腕力球鼠標(biāo)的設(shè)計*

宋丕偉，溫佳澄，游謹豪，李 濤，鄭曉龍

（大連科技學(xué)院，遼寧 大連 116052）

自我國進入了高速信息時代，計算機在諸多領(lǐng)域得到了廣泛應(yīng)用，推動了我國高精尖技術(shù)發(fā)展的同時，也服務(wù)于我們的生活，推動社會進步。而鼠標(biāo)作為計算機周邊產(chǎn)品中最重要的指令輸入設(shè)備之一扮演著越來越重要的角色，在日常生活和工作中可謂不可或缺。產(chǎn)品性能與使用舒適度直接影響著操作者的工作效率與使用感受，但多數(shù)產(chǎn)品在長時間使用后都會帶來不適，甚至引發(fā)關(guān)節(jié)部位疾病。本項目將腕力球與軌跡球鼠標(biāo)巧妙結(jié)合，在解決了傳統(tǒng)鼠標(biāo)使用中可能帶來的上述問題的前提下，又可以實現(xiàn)放松身體、鍛煉肌肉的目的。

1 腕力球鼠標(biāo)介紹

腕力球鼠標(biāo)的功能實現(xiàn)與機械鼠標(biāo)的工作原理相似。腕力球鼠標(biāo)的內(nèi)部包含一個可自由轉(zhuǎn)動的滾動體以及兩個方向的輥柱，滾動體靠摩擦力帶動輥柱轉(zhuǎn)動，從而實現(xiàn)通過滾動體的轉(zhuǎn)動控制計算機屏幕上鼠標(biāo)指針的移動。

腕力球鼠標(biāo)的外殼采用球形設(shè)計，主要包含上下兩個半球形殼體，兩個球體通過螺紋進行連接。在進行樣機模型制作之前，先通過三維軟件繪制鼠標(biāo)的虛擬樣機，為清楚表達鼠標(biāo)內(nèi)部結(jié)構(gòu)，將鼠標(biāo)球形外殼設(shè)計為半透明狀，所設(shè)計的鼠標(biāo)虛擬樣機如圖1所示。為了進一步驗證所設(shè)計鼠標(biāo)的可行性，后期進行了鼠標(biāo)樣機的制作，通過3D打印技術(shù)制作鼠標(biāo)樣機模型如圖2所示。

圖1 腕力球鼠標(biāo)虛擬樣機

圖2 腕力球鼠標(biāo)樣機制作

2 鼠標(biāo)功能實現(xiàn)

腕力球鼠標(biāo)在使用的時候，使用者將腕力球鼠標(biāo)放在一個平穩(wěn)的表面，然后右手包覆在腕力球鼠標(biāo)上，通過手指滾動由鼠標(biāo)殼體缺口部分露出的滾動體。在鼠標(biāo)殼體內(nèi)部，鼠標(biāo)滾動體同時與水平X和垂直Y方向輥柱接觸。當(dāng)滾動體轉(zhuǎn)動的時候，滾動體通過摩擦力帶動X和Y方向輥柱轉(zhuǎn)動，鼠標(biāo)內(nèi)部電路將兩個方向輥柱的滾動信號轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號，再將這些數(shù)字信號轉(zhuǎn)變?yōu)槭髽?biāo)指針在屏幕上的坐標(biāo)變化信號，從而控制屏幕上鼠標(biāo)指針的位置。

3 腕力球功能實現(xiàn)

為不影響計算機工作，在使用腕力球功能時，需要斷開鼠標(biāo)與計算機的連接。腕力球鼠標(biāo)實現(xiàn)腕力球功能主要依靠中間的滾動體，滾動體在慣性定律和角動量作用下持續(xù)旋轉(zhuǎn)會產(chǎn)生強大力量帶動手腕被動運動，手腕為保持靜止，需要施力來克服這個被動運動，從而實現(xiàn)放松身體和鍛煉肌肉的目的。腕力球鼠標(biāo)滾動體內(nèi)部的旋轉(zhuǎn)裝置結(jié)構(gòu)如圖3所示。滾動體內(nèi)部的旋轉(zhuǎn)裝置固定于球殼內(nèi)部的凹槽滑軌內(nèi)側(cè)，該旋轉(zhuǎn)裝置充當(dāng)腕力球球芯使用。手動上緊球芯內(nèi)發(fā)條使旋轉(zhuǎn)裝置獲得初始動力，使旋轉(zhuǎn)裝置開始運動。

圖3 腕力球鼠標(biāo)內(nèi)部結(jié)構(gòu)

