基于Pro/E的兒童鼠標(biāo)創(chuàng)新設(shè)計

彭榮利

（武漢職業(yè)技術(shù)學(xué)院機(jī)電工程學(xué)院，武漢430074）

1 引 言

隨著電腦在全世界范圍內(nèi)的普及，越來越多的兒童接觸并能熟練使用電腦，近年來，電腦己經(jīng)逐漸成為許多兒童及青少年生活和學(xué)習(xí)中不可缺少的工具。鼠標(biāo)作為電腦操作最常見的輸入設(shè)備，與其它工業(yè)產(chǎn)品一樣，不僅要滿足功能要求，還必須做到安全、舒適、使用方便、美觀，減少給使用者帶來的傷害。兒童正處于生長發(fā)育的特殊階段，骨骼彈性強(qiáng)，容易彎曲，不符合兒童身體特點的鼠標(biāo)造成的不良操作姿勢，將導(dǎo)致兒童的健康問題。“設(shè)計以人為本”，對兒童產(chǎn)品的設(shè)計研究，應(yīng)該充分考慮兒童的本身因素，探求他們的身體與心理發(fā)展需要，不僅僅是“比成人小一號”［1］。因此，為兒童設(shè)計更人性化的鼠標(biāo)是非常有必要的。

2 兒童產(chǎn)品設(shè)計的原則

兒童產(chǎn)品從功能和形式而言，是專為兒童設(shè)計生產(chǎn)的專用物品。功能是產(chǎn)品的決定性因素，產(chǎn)品功能包括物理功能、生理功能、心理功能。滿足產(chǎn)品的物理功能是設(shè)計的基本要求，在此基礎(chǔ)上，產(chǎn)品的生理功能——使用的方便性、安全性、宜人性均是“以人為本”設(shè)計思想的體現(xiàn)，也是產(chǎn)品設(shè)計的重要評價標(biāo)準(zhǔn)。產(chǎn)品的方便性與宜人性就是產(chǎn)品與用戶在尺寸、形狀及使用中用力姿勢是否合理配合、是否舒適與方便；產(chǎn)品的安全性就是產(chǎn)品是否防止了用戶操作時造成意外傷害和錯用時產(chǎn)生的危險［2］。心理功能則要從外形、色彩、質(zhì)感等方面滿足用戶的精神需求。

兒童用品的設(shè)計中更加強(qiáng)調(diào)“以人為本”的人機(jī)工程學(xué)的理念。人機(jī)工程學(xué)研究“人-機(jī)-環(huán)境”系統(tǒng)中人、機(jī)、環(huán)境三大要素之間的關(guān)系，以人為目標(biāo)對象，強(qiáng)調(diào)人的需求，把使用產(chǎn)品的“人”作為產(chǎn)品設(shè)計的出發(fā)點，要求產(chǎn)品的外形、色彩、性能等，都要圍繞人的生理、心理特點來設(shè)計［3］。

人機(jī)工程學(xué)的研究提供了大量科學(xué)可靠的兒童身體結(jié)構(gòu)、生理特點和心理特征等數(shù)據(jù)，這些數(shù)據(jù)可作為兒童產(chǎn)品設(shè)計的重要參考資源。設(shè)計人員結(jié)合先進(jìn)的計算機(jī)輔助技術(shù)和創(chuàng)新的設(shè)計方法，從兒童生理特點及心理特點著手，設(shè)計符合兒童需求的產(chǎn)品，在產(chǎn)品功能和形式上體現(xiàn)易用性、安全性、趣味性。

3 兒童鼠標(biāo)設(shè)計的基本方法

人機(jī)工程學(xué)在本質(zhì)上就是使用戶在使用產(chǎn)品的過程中盡量保持人體的自然放松狀態(tài)，避免出現(xiàn)過多的強(qiáng)迫體位，從而降低長時間使用時身心的疲勞程度，最大限度地避免用戶的健康傷害并提高用戶的工作效率。對于手掌來說，其最自然的形態(tài)就是半握拳狀態(tài)。而鼠標(biāo)的造型設(shè)計，實際上就是要盡量貼合這個形態(tài)［4］。同時，從兒童心理特點出發(fā)，將鼠標(biāo)簡單枯燥的外形加以變化，把一些符合兒童喜好的卡通形象加入到兒童鼠標(biāo)的設(shè)計當(dāng)中。

