運動感知鼠標(biāo)

陳思嘉 方晨宇 周子濤

譚迪熬 中國發(fā)明協(xié)會院士專家咨詢工作委員會首任專家，中國發(fā)明協(xié)會中小學(xué)創(chuàng)造教育分會會長，科技創(chuàng)新教育特級教師，教育部國培計劃專家?guī)鞂＜摇?/p>

鼠標(biāo)是一種常用的計算機輸入設(shè)備，它可以對當(dāng)前屏幕上的光標(biāo)進行定位，并通過按鍵和滾輪裝置對光標(biāo)經(jīng)過位置的屏幕元素進行操作。

傳統(tǒng)鼠標(biāo)受其形狀限制，使用者需長時間以手部水平姿態(tài)抬腕進行操作，易造成腕管壓力增加，導(dǎo)致“鼠標(biāo)手”、腕管綜合征等疾病。如果能將鼠標(biāo)的操作方式由二維平面改為三維立體，使人體手部能自然擺放，防止手部大幅度翻轉(zhuǎn)，就能減小對手腕和腕管的壓力。

一、項目分工

陳思嘉主要負責(zé)作品整體測試與數(shù)據(jù)分析，方晨宇主要負責(zé)3D外觀設(shè)計與項目背景調(diào)查，周子濤負責(zé)電路部分的調(diào)試與實現(xiàn)。

二、研究過程

（一）結(jié)構(gòu)構(gòu)成

運動感知鼠標(biāo)由運動感知單元、無線信號控制及發(fā)射設(shè)備、USB無線信號接收單元三部分組成。

運動感知單元由集成化運動感知芯片ADXL-345和Mpu-6000（6050）組成。無線信號控制及發(fā)射設(shè)備由控制模塊（Arduino Nano）、無線通信單元（HC-05主從一體藍牙模塊）和電源管理模塊組成。USB無線信號接收單元由無線通信模塊和CH9329模擬鼠標(biāo)模塊組成。

（二）工作原理

首先，芯片ADXL-345和Mpu-6000分別采集鼠標(biāo)在初始狀態(tài)的運動信息，感知運動方向和姿態(tài)，傳送信號至單片機，單片機根據(jù)相應(yīng)算法，判斷鼠標(biāo)的三維位置和位移方式等，由藍牙模塊發(fā)送相關(guān)數(shù)據(jù)至USB無線信號接收設(shè)備。該設(shè)備根據(jù)通信協(xié)議，實現(xiàn)感知的運動方式向鼠標(biāo)動作的轉(zhuǎn)換，再根據(jù)協(xié)議編碼，通過USB接口完成與計算機的交互通信。

兩部分協(xié)同工作，完成通過感知運動方式實現(xiàn)控制計算機鼠標(biāo)指針的功能。動作命令設(shè)計為：向前、向后、向左、向右傾斜，分別對應(yīng)光標(biāo)上、下、左、右移動；向左水平揮動2下，實現(xiàn)單擊功能；向左水平揮動3下，實現(xiàn)雙擊功能；向右水平揮動2下，實現(xiàn)右擊功能。

（三）程序設(shè)計

本項目程序設(shè)計的核心是通過Arduino Nano處理運動感知單元感知的不同運動姿態(tài)，并控制通信單元，實現(xiàn)無線傳輸。

在實際設(shè)計的過程中，需額外考慮按鍵中斷程序與數(shù)據(jù)發(fā)送中斷程序。在程序中插入通信模塊狀態(tài)檢查指令，若模塊處于非工作狀態(tài)，則數(shù)據(jù)處理程序運行完畢之后，CPU再返回暫停處，繼續(xù)執(zhí)行原來的程序。

（四）硬件設(shè)計

整體采用3D設(shè)計、3D打印的制作方式，初步將運動感知鼠標(biāo)的外觀設(shè)計為人手造型，數(shù)據(jù)接收裝置為長方形。

三、項目測試

主要完成光標(biāo)的移動控制、單擊功能、雙擊功能和右擊功能的性能測試。在所有的測試過程中，計算機的鼠標(biāo)參數(shù)保持不變。

（一）光標(biāo)的移動控制性能

1.裝置傾斜角度與光標(biāo)移動速度的關(guān)系

在電腦屏幕上確定相距10 cm的兩點A、B，裝置在AB直線方向上分別傾斜15°、30°、45°、60°、75°，觀察裝置傾斜角度與光標(biāo)移動速度之間的關(guān)系。每個傾斜角度每組測試10次，完成10組測試后求平均值，每組測試間隔5分鐘。

測試結(jié)果表明，光標(biāo)在裝置傾斜角度為45°～75°時，往任意方向移動的速度較穩(wěn)定。以常見電腦屏幕大小為例，電腦屏幕對角線長度約304.8毫米，按照鼠標(biāo)移動速度計算，跨越屏幕對角線的時間為7.1～7.6秒，遠低于普通鼠標(biāo)正常的移動速度。

