彭榮利

（武漢職業(yè)技術(shù)學(xué)院機(jī)電工程學(xué)院，武漢430074）

1 引 言

隨著電腦在全世界范圍內(nèi)的普及，越來(lái)越多的兒童接觸并能熟練使用電腦，近年來(lái)，電腦己經(jīng)逐漸成為許多兒童及青少年生活和學(xué)習(xí)中不可缺少的工具。鼠標(biāo)作為電腦操作最常見(jiàn)的輸入設(shè)備，與其它工業(yè)產(chǎn)品一樣，不僅要滿(mǎn)足功能要求，還必須做到安全、舒適、使用方便、美觀(guān)，減少給使用者帶來(lái)的傷害。兒童正處于生長(zhǎng)發(fā)育的特殊階段，骨骼彈性強(qiáng)，容易彎曲，不符合兒童身體特點(diǎn)的鼠標(biāo)造成的不良操作姿勢(shì)，將導(dǎo)致兒童的健康問(wèn)題?！霸O(shè)計(jì)以人為本”，對(duì)兒童產(chǎn)品的設(shè)計(jì)研究，應(yīng)該充分考慮兒童的本身因素，探求他們的身體與心理發(fā)展需要，不僅僅是“比成人小一號(hào)”［1］。因此，為兒童設(shè)計(jì)更人性化的鼠標(biāo)是非常有必要的。

2 兒童產(chǎn)品設(shè)計(jì)的原則

兒童產(chǎn)品從功能和形式而言，是專(zhuān)為兒童設(shè)計(jì)生產(chǎn)的專(zhuān)用物品。功能是產(chǎn)品的決定性因素，產(chǎn)品功能包括物理功能、生理功能、心理功能。滿(mǎn)足產(chǎn)品的物理功能是設(shè)計(jì)的基本要求，在此基礎(chǔ)上，產(chǎn)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(shè)計(jì)思想的體現(xiàn)，也是產(chǎn)品設(shè)計(jì)的重要評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)。產(chǎn)品的方便性與宜人性就是產(chǎn)品與用戶(hù)在尺寸、形狀及使用中用力姿勢(shì)是否合理配合、是否舒適與方便；產(chǎn)品的安全性就是產(chǎn)品是否防止了用戶(hù)操作時(shí)造成意外傷害和錯(cuò)用時(shí)產(chǎn)生的危險(xiǎn)［2］。心理功能則要從外形、色彩、質(zhì)感等方面滿(mǎn)足用戶(hù)的精神需求。

兒童用品的設(shè)計(jì)中更加強(qiáng)調(diào)“以人為本”的人機(jī)工程學(xué)的理念。人機(jī)工程學(xué)研究“人-機(jī)-環(huán)境”系統(tǒng)中人、機(jī)、環(huán)境三大要素之間的關(guān)系，以人為目標(biāo)對(duì)象，強(qiáng)調(diào)人的需求，把使用產(chǎn)品的“人”作為產(chǎn)品設(shè)計(jì)的出發(fā)點(diǎn)，要求產(chǎn)品的外形、色彩、性能等，都要圍繞人的生理、心理特點(diǎn)來(lái)設(shè)計(jì)［3］。

人機(jī)工程學(xué)的研究提供了大量科學(xué)可靠的兒童身體結(jié)構(gòu)、生理特點(diǎn)和心理特征等數(shù)據(jù)，這些數(shù)據(jù)可作為兒童產(chǎn)品設(shè)計(jì)的重要參考資源。設(shè)計(jì)人員結(jié)合先進(jìn)的計(jì)算機(jī)輔助技術(shù)和創(chuàng)新的設(shè)計(jì)方法，從兒童生理特點(diǎn)及心理特點(diǎn)著手，設(shè)計(jì)符合兒童需求的產(chǎn)品，在產(chǎn)品功能和形式上體現(xiàn)易用性、安全性、趣味性。

3 兒童鼠標(biāo)設(shè)計(jì)的基本方法

人機(jī)工程學(xué)在本質(zhì)上就是使用戶(hù)在使用產(chǎn)品的過(guò)程中盡量保持人體的自然放松狀態(tài)，避免出現(xiàn)過(guò)多的強(qiáng)迫體位，從而降低長(zhǎng)時(shí)間使用時(shí)身心的疲勞程度，最大限度地避免用戶(hù)的健康傷害并提高用戶(hù)的工作效率。對(duì)于手掌來(lái)說(shuō)，其最自然的形態(tài)就是半握拳狀態(tài)。而鼠標(biāo)的造型設(shè)計(jì)，實(shí)際上就是要盡量貼合這個(gè)形態(tài)［4］。同時(shí)，從兒童心理特點(diǎn)出發(fā)，將鼠標(biāo)簡(jiǎn)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(biāo)的設(shè)計(jì)當(dāng)中。

