目標是把模型做成真人可坐的椅子：坐滿 30 分鐘自動往後躺，休息 10 分鐘後自動立起；頭離椅背太遠時嗶嗶提醒；App 可手動操作與設定。

一、產品定義

產品定位是「防久坐的書桌／辦公休息椅」，核心是讓椅子自己提醒並帶使用者休息。模型目前靠 App 手動傾倒、恢復，產品要補上「自動偵測有人坐下」才能真正自動計時。

建議規格（先以一般書桌椅尺寸定案）

二、模型到產品的零件對應

模型的每個零件都有對應的產品級零件；最大的改變是「齒輪組」換成「線性推桿」，因為要推動的是一個真人。

三、機械結構設計

建議改成「椅背樞軸＋下擺臂＋線性推桿」：椅背與下擺臂是同一件剛體，推桿拉下擺臂，椅背就繞樞軸往後躺。這和市售電動躺椅的原理相同，零件好買。

推桿「伸出」時要把人推回坐姿，是最吃力的動作；推桿的推力通常大於拉力，所以設計成伸出＝立起。

3.1 後傾驅動方案比較

3.2 推桿力量估算

假設上半身靠在椅背的力約 500 N（約 50 kg），作用點離樞軸 30 cm，椅背後傾到比垂直多 40° 時力矩最大：

結論：選推力 2000 N 以上、行程 100 mm、24V 的推桿；下擺臂轉 30°（100°→130°）約需 4–5 cm 行程，其餘用安裝位置與限位開關調整。數字為初估，原型做出來後要實測。

3.3 框架材料選擇

3.4 其他結構要點

• 底座用四腳固定式（不加滾輪），後腳往後延伸至少超過後傾時的重心，防止往後翻。
• 椅背與座面之間保持 ≥ 2.5 cm 間隙或用布套包覆，避免後傾時夾到手指。
• 推桿、控制盒、變壓器都藏在座下，用薄板封住。
• 頭枕做成可上下調整，讓 ToF 感測器對準不同身高使用者的後腦。

四、電控與感測架構

控制核心改用 ESP32：一片板子就有計時、藍牙與足夠的腳位，原型階段可用 Arduino IDE 開發。

感測器選用要點：

• 頭距：ToF（VL53L1X，量程約 4 m）比一般紅外線準，黑髮、白髮差異小；安裝在頭枕中央、朝前。
• 坐下：座墊下貼薄膜壓力感測器（FSR）或椅座壓力開關，只需判斷「有／沒有人」。
• 安全：推桿內建限位開關是第一道，程式監測馬達電流（INA219）是第二道，電流突然變大代表卡到東西，立刻停止並反向退一點。
• 馬達驅動：原型可用 BTS7960 H 橋模組或雙繼電器；量產時繪製專用 PCB。

五、控制流程

韌體寫成「狀態機」：每個狀態只做一件事，條件成立就跳下一個狀態，比一連串 if 好除錯。

• 預告期間按「暫停」可延後 5 分鐘，避免開會、趕工時突然躺下。
• 頭距提醒只在「工作計時」狀態啟用，休息時不叫。
• 離座短暫（倒水、接電話）只暫停計時，回來接著算。

六、安全設計

會自己動的椅子，安全比功能優先：任何一項安全檢查不通過，推桿就不動。

七、材料採購

建議先買推桿、再設計木件：推桿的安裝孔距、縮回長度與行程決定了下擺臂和橫撐的位置。以下價格為估計值，實際請詢價。

7.1 兩條可行路線

7.2 木工材料（路線 B）

7.3 五金與電子

7.4 採購通路（台灣）

• 木材：地方木材行（可代客裁切，帶裁切清單去最省事）、特力屋等大型修繕賣場。
• 木工加工：共享木工坊或木工教室（租用機具、可請老師指導）；鐵件找附近鐵工廠代工。
• 五金：五金行；軸、軸承、鋁擠型可用 MISUMI 等機械零件通路。
• 電子：光華商場、正華電子（icshop）等電子材料行，或網購平台搜尋「24V 電動推桿」「ESP32」「VL53L1X」。
• 量產級推桿：台灣廠商 TiMOTION（第一傳動）、丹麥 LINAK 等專業品牌，可詢問樣品與量產價。
• 布料、海綿：布料行、沙發材料行；也可委託沙發師傅包布。

7.5 採購順序

1. 定案尺寸與機構草圖。
2. 買推桿、變壓器、ESP32，先在桌上接線試轉。
3. 依推桿實際尺寸畫木件圖、開裁切清單。
4. 木材行裁切，鐵工廠做下擺臂與椅背骨架。
5. 組裝木架、裝推桿，空椅測試後再買海綿布料包覆。

