劉旭銘，朱玉杰，張永雷，陳仲瀚，郭傳臻,王馨怡

（東北林業(yè)大學(xué)，黑龍江 哈爾濱 150040）

近年來，隨著多媒體智能終端的發(fā)展，無線鼠標(biāo)越來越不能滿足人們對終端輸入設(shè)備在人機(jī)交互等方面的智能化需求，無線鼠標(biāo)不斷地更新?lián)Q代成為了未來的一大趨勢[1]。通過調(diào)查發(fā)現(xiàn)，若用戶需要在無法提供桌面的辦公環(huán)境下使用鼠標(biāo)，其工作效率會(huì)因?yàn)闃O大的局限性而受到影響。因此新型無線鼠標(biāo)的研發(fā)尤為重要，相關(guān)產(chǎn)品也層出不窮。例如，朱麒文等[2]自主研發(fā)了一套頭戴式視線追蹤系統(tǒng)，運(yùn)用視覺跟蹤與映射算法采集瞳孔坐標(biāo)，實(shí)現(xiàn)用眼球完成鼠標(biāo)指針的操作；曾澤良等[3]通過MPU6050傳感器和遙桿電位器的結(jié)合，控制屏幕上光標(biāo)的移動(dòng)；焦超群[4]設(shè)計(jì)了基于微機(jī)電系統(tǒng)（Micro-Electro-Mechanical System，MEMS）運(yùn)動(dòng)傳感器的運(yùn)動(dòng)檢測方案和基于線速度運(yùn)動(dòng)檢測的仿真軟件，并根據(jù)手指彎曲的特點(diǎn)設(shè)計(jì)出了一種穿戴式輸入設(shè)備。上述鼠標(biāo)雖然能夠滿足多媒體環(huán)境下演示者隨時(shí)控制鼠標(biāo)移動(dòng)的需求，但是能源提供方面并不便捷與環(huán)保，數(shù)據(jù)線易丟失、難整理以及廢棄電池對環(huán)境造成污染等問題亟待解決。針對以上問題，本文運(yùn)用發(fā)明問題解決理論（Teoriya Resheniya Izobreatatelskikh Zadatch，TRIZ）提出了一套數(shù)據(jù)線收納式無線三維鼠標(biāo)設(shè)計(jì)方案。

1 TRIZ理論

TRIZ理論由前蘇聯(lián)科學(xué)家根里奇·阿奇舒勒于1946年創(chuàng)立[5]。它是一種主要由技術(shù)系統(tǒng)演變的8個(gè)法則、48個(gè)通用工程參數(shù)、40條發(fā)明原理等構(gòu)成的理論與方法體系。它是基于多學(xué)科領(lǐng)域知識(shí)的產(chǎn)品創(chuàng)新設(shè)計(jì)理論及發(fā)明問題解決方法學(xué)，主要用于解決產(chǎn)品功能設(shè)計(jì)中遇到的矛盾沖突點(diǎn)[5]。TRIZ理論應(yīng)用過程的基本思路見圖1[6-7]。本文將待解決的實(shí)際問題分析過程轉(zhuǎn)化為TRIZ問題模型，并運(yùn)用TRIZ方法及工具尋找最優(yōu)理想解，將其應(yīng)用到實(shí)際工程創(chuàng)新問題中，不斷發(fā)現(xiàn)問題并改善。

圖1 TRIZ理論解決問題的一般流程圖

2 問題分析

2.1 無線鼠標(biāo)功能系統(tǒng)分析

本文從多角度對用戶需求進(jìn)行調(diào)研，通過對調(diào)研報(bào)告和調(diào)查數(shù)據(jù)的分析，準(zhǔn)確找到用戶最真切的需求。第95頁圖2為無線鼠標(biāo)的功能系統(tǒng)分析，找到現(xiàn)有市場上無線鼠標(biāo)產(chǎn)品在材質(zhì)、附加功能、供電方式、運(yùn)作模式等方面存在的不足，并以此為切入點(diǎn)，結(jié)合TRIZ理論設(shè)計(jì)符合當(dāng)代用戶需求的無線鼠標(biāo)。其中，供電方式和增值功能均存在可改進(jìn)的部分[8]。

圖2 無線鼠標(biāo)功能系統(tǒng)分析

2.2 問題描述及解決目標(biāo)

