亓晶晶，張麗芳，李月云，黃立新

（上海工程技術大學汽車工程學院，上海 201620）

0 引言

隨著計算機在生活中的普及，人們因為工作，學習，娛樂等等原因每天花費在電腦上的時間越來越多。而在長時間的使用電腦打字及移動鼠標的同時，手腕關節(jié)極易因長時間做重復運動而產生一系列毛病，如“鼠標手”等。又由于許多地方冬夏季溫差特別大，人們使用鼠標時常常感覺冬冷夏熱，雖然現(xiàn)在市場上有賣保暖的鼠標墊，但通常只能保暖，夏天不能用，使得人們不得不準備兩個鼠標墊，不夠經濟實惠，也很不方便。

“鼠標手”的出現(xiàn)顯然是鼠標的外形與鼠標墊之間的配合不夠合適，鼠標總是趴在桌面，左右按鍵與桌面平行，長期使用容易使手腕感到各種不適，嚴重的話會使手部的神經和血管受損。不單單是腕部，由于使用時肩部有一定外展角度，前臂旋轉扭曲，長時間的操作也會導致肩頸和手臂的疲勞不適。

而如果不能改變鼠標的基本外型，就只能改變鼠標墊的外型以達到使用鼠標時手腕和肩部都處于一個比較舒適且對身體有利的姿勢。采用冷熱可調的鼠標墊也會更加的方便。

1 鼠標墊的整體設計

如圖1，在鼠標墊的上部是人機工程護腕，鼠標墊的下部第一層中部是半導體制冷片，制冷片的兩端設計有放置電池的區(qū)域，左邊的電池放置區(qū)域電池與半導體制冷片正接，用于制熱；右邊的電池放置區(qū)域電池與半導體制冷片反接，用于制冷。第二層設計為散熱片放置區(qū)域，第三層設計為散熱風機放置區(qū)域。二、三層的設計用于輔助半導體制冷片發(fā)揮作用。

圖1 人性化冷熱可調護腕鼠標墊的結構圖

2 半導體的制冷制熱原理

2.1 帕爾帖效應

該效應是在1834年由J.A.C帕爾帖首先發(fā)現(xiàn)的。在2種不同導體連成的回路中，當電流流經2種不同導體形成的接點時，接點處會產生吸熱和放熱現(xiàn)象。吸熱或放熱會依電流方向不同而改變，吸熱和放熱量的大小與電流大小成正比。此效應稱帕爾帖效應（Peltier effect），圖2為帕爾帖效應原理圖[1]，X和Y是2種不同金屬導線所組成的封閉線路。當回路通有直流電流時，在兩金屬接觸點處會出現(xiàn)冷、熱端現(xiàn)象。

圖2 帕爾帖效應原理圖

2.2 半導體制冷制熱

把一個N型半導體和一個P型半導體的粒子連接成一個電偶對，通以直流電源。如圖3所示，電流從N極流向P極，N型元件的載流子是電子，P型元件的載流子是空穴。當電流從N型元件流入，從P型元件流出時，N型元件中的電子在電場作用下向下移動，在下端與電源的正電荷聚合，聚合時放熱，同樣P型元件中的空穴在電場作用下向下移動，在下端與電源的負電荷聚合，下端聚合時放出熱量；同時，電子與空穴在上端分離，上端分離時吸收熱量。當改變電流的方向時，吸熱端會變?yōu)榉艧岫?，放熱端會變?yōu)槲鼰岫恕?/p>

圖3 半導體制冷制熱原理

3 人性化的護腕設計

3.1 人機工程學設計

人機工程學是研究人與系統(tǒng)中其他因素之間的相互作用，以及應用相關理論、原理、數據和方法來設計以達到優(yōu)化人類和系統(tǒng)效能的學科[2]。人機工程學講究一切以人為中心的設計理念，基于對人的因素良好知識的設計。通過考慮人的形體尺寸的不同而獲得良好的身體適應性產品，要求產品不僅要滿足功能，還要符合美觀、使用方便、操作靈活、舒適和安全。

3.2 護腕的設計

人類的手是一個非常神奇的器官，它能做各種各樣的動作，幫助完成許多事情，最簡單的就是吃飯了?？梢哉f一個人要是失去雙手，會非常的不方便，所以，保護雙手是非常重要的。在使用鼠標的時候，有一個護腕的鼠標墊也是很重要的。一個真正護腕的鼠標墊要考慮到手的各個方面因素，如通過人體的手部尺寸、手腕在平行桌面的受力情況以及肘與腕關節(jié)的活動范圍等來確定鼠標墊的大小和護腕的大小與形狀，這樣設計出來的護腕鼠標墊才算的上真正意義上符合人機工程學人性化的設計。下表分別是我國人體手部尺寸、肘腕關節(jié)的活動范圍[3]。