八、現階段模型可以先改的地方

不換套件也能先把模型升級成「自動版」，當作產品的概念驗證。

模型的白色連桿與橫軸就是第三章「樞軸＋下擺臂」的縮小版，可用來向評審說明產品機構的由來。

九、木工組裝

木架用「圓木榫＋白膠」定位、「螺栓＋鐵角碼」受力；樞軸、推桿座這兩個受力最大的點一律用穿透螺栓加鐵件，不只靠木螺絲。尺寸以座面寬 480 mm、深 395 mm 為準，實際請依買到的推桿尺寸微調。

9.1 裁切清單（單位 mm）

9.2 接合方式

9.3 組裝步驟

1. 裁切與標記：依 9.1 裁切，每件寫上編號與「前／內」方向。 - 檢查：同編號零件長度差 ≤ 1 mm。
2. 組左右側框：每側「前腳 B＋後腳 B＋側牙板 C＋中段側撐 E」上膠、打榫、夾緊，再立在地腳 A 上。 - 檢查：兩片側框疊在一起輪廓一致、椅腳與地腳垂直。
3. 合框：用前／後牙板 D 與前下橫撐 G 連接兩側框，四角鎖鐵角碼。 - 檢查：量兩條對角線，相差 ≤ 2 mm；放平地不晃。
4. 裝推桿橫撐 F：鎖在兩側中段側撐上，距前腳內側約 80 mm，中央鑽 M8 孔。 - 檢查：用力往後拉橫撐中央不變形。
5. 裝樞軸軸承座：在兩支後腳內側、距地 380 mm 處鑽孔裝 UCFL201；先把 Ø12 軸穿過兩座再鎖緊，確保同軸。 - 檢查：軸用手指就能轉動、無卡頓。
6. 椅背總成（鐵工）：方管骨架 S1 與下擺臂 S2 焊在樞軸 S3 上，下擺臂朝下，與骨架成一直線。 - 檢查：裝上木架後用手推，椅背從 100° 到 130° 全程不碰座板與後牙板。
7. 裝機械擋塊：在後腳上方加兩塊硬木擋塊，限制椅背只能在 100°–132° 之間。 - 檢查：推桿拆掉時，椅背也不會倒過頭。
8. 裝推桿：前端接橫撐 F 的 U 型座，後端用插銷＋開口銷接下擺臂。先用 24V 電源直接伸縮測試，不接控制板。 - 檢查：縮回到底＝130°、伸出到底＝100°；不對就調整前座位置。
9. 裝座板 H：由下往上鎖在牙板上，後緣與椅背骨架留 ≥ 30 mm 間隙；在控制盒上方開 Ø25 線孔。
10. 裝扶手：立柱 I 鎖在側牙板外側，扶手 J 鎖在立柱頂端；右扶手前端鑽 3 個 Ø12 按鍵孔，底面銑一條 8 × 8 mm 線槽。
11. 裝椅背板 K 與頭枕：椅背板鎖在骨架前方，頭枕裝在可上下調整的滑槽上。
12. 試坐（未包布）：依第十章接線後，用 110 kg 負重做 20 次後傾／立起，並在後傾狀態往後推測試傾倒。
    • 檢查：框架無異響、螺栓不鬆、椅子不翻。
13. 表面處理與包覆：拆下座板與椅背板，木件用 #120→#240 砂紙砂磨、上木器油 2 道；乾燥後貼海綿、包布再裝回。
14. 裝底封板 L：用螺絲鎖在牙板下方，遮住推桿與控制盒，維修時可拆。

工具：圓鋸或線鋸、電鑽（最好有鑽台）、圓木榫治具、斜孔治具、F 夾 ×4、直角尺、捲尺、砂紙機。無機具可交由木材行裁切、在共享木工坊鑽孔組裝。

十、線路與走線規劃

所有線材集中到座下的控制盒：24V 只走「電源盒 → 驅動板 → 推桿」這條動力迴路，ESP32 與感測器用降壓後的 5V／3.3V。變壓器放在椅外插牆上，椅子內部只有低壓電。

10.1 接線圖

10.2 腳位表

INA219 預設量程約 3.2 A；若推桿啟動電流更大，改用 0.01 Ω 分流電阻或 ACS712-20A 電流模組。

10.3 走線路徑

10.4 走線原則

• 動力與訊號分開：24V 與推桿線走座下左側，訊號線走右側；必須交叉時以 90° 交叉。
• 活動處留迴圈：椅背會轉 30°，過樞軸的線用螺旋套管包覆、留約 15 cm 彎曲迴圈，兩端固定點盡量靠近軸心，讓椅背轉動時線只彎不拉。
• 遠離夾點：推桿與下擺臂周圍 5 cm 內不走線。
• 穿孔加護線圈：木頭、鐵管上的穿線孔都套橡膠護線圈，孔緣倒角。
• 固定與應力消除：每 15 cm 一個線扣或束線帶；控制盒入線處用 PG7 防水接頭。
• 標示：每條線兩端貼標籤（例如「ToF-I2C」），維修時一看就知道。
• I²C 距離：拉到 1.2 m 已接近極限；用遮蔽雙絞線並維持 100 kHz，仍不穩時在控制盒加 I²C 延長晶片（如 P82B715）。

