腕力球鼠標(biāo)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)*

游謹(jǐn)豪，溫佳澄，李 濤，宋丕偉，孫 然，張晨星，鄭曉龍

（大連科技學(xué)院，遼寧 大連116052）

隨著信息化的高速發(fā)展，人們越來越離不開計(jì)算機(jī)。而鼠標(biāo)是計(jì)算機(jī)必不可少的一個(gè)重要部件，在使用計(jì)算機(jī)的同時(shí)，幾乎必須用到鼠標(biāo)。長時(shí)間使用鼠標(biāo)容易引發(fā)“鼠標(biāo)手”的現(xiàn)象，嚴(yán)重時(shí)還可能對腕關(guān)節(jié)造成損傷，引發(fā)一些相關(guān)性的疾病，例如關(guān)節(jié)炎等等。本項(xiàng)目研究的目的是設(shè)計(jì)一款新式鼠標(biāo)，該鼠標(biāo)可以解決傳統(tǒng)鼠標(biāo)的一些問題，如對工作表面有較為嚴(yán)格的要求、在使用過程中需要用手腕進(jìn)行支撐。該鼠標(biāo)除了可以正常完成鼠標(biāo)的工作以外，還可以達(dá)到鍛煉的效果。

1 整體設(shè)計(jì)

腕力球鼠標(biāo)是“軌跡球+腕力球+鼠標(biāo)”創(chuàng)新結(jié)合，配有相應(yīng)無線芯片及光學(xué)傳感部分實(shí)現(xiàn)功能，無線芯片確定為CYRF69104可編程2.4Hz無線芯片，光學(xué)傳感器選用型號為PIXART的PAW3204DB以檢測軌跡球轉(zhuǎn)動(dòng)，可以實(shí)現(xiàn)使用不受場地限制、成本實(shí)惠、堅(jiān)固耐用、并能填補(bǔ)6自由度鼠標(biāo)市場空白。為未來人類戰(zhàn)勝腕管綜合征以及人體工程學(xué)鼠標(biāo)的發(fā)展邁出開創(chuàng)性的一步。

其結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)主要包括：上蓋、下蓋、軌跡球系統(tǒng)、發(fā)條系統(tǒng)以及腕力球系統(tǒng)。其中上蓋以及下蓋為鼠標(biāo)的主體部分，主要為其他系統(tǒng)提供支撐與保護(hù)。軌跡球系統(tǒng)可以實(shí)現(xiàn)鼠標(biāo)指針的控制，發(fā)條系統(tǒng)主要實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的自發(fā)電功能。設(shè)計(jì)腕力球鼠標(biāo)的三維模型透視圖如圖1所示。使用3D打印技術(shù)打印的整體結(jié)構(gòu)如圖2所示。

圖1 三維透視圖

圖2 3D打印模型

該鼠標(biāo)在使用的過程中無需像傳統(tǒng)鼠標(biāo)那樣移動(dòng)，只需要移動(dòng)軌跡球即可控制屏幕鼠標(biāo)指針的移動(dòng)。因此在工作過程中，完全擺脫對場地的限制，可以在任意場地、任意場所使用，完全擺脫鼠標(biāo)對鼠標(biāo)墊的依賴。由于無需移動(dòng)鼠標(biāo)，也就擺脫了對鼠標(biāo)使用空間的要求。同時(shí)在使用該鼠標(biāo)的時(shí)候，使用者的手部完全放置于鼠標(biāo)上，無需像傳統(tǒng)鼠標(biāo)那樣靠手腕支撐，也就避免了傳統(tǒng)鼠標(biāo)長時(shí)間工作對手腕造成損傷的問題。

2 軌跡球系統(tǒng)設(shè)計(jì)

軌跡球系統(tǒng)采用獨(dú)特的球中球設(shè)計(jì)，即軌跡球位于鼠標(biāo)球中心，被上下殼體包覆。在軌跡球正下方的下殼體上安裝有激光發(fā)射與接收模塊。激光發(fā)射單元將激光投射到軌跡球上，接收單元就可以根據(jù)接收到的激光數(shù)據(jù)判斷軌跡球的移動(dòng)方向，從而控制屏幕上鼠標(biāo)指針的移動(dòng)方向。多數(shù)情況下，傳統(tǒng)鼠標(biāo)的激光發(fā)射單元是位于鼠標(biāo)底部，這就限制了鼠標(biāo)的使用場所，傳統(tǒng)鼠標(biāo)對工作表面的材質(zhì)有非常嚴(yán)格的要求，一般情況下須使用鼠標(biāo)墊。一般鼠標(biāo)墊，首先不能有鏡面反射，也就是表面粗糙，需要比較均勻但不規(guī)則；其次是順滑，一般鼠標(biāo)貼腳是特氟龍的，有一定的自調(diào)性；第三就是穩(wěn)定性，墊子底面要和桌面貼合不滑動(dòng)。而在設(shè)計(jì)中，將光標(biāo)放于鼠標(biāo)內(nèi)部，通過改變軌跡球表面材質(zhì)、球的旋轉(zhuǎn)，來達(dá)到控制鼠標(biāo)的效果。軌跡球的三維結(jié)構(gòu)如圖3所示，軌跡球的3D打印效果如圖4所示。

