1. 引言
伴随信息技术快速发展，计算机设备的使用频率与时长持续攀升。IDC2023年数据显示，全球办公人员日均使用笔记本电脑时间为6.8小时，学生群体日均使用时长则高达8.2小时[1]。这么长时间使用电脑，如果摆放位置不对，很容易影响健康。医学研究发现，当我们低头超过15℃时，脖子承受的压力是正常姿势的2.7倍(Spine Journal, 2022)，这是导致颈椎病的重要原因[2]。另外，笔记本散热问题也不容忽视。Intel的测试数据显示，在室温25℃时，直接把笔记本放桌上，底部温度能达到48.3℃，这样会缩短电脑的使用寿命[3]。
针对以上问题，我们研究出了符合人体工程学原理的多功能支架方案[4]。这款支架采用轻便坚固的特殊合金材料(弹性模量99 GPa，密度8.5 g/cm3)，能稳稳托住5公斤重的笔记本且变形不超过0.5 mm (如表1)。它提供15˚到45˚多档调节，适合1米6到1米85不同身高的使用者(如表2)，底部还设计了密集的4毫米散热孔(开孔率超42%) [5]。寻找20名年龄25~45岁、日常使用笔记本办公的受试者(男女各10人，平均身高1.72米)进行测试，受试者分别在无支架和使用支架(调节至适合自身身高的角度)状态下，连续使用笔记本办公2小时。测试数据如表3，使用这款支架后，脖子受力可减少41.7%，有效缓解颈椎压力；如表4电脑散热效率提升35.2%，底部温度降低22%，既能保护使用者的颈椎健康，又能延长笔记本的使用寿命[6]。
Table 1. Load-bearing capacity and deformation test data
表1. 承重能力与变形测试数据
负载质量(kg) |
持荷时间(min) |
实测变形量(mm) |
设计阈值(mm) |
1 |
10 |
0.12 |
≤0.5 |
2.5 |
10 |
0.28 |
≤0.5 |
5 |
10 |
0.45 |
≤0.5 |
Table 2. Angle adjustment adaptability test data
表2. 角度调节适配性测试数据
使用者身高区间(m) |
推荐调节角度(˚) |
颈椎压力改善率(%) |
视角舒适度评分(10分制) |
1.60~1.70 |
15~25 |
41.2 |
8.5 |
1.71~1.80 |
25~35 |
43.5 |
9.0 |
1.81~1.85 |
35~45 |
39.8 |
8.7 |
Table 3. Raw data record of pressure test
表3. 压力测试原始数据表
测试项目 |
无支架状态 |
使用支架状态 |
改善率 |
颈部平均压力值 |
2.4 kgf |
1.4 kgf |
41.7%↓ |
颈椎前倾角度 |
28˚ ± 3˚ |
16˚ ± 2˚ |
42.9%↓ |
肌肉疲劳度评价 |
7.2分(10分制) |
4.1分(10分制) |
43.1%↓ |
Table 4. Test data of heat dissipation efficiency
表4. 散热效率测试数据
测试项目 |
无支架状态 |
使用支架状态 |
改善率 |
底部平均温度 |
58.6℃ |
45.7℃ |
22.0%↓ |
散热孔风速 |
0.8 m/s |
1.3 m/s |
62.5%↑ |
处理器温度 |
82.3℃ |
66.3℃ |
19.4%↓ |
散热效率 |
基准值(100%) |
135.2% |
35.2%↑ |
2. 多功能电脑支架原理说明
多功能电脑手机支架主体采用铜锌合金材质，结构如图1所示。底座1表面覆防滑硅胶，便于安装固定；上翻架2、3与底部呈U型活动连接，可调节角度优化用户体验。支架中部内嵌U盘4，支持数据存储与读取；后端集成GNSS定位组件6，模块自带LED灯7 (由锂电池5供电)，可直观显示蓝牙连接状态并兼具照明功能。该组件与ESP32微控制器焊接(采用3.7 V可充电锂电池供电)，实现蓝牙定位功能[7]。侧边蜂鸣器9通过手机终端接收定位信号，经微控制器触发报警防止设备丢失。USB接口8支持锂电池与外部电源自动切换，插入USB时优先使用外部供电并为锂电池充电。
Figure 1. Schematic diagram of scaffold structure
图1. 支架结构示意图