表1 中國人體手部尺寸

表2 中國人的肘腕關節(jié)的活動范圍

由上表可知，我國成年人男性“小”身材的人群有5﹪的人手長小于170 mm，手寬76 mm；“中等”身材的人群有50﹪的人手長小于183 mm，手寬82 mm；“大”身材的人群有95﹪的人手長小于196 mm，手寬89 mm。而女性手長與男性一樣，手寬則分別為70 mm、76 mm、82 mm。所以，通過分析成年人體手部尺寸與肘腕關節(jié)的活動范圍選擇最適合的鼠標墊的寬度以及護腕的長度。

研究表明手在握持中，手腕應盡可能保持伸直狀態(tài)，也即讓手保持在它彎曲范圍的中間位置，以便確保施加在手上的任何力在傳遞到臂的時候不會產生繞手腕轉動的較大力矩。經試驗證明，當人的手腕呈“仰起”狀態(tài)時，則“仰起”的夾角在15°～30°之間是最舒服狀態(tài)，超過這個范圍，則前臂肌肉處于拉緊狀態(tài)，而且也會導致血液的流動不暢。受其影響，上臂的三頭肌及三角肌也都會同時受到力牽拉的作用，人的肩關節(jié)也會一直處于強直狀態(tài)，神經網絡受阻[4]。

圖5為所設計的冷熱可調護腕鼠標墊的護腕部位的設計圖。如圖所示，鼠標墊的突起部位中前部與手接觸的位置設計為貼合手的弧狀線條，讓手充分感受護腕的托起，同時，突起部位的高度為平行仰起15°～30°，以此減緩疲勞。

4 人性化的溫度設計[5]

4.1 人的冷熱感覺

在人的皮膚上存在著許多溫點和冷點，當熱刺激或冷刺激相應地作用于它們，就會產生溫覺和冷覺。如將手放在35℃的水里，最初產生溫覺，浸入幾分鐘后就逐漸感受不到它；又如將手放在50℃以上或10℃以下的水里，就會出現(xiàn)持續(xù)的溫覺或冷覺，這就是溫度覺的適應。一般來說，環(huán)境溫度與正常的皮膚溫度相差越大，適應所需的時間越長。當較高的溫度（如45℃）作用于皮膚時，即可產生燙覺；當室溫在20℃～25℃時，燙覺閾限范圍約為40℃～46℃。

圖5 鼠標墊護腕設計圖

4.2 最佳溫度條件

關于最佳溫度條件，許多人都做過實驗，研究表明:在舒適的溫度范圍，其有效溫度約為23℃～27℃；而21℃～23℃是稍涼的舒適界限；27℃～29℃是稍熱的舒適界限。比較而言，在13℃以下的人會感到“不舒服的寒冷”，36℃以上的人會感到“不舒服的炎熱”，而41℃以上則“難以忍受”。

4.3 材料的溫度覺

萬得爾海得曾測得：當皮膚接觸物體時，有時會產生不愉快的感覺，這是由于接觸的瞬間皮膚溫度迅速下降所致。下降的程度因材料而異。實驗表明，皮膚的觸感并不是單純由材料表面的溫度條件來決定，材料表面的凹凸也有影響。比如，粗糙的草墊子，比起光滑的材料，觸感要好一些。

所以，在設計鼠標墊的可調節(jié)溫度時，要根據人的冷熱感覺、最佳溫度條件以及材料的溫度覺來確定最優(yōu)溫度范圍。

5 總結

（1）半導體制冷制熱護腕鼠標墊集各種功能于一體，冬季使用溫暖，夏季使用涼爽，同時兼具護腕的功能，方便用戶的使用。

（2）護腕方面，通過人體工程學的分析，護腕區(qū)的高度應相對于手部仰起15°～30°。此時，鼠標墊完美適合每一個手腕，緩解肩部酸痛。

（3）溫度方面，人體對溫度的感知又受到環(huán)境溫度，材料溫度等的影響，因此要比所得溫度稍高或稍低1℃～2℃，才是使人體感覺最舒適的溫度。

［1］唐春輝.半導體制冷——21世紀的綠色“冷源”［J］.半導體技術，2005，30（5）：32-34.

［2］王繼成.產品設計中的人機工程學［M］.北京：化學工業(yè)出版社，2010.

［3］劉剛田.人機工程學［M］.北京：北京大學出版社，2012.

［4］吳廷玉，李雄.鼠標墊的人機工程學設計分析［J］.科學之友：中，2012（3）：11.

［5］王鑫，楊西文，楊衛(wèi)波.人體工程學［M］.北京：中國青年出版社，2012.