基于TRIZ理論的無線鼠標優(yōu)化設計研究*

劉旭銘，朱玉杰，張永雷，陳仲瀚，郭傳臻,王馨怡

（東北林業(yè)大學，黑龍江 哈爾濱 150040）

近年來，隨著多媒體智能終端的發(fā)展，無線鼠標越來越不能滿足人們對終端輸入設備在人機交互等方面的智能化需求，無線鼠標不斷地更新?lián)Q代成為了未來的一大趨勢[1]。通過調(diào)查發(fā)現(xiàn)，若用戶需要在無法提供桌面的辦公環(huán)境下使用鼠標，其工作效率會因為極大的局限性而受到影響。因此新型無線鼠標的研發(fā)尤為重要，相關(guān)產(chǎn)品也層出不窮。例如，朱麒文等[2]自主研發(fā)了一套頭戴式視線追蹤系統(tǒng)，運用視覺跟蹤與映射算法采集瞳孔坐標，實現(xiàn)用眼球完成鼠標指針的操作；曾澤良等[3]通過MPU6050傳感器和遙桿電位器的結(jié)合，控制屏幕上光標的移動；焦超群[4]設計了基于微機電系統(tǒng)（Micro-Electro-Mechanical System，MEMS）運動傳感器的運動檢測方案和基于線速度運動檢測的仿真軟件，并根據(jù)手指彎曲的特點設計出了一種穿戴式輸入設備。上述鼠標雖然能夠滿足多媒體環(huán)境下演示者隨時控制鼠標移動的需求，但是能源提供方面并不便捷與環(huán)保，數(shù)據(jù)線易丟失、難整理以及廢棄電池對環(huán)境造成污染等問題亟待解決。針對以上問題，本文運用發(fā)明問題解決理論（Teoriya Resheniya Izobreatatelskikh Zadatch，TRIZ）提出了一套數(shù)據(jù)線收納式無線三維鼠標設計方案。

1 TRIZ理論

TRIZ理論由前蘇聯(lián)科學家根里奇·阿奇舒勒于1946年創(chuàng)立[5]。它是一種主要由技術(shù)系統(tǒng)演變的8個法則、48個通用工程參數(shù)、40條發(fā)明原理等構(gòu)成的理論與方法體系。它是基于多學科領(lǐng)域知識的產(chǎn)品創(chuàng)新設計理論及發(fā)明問題解決方法學，主要用于解決產(chǎn)品功能設計中遇到的矛盾沖突點[5]。TRIZ理論應用過程的基本思路見圖1[6-7]。本文將待解決的實際問題分析過程轉(zhuǎn)化為TRIZ問題模型，并運用TRIZ方法及工具尋找最優(yōu)理想解，將其應用到實際工程創(chuàng)新問題中，不斷發(fā)現(xiàn)問題并改善。

圖1 TRIZ理論解決問題的一般流程圖

2 問題分析

2.1 無線鼠標功能系統(tǒng)分析

本文從多角度對用戶需求進行調(diào)研，通過對調(diào)研報告和調(diào)查數(shù)據(jù)的分析，準確找到用戶最真切的需求。第95頁圖2為無線鼠標的功能系統(tǒng)分析，找到現(xiàn)有市場上無線鼠標產(chǎn)品在材質(zhì)、附加功能、供電方式、運作模式等方面存在的不足，并以此為切入點，結(jié)合TRIZ理論設計符合當代用戶需求的無線鼠標。其中，供電方式和增值功能均存在可改進的部分[8]。

圖2 無線鼠標功能系統(tǒng)分析

2.2 問題描述及解決目標

2.2.1 無線鼠標與人機交互

當前市面上的大多數(shù)鼠標只能在平面上使用，無法突破二維平面的局限，鼠標的操作控制與使用效果不能在三維空間保證和實現(xiàn)，人們無法在一些特殊場合如課堂、會議和戶外移動場所等環(huán)境下使用。因此，如何讓鼠標擺脫桌面束縛在空中移動，增強人機交互的能力顯得尤為重要。

2.2.2 無線鼠標與便攜充電

無線鼠標目前充電相對不便利，充電方式基本有充電線充電和更換充電電池兩種。充電線充電的鼠標數(shù)據(jù)線易丟失且不便整理，會給用戶帶來一些不必要的困擾；更換充電電池的鼠標，其電池壽命有限且廢棄電池對環(huán)境的破壞不容忽視。因此，新型無線鼠標要做到便攜充電，應綜合考慮其效益，選擇合適的充電方式。