2.2.1 無線鼠標(biāo)與人機(jī)交互

當(dāng)前市面上的大多數(shù)鼠標(biāo)只能在平面上使用，無法突破二維平面的局限，鼠標(biāo)的操作控制與使用效果不能在三維空間保證和實(shí)現(xiàn)，人們無法在一些特殊場合如課堂、會(huì)議和戶外移動(dòng)場所等環(huán)境下使用。因此，如何讓鼠標(biāo)擺脫桌面束縛在空中移動(dòng)，增強(qiáng)人機(jī)交互的能力顯得尤為重要。

2.2.2 無線鼠標(biāo)與便攜充電

無線鼠標(biāo)目前充電相對不便利，充電方式基本有充電線充電和更換充電電池兩種。充電線充電的鼠標(biāo)數(shù)據(jù)線易丟失且不便整理，會(huì)給用戶帶來一些不必要的困擾；更換充電電池的鼠標(biāo)，其電池壽命有限且廢棄電池對環(huán)境的破壞不容忽視。因此，新型無線鼠標(biāo)要做到便攜充電，應(yīng)綜合考慮其效益，選擇合適的充電方式。

2.2.3 無線鼠標(biāo)與多功能使用

為了更加迎合用戶的使用需求，鼠標(biāo)的功能研究也在不斷突破，不過目前市場上的大多數(shù)鼠標(biāo)功能較單一，并不能很好地實(shí)現(xiàn)便捷的功能操作，缺乏實(shí)用性。為實(shí)現(xiàn)無線鼠標(biāo)的復(fù)雜功能，還應(yīng)考慮用戶在匯報(bào)、教學(xué)等特殊場合示意事物的效果，應(yīng)思考如何實(shí)現(xiàn)鼠標(biāo)電量可視化，從而實(shí)現(xiàn)鼠標(biāo)作用多元化。

3 基于TRIZ理論的新型無線鼠標(biāo)的創(chuàng)新設(shè)計(jì)

3.1 設(shè)計(jì)思路

結(jié)合上文所述，新型無線鼠標(biāo)要在人機(jī)交互、便攜充電和多功能使用3個(gè)方面進(jìn)行改善，再結(jié)合TRIZ理論，采用矛盾矩陣來解決欲改善參數(shù)時(shí)導(dǎo)致的另一參數(shù)惡化的矛盾沖突現(xiàn)象[9-10]。對現(xiàn)有產(chǎn)品進(jìn)行功能分析，先確定其實(shí)際技術(shù)沖突，利用TRIZ通用工程參數(shù)對具有實(shí)際技術(shù)沖突的技術(shù)參數(shù)進(jìn)行描述，再利用矛盾矩陣找出發(fā)明原理從而解決問題[11]。新型無線鼠標(biāo)的設(shè)計(jì)思路見圖3。

圖3 新型無線鼠標(biāo)具體設(shè)計(jì)思路

3.2 沖突分析

3.2.1 初步方案

根據(jù)人機(jī)工程的原理，綜合應(yīng)用手握式工具設(shè)計(jì)原則[12]，考慮無線鼠標(biāo)使用過程的實(shí)際要求，改進(jìn)目前常用的鼠標(biāo)，以更好地滿足應(yīng)用要求，相關(guān)設(shè)計(jì)的初步方案如下。

1）人機(jī)交互方面。為了更好地實(shí)現(xiàn)人機(jī)交互，突破二維平面的局限上升至三維空間，實(shí)現(xiàn)三維空間控制鼠標(biāo)，增強(qiáng)人機(jī)交互式體驗(yàn)，運(yùn)用三軸陀螺儀空中定位算法，通過MPU6050傳感器感知芯片模塊的角度變化，打破鼠標(biāo)只能在平面上使用的常規(guī)，用戶可隨時(shí)隨地控制鼠標(biāo)。但該方案會(huì)導(dǎo)致誤觸鼠標(biāo)，難以達(dá)到想要的示意結(jié)果，降低了鼠標(biāo)的使用性能。

2）便攜充電方面。增設(shè)鼠標(biāo)數(shù)據(jù)線收納機(jī)構(gòu)，實(shí)現(xiàn)充電一體化，避免數(shù)據(jù)線丟失或與其他數(shù)據(jù)線如耳機(jī)線、手機(jī)充電線等放在一起相互纏繞而導(dǎo)致的麻煩。但該方案會(huì)占用鼠標(biāo)內(nèi)部空間體積，需要統(tǒng)籌考慮其他零部件的安放位置。