兒童鼠標(biāo)設(shè)計(jì)基本過(guò)程如下：（1）研究?jī)和氖中停占硐嚓P(guān)數(shù)據(jù)：從人機(jī)工程學(xué)數(shù)據(jù)庫(kù)查找兒童身體數(shù)據(jù)，結(jié)合市場(chǎng)調(diào)研，并進(jìn)行數(shù)據(jù)的科學(xué)統(tǒng)計(jì)分析。（2）以?xún)和植康纳斫Y(jié)構(gòu)為基礎(chǔ)，結(jié)合人體工程學(xué)，構(gòu)建鼠標(biāo)外形曲面，完成兒童鼠標(biāo)造型設(shè)計(jì)。（3）根據(jù)鼠標(biāo)的使用功能、制造要求，將整體造型拆分為各組成零件。（4）產(chǎn)品零件的結(jié)構(gòu)細(xì)化設(shè)計(jì)。（5）將各零件組裝成整體，完成產(chǎn)品設(shè)計(jì)。

4 三維造型創(chuàng)新設(shè)計(jì)的實(shí)現(xiàn)

隨著計(jì)算機(jī)軟、硬件技術(shù)的飛速發(fā)展，三維CAD 軟件在產(chǎn)品設(shè)計(jì)與制造領(lǐng)域的應(yīng)用越來(lái)越廣泛，Pro/E 軟件具備基于特征、全參數(shù)化、統(tǒng)一數(shù)據(jù)庫(kù)的建模造型功能，并且具有精確的模型分析功能，可以進(jìn)行如干涉檢查、重心計(jì)算、質(zhì)量計(jì)算及運(yùn)動(dòng)分析仿真，方便地實(shí)現(xiàn)產(chǎn)品多目標(biāo)優(yōu)化設(shè)計(jì)。

對(duì)于電子產(chǎn)品中有復(fù)雜曲面外形要求的如手機(jī)、玩具、鼠標(biāo)等的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，為保證各零件間配合質(zhì)量及外形效果，通常采用自頂向下設(shè)計(jì)模式，通過(guò)產(chǎn)品關(guān)鍵數(shù)據(jù)信息的共享與傳遞，保證各零件之間配合面一致，達(dá)到產(chǎn)品精度要求。自頂向下設(shè)計(jì)首先考慮產(chǎn)品的整體功能和外觀(guān)需求，然后再?gòu)慕Y(jié)構(gòu)方面進(jìn)行細(xì)化，符合產(chǎn)品開(kāi)發(fā)從抽象到具體的思維過(guò)程。

Pro/E 軟件系統(tǒng)有多種實(shí)現(xiàn)自頂向下設(shè)計(jì)的方法，主要有骨架模型、數(shù)據(jù)共享和布局。其中，骨架模型和布局主要用來(lái)控制組件整體結(jié)構(gòu)，當(dāng)組件涉及多個(gè)零件的相對(duì)位置或需要對(duì)整個(gè)組件進(jìn)行布局規(guī)劃時(shí)，則可通過(guò)骨架模型和布局控制整體產(chǎn)品結(jié)構(gòu)，驅(qū)動(dòng)產(chǎn)品各零件自動(dòng)裝配及更新裝配，使產(chǎn)品設(shè)計(jì)者能著眼于整體結(jié)構(gòu)的規(guī)劃與更新。而數(shù)據(jù)共享可以從組件向零件或在零件間傳遞實(shí)體、曲面、基準(zhǔn)等設(shè)計(jì)參數(shù)信息，是自頂向下設(shè)計(jì)中的重要方法。Pro/E 中提供的數(shù)據(jù)共享工具主要有收縮包絡(luò)、合并/繼承、發(fā)布幾何和復(fù)制幾何、注釋元素等，其中合并/繼承是Pro/E 中實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)共享的常用工具。

兒童鼠標(biāo)創(chuàng)新設(shè)計(jì)應(yīng)用Pro/E 軟件作為主要設(shè)計(jì)工具，具體方法如下：

（1）根據(jù)兒童手型數(shù)據(jù)，確定鼠標(biāo)的關(guān)鍵曲線(xiàn)、基本尺寸。6 歲～14歲兒童手型數(shù)據(jù)如圖1所示。兒童鼠標(biāo)的長(zhǎng)度大 約 從89.7 ～104.7mn；寬度約從49.8～56.4mm。