排除實驗時實驗員的人為因素以及實驗時需要平穩(wěn)觀測光標(biāo)移動而故意減緩速度的因素，鼠標(biāo)移動速度仍然較慢。

2.光標(biāo)移動時裝置突然反向傾斜時光標(biāo)的反應(yīng)時間

裝置向某個方向傾斜45°～75°，光標(biāo)運動1 s后，裝置突然反向傾斜45°～75°，觀察裝置反向與光標(biāo)開始反向運動之間的時間差。每組每個反向傾斜有效動作測試10次，完成10組測試后求平均值，每組間隔5分鐘。

測試結(jié)果表明，光標(biāo)在任意角度下的反應(yīng)時間為290毫秒～460毫秒，而人眼平均延遲為24毫秒，光標(biāo)會出現(xiàn)較明顯的延遲現(xiàn)象。

（二）鼠標(biāo)單擊功能性能

在桌面新建一個文件夾，預(yù)先打開這個文件夾，將光標(biāo)移動到關(guān)閉該文件夾的按鈕上。手持本裝置，保持水平，向左揮動2下，觀察文件夾是否被關(guān)閉，記錄文件夾被正常關(guān)閉的次數(shù)。每組測試10次，做10組，每組間隔5分鐘。

測試結(jié)果表明，鼠標(biāo)單擊命令平均成功率為96%。

（三）鼠標(biāo)雙擊功能性能

在桌面新建一個文件夾，預(yù)先將光標(biāo)移動到該文件夾上。手持本裝置保持水平狀態(tài)，向左揮動3下，觀察文件夾是否被打開，記錄文件夾被正常打開的次數(shù)。每組測試10次，做10組，每組間隔5分鐘。

測試結(jié)果表明，鼠標(biāo)雙擊命令平均成功率為92%。

四、創(chuàng)新點

（一）本項目提出、設(shè)計并初步實現(xiàn)了一種新型人體工程學(xué)體感控制鼠標(biāo)的設(shè)計和制作方案，并驗證了其可行性。

（二）通過三維運動感知控制計算機的光標(biāo)，避免了傳統(tǒng)鼠標(biāo)因不符合人體工程學(xué)導(dǎo)致的長時間使用對手部健康產(chǎn)生的危害。

（三）本產(chǎn)品允許使用者在三維立體空間操作鼠標(biāo)，擺脫了傳統(tǒng)鼠標(biāo)對使用條件的限制，拓展了鼠標(biāo)的可操作空間。

五、展望與反思

（一）本項目設(shè)計并制作的鼠標(biāo)僅為實驗性質(zhì)的產(chǎn)品，尚未考慮用戶的體驗感。在設(shè)計上更偏向于實驗性質(zhì)，整體體積較傳統(tǒng)鼠標(biāo)偏大，不便于用戶使用。下一步將致力于縮小鼠標(biāo)體積，優(yōu)化傳感器布局，使其更貼合人體手部，使用更舒適。

（二）產(chǎn)品單體價格過高。在實驗中使用的各類傳感器存在功能上的冗余現(xiàn)象，產(chǎn)品整體采用3D打印技術(shù)，制作工序較長，成本高，有悖于經(jīng)濟性。下一步的改良方向是追求產(chǎn)品的經(jīng)濟性，尋找更加貼合產(chǎn)品需求的傳感器，改進制造工藝，縮短制造工序，減少成本。

（三）軟件程序設(shè)計存在一定的問題，仍需進一步完善。產(chǎn)品在控制延遲上仍存在一定的問題，系統(tǒng)對手勢命令的處理速度較慢，需要一定的反應(yīng)時間，整體程序步驟缺乏簡潔性。

下一步的設(shè)計重心將放在如何改進并優(yōu)化手勢處理算法，同時引入并訓(xùn)練手勢命令預(yù)測程序，在使用者發(fā)出命令之前預(yù)測其可能做出的手勢指令，從而彌補因無線傳輸和處理手勢命令造成的延時。

專家點評

陳思嘉、方晨宇、周子濤同學(xué)的運動感知鼠標(biāo)，從選題方式上分析，屬于老題新做的改進型發(fā)明項目。這是因為類似的專利項目，如“一種結(jié)合識別運動軌跡感知鼠標(biāo)動作的方法”于2010年6月就已公開。

然而，幾位同學(xué)通過觀察和調(diào)查發(fā)現(xiàn)，由于工作等需要，人們使用計算機頻率高，鼠標(biāo)操作頻繁，長時間使用鼠標(biāo)易導(dǎo)致“鼠標(biāo)手”，壓迫血管和神經(jīng)，造成供血不足，從而引起手指出現(xiàn)刺痛、發(fā)麻的癥狀，不利于身體健康。雖然有了相關(guān)專利，但市場上還未出現(xiàn)相應(yīng)的 產(chǎn)品，于是主動進行了新的嘗試。其整個裝置的核心是運動感知單元。經(jīng)過多次試驗，他們在幾款感知運動方向的傳感器中選擇了體積小、功耗低、分辨率精度高的ADXL-345集成化運動感知芯片，使這種鼠標(biāo)可以凌空操作，無需任何按鍵，通過姿態(tài)識別實現(xiàn)所有功能。

這個項目最突出的特點是體現(xiàn)了同學(xué)們的合作意識與協(xié)作攻關(guān)的能力。新時代，我們青少年的集體科創(chuàng)項目，就是要走向合作共贏、創(chuàng)新成長的新境界。