腕力球鼠标结构设计*

游谨豪，温佳澄，李 涛，宋丕伟，孙 然，张晨星，郑晓龙

（大连科技学院，辽宁 大连116052）

随着信息化的高速发展，人们越来越离不开计算机。而鼠标是计算机必不可少的一个重要部件，在使用计算机的同时，几乎必须用到鼠标。长时间使用鼠标容易引发“鼠标手”的现象，严重时还可能对腕关节造成损伤，引发一些相关性的疾病，例如关节炎等等。本项目研究的目的是设计一款新式鼠标，该鼠标可以解决传统鼠标的一些问题，如对工作表面有较为严格的要求、在使用过程中需要用手腕进行支撑。该鼠标除了可以正常完成鼠标的工作以外，还可以达到锻炼的效果。

1 整体设计

腕力球鼠标是“轨迹球+腕力球+鼠标”创新结合，配有相应无线芯片及光学传感部分实现功能，无线芯片确定为CYRF69104可编程2.4Hz无线芯片，光学传感器选用型号为PIXART的PAW3204DB以检测轨迹球转动，可以实现使用不受场地限制、成本实惠、坚固耐用、并能填补6自由度鼠标市场空白。为未来人类战胜腕管综合征以及人体工程学鼠标的发展迈出开创性的一步。

其结构设计主要包括：上盖、下盖、轨迹球系统、发条系统以及腕力球系统。其中上盖以及下盖为鼠标的主体部分，主要为其他系统提供支撑与保护。轨迹球系统可以实现鼠标指针的控制，发条系统主要实现系统的自发电功能。设计腕力球鼠标的三维模型透视图如图1所示。使用3D打印技术打印的整体结构如图2所示。

图1 三维透视图

图2 3D打印模型

该鼠标在使用的过程中无需像传统鼠标那样移动，只需要移动轨迹球即可控制屏幕鼠标指针的移动。因此在工作过程中，完全摆脱对场地的限制，可以在任意场地、任意场所使用，完全摆脱鼠标对鼠标垫的依赖。由于无需移动鼠标，也就摆脱了对鼠标使用空间的要求。同时在使用该鼠标的时候，使用者的手部完全放置于鼠标上，无需像传统鼠标那样靠手腕支撑，也就避免了传统鼠标长时间工作对手腕造成损伤的问题。

2 轨迹球系统设计

轨迹球系统采用独特的球中球设计，即轨迹球位于鼠标球中心，被上下壳体包覆。在轨迹球正下方的下壳体上安装有激光发射与接收模块。激光发射单元将激光投射到轨迹球上，接收单元就可以根据接收到的激光数据判断轨迹球的移动方向，从而控制屏幕上鼠标指针的移动方向。多数情况下，传统鼠标的激光发射单元是位于鼠标底部，这就限制了鼠标的使用场所，传统鼠标对工作表面的材质有非常严格的要求，一般情况下须使用鼠标垫。一般鼠标垫，首先不能有镜面反射，也就是表面粗糙，需要比较均匀但不规则；其次是顺滑，一般鼠标贴脚是特氟龙的，有一定的自调性；第三就是稳定性，垫子底面要和桌面贴合不滑动。而在设计中，将光标放于鼠标内部，通过改变轨迹球表面材质、球的旋转，来达到控制鼠标的效果。轨迹球的三维结构如图3所示，轨迹球的3D打印效果如图4所示。

图3 轨迹球三维模型

图4 轨迹球3D打印模型

3 内置发条设计

常规腕力球依靠发条器获得动力旋转，发条器呈环状置于球芯外部，如将其结构完全迁移至本产品，将不能实现作为轨迹球时的自由旋转要求。因此，我们对外置发条器进行了结构创新，同样依靠发条原理，将其内置于球芯位置，发条存放于长方体发条盒内部，并将中间轴改换为扁圆柱状以便固定，方便旋转球芯上紧发条。实际球芯设计为完整球形，轴包裹与球芯内并外露两端，图示为便于内部细节展示并未画出完整球形。其结构如图5所示。

图5 发条装置

4 腕力球系统设计

传统的鼠标以及人体工程学鼠标在空间只具有3个自由度，桌面的限制和不断重复的单一动作指令才是导致腕管综合征最主要的原因，实现空间中6自由度的鼠标，使办公时手腕能够脱离限制、自由活动，才能在最大程度上减少负荷，从而抑制鼠标手的出现。

团队成员对于新型鼠标做了大量的市场调查及研究后发现，手持直径为70mm的网球上下翻动手腕是公认最有效的疲劳缓解方法，并且在市场上出现了一种名为腕力球的产品，不但具有极佳的腕部疲劳缓解效果，并且同时具有鼠标所需要的基本结构，故而设计了一种全新的腕力球鼠标系统。

在该系统设计中，采用球套球设计，即腕力球位于轨迹球中间，将轨迹球与鼠标外壳合二为一，中间腕力球依靠初始力进行转动，通过手腕的不停转动，运用陀螺仪和角动量守恒原理，使中心球高速转动，且随着时间的延长，速度越来越快，手臂使用力越来越大，达到锻炼手臂和放松的作用，从而缓解鼠标手现象的出现。在腕力球内部加入了切割磁感线装置，通过球的高速旋转，使磁感线发生切割，从而产生电力，该部分产生的电力，直接传入到鼠标内部的电池中为鼠标的正常工作提供电能，起到预防作用，防止在没有电的情况下找不到固定电源。结构如图6所示，3D打印模型如图7所示。

图6 腕力球结构模型

图7 腕力球打印模型

5 结束语

参照人体工程学理论，确定握球时手部处于自然使用状态，球芯通过改造作为腕力球球芯和轨迹球两用，设想出一个具有腕力球功能，且可作为轨迹球鼠标使用的球形鼠标，提高使用性能和舒适度的同时，也改变了对鼠标的传统认知，依附于计算机存在作为鼠标使用的同时，也可独立作为腕力球使用，最大限度缓解使用疲劳。