兒童鼠標(biāo)設(shè)計基本過程如下：（1）研究兒童的手型，收集整理相關(guān)數(shù)據(jù)：從人機(jī)工程學(xué)數(shù)據(jù)庫查找兒童身體數(shù)據(jù)，結(jié)合市場調(diào)研，并進(jìn)行數(shù)據(jù)的科學(xué)統(tǒng)計分析。（2）以兒童手部的生理結(jié)構(gòu)為基礎(chǔ)，結(jié)合人體工程學(xué)，構(gòu)建鼠標(biāo)外形曲面，完成兒童鼠標(biāo)造型設(shè)計。（3）根據(jù)鼠標(biāo)的使用功能、制造要求，將整體造型拆分為各組成零件。（4）產(chǎn)品零件的結(jié)構(gòu)細(xì)化設(shè)計。（5）將各零件組裝成整體，完成產(chǎn)品設(shè)計。

4 三維造型創(chuàng)新設(shè)計的實現(xiàn)

隨著計算機(jī)軟、硬件技術(shù)的飛速發(fā)展，三維CAD 軟件在產(chǎn)品設(shè)計與制造領(lǐng)域的應(yīng)用越來越廣泛，Pro/E 軟件具備基于特征、全參數(shù)化、統(tǒng)一數(shù)據(jù)庫的建模造型功能，并且具有精確的模型分析功能，可以進(jìn)行如干涉檢查、重心計算、質(zhì)量計算及運動分析仿真，方便地實現(xiàn)產(chǎn)品多目標(biāo)優(yōu)化設(shè)計。

對于電子產(chǎn)品中有復(fù)雜曲面外形要求的如手機(jī)、玩具、鼠標(biāo)等的結(jié)構(gòu)設(shè)計，為保證各零件間配合質(zhì)量及外形效果，通常采用自頂向下設(shè)計模式，通過產(chǎn)品關(guān)鍵數(shù)據(jù)信息的共享與傳遞，保證各零件之間配合面一致，達(dá)到產(chǎn)品精度要求。自頂向下設(shè)計首先考慮產(chǎn)品的整體功能和外觀需求，然后再從結(jié)構(gòu)方面進(jìn)行細(xì)化，符合產(chǎn)品開發(fā)從抽象到具體的思維過程。

Pro/E 軟件系統(tǒng)有多種實現(xiàn)自頂向下設(shè)計的方法，主要有骨架模型、數(shù)據(jù)共享和布局。其中，骨架模型和布局主要用來控制組件整體結(jié)構(gòu)，當(dāng)組件涉及多個零件的相對位置或需要對整個組件進(jìn)行布局規(guī)劃時，則可通過骨架模型和布局控制整體產(chǎn)品結(jié)構(gòu)，驅(qū)動產(chǎn)品各零件自動裝配及更新裝配，使產(chǎn)品設(shè)計者能著眼于整體結(jié)構(gòu)的規(guī)劃與更新。而數(shù)據(jù)共享可以從組件向零件或在零件間傳遞實體、曲面、基準(zhǔn)等設(shè)計參數(shù)信息，是自頂向下設(shè)計中的重要方法。Pro/E 中提供的數(shù)據(jù)共享工具主要有收縮包絡(luò)、合并/繼承、發(fā)布幾何和復(fù)制幾何、注釋元素等，其中合并/繼承是Pro/E 中實現(xiàn)數(shù)據(jù)共享的常用工具。

兒童鼠標(biāo)創(chuàng)新設(shè)計應(yīng)用Pro/E 軟件作為主要設(shè)計工具，具體方法如下：

（1）根據(jù)兒童手型數(shù)據(jù)，確定鼠標(biāo)的關(guān)鍵曲線、基本尺寸。6 歲～14歲兒童手型數(shù)據(jù)如圖1所示。兒童鼠標(biāo)的長度大 約 從89.7 ～104.7mn；寬度約從49.8～56.4mm。

（2）以兒童手型數(shù)據(jù)為參照，構(gòu)建鼠標(biāo)關(guān)鍵輪廓曲線，如圖2。

為了符合不同年齡段的兒童手型，將鼠標(biāo)輪廓曲線設(shè)計參數(shù)化，設(shè)置長、寬、高三個方向上的控制參數(shù)，實現(xiàn)系列化參數(shù)設(shè)計。Pro/E 軟件的族表（Family Table）功能非常適合用來創(chuàng)建形狀相似、規(guī)格尺寸稍有不同的模型族。將不同年齡段的兒童手型曲線尺寸數(shù)據(jù)輸入?yún)?shù)表，即可根據(jù)需要選擇不同手型曲線數(shù)據(jù)，方便迅速地生成不同尺寸的系列鼠標(biāo)三維模型。具體方法為：在構(gòu)建一組基本手型輪廓曲線后，選取主菜單【工具】→【族表】，在彈出的族表定義窗口中，選取添加表行/列命令，依次將不同年齡段對應(yīng)的輪廓曲線數(shù)據(jù)輸入（如圖3）。