3）多功能使用方面。附加激光筆功能，方便商務(wù)、教學(xué)演示，為無線充電多媒體鼠標(biāo)的設(shè)計(jì)提供了參考?？稍黾覮ED電量顯示燈以實(shí)現(xiàn)電量可視化，但該方案會(huì)導(dǎo)致鼠標(biāo)的能源供給負(fù)擔(dān)增加，電路更加復(fù)雜化。

3.2.2 矛盾沖突與48個(gè)工程參數(shù)進(jìn)行轉(zhuǎn)換

1）矛盾1：將增加MPU6050空中定位模塊與鼠標(biāo)適用性能降低之間的矛盾轉(zhuǎn)換為改善適應(yīng)性與可靠性惡化之間的矛盾。其中，適應(yīng)性是第32項(xiàng)工程參數(shù)，意義為系統(tǒng)或物體應(yīng)對外部變化的能力，或在各種外部影響下發(fā)揮功能的能力，即用戶可在各種環(huán)境下操控鼠標(biāo)，不局限于二維平面。而可靠性是第35項(xiàng)工程參數(shù)，意義為物體或系統(tǒng)能夠正常執(zhí)行其功能的能力，即增加MPU6050空中定位模塊導(dǎo)致的鼠標(biāo)性能降低，出現(xiàn)誤觸鼠標(biāo)按鍵的現(xiàn)象。

2）矛盾2：將增加數(shù)據(jù)線收納機(jī)構(gòu)進(jìn)而實(shí)現(xiàn)鼠標(biāo)和充電線一體化與占用鼠標(biāo)內(nèi)部空間體積之間的矛盾轉(zhuǎn)換為改善可連通性與運(yùn)動(dòng)物體體積惡化之間的矛盾。其中，可連通性是第33項(xiàng)工程參數(shù)，意義為該系統(tǒng)和其他系統(tǒng)能夠聯(lián)合的程度，即無線鼠標(biāo)和充電數(shù)據(jù)線的一體化程度。而運(yùn)動(dòng)物體的體積是第7項(xiàng)工程參數(shù)，意義為物體的三維尺寸如體積，即增加數(shù)據(jù)線收納機(jī)構(gòu)導(dǎo)致的鼠標(biāo)內(nèi)腔空間體積的不足。

3）矛盾3：將增加激光筆功能和LED電量顯示燈從而實(shí)現(xiàn)多功能與電池負(fù)擔(dān)的增加和電路復(fù)雜化之間的矛盾轉(zhuǎn)換為改善運(yùn)行效率與增加裝置復(fù)雜性之間的矛盾。其中，運(yùn)行效率是第24項(xiàng)工程參數(shù)，意義為一個(gè)物體或系統(tǒng)的主要功能或相關(guān)功能，即新型無線鼠標(biāo)附加的激光筆和LED電量顯示功能。而裝置的復(fù)雜性是第45項(xiàng)工程參數(shù)，意義為構(gòu)成物體或系統(tǒng)的元件數(shù)量以及多樣性，即鼠標(biāo)在附加多種功能的同時(shí)導(dǎo)致系統(tǒng)復(fù)雜化。

3.3 基于矛盾矩陣的設(shè)計(jì)方案

根據(jù)確定的技術(shù)參數(shù)，查閱2003版矛盾矩陣表，得到矛盾矩陣，相關(guān)元素見表1。

表1 2003版矛盾矩陣表

結(jié)合新型無線鼠標(biāo)研究過程的用戶需求，依次篩選出新型鼠標(biāo)研究過程中運(yùn)用的發(fā)明原理——24（中介物原理）、10（預(yù)先作用法）、17（多維原理）、1（分割原理）、3（局部質(zhì)量原理）、15（動(dòng)態(tài)化原理）。

涉及到的除以上6種發(fā)明原理外的其他發(fā)明原理對新型無線鼠標(biāo)研究設(shè)計(jì)的指導(dǎo)意義不大，在此不予考慮。其中，無線鼠標(biāo)交互設(shè)計(jì)方面涉及到的發(fā)明原理是第24條、第10條和第17條；便攜充電方面涉及到的發(fā)明原理是第1條、第3條和第24條；多功能使用方面涉及到的發(fā)明原理是第3條和第15條。

