，伺服系統接到相關指令后馬上完成伺服電動機剎車及停止動作，此時上位機顯示上下運動機構監控參數的停車及報警信息[10]，數據流程圖如圖4所示。

4 數據科學的采集方法

4.1 整合多個視圖信息和多標簽的數據語義特征采集

1）通過自編碼器獲取空間屬性的魯棒性表述；2）利用采集數據獨立視圖下相互之間的關系建立Laplacian matrix（拉普拉斯矩陣）；3）整合多個視圖構建相應全局Laplacian matrix，利用全局Laplacian matrix分解特征值對空間特征降維處理。

4.2 自編碼器的基于超圖正則化三維人體姿態的恢復算法

在搭建自編碼二維姿態圖像過程中，必須施加局部約束。該約束整合了多個樣本的語義流形之間關系，從而改進了自編碼器選擇特征3D姿態的恢復性能；促進了自編碼器對姿態輪廓數據有效降維的歧義性，對三維姿態恢復的正確率進一步增加[11]。

4.3 使用圖像增強的超清晰圖像分類網絡

對超清晰圖像問題提出了深度卷積神經網絡分兩階段的改進：1）將超清晰圖像分成相對大小固定的多個模塊圖，通過新圖像增強方法將其增強后輸入網絡，采集單個模塊圖的語義特征視圖；2）整合超清晰圖像所有模塊的語義特征，用其對全圖型進行分類[12]。

5 結論

智能顯示屏支架作為電腦和電視的重要輔助設備，已經廣泛應用于零售業、娛樂、金融、醫療、交通等領域；產品涵蓋單屏幕、雙屏幕、大幅面拼接屏幕等類品。本文通過科學方法采集分析數據并利用自動升降裝置伺服系統控制策略研究，實現智能屏幕支架設計功能，幫助解決人們在家庭或商用辦公場所操作電腦、平板、大型電視時所遇到的各種技術難題。該智能顯示屏支架的人體工學設計，可以預防長時間觀看電腦的工作疲勞帶來的健康問題，提高工作效率，給人們帶來了理想的工作環境。