圖1 兒童手型數(shù)據(jù)

圖2 鼠標(biāo)輪廓曲線

圖3 手型輪廓曲線數(shù)據(jù)族表

（3）以輪廓曲線構(gòu)建鼠標(biāo)造型曲面。鼠標(biāo)宜人化設(shè)計的關(guān)鍵是使用戶操作鼠標(biāo)的過程中，手與鼠標(biāo)的接觸面處于自然舒展的狀態(tài)，鼠標(biāo)的邊緣形態(tài)以弧線為主，在鼠標(biāo)外形的設(shè)計上應(yīng)該增強(qiáng)趣味性，增加卡通形象設(shè)計元素。造型過程中使用樣條曲線、掃描混合、邊界曲面、曲面合并等三維建模命令，如圖4。

（4）根據(jù)功能、裝配要求，構(gòu)建零件分解曲線、曲面，如圖5。

（5）應(yīng)用Pro/E 軟件中“合并/繼承”的數(shù)據(jù)共享方法，將鼠標(biāo)整體模型分解成左右按鍵、上蓋、下蓋。

（6）各零件的細(xì)節(jié)設(shè)計，如上下蓋配合端面、裝配定位孔柱等。

對模型進(jìn)行組裝及色彩渲染，兒童鼠標(biāo)最終造型效果如圖6。

由于鼠標(biāo)整體造型是相近的，因各年齡段兒童手型尺寸稍有不同，在上述兒童鼠標(biāo)的設(shè)計中，關(guān)鍵在于產(chǎn)品整體造型建模時，構(gòu)建符合兒童自然狀態(tài)手型的曲面，而曲面由手型曲線控制。通過設(shè)置手型曲線參數(shù)族表，只需以一組參數(shù)構(gòu)建鼠標(biāo)三維模型，然后在零件族表中選擇不同參數(shù)值系列，即能獲得不同尺寸的系列整體模型。采用自頂向下設(shè)計方法，使設(shè)計變更通過三維模型傳遞到產(chǎn)品的各個零部件，實現(xiàn)鼠標(biāo)系列化、參數(shù)化的設(shè)計。

零件的詳細(xì)設(shè)計中，對于零件間的某些相互配合的結(jié)構(gòu)，例如各零件的裝配端面、定位孔支撐柱，相關(guān)配合尺寸需一致，可以將零件裝配為組件后在組件環(huán)境中完成，這樣可以復(fù)制、參照配合零件的幾何形狀、基準(zhǔn)特征等信息，建立裝配參考關(guān)系。

圖4 鼠標(biāo)造型曲面

圖5 零件分解曲線、曲面

圖6 鼠標(biāo)三維造型

5 結(jié) 語

產(chǎn)品設(shè)計是以“人”為中心實施的，人性化產(chǎn)品設(shè)計可以增強(qiáng)產(chǎn)品的使用功能。隨著新型材料的開發(fā)應(yīng)用，計算機(jī)輔助設(shè)計和加工技術(shù)的發(fā)展，基于人機(jī)工程的創(chuàng)新設(shè)計極大地提高了設(shè)計質(zhì)量和效率，使產(chǎn)品更具有使用性和人性化，滿足多樣化用戶需求，能有效地提升產(chǎn)品的市場競爭力。

［1］ 王白鴿，劉子建.關(guān)于兒童產(chǎn)品設(shè)計的探討［J］.機(jī)電產(chǎn)品開發(fā)與創(chuàng)新，2009（1）：40-42.

［2］ 楊君順，金海明.基于人機(jī)工程的虛擬產(chǎn)品設(shè)計［J］.機(jī)械設(shè)計與制造，2005（9）：7-8.

［3］ 王翔晶.淺談兒童用品設(shè)計中的人機(jī)工學(xué)［J］.湖北廣播電視大學(xué)學(xué)報，2010（2）：76-77.

［4］ 王雁，劉蘇.手持產(chǎn)品的人體工學(xué)設(shè)計［J］.人類工效學(xué)，2011（2）：52-55.