3.3.1 交互設(shè)計(jì)

1）中介物原理。中介物原理指利用中介物質(zhì)傳遞某種物體或中間過程。增加MPU6050空中定位模塊實(shí)現(xiàn)三維空間操作，運(yùn)用三軸陀螺儀空中定位算法，整合平面操作和立體操作，通過傳感器感知芯片模塊的角度變化，檢測出無線鼠標(biāo)的角速度變化和加速度變化，進(jìn)而計(jì)算出鼠標(biāo)空間坐標(biāo)的動(dòng)態(tài)變化，以此控制鼠標(biāo)在屏幕上光標(biāo)的移動(dòng)[3]。

2）預(yù)先作用法。預(yù)先作用法是指預(yù)先執(zhí)行該作用的整體或一部分以提高效率，使過程更加便捷。新型的無線鼠標(biāo)是在STM32單片機(jī)的基礎(chǔ)上，根據(jù)MPU6050空中定位模塊，運(yùn)用算法——陀螺儀的初始姿態(tài)乘三軸陀螺儀輸出的四元數(shù)算出姿態(tài)矩陣，進(jìn)行空中定位，然后通過IIC接口與STM32單片機(jī)傳輸，單片機(jī)處理的數(shù)據(jù)通過SPI接口發(fā)送給無線收發(fā)模塊NRF24L01。在接收端NRF24L01接收到發(fā)送端發(fā)送的數(shù)據(jù)后，通過SPI接口將數(shù)據(jù)發(fā)送給單片機(jī)，單片機(jī)通過USB接口將數(shù)據(jù)發(fā)送給PC端，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)通信，進(jìn)而操縱鼠標(biāo)[13]。

3）多維原理。多維原理是指可以將物體的運(yùn)動(dòng)或布置由一維到多維，改善空間的利用效率和可用性。在此基礎(chǔ)上，MPU6050空中定位模塊可以實(shí)現(xiàn)二維的突破，使鼠標(biāo)可以在三維空間操作。

3.3.2 便攜充電

1）分割原理。由于鼠標(biāo)內(nèi)腔空間體積有限，加之增加數(shù)據(jù)線收納機(jī)構(gòu)，如何放置數(shù)據(jù)線收納機(jī)構(gòu)以提高空間利用率顯得尤為重要。分割原理是指將系統(tǒng)或物體分成獨(dú)立的部分，在此原理基礎(chǔ)上，將其內(nèi)部構(gòu)造主要?jiǎng)澐譃樯舷聝蓪?，中間以PCB隔板阻斷，上層為電子元器件區(qū)，主要搭載電子元器件，下層為機(jī)械裝置區(qū)，主要安放數(shù)據(jù)線收發(fā)裝置。下層數(shù)據(jù)線的遠(yuǎn)芯軸端穿過PCB隔板與上層電路板內(nèi)鼠標(biāo)充電接口相接。新型無線鼠標(biāo)總體結(jié)構(gòu)見圖4。

圖4 新型無線鼠標(biāo)總體結(jié)構(gòu)示意圖

2）中介物原理。中介物原理指利用中介物質(zhì)傳遞某種物體或中間過程。因在鼠標(biāo)內(nèi)腔增設(shè)了數(shù)據(jù)線收納機(jī)構(gòu)，所以數(shù)據(jù)線的抽拉和安放方式就需要考慮妥當(dāng)。在中介物原理基礎(chǔ)上，數(shù)據(jù)線收發(fā)裝置的核心部分用平面渦卷彈簧及其所搭載的數(shù)據(jù)線、棘輪棘爪停止器組成，此裝置依托平面渦卷彈簧剛度較小、儲(chǔ)能與勢能同向旋轉(zhuǎn)的特點(diǎn)以及棘輪棘爪停止器可控制數(shù)據(jù)線收放的特點(diǎn)，來實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)線的自動(dòng)收放。數(shù)據(jù)線收發(fā)裝置構(gòu)造見圖5。