3.1 旋轉(zhuǎn)裝置的設(shè)計

因旋轉(zhuǎn)裝置在作鼠標(biāo)和腕力球功能使用時需要對其工作形態(tài)做出不同要求。作為鼠標(biāo)功能使用的時候，要求其必須平穩(wěn)，不能因為角動量對軌跡球的運動造成影響。而作為軌跡球使用時，角動量對軌跡球運動要有影響。因此，旋轉(zhuǎn)裝置設(shè)計為球形外殼內(nèi)置發(fā)條器以及伸縮軸的結(jié)構(gòu)，如圖4所示。

圖4 球芯內(nèi)部結(jié)構(gòu)

當(dāng)旋轉(zhuǎn)裝置作為鼠標(biāo)用的時候，伸縮軸處于伸長狀態(tài)，旋轉(zhuǎn)裝置不易旋轉(zhuǎn)，從而保證滾動體的穩(wěn)定性。當(dāng)發(fā)條器處于壓緊狀態(tài)時，伸縮軸處于縮短狀態(tài)，從而保證旋轉(zhuǎn)裝置在滾動體內(nèi)可以自由轉(zhuǎn)動，在此狀態(tài)下角動量會對滾動體的運動造成影響。發(fā)條器的虛擬樣機模型如圖5所示。

圖5 發(fā)條器

3.2 鼠標(biāo)外殼的設(shè)計

鼠標(biāo)的外殼少有球形設(shè)計，腕力球的外形設(shè)計為球形。外殼主要通過上下兩個半球殼體連接而成。其中上半個殼體為帶有缺口的半球殼體結(jié)構(gòu)，如圖6所示。帶缺口的部分為手指轉(zhuǎn)動滾動體位置。下半個殼體為底部帶平面的半球殼體，形狀類似于碗狀。其中底部的平面主要用于鼠標(biāo)平穩(wěn)放置于工作表面，其外形如圖7所示。

圖6 上半殼體

圖7 下半殼體

4 腕力球鼠標(biāo)的優(yōu)點

腕力球鼠標(biāo)基本原理雖與傳統(tǒng)軌跡球鼠標(biāo)相似，但它解決了傳統(tǒng)鼠標(biāo)的各種缺點，同時具備目前主流鼠標(biāo)所不具備的優(yōu)點。腕力球鼠標(biāo)的優(yōu)點如下：

4.1 使用壽命長

傳統(tǒng)鼠標(biāo)在使用的過程中由于滾動體需要與桌面接觸，使用一段時間后，容易將桌面上的灰塵等細小物品粘到滾動體上，導(dǎo)致信號無法準(zhǔn)確傳遞至輥柱，使鼠標(biāo)靈敏度降低。

腕力球鼠標(biāo)的滾動體不直接與桌面接觸，而是處于一個相對封閉的環(huán)境中，即使長時間使用，滾動體也不容易受到影響。一定程度上保證了滾動體的清潔度，進而保證了鼠標(biāo)的使用壽命。同時鼠標(biāo)外殼采用上、下半球螺紋連接設(shè)計，在不使用任何輔助工具的前提下就可以拆卸鼠標(biāo)，取出滾動體，進行清潔、更換等操作。

4.2 使用舒適性高

傳統(tǒng)鼠標(biāo)在使用過程中，使用者需要長時間保持空心掌向下姿勢。此時手臂骨骼處于非自然重疊交叉狀態(tài)，有違正常形態(tài)，這也是長時間使用鼠標(biāo)后引發(fā)不適感的關(guān)鍵原因所在。

腕力球鼠標(biāo)采用球形外殼的設(shè)計，讓使用者在抓取使用的過程中，完全貼合手部的同時也能接觸到更大的面積。且無需接觸面就可實現(xiàn)鼠標(biāo)移動的操作方法將鼠標(biāo)與雙手從桌面解放，避免手掌向下使用鼠標(biāo)使小臂骨骼長時間交叉帶來的不適感，極大程度地提升了使用的舒適性。

5 結(jié)束語

本產(chǎn)品設(shè)計充分利用發(fā)散思維，將毫不相關(guān)的兩項功能整合為一體設(shè)計出新型鼠標(biāo)。在以優(yōu)化傳統(tǒng)鼠標(biāo)功能為目的的前提下，設(shè)法對長期使用鼠標(biāo)帶來不適感這一問題著手解決，提出了在鼠標(biāo)自身功能上做文章的新設(shè)想并付諸實踐。不僅為鼠標(biāo)在功能方面提出了新的定位，也為多功能鼠標(biāo)的發(fā)展提供了新思路、新方向。