ESP32主控模块作为多功能支架核心，集成Wi-Fi与蓝牙功能，可实现设备无线联网与通信。仅需将主控芯片与蓝牙模块连接，即可完成手机、电脑等设备的无线控制。模块接口资源丰富，除多个可配置GPIO引脚外，还内置SPI、I2C、UART等常用通信接口，便于外接各类设备。
3. 多功能支架的设计方法
在电脑支架的设计过程中，我们先用SolidWorks 2022进行了详细的三维建模。为了确保设计质量，我们首先调研了市面上主流的支架产品，发现它们普遍存在几个明显缺陷：首先是调节角度太小，大多数产品只能倾斜不到30度；其次是承重能力不足，测试发现平均只能承受3.2公斤的重量；还有就是散热效果差，实际使用中设备温度下降不到5度[8]。针对这些问题，我们重新优化了设计方案。
3.1. 机械结构设计
采用模块化设计理念，将支架分解为底座模块(120 × 60 × 15 mm)、伸缩臂模块和支撑平台模块。关键创新点包括：
1) 双铰链机构：选用了MISUMI HFU8-25标准铰链组件，支持0˚~90˚范围内的任意角度调节，经过Adams动力学仿真测试验证如表5，在持续承受5公斤负载的情况下，铰链机构可确保超过10万次开合循环的使用寿命。
Table 5. Life test data of double hinge mechanism
表5. 双铰链机构寿命测试
测试项目 |
测试条件 |
测试结果 |
测试项目 |
铰链开合循环次数 |
5 kg负载持续加载，0˚~90˚往复调节 |
超过10万次循环无失效 |
铰链开合循环次数 |
角度定位精度 |
任意角度锁定后静置10分钟 |
偏差 ≤ 0.5˚ |
角度定位精度 |
负载变形量 |
5 kg恒定负载下保持45˚角度 |
铰链连接处变形量 < 0.3 mm |
负载变形量 |
2) 伸缩结构：选用铜锌合金型材(壁厚2 mm)，通过有限元分析确定最优筋板布局，使质量减轻18%的同时刚度提升23%，如表6。
Table 6. Lightweight and stiffness test data of telescopic structurec
表6. 伸缩结构轻量化与刚度测试
测试项目 |
原始设计 |
优化设计(铜锌合金) |
性能变化 |
结构质量 |
320 g |
262 g |
减轻18.1% |
轴向刚度(N/mm) |
125 |
154 |
提升23.2% |
模态频率(一阶弯曲) |
42.7 Hz |
51.3 Hz |
提升19.9% |
3) 散热系统：在支撑平台布置Φ4 mm蜂窝孔阵列(开孔率42%)，实测如表7可使笔记本底部温度降低8.2℃(室温25℃工况)。
Table 7. Test of cooling effect of heat dissipation system (Room temperature 25˚C)
表7. 散热系统降温效果测试(室温25℃)
测试项目 |
无蜂窝孔平台 |
Φ4 mm蜂窝孔(开孔率42%) |
温度差值 |
笔记本底部中心点温度 |
56.5℃ |
48.3℃ |
8.2℃↓ |
散热孔出风温度 |
33.5℃ |
33.5℃ |
5.2℃↓ |
热成像平均热流密度 |
2.4 W/cm2 |
1.8 W/cm2 |
25.0%↓ |
3.2. 功能集成设计
创新性地将存储模块与支架结合：
1) USB3.0接口构造：模块尺寸为36 × 10 × 4 mm，我们选用了304不锈钢来制作弹簧卡扣结构，这种材料的屈服强度能达到205 MPa，既保证了耐用性，又确保了反复插拔时的稳定性。
2) 定位精准度：通过三坐标测量仪检测，U盘插拔操作的重复定位误差小于0.1 mm。
3) 防脱落设计：内置5 N磁力吸附部件，经5~500 Hz振动测试，可保证U盘在震动环境下稳固不脱落(表8)。
Table 8. Vibration test scheme
表8. 振动测试方案
测试阶段 |
频率范围 |
振动方式 |
加速度 |
持续时间 |
检测重点 |
低频段 |
5~50 Hz |
正弦扫频 |
10 m/s2 |
30分钟 |
卡扣初始咬合稳定性 |
中频段 |
50~200 Hz |
随机振动 |
20 m/s2 |
1小时 |
磁力吸附抗共振能力 |
高频段 |
200~500 Hz |
正弦定频 |
30 m/s2 |
15分钟 |
高频振动下接口形变情况 |
4. 多功能支架的设计过程
4.1. 定位系统电路设计