圖5 數(shù)據(jù)線收發(fā)裝置（卷簧盒外圍虛線示意數(shù)據(jù)線纏繞）

3）局部質(zhì)量原理。利用局部質(zhì)量原理使組成物體的不同部分發(fā)揮不同的功能作用以實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)資源的最優(yōu)配置。在鼠標(biāo)外殼左側(cè)面安置數(shù)據(jù)線回收按鈕以控制數(shù)據(jù)線的回收。鼠標(biāo)下表面設(shè)置USB接口放置處，可實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)線USB接口端的收納，以防止接口磨損。接收器收納裝置所在位置見第98頁圖6。

圖6 無線鼠標(biāo)增值功能（接口保護(hù)蓋）示意圖

3.3.3 多功能

1）局部質(zhì)量原理。利用局部質(zhì)量原理使組成物體的不同部分發(fā)揮不同的功能作用以實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)資源的最優(yōu)配置，在鼠標(biāo)外殼右側(cè)面安置激光發(fā)射組件，包括激光筆及激光筆控制按鈕，可實(shí)現(xiàn)激光筆的開合。鼠標(biāo)外殼的上表面除滾輪外，還設(shè)置有LED電量顯示燈，可實(shí)現(xiàn)鼠標(biāo)電量的實(shí)時(shí)顯示功能。激光二極管所在位置見第98頁圖7。

圖7 無線鼠標(biāo)增值功能（激光演示）示意圖

2）動(dòng)態(tài)化原理。利用動(dòng)態(tài)化原理調(diào)整物體的性質(zhì)或外部環(huán)境，使操作的每一步都能達(dá)到最佳效果。增加的激光筆控制按鈕可以隨時(shí)實(shí)現(xiàn)鼠標(biāo)示意功能，在需要時(shí)只需按動(dòng)按鈕即可，指向鼠標(biāo)指示的地方。另外，位于鼠標(biāo)外殼上方的鼠標(biāo)電源開關(guān)可實(shí)現(xiàn)開啟工作狀態(tài)與關(guān)閉工作狀態(tài)的切換。相關(guān)部件位置見圖8。

圖8 無線鼠標(biāo)增值功能（電量顯示）示意圖

3.4 設(shè)計(jì)總體評價(jià)

通過TRIZ理論設(shè)計(jì)出一套數(shù)據(jù)線收納式無線三維鼠標(biāo)的創(chuàng)新優(yōu)化方案，對方案進(jìn)行計(jì)算機(jī)仿真，驗(yàn)證其可行性與科學(xué)性，制作出實(shí)物并付諸于實(shí)際測試，經(jīng)過專家組討論，對整體設(shè)計(jì)的評價(jià)如下。

1）鼠標(biāo)的數(shù)據(jù)線收納功能。內(nèi)部運(yùn)用分割原理、中介物原理以及局部質(zhì)量原理進(jìn)行設(shè)計(jì)，運(yùn)用力學(xué)計(jì)算、計(jì)算機(jī)仿真對收納裝置的設(shè)計(jì)可行性進(jìn)行分析，有效解決了數(shù)據(jù)線易丟失、難整理的問題，具有一定的實(shí)用性和便捷性。

2）鼠標(biāo)的附加功能。該新型無線鼠標(biāo)功能多樣，激光筆功能能讓示意者更好地展現(xiàn)作品，電量可視化顯示功能能提示用戶鼠標(biāo)電量的使用情況，極大地發(fā)揮了鼠標(biāo)在多媒體環(huán)境中的應(yīng)用價(jià)值。

3）鼠標(biāo)的人機(jī)交互功能。顛覆了現(xiàn)有鼠標(biāo)運(yùn)行模式，有助于使用者在無桌面的條件下控制鼠標(biāo)，具有較強(qiáng)創(chuàng)新性和實(shí)用性。

4 結(jié)束語

基于TRIZ理論，通過將現(xiàn)有無線鼠標(biāo)面對的需求問題轉(zhuǎn)化為TRIZ標(biāo)準(zhǔn)問題，從中找到TRIZ所對應(yīng)的48個(gè)工程參數(shù)，利用矛盾沖突矩陣進(jìn)行分析，形成圍繞人機(jī)交互、便攜充電、多功能使用三方面的創(chuàng)新設(shè)計(jì)方案，得到一種性能良好、實(shí)用性強(qiáng)的數(shù)據(jù)線收納式無線三維鼠標(biāo)，進(jìn)一步證明TRIZ理論能在創(chuàng)新設(shè)計(jì)中起到一定的指導(dǎo)作用。