腕力球鼠標結構設計*

游謹豪，溫佳澄，李 濤，宋丕偉，孫 然，張晨星，鄭曉龍

（大連科技學院，遼寧 大連116052）

隨著信息化的高速發展，人們越來越離不開計算機。而鼠標是計算機必不可少的一個重要部件，在使用計算機的同時，幾乎必須用到鼠標。長時間使用鼠標容易引發“鼠標手”的現象，嚴重時還可能對腕關節造成損傷，引發一些相關性的疾病，例如關節炎等等。本項目研究的目的是設計一款新式鼠標，該鼠標可以解決傳統鼠標的一些問題，如對工作表面有較為嚴格的要求、在使用過程中需要用手腕進行支撐。該鼠標除了可以正常完成鼠標的工作以外，還可以達到鍛煉的效果。

1 整體設計

腕力球鼠標是“軌跡球+腕力球+鼠標”創新結合，配有相應無線芯片及光學傳感部分實現功能，無線芯片確定為CYRF69104可編程2.4Hz無線芯片，光學傳感器選用型號為PIXART的PAW3204DB以檢測軌跡球轉動，可以實現使用不受場地限制、成本實惠、堅固耐用、并能填補6自由度鼠標市場空白。為未來人類戰勝腕管綜合征以及人體工程學鼠標的發展邁出開創性的一步。

其結構設計主要包括：上蓋、下蓋、軌跡球系統、發條系統以及腕力球系統。其中上蓋以及下蓋為鼠標的主體部分，主要為其他系統提供支撐與保護。軌跡球系統可以實現鼠標指針的控制，發條系統主要實現系統的自發電功能。設計腕力球鼠標的三維模型透視圖如圖1所示。使用3D打印技術打印的整體結構如圖2所示。

圖1 三維透視圖

圖2 3D打印模型

該鼠標在使用的過程中無需像傳統鼠標那樣移動，只需要移動軌跡球即可控制屏幕鼠標指針的移動。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，完全擺脫鼠標對鼠標墊的依賴。由于無需移動鼠標，也就擺脫了對鼠標使用空間的要求。同時在使用該鼠標的時候，使用者的手部完全放置于鼠標上，無需像傳統鼠標那樣靠手腕支撐，也就避免了傳統鼠標長時間工作對手腕造成損傷的問題。

2 軌跡球系統設計

軌跡球系統采用獨特的球中球設計，即軌跡球位于鼠標球中心，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射與接收模塊。激光發射單元將激光投射到軌跡球上，接收單元就可以根據接收到的激光數據判斷軌跡球的移動方向，從而控制屏幕上鼠標指針的移動方向。多數情況下，傳統鼠標的激光發射單元是位于鼠標底部，這就限制了鼠標的使用場所，傳統鼠標對工作表面的材質有非常嚴格的要求，一般情況下須使用鼠標墊。一般鼠標墊，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則；其次是順滑，一般鼠標貼腳是特氟龍的，有一定的自調性；第三就是穩定性，墊子底面要和桌面貼合不滑動。而在設計中，將光標放于鼠標內部，通過改變軌跡球表面材質、球的旋轉，來達到控制鼠標的效果。軌跡球的三維結構如圖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 內置發條設計

常規腕力球依靠發條器獲得動力旋轉，發條器呈環狀置于球芯外部，如將其結構完全遷移至本產品，將不能實現作為軌跡球時的自由旋轉要求。因此，我們對外置發條器進行了結構創新，同樣依靠發條原理，將其內置于球芯位置，發條存放于長方體發條盒內部，并將中間軸改換為扁圓柱狀以便固定，方便旋轉球芯上緊發條。實際球芯設計為完整球形，軸包裹與球芯內并外露兩端，圖示為便于內部細節展示并未畫出完整球形。其結構如圖5所示。

圖5 發條裝置

4 腕力球系統設計

傳統的鼠標以及人體工程學鼠標在空間只具有3個自由度，桌面的限制和不斷重復的單一動作指令才是導致腕管綜合征最主要的原因，實現空間中6自由度的鼠標，使辦公時手腕能夠脫離限制、自由活動，才能在最大程度上減少負荷，從而抑制鼠標手的出現。

團隊成員對于新型鼠標做了大量的市場調查及研究后發現，手持直徑為70mm的網球上下翻動手腕是公認最有效的疲勞緩解方法，并且在市場上出現了一種名為腕力球的產品，不但具有極佳的腕部疲勞緩解效果，并且同時具有鼠標所需要的基本結構，故而設計了一種全新的腕力球鼠標系統。

在該系統設計中，采用球套球設計，即腕力球位于軌跡球中間，將軌跡球與鼠標外殼合二為一，中間腕力球依靠初始力進行轉動，通過手腕的不停轉動，運用陀螺儀和角動量守恒原理，使中心球高速轉動，且隨著時間的延長，速度越來越快，手臂使用力越來越大，達到鍛煉手臂和放松的作用，從而緩解鼠標手現象的出現。在腕力球內部加入了切割磁感線裝置，通過球的高速旋轉，使磁感線發生切割，從而產生電力，該部分產生的電力，直接傳入到鼠標內部的電池中為鼠標的正常工作提供電能，起到預防作用，防止在沒有電的情況下找不到固定電源。結構如圖6所示，3D打印模型如圖7所示。

圖6 腕力球結構模型

圖7 腕力球打印模型

5 結束語

參照人體工程學理論，確定握球時手部處于自然使用狀態，球芯通過改造作為腕力球球芯和軌跡球兩用，設想出一個具有腕力球功能，且可作為軌跡球鼠標使用的球形鼠標，提高使用性能和舒適度的同時，也改變了對鼠標的傳統認知，依附于計算機存在作為鼠標使用的同時，也可獨立作為腕力球使用，最大限度緩解使用疲勞。