圖3 軌跡球三維模型

圖4 軌跡球3D打印模型

3 內(nèi)置發(fā)條設(shè)計(jì)

常規(guī)腕力球依靠發(fā)條器獲得動(dòng)力旋轉(zhuǎn)，發(fā)條器呈環(huán)狀置于球芯外部，如將其結(jié)構(gòu)完全遷移至本產(chǎn)品，將不能實(shí)現(xiàn)作為軌跡球時(shí)的自由旋轉(zhuǎn)要求。因此，我們對外置發(fā)條器進(jìn)行了結(jié)構(gòu)創(chuàng)新，同樣依靠發(fā)條原理，將其內(nèi)置于球芯位置，發(fā)條存放于長方體發(fā)條盒內(nèi)部，并將中間軸改換為扁圓柱狀以便固定，方便旋轉(zhuǎn)球芯上緊發(fā)條。實(shí)際球芯設(shè)計(jì)為完整球形，軸包裹與球芯內(nèi)并外露兩端，圖示為便于內(nèi)部細(xì)節(jié)展示并未畫出完整球形。其結(jié)構(gòu)如圖5所示。

圖5 發(fā)條裝置

4 腕力球系統(tǒng)設(shè)計(jì)

傳統(tǒng)的鼠標(biāo)以及人體工程學(xué)鼠標(biāo)在空間只具有3個(gè)自由度，桌面的限制和不斷重復(fù)的單一動(dòng)作指令才是導(dǎo)致腕管綜合征最主要的原因，實(shí)現(xiàn)空間中6自由度的鼠標(biāo)，使辦公時(shí)手腕能夠脫離限制、自由活動(dòng)，才能在最大程度上減少負(fù)荷，從而抑制鼠標(biāo)手的出現(xiàn)。

團(tuán)隊(duì)成員對于新型鼠標(biāo)做了大量的市場調(diào)查及研究后發(fā)現(xiàn)，手持直徑為70mm的網(wǎng)球上下翻動(dòng)手腕是公認(rèn)最有效的疲勞緩解方法，并且在市場上出現(xiàn)了一種名為腕力球的產(chǎn)品，不但具有極佳的腕部疲勞緩解效果，并且同時(shí)具有鼠標(biāo)所需要的基本結(jié)構(gòu)，故而設(shè)計(jì)了一種全新的腕力球鼠標(biāo)系統(tǒng)。

在該系統(tǒng)設(shè)計(jì)中，采用球套球設(shè)計(jì)，即腕力球位于軌跡球中間，將軌跡球與鼠標(biāo)外殼合二為一，中間腕力球依靠初始力進(jìn)行轉(zhuǎn)動(dòng)，通過手腕的不停轉(zhuǎn)動(dòng)，運(yùn)用陀螺儀和角動(dòng)量守恒原理，使中心球高速轉(zhuǎn)動(dòng)，且隨著時(shí)間的延長，速度越來越快，手臂使用力越來越大，達(dá)到鍛煉手臂和放松的作用，從而緩解鼠標(biāo)手現(xiàn)象的出現(xiàn)。在腕力球內(nèi)部加入了切割磁感線裝置，通過球的高速旋轉(zhuǎn)，使磁感線發(fā)生切割，從而產(chǎn)生電力，該部分產(chǎn)生的電力，直接傳入到鼠標(biāo)內(nèi)部的電池中為鼠標(biāo)的正常工作提供電能，起到預(yù)防作用，防止在沒有電的情況下找不到固定電源。結(jié)構(gòu)如圖6所示，3D打印模型如圖7所示。

圖6 腕力球結(jié)構(gòu)模型

圖7 腕力球打印模型

5 結(jié)束語

參照人體工程學(xué)理論，確定握球時(shí)手部處于自然使用狀態(tài)，球芯通過改造作為腕力球球芯和軌跡球兩用，設(shè)想出一個(gè)具有腕力球功能，且可作為軌跡球鼠標(biāo)使用的球形鼠標(biāo)，提高使用性能和舒適度的同時(shí)，也改變了對鼠標(biāo)的傳統(tǒng)認(rèn)知，依附于計(jì)算機(jī)存在作為鼠標(biāo)使用的同時(shí)，也可獨(dú)立作為腕力球使用，最大限度緩解使用疲勞。