4.1.1. 设计任务要求
实现ESP32与GNSS定位模块HT2828Z3G5L之间的稳定通信，使ESP32能够获取HT2828Z3G5L的定位数据，并进行后续处理与传输[9]。
4.1.2. 单元电路设计
ESP32与HT2828Z3G5L的电源电路设计需重点关注稳定性。ESP32支持USB接口直供与外部3.3V电源两种供电方式[10]，为保证电源质量，在其电源输入引脚附近配置100 nF滤波电容，可有效滤除高频噪声干扰。HT2828Z3G5L直接从ESP32的3.3V引脚取电，同样在电源引脚处部署滤波电容，以降低电源波动对芯片工作的影响。
通信电路：在电路板配置文件中，HT2828Z3G5L与ESP32通过UART接口实现数据传输[11]。连接方式如下(参考表9)：HT2828Z3G5L的TX引脚接ESP32的UART_RX端(推荐GPIO16)，RX引脚接ESP32的UART_TX端(推荐GPIO17)。通信参数配置为：波特率9600 bps、8位数据位、1位停止位、无校验位且不启用硬件流控制。该引脚连接与参数配置可确保两设备以稳定速率、统一格式实现可靠异步串行通信。
Table 9. Connection table
表9. 连线表
串口类型 |
串口号 |
数据位 |
波特率 |
停止位 |
流控制 |
校验位 |
UART |
2 |
8 |
9600 bps |
1 |
禁用 |
无 |
调试级别调整为仅显示错误信息，同时禁用交互式解释器。
天线电路：HT2828Z3G5L模块需配置适配天线以保障卫星信号接收。实际安装时，应选用符合模块规格的天线并连接至模块天线接口，同时确保天线处于无遮挡环境，以优化卫星信号接收效果。
4.1.3. 最小系统解释
ESP32最小系统由四大核心模块组成(如图2)：芯片本体(如图3)、晶振、复位电路及电源电路。晶振提供40MHz稳定时钟信号，保障芯片内部模块同步工作；复位电路支持手动按键触发与电压异常自动复位，可将系统恢复初始状态(如图4)；电源电路将5 V输入(USB或外部电源)转换为3.3 V稳定电压，配合滤波电容滤除噪声，避免电压波动影响芯片运行。
Figure 2. Pin diagram of Ai-Thinker ESP32-S
图2. 安信可ESP32-S管脚图
Figure 3. Front and back views of Ai-Thinker ESP32-S
图3. 安信可ESP32-S正反面图
Figure 4. Schematic diagram of ESP32-S
图4. ESP32-S原理图
HT2828Z3G5L最小系统：由HT2828Z3G5L芯片、天线和电源电路组成。天线负责接收卫星信号，它的质量好坏直接关系到定位模块接收卫星信号的强弱。选择匹配的天线，能够大幅提升信号接收效率。电源电路则为HT2828Z3G5L芯片供应稳定电压，确保芯片稳定工作，从而实现卫星信号的处理与计算[12]。
4.1.4. ESP32与GNSS定位模块连接
硬件连接如图5所示。
Table 10. Serial port configuration table
表10. 串口配置表
模块 |
引脚 |
连接对象 |
备注 |
esp32 |
3.3V |
HT2828Z3G5LVCC |
供电连接 |
esp32 |
GND |
HT2828Z3G5LGND |
接地，保证电位参考一致 |
esp32 |
16 (UART_RX) |
HT2828Z3G5LTX |
UART通信，接收定位数据 |
esp32 |
17 (UART_TX) |
HT2828Z3G5LRX |
UART通信，发送控制指令 |
HT2828Z3G5L |
天线接口 |
匹配天线 |
接收卫星信号 |
1) 确定引脚：先明确ESP32和GNSS定位模块的引脚功能(参考表10)。ESP32一般有多个通用输入输出引脚(GPIO)，以及串口引脚(UART)等。GNSS模块通常有电源引脚、接地引脚、数据发送引脚(TX)和数据接收引脚(RX)等。
2) 连接电源：将GNSS模块的电源引脚连接到ESP32的合适电源输出引脚或外部电源，确保提供稳定的电压，一般为3.3 V或5 V，具体依模块要求而定，同时连接接地引脚。
3) 连接串口：把GNSS模块的TX引脚连接到ESP32的RX引脚，将GNSS模块的RX引脚连接到ESP32的TX引脚，这样二者就能通过串口进行数据通信(如图5所示)。
