基于Pro/E的兒童鼠標創新設計

彭榮利

（武漢職業技術學院機電工程學院，武漢430074）

1 引 言

隨著電腦在全世界范圍內的普及，越來越多的兒童接觸并能熟練使用電腦，近年來，電腦己經逐漸成為許多兒童及青少年生活和學習中不可缺少的工具。鼠標作為電腦操作最常見的輸入設備，與其它工業產品一樣，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。兒童正處于生長發育的特殊階段，骨骼彈性強，容易彎曲，不符合兒童身體特點的鼠標造成的不良操作姿勢，將導致兒童的健康問題?！霸O計以人為本”，對兒童產品的設計研究，應該充分考慮兒童的本身因素，探求他們的身體與心理發展需要，不僅僅是“比成人小一號”［1］。因此，為兒童設計更人性化的鼠標是非常有必要的。

2 兒童產品設計的原則

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

兒童用品的設計中更加強調“以人為本”的人機工程學的理念。人機工程學研究“人-機-環境”系統中人、機、環境三大要素之間的關系，以人為目標對象，強調人的需求，把使用產品的“人”作為產品設計的出發點，要求產品的外形、色彩、性能等，都要圍繞人的生理、心理特點來設計［3］。

人機工程學的研究提供了大量科學可靠的兒童身體結構、生理特點和心理特征等數據，這些數據可作為兒童產品設計的重要參考資源。設計人員結合先進的計算機輔助技術和創新的設計方法，從兒童生理特點及心理特點著手，設計符合兒童需求的產品，在產品功能和形式上體現易用性、安全性、趣味性。

3 兒童鼠標設計的基本方法

人機工程學在本質上就是使用戶在使用產品的過程中盡量保持人體的自然放松狀態，避免出現過多的強迫體位，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，其最自然的形態就是半握拳狀態。而鼠標的造型設計，實際上就是要盡量貼合這個形態［4］。同時，從兒童心理特點出發，將鼠標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的設計當中。

兒童鼠標設計基本過程如下：（1）研究兒童的手型，收集整理相關數據：從人機工程學數據庫查找兒童身體數據，結合市場調研，并進行數據的科學統計分析。（2）以兒童手部的生理結構為基礎，結合人體工程學，構建鼠標外形曲面，完成兒童鼠標造型設計。（3）根據鼠標的使用功能、制造要求，將整體造型拆分為各組成零件。（4）產品零件的結構細化設計。（5）將各零件組裝成整體，完成產品設計。

4 三維造型創新設計的實現

隨著計算機軟、硬件技術的飛速發展，三維CAD 軟件在產品設計與制造領域的應用越來越廣泛，Pro/E 軟件具備基于特征、全參數化、統一數據庫的建模造型功能，并且具有精確的模型分析功能，可以進行如干涉檢查、重心計算、質量計算及運動分析仿真，方便地實現產品多目標優化設計。

對于電子產品中有復雜曲面外形要求的如手機、玩具、鼠標等的結構設計，為保證各零件間配合質量及外形效果，通常采用自頂向下設計模式，通過產品關鍵數據信息的共享與傳遞，保證各零件之間配合面一致，達到產品精度要求。自頂向下設計首先考慮產品的整體功能和外觀需求，然后再從結構方面進行細化，符合產品開發從抽象到具體的思維過程。

Pro/E 軟件系統有多種實現自頂向下設計的方法，主要有骨架模型、數據共享和布局。其中，骨架模型和布局主要用來控制組件整體結構，當組件涉及多個零件的相對位置或需要對整個組件進行布局規劃時，則可通過骨架模型和布局控制整體產品結構，驅動產品各零件自動裝配及更新裝配，使產品設計者能著眼于整體結構的規劃與更新。而數據共享可以從組件向零件或在零件間傳遞實體、曲面、基準等設計參數信息，是自頂向下設計中的重要方法。Pro/E 中提供的數據共享工具主要有收縮包絡、合并/繼承、發布幾何和復制幾何、注釋元素等，其中合并/繼承是Pro/E 中實現數據共享的常用工具。

兒童鼠標創新設計應用Pro/E 軟件作為主要設計工具，具體方法如下：

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

（2）以兒童手型數據為參照，構建鼠標關鍵輪廓曲線，如圖2。

為了符合不同年齡段的兒童手型，將鼠標輪廓曲線設計參數化，設置長、寬、高三個方向上的控制參數，實現系列化參數設計。Pro/E 軟件的族表（Family Table）功能非常適合用來創建形狀相似、規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據輸入參數表，即可根據需要選擇不同手型曲線數據，方便迅速地生成不同尺寸的系列鼠標三維模型。具體方法為：在構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的輪廓曲線數據輸入（如圖3）。

圖1 兒童手型數據

圖2 鼠標輪廓曲線

圖3 手型輪廓曲線數據族表

（3）以輪廓曲線構建鼠標造型曲面。鼠標宜人化設計的關鍵是使用戶操作鼠標的過程中，手與鼠標的接觸面處于自然舒展的狀態，鼠標的邊緣形態以弧線為主，在鼠標外形的設計上應該增強趣味性，增加卡通形象設計元素。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）根據功能、裝配要求，構建零件分解曲線、曲面，如圖5。

（5）應用Pro/E 軟件中“合并/繼承”的數據共享方法，將鼠標整體模型分解成左右按鍵、上蓋、下蓋。

（6）各零件的細節設計，如上下蓋配合端面、裝配定位孔柱等。

對模型進行組裝及色彩渲染，兒童鼠標最終造型效果如圖6。

由于鼠標整體造型是相近的，因各年齡段兒童手型尺寸稍有不同，在上述兒童鼠標的設計中，關鍵在于產品整體造型建模時，構建符合兒童自然狀態手型的曲面，而曲面由手型曲線控制。通過設置手型曲線參數族表，只需以一組參數構建鼠標三維模型，然后在零件族表中選擇不同參數值系列，即能獲得不同尺寸的系列整體模型。采用自頂向下設計方法，使設計變更通過三維模型傳遞到產品的各個零部件，實現鼠標系列化、參數化的設計。

零件的詳細設計中，對于零件間的某些相互配合的結構，例如各零件的裝配端面、定位孔支撐柱，相關配合尺寸需一致，可以將零件裝配為組件后在組件環境中完成，這樣可以復制、參照配合零件的幾何形狀、基準特征等信息，建立裝配參考關系。

圖4 鼠標造型曲面

圖5 零件分解曲線、曲面

圖6 鼠標三維造型

5 結 語

產品設計是以“人”為中心實施的，人性化產品設計可以增強產品的使用功能。隨著新型材料的開發應用，計算機輔助設計和加工技術的發展，基于人機工程的創新設計極大地提高了設計質量和效率，使產品更具有使用性和人性化，滿足多樣化用戶需求，能有效地提升產品的市場競爭力。

［1］ 王白鴿，劉子建.關于兒童產品設計的探討［J］.機電產品開發與創新，2009（1）：40-42.

［2］ 楊君順，金海明.基于人機工程的虛擬產品設計［J］.機械設計與制造，2005（9）：7-8.

［3］ 王翔晶.淺談兒童用品設計中的人機工學［J］.湖北廣播電視大學學報，2010（2）：76-77.

［4］ 王雁，劉蘇.手持產品的人體工學設計［J］.人類工效學，2011（2）：52-55.