2.2.3 無線鼠標與多功能使用

為了更加迎合用戶的使用需求，鼠標的功能研究也在不斷突破，不過目前市場上的大多數(shù)鼠標功能較單一，并不能很好地實現(xiàn)便捷的功能操作，缺乏實用性。為實現(xiàn)無線鼠標的復雜功能，還應考慮用戶在匯報、教學等特殊場合示意事物的效果，應思考如何實現(xiàn)鼠標電量可視化，從而實現(xiàn)鼠標作用多元化。

3 基于TRIZ理論的新型無線鼠標的創(chuàng)新設計

3.1 設計思路

結(jié)合上文所述，新型無線鼠標要在人機交互、便攜充電和多功能使用3個方面進行改善，再結(jié)合TRIZ理論，采用矛盾矩陣來解決欲改善參數(shù)時導致的另一參數(shù)惡化的矛盾沖突現(xiàn)象[9-10]。對現(xiàn)有產(chǎn)品進行功能分析，先確定其實際技術(shù)沖突，利用TRIZ通用工程參數(shù)對具有實際技術(shù)沖突的技術(shù)參數(shù)進行描述，再利用矛盾矩陣找出發(fā)明原理從而解決問題[11]。新型無線鼠標的設計思路見圖3。

圖3 新型無線鼠標具體設計思路

3.2 沖突分析

3.2.1 初步方案

根據(jù)人機工程的原理，綜合應用手握式工具設計原則[12]，考慮無線鼠標使用過程的實際要求，改進目前常用的鼠標，以更好地滿足應用要求，相關(guān)設計的初步方案如下。

1）人機交互方面。為了更好地實現(xiàn)人機交互，突破二維平面的局限上升至三維空間，實現(xiàn)三維空間控制鼠標，增強人機交互式體驗，運用三軸陀螺儀空中定位算法，通過MPU6050傳感器感知芯片模塊的角度變化，打破鼠標只能在平面上使用的常規(guī)，用戶可隨時隨地控制鼠標。但該方案會導致誤觸鼠標，難以達到想要的示意結(jié)果，降低了鼠標的使用性能。

2）便攜充電方面。增設鼠標數(shù)據(jù)線收納機構(gòu)，實現(xiàn)充電一體化，避免數(shù)據(jù)線丟失或與其他數(shù)據(jù)線如耳機線、手機充電線等放在一起相互纏繞而導致的麻煩。但該方案會占用鼠標內(nèi)部空間體積，需要統(tǒng)籌考慮其他零部件的安放位置。

3）多功能使用方面。附加激光筆功能，方便商務、教學演示，為無線充電多媒體鼠標的設計提供了參考?？稍黾覮ED電量顯示燈以實現(xiàn)電量可視化，但該方案會導致鼠標的能源供給負擔增加，電路更加復雜化。

3.2.2 矛盾沖突與48個工程參數(shù)進行轉(zhuǎn)換

1）矛盾1：將增加MPU6050空中定位模塊與鼠標適用性能降低之間的矛盾轉(zhuǎn)換為改善適應性與可靠性惡化之間的矛盾。其中，適應性是第32項工程參數(shù)，意義為系統(tǒng)或物體應對外部變化的能力，或在各種外部影響下發(fā)揮功能的能力，即用戶可在各種環(huán)境下操控鼠標，不局限于二維平面。而可靠性是第35項工程參數(shù)，意義為物體或系統(tǒng)能夠正常執(zhí)行其功能的能力，即增加MPU6050空中定位模塊導致的鼠標性能降低，出現(xiàn)誤觸鼠標按鍵的現(xiàn)象。

2）矛盾2：將增加數(shù)據(jù)線收納機構(gòu)進而實現(xiàn)鼠標和充電線一體化與占用鼠標內(nèi)部空間體積之間的矛盾轉(zhuǎn)換為改善可連通性與運動物體體積惡化之間的矛盾。其中，可連通性是第33項工程參數(shù)，意義為該系統(tǒng)和其他系統(tǒng)能夠聯(lián)合的程度，即無線鼠標和充電數(shù)據(jù)線的一體化程度。而運動物體的體積是第7項工程參數(shù)，意義為物體的三維尺寸如體積，即增加數(shù)據(jù)線收納機構(gòu)導致的鼠標內(nèi)腔空間體積的不足。