10.5 接線完成後的檢查

1. 不接推桿，先通電量測：降壓模組輸出 5.0 V ± 0.1 V，ESP32 3.3V 腳正常。
2. 用萬用表確認 24V 與 GND 之間沒有短路，保險絲規格正確。
3. 逐一測試感測器讀值：ToF、超音波、座墊壓力、三顆按鍵。
4. 接上推桿，以低速（PWM 30%）測試伸縮方向；方向相反就對調 M+／M−。
5. 椅背後傾、立起各 10 次，確認線不被拉緊、不被夾到。

一、專案概述

本作品是一張以積木相容教育套件（主控盒標示 Robot X、型號 AP909、DC 4.5V／3 顆 AA 電池）搭建的「智慧休息椅」模型，結合三個功能：計時器（坐 30 分鐘後椅背往後傾倒、休息 10 分鐘後立起）、紅外線偵測頭與椅背的距離（太遠會嗶嗶叫）、椅背躺下與立起。現階段還不會自動偵測有人，是用 App 點一下讓椅背傾倒、再點一下恢復。

完整的功能流程、機構改良與產品化規劃，請見「產品化設計」分頁。

照片觀察重點

• 底座：紅色長樑（約 15 孔）上下兩層圍成方框，四角以淺藍色直立樑當椅腳，側面有綠色斜撐。
• 椅座：綠色長樑上鋪橘、白平板，約 10×10 顆凸點。
• 椅背：兩側淺藍色長樑（約 15 孔）為主柱，中間以白色樑夾住橘色、卡其色平板，正面裝有雙眼型感測器（上方一顆、椅座上方一顆）。
• 扶手：橘色彎折樑，固定在椅座兩側；椅背由後方橫軸帶動後傾。
• 傳動：椅子兩側各有一組灰色大齒輪（40 齒）與小齒輪（8 齒）組成的減速齒輪組，右側掛一個馬達模組。
• 椅背後方：白色長連桿與黑色橫軸組成曲柄連桿；下方為灰色大主控盒（電池＋控制器），以電線連接感測器與馬達。

設計目標

1. 結構穩固：模型可承受按壓、移動不鬆脫。
2. 動作可靠：椅背能在設定角度內平順後傾與立起，不卡齒、不跳齒。
3. 智慧感應：偵測到人靠近或坐下時自動動作，離開後自動復位。

二、系統架構

整張椅子拆成五個子系統：結構、動力傳動、感測、控制、電源，訊號由左向右流動，結構在底層承載全部。

製作時可依此圖分成三塊進行：結構（底層帶狀區）、機構（馬達到椅背）、電控（感測器與主控盒）。

三、材料與零件清單（BOM）

數量依照片估算，備料時建議多準備 10–20% 的樑、銷、軸。

工具：拆件器、平板或手機（程式寫入）、捲尺、量角器、紀錄表。

四、結構設計

結構分四層由下往上堆疊：底座框架 → 椅座 → 椅背 → 扶手，每層完成後先確認方正、不晃動再往上。整體估計尺寸約寬 13 cm × 深 13 cm × 高 30 cm（以 1 孔 = 8 mm 換算）。

4.1 底座框架

• 以 2 支 15 孔紅樑做前後邊，底下鋪平板連成「口」字框，當作底盤。
• 四角立淺藍樑當椅腳，約在一半高度加一層紅樑橫梁，形成「日」字形側面。
• 左右側加綠色樑斜撐成三角形，三角形不易變形，是整張椅子不晃的關鍵。
• 底座內部留空間給下方齒輪與主控盒，主控盒重，放低可降低重心。

4.2 椅座

• 在椅腳頂端以綠樑圍成框，上方鋪橘、白平板（約 10×10 凸點）。
• 平板接縫要跨過下方樑，像砌磚一樣錯開，按壓時才不會彈起。
• 椅座前緣下方可加白色磚塊補強，也可在此安裝「坐下」偵測用感測器。

4.3 椅背

• 兩側各以 2 支淺藍長樑並排做主柱，下端穿銷固定在椅座後緣與底座立柱上。
• 主柱內側以白樑夾住中央平板，正面再貼淺藍、白、橘平板拼出圖案。
• 椅背上方中央留空缺放感測器，感測器的「眼睛」需露出、朝前。
• 椅背後方是走線與連桿空間，電線用小磚塊壓住，避免被齒輪捲入。