（2）以?xún)和中蛿?shù)據(jù)為參照，構(gòu)建鼠標(biāo)關(guān)鍵輪廓曲線(xiàn)，如圖2。

為了符合不同年齡段的兒童手型，將鼠標(biāo)輪廓曲線(xiàn)設(shè)計(jì)參數(shù)化，設(shè)置長(zhǎng)、寬、高三個(gè)方向上的控制參數(shù)，實(shí)現(xiàn)系列化參數(shù)設(shè)計(jì)。Pro/E 軟件的族表（Family Table）功能非常適合用來(lái)創(chuàng)建形狀相似、規(guī)格尺寸稍有不同的模型族。將不同年齡段的兒童手型曲線(xiàn)尺寸數(shù)據(jù)輸入?yún)?shù)表，即可根據(jù)需要選擇不同手型曲線(xiàn)數(shù)據(jù)，方便迅速地生成不同尺寸的系列鼠標(biāo)三維模型。具體方法為：在構(gòu)建一組基本手型輪廓曲線(xiàn)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(duì)應(yīng)的輪廓曲線(xiàn)數(shù)據(jù)輸入（如圖3）。

圖1 兒童手型數(shù)據(jù)

圖2 鼠標(biāo)輪廓曲線(xiàn)

圖3 手型輪廓曲線(xiàn)數(shù)據(jù)族表

（3）以輪廓曲線(xiàn)構(gòu)建鼠標(biāo)造型曲面。鼠標(biāo)宜人化設(shè)計(jì)的關(guān)鍵是使用戶(hù)操作鼠標(biāo)的過(guò)程中，手與鼠標(biāo)的接觸面處于自然舒展的狀態(tài)，鼠標(biāo)的邊緣形態(tài)以弧線(xiàn)為主，在鼠標(biāo)外形的設(shè)計(jì)上應(yīng)該增強(qiáng)趣味性，增加卡通形象設(shè)計(jì)元素。造型過(guò)程中使用樣條曲線(xiàn)、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(jù)功能、裝配要求，構(gòu)建零件分解曲線(xiàn)、曲面，如圖5。

（5）應(yīng)用Pro/E 軟件中“合并/繼承”的數(shù)據(jù)共享方法，將鼠標(biāo)整體模型分解成左右按鍵、上蓋、下蓋。

（6）各零件的細(xì)節(jié)設(shè)計(jì)，如上下蓋配合端面、裝配定位孔柱等。

對(duì)模型進(jìn)行組裝及色彩渲染，兒童鼠標(biāo)最終造型效果如圖6。

由于鼠標(biāo)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(biāo)的設(shè)計(jì)中，關(guān)鍵在于產(chǎn)品整體造型建模時(shí)，構(gòu)建符合兒童自然狀態(tài)手型的曲面，而曲面由手型曲線(xiàn)控制。通過(guò)設(shè)置手型曲線(xiàn)參數(shù)族表，只需以一組參數(shù)構(gòu)建鼠標(biāo)三維模型，然后在零件族表中選擇不同參數(shù)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(shè)計(jì)方法，使設(shè)計(jì)變更通過(guò)三維模型傳遞到產(chǎn)品的各個(gè)零部件，實(shí)現(xiàn)鼠標(biāo)系列化、參數(shù)化的設(shè)計(jì)。

零件的詳細(xì)設(shè)計(jì)中，對(duì)于零件間的某些相互配合的結(jié)構(gòu)，例如各零件的裝配端面、定位孔支撐柱，相關(guān)配合尺寸需一致，可以將零件裝配為組件后在組件環(huán)境中完成，這樣可以復(fù)制、參照配合零件的幾何形狀、基準(zhǔn)特征等信息，建立裝配參考關(guān)系。

圖4 鼠標(biāo)造型曲面

圖5 零件分解曲線(xiàn)、曲面

圖6 鼠標(biāo)三維造型

5 結(jié) 語(yǔ)

產(chǎn)品設(shè)計(jì)是以“人”為中心實(shí)施的，人性化產(chǎn)品設(shè)計(jì)可以增強(qiáng)產(chǎn)品的使用功能。隨著新型材料的開(kāi)發(fā)應(yīng)用，計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)和加工技術(shù)的發(fā)展，基于人機(jī)工程的創(chuàng)新設(shè)計(jì)極大地提高了設(shè)計(jì)質(zhì)量和效率，使產(chǎn)品更具有使用性和人性化，滿(mǎn)足多樣化用戶(hù)需求，能有效地提升產(chǎn)品的市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)力。

［1］ 王白鴿，劉子建.關(guān)于兒童產(chǎn)品設(shè)計(jì)的探討［J］.機(jī)電產(chǎn)品開(kāi)發(fā)與創(chuàng)新，2009（1）：40-42.

［2］ 楊君順，金海明.基于人機(jī)工程的虛擬產(chǎn)品設(shè)計(jì)［J］.機(jī)械設(shè)計(jì)與制造，2005（9）：7-8.

［3］ 王翔晶.淺談兒童用品設(shè)計(jì)中的人機(jī)工學(xué)［J］.湖北廣播電視大學(xué)學(xué)報(bào)，2010（2）：76-77.

［4］ 王雁，劉蘇.手持產(chǎn)品的人體工學(xué)設(shè)計(jì)［J］.人類(lèi)工效學(xué)，2011（2）：52-55.