3）矛盾3：將增加激光筆功能和LED電量顯示燈從而實現(xiàn)多功能與電池負擔的增加和電路復雜化之間的矛盾轉(zhuǎn)換為改善運行效率與增加裝置復雜性之間的矛盾。其中，運行效率是第24項工程參數(shù)，意義為一個物體或系統(tǒng)的主要功能或相關(guān)功能，即新型無線鼠標附加的激光筆和LED電量顯示功能。而裝置的復雜性是第45項工程參數(shù)，意義為構(gòu)成物體或系統(tǒng)的元件數(shù)量以及多樣性，即鼠標在附加多種功能的同時導致系統(tǒng)復雜化。

3.3 基于矛盾矩陣的設計方案

根據(jù)確定的技術(shù)參數(shù)，查閱2003版矛盾矩陣表，得到矛盾矩陣，相關(guān)元素見表1。

表1 2003版矛盾矩陣表

結(jié)合新型無線鼠標研究過程的用戶需求，依次篩選出新型鼠標研究過程中運用的發(fā)明原理——24（中介物原理）、10（預先作用法）、17（多維原理）、1（分割原理）、3（局部質(zhì)量原理）、15（動態(tài)化原理）。

涉及到的除以上6種發(fā)明原理外的其他發(fā)明原理對新型無線鼠標研究設計的指導意義不大，在此不予考慮。其中，無線鼠標交互設計方面涉及到的發(fā)明原理是第24條、第10條和第17條；便攜充電方面涉及到的發(fā)明原理是第1條、第3條和第24條；多功能使用方面涉及到的發(fā)明原理是第3條和第15條。

3.3.1 交互設計

1）中介物原理。中介物原理指利用中介物質(zhì)傳遞某種物體或中間過程。增加MPU6050空中定位模塊實現(xiàn)三維空間操作，運用三軸陀螺儀空中定位算法，整合平面操作和立體操作，通過傳感器感知芯片模塊的角度變化，檢測出無線鼠標的角速度變化和加速度變化，進而計算出鼠標空間坐標的動態(tài)變化，以此控制鼠標在屏幕上光標的移動[3]。

2）預先作用法。預先作用法是指預先執(zhí)行該作用的整體或一部分以提高效率，使過程更加便捷。新型的無線鼠標是在STM32單片機的基礎(chǔ)上，根據(jù)MPU6050空中定位模塊，運用算法——陀螺儀的初始姿態(tài)乘三軸陀螺儀輸出的四元數(shù)算出姿態(tài)矩陣，進行空中定位，然后通過IIC接口與STM32單片機傳輸，單片機處理的數(shù)據(jù)通過SPI接口發(fā)送給無線收發(fā)模塊NRF24L01。在接收端NRF24L01接收到發(fā)送端發(fā)送的數(shù)據(jù)后，通過SPI接口將數(shù)據(jù)發(fā)送給單片機，單片機通過USB接口將數(shù)據(jù)發(fā)送給PC端，實現(xiàn)數(shù)據(jù)通信，進而操縱鼠標[13]。

3）多維原理。多維原理是指可以將物體的運動或布置由一維到多維，改善空間的利用效率和可用性。在此基礎(chǔ)上，MPU6050空中定位模塊可以實現(xiàn)二維的突破，使鼠標可以在三維空間操作。

3.3.2 便攜充電

1）分割原理。由于鼠標內(nèi)腔空間體積有限，加之增加數(shù)據(jù)線收納機構(gòu)，如何放置數(shù)據(jù)線收納機構(gòu)以提高空間利用率顯得尤為重要。分割原理是指將系統(tǒng)或物體分成獨立的部分，在此原理基礎(chǔ)上，將其內(nèi)部構(gòu)造主要劃分為上下兩層，中間以PCB隔板阻斷，上層為電子元器件區(qū)，主要搭載電子元器件，下層為機械裝置區(qū)，主要安放數(shù)據(jù)線收發(fā)裝置。下層數(shù)據(jù)線的遠芯軸端穿過PCB隔板與上層電路板內(nèi)鼠標充電接口相接。新型無線鼠標總體結(jié)構(gòu)見圖4。