4.4 椅背樞軸與扶手

• 椅背下緣以十字軸接在後方橫軸上，橫軸轉動時椅背跟著後傾；橘色彎折樑扶手固定在椅座兩側，不跟著轉。
• 椅背左右兩側共用同一支橫軸（照片椅背後的黑色長軸），確保兩側同步轉動。
• 樞軸處用無摩擦銷或圓孔，驅動端才用十字孔，轉動才會順。
• 在椅背「立起」與「後傾」位置各加一個機械擋塊，避免馬達轉過頭。

五、動力與齒輪傳動設計

馬達轉得快、力氣小，椅背需要的是慢而有力，所以用「小齒輪帶大齒輪」減速。照片中可見 8 齒小齒輪與 40 齒大齒輪，一級減速比即為 5 : 1。

設計要點

1. 兩齒輪中心距要剛好：40T 與 8T 相隔 3 孔，40T 與 40T 相隔 5 孔（以常見規格為例，實際以套件為準）。
2. 齒輪軸要至少兩點支撐（兩片樑夾住），否則受力會歪斜跳齒。
3. 齒輪與樑之間留約 0.5 mm 間隙或加軸套，避免摩擦卡住。
4. 左右兩側都有齒輪組：可一側驅動、另一側當平衡，或兩側各一個馬達（程式需同步）。
5. 先用手轉動齒輪確認全程順暢，再接馬達。

六、感測與控制

程式採「待命 → 偵測 → 動作 → 復位」的循環。下圖是「偵測到人就後傾」的基本版；加入 30／10 分鐘計時與頭距提醒的完整狀態圖在「產品化設計」分頁第五章。

兩個判斷都建議「連續成立 1 秒」才動作，避免手揮過就誤觸發。

程式實作要點

1. 椅背到位的判斷：無編碼器時以「馬達運轉時間」控制（先實測從立起到後傾要幾秒），再搭配機械擋塊保護。
2. 用一個變數記錄椅背狀態（立起／後傾），已後傾就不再重複後傾。
3. 馬達速度先設中低速（約 30–50%），動作平順再微調。
4. 可加入蜂鳴器或 LED 提示「椅背即將動作」，增加安全感。

七、組裝步驟

依「由下而上、先機構後電控」的順序，每步完成後先檢查再進下一步。

1. 底盤：紅樑與平板拼成方形底框。 - 檢查：放在桌上四角貼平、不翹。
2. 椅腳與側框：四角立淺藍樑，加中段紅樑橫梁與綠色斜撐。 - 檢查：用手左右推不會變成平行四邊形。
3. 主控盒定位：將主控盒固定在椅子後下方，電池蓋朝外。 - 檢查：不拆其他零件就能換電池、按開關。
4. 椅座：綠樑圍框、鋪平板，接縫錯開。 - 檢查：按壓椅座中央不凹陷、不彈起。
5. 椅背：立起兩側主柱，裝白樑與中央面板，預留感測器位置。 - 檢查：椅背與椅座垂直，往後推不晃。
6. 椅背與橫軸：椅背下緣固定在橫軸上，橫軸兩端穿過支架並加軸套；橘色扶手固定在椅座兩側。 - 檢查：用手推動椅背，左右同步、輕順。
7. 齒輪組：依第五章配置裝 8T 與 40T，最後一顆 40T 接到椅背橫軸。 - 檢查：轉小齒輪，椅背全程移動不卡、不跳齒。
8. 馬達：馬達輸出軸接 8T 小齒輪，馬達本體至少兩點固定在框架上。 - 檢查：馬達運轉時本體不會反向扭動。
9. 感測器與配線：裝兩顆感測器，接線到主控盒，記下每條線的埠號。 - 檢查：線不經過齒輪，椅背轉到底線不緊繃。
10. 寫程式與調整：依第六章流程寫程式，調整閾值與運轉時間。
    • 檢查：通過第八章全部測試項目。

八、測試驗收、常見問題與改良方向

全部項目通過即算完成，每項建議測 10 次並記錄成功次數。

驗收清單

• ☐ 結構：由 10 cm 高處輕放至桌面，無零件脫落
• ☐ 結構：椅座放 200 g 重物，椅子不傾斜
• ☐ 傳動：椅背後傾、立起 10 次，無卡齒、跳齒
• ☐ 感測：手靠近感測器 10 次，至少 9 次正確觸發
• ☐ 感測：手快速揮過不會誤觸發
• ☐ 控制：休息時間結束後椅背自動立起
• ☐ 電源：連續運作 10 分鐘仍正常

常見問題

改良方向

• 加入碰觸感測器當椅背「到位開關」，取代計時控制。
• 加蜂鳴器與 LED 做動作前提示。
• 延伸應用：長者起身輔助椅、遊樂設施安全壓桶、座位有人偵測。