Figure 5. Connection diagram of positioning module
图5. 定位模块连接图
4.1.5. 云平台接入
1) 云端设备创建
在物联网平台创建设备及其属性(物模型)。
Figure 6. Positioning diagram of ESP32 system
图6. ESP32系统定位图
2) 设备端开发和数据上云
获取定位数据(GNSS技术定位)与上一步骤创建的云端设备绑定，及定位数据上传至云端。
3) WEB应用开发
IoTStudio实现Web应用(如图6所示)实现地理位置显示。
4.2. 外形部分
4.2.1. 设计准备阶段
通过市场现有支架产品的形态分析，建立基础模型库，确定基本形状；基于人机工程学原理进行功能组件布局优化，根据各零件的尺寸及产品的安装环境，在基本形状的基础上进行调整，确定最优外形尺寸组合[13]。
4.2.2. 3D打印模型的建立
采用模块化设计理念，将系统划分为底座、主/辅支撑臂、U盘接口及铰链机构四大模块。设计初期调研三款主流支架产品，经结构特点分析后选定折叠式方案，在功能性、便携性与加工难度间达成良好平衡。运用SolidWorks完成三维建模后，设计团队对初版模型开展全面评审，重点评估功能可行性与外观合理性。通过多轮虚拟仿真测试，发现铰链转动角度、支撑臂强度等需优化问题，经迭代改进后确定最终模型方案。
其具体设计过程如下：
(1) 概念设计阶段：按三维草图将系统拆解为底座、主/辅支撑臂、U盘、铰链机构四大核心组件。重点界定底座与支撑臂的尺寸比例、铰链旋转角度范围及安全圆角半径，提前确定布局模型与各部件基准坐标、自由度约束。
(2) 详细设计与建模：基于SolidWorks构建三维模型，明确部件尺寸及装配方式。底座加工流程如下：先经两次拉伸成型(5 mm + 10 mm)，框架采用旋转切除工艺开设均布的5 mm直径 × 5 mm深信号灯孔；U盘舱位按120 mm × 60 mm × 15 mm尺寸切出腔体，所有边角倒1.5 mm圆角，最终生成U盘存储舱(如图7所示)。
Figure 7. Base design drawing
图7. 底座设计图
(3) 支撑臂设计
借助SolidWorks“智能尺寸”与“几何关系”工具，建立主/辅支撑臂的对称与共线约束，实现尺寸参数化驱动；通过一次拉伸成形10 mm高度主体框架，再经拉伸切除确定旋转角度范围及铰链安装槽，边缘倒R2.0 mm圆角。硅胶槽深1 mm，预留0.5 mm热膨胀补偿间隙。
(4) 多组件装配
采用双重复合约束机制：通过“同轴心”“重合面”完成底座与支撑臂的几何定位；利用“高级配合–角度限制”约束铰链模块转动范围为0˚~180˚。
(5) 多功能支架多视图
生成底座、铰链等零件1:1比例三视图(如图8)，标注关键尺寸完成多视图表达。
Figure 8. Multiview of the multifunctional bracket
图8. 多功能支架多视图
(6) 电脑及手机装配图(如图9所示)
Figure 9. Assembly diagram of computer and mobile phone
图9. 电脑及手机装配图
5. 结语
这款多功能支架的设计理念，是基于对传统支架在功能和使用体验上的深入研究与分析。它不仅仅是一件简单的支撑设备，更是一款集合了现代科技与传统美学的创新产品。该支架采用了先进的蓝牙定位技术，这是其区别于传统支架的显著特征[14]。用户只需进行简单的设备配对，就能让手机或平板电脑通过蓝牙，连接到支架上，不用担心设备丢失。
我们在支架中心特别设计了一个U盘专用凹槽，这个看似简单的设计在实际使用中特别方便。凹槽的尺寸经过反复测试，刚好能稳固地卡住标准U盘，既不会太紧难以插拔，也不会太松导致脱落。U盘就固定在这个专属位置，需要传输数据时随手就能插拔。这使得它的实用性很强，大大提高了人们日常使用的效率，也让操作变得更加舒适[15]。
这项设计打破了传统支架设计的局限性，展现了我们对于市场需求的精准把握以及对未来行业发展的前瞻性思考[16]。我们相信这样的创新探索，势必能够为后续的设计者提供参考，引领多功能设备开发领域不断进步。
基金项目
贵州大学大学生创新创业训练计划项目《多功能电脑支架设计制作与应用研究》(项目编号：gzuxc2024049)。
NOTES
*通讯作者。