圖4 新型無線鼠標總體結(jié)構(gòu)示意圖

2）中介物原理。中介物原理指利用中介物質(zhì)傳遞某種物體或中間過程。因在鼠標內(nèi)腔增設了數(shù)據(jù)線收納機構(gòu)，所以數(shù)據(jù)線的抽拉和安放方式就需要考慮妥當。在中介物原理基礎(chǔ)上，數(shù)據(jù)線收發(fā)裝置的核心部分用平面渦卷彈簧及其所搭載的數(shù)據(jù)線、棘輪棘爪停止器組成，此裝置依托平面渦卷彈簧剛度較小、儲能與勢能同向旋轉(zhuǎn)的特點以及棘輪棘爪停止器可控制數(shù)據(jù)線收放的特點，來實現(xiàn)數(shù)據(jù)線的自動收放。數(shù)據(jù)線收發(fā)裝置構(gòu)造見圖5。

圖5 數(shù)據(jù)線收發(fā)裝置（卷簧盒外圍虛線示意數(shù)據(jù)線纏繞）

3）局部質(zhì)量原理。利用局部質(zhì)量原理使組成物體的不同部分發(fā)揮不同的功能作用以實現(xiàn)系統(tǒng)資源的最優(yōu)配置。在鼠標外殼左側(cè)面安置數(shù)據(jù)線回收按鈕以控制數(shù)據(jù)線的回收。鼠標下表面設置USB接口放置處，可實現(xiàn)數(shù)據(jù)線USB接口端的收納，以防止接口磨損。接收器收納裝置所在位置見第98頁圖6。

圖6 無線鼠標增值功能（接口保護蓋）示意圖

3.3.3 多功能

1）局部質(zhì)量原理。利用局部質(zhì)量原理使組成物體的不同部分發(fā)揮不同的功能作用以實現(xiàn)系統(tǒng)資源的最優(yōu)配置，在鼠標外殼右側(cè)面安置激光發(fā)射組件，包括激光筆及激光筆控制按鈕，可實現(xiàn)激光筆的開合。鼠標外殼的上表面除滾輪外，還設置有LED電量顯示燈，可實現(xiàn)鼠標電量的實時顯示功能。激光二極管所在位置見第98頁圖7。

圖7 無線鼠標增值功能（激光演示）示意圖

2）動態(tài)化原理。利用動態(tài)化原理調(diào)整物體的性質(zhì)或外部環(huán)境，使操作的每一步都能達到最佳效果。增加的激光筆控制按鈕可以隨時實現(xiàn)鼠標示意功能，在需要時只需按動按鈕即可，指向鼠標指示的地方。另外，位于鼠標外殼上方的鼠標電源開關(guān)可實現(xiàn)開啟工作狀態(tài)與關(guān)閉工作狀態(tài)的切換。相關(guān)部件位置見圖8。

圖8 無線鼠標增值功能（電量顯示）示意圖

3.4 設計總體評價

通過TRIZ理論設計出一套數(shù)據(jù)線收納式無線三維鼠標的創(chuàng)新優(yōu)化方案，對方案進行計算機仿真，驗證其可行性與科學性，制作出實物并付諸于實際測試，經(jīng)過專家組討論，對整體設計的評價如下。

1）鼠標的數(shù)據(jù)線收納功能。內(nèi)部運用分割原理、中介物原理以及局部質(zhì)量原理進行設計，運用力學計算、計算機仿真對收納裝置的設計可行性進行分析，有效解決了數(shù)據(jù)線易丟失、難整理的問題，具有一定的實用性和便捷性。

2）鼠標的附加功能。該新型無線鼠標功能多樣，激光筆功能能讓示意者更好地展現(xiàn)作品，電量可視化顯示功能能提示用戶鼠標電量的使用情況，極大地發(fā)揮了鼠標在多媒體環(huán)境中的應用價值。

3）鼠標的人機交互功能。顛覆了現(xiàn)有鼠標運行模式，有助于使用者在無桌面的條件下控制鼠標，具有較強創(chuàng)新性和實用性。

4 結(jié)束語

基于TRIZ理論，通過將現(xiàn)有無線鼠標面對的需求問題轉(zhuǎn)化為TRIZ標準問題，從中找到TRIZ所對應的48個工程參數(shù)，利用矛盾沖突矩陣進行分析，形成圍繞人機交互、便攜充電、多功能使用三方面的創(chuàng)新設計方案，得到一種性能良好、實用性強的數(shù)據(jù)線收納式無線三維鼠標，進一步證明TRIZ理論能在創(chuàng)新設計中起到一定的指導作用。