基于Pro/E的儿童鼠标创新设计

2013-12-31彭荣利

机械工程师 2013年4期

彭荣利

（武汉职业技术学院机电工程学院，武汉430074）

1 引言

随着电脑在全世界范围内的普及，越来越多的儿童接触并能熟练使用电脑，近年来，电脑己经逐渐成为许多儿童及青少年生活和学习中不可缺少的工具。鼠标作为电脑操作最常见的输入设备，与其它工业产品一样，不仅要满足功能要求，还必须做到安全、舒适、使用方便、美观，减少给使用者带来的伤害。儿童正处于生长发育的特殊阶段，骨骼弹性强，容易弯曲，不符合儿童身体特点的鼠标造成的不良操作姿势，将导致儿童的健康问题。“设计以人为本”，对儿童产品的设计研究，应该充分考虑儿童的本身因素，探求他们的身体与心理发展需要，不仅仅是“比成人小一号”［1］。因此，为儿童设计更人性化的鼠标是非常有必要的。

2 儿童产品设计的原则

儿童产品从功能和形式而言，是专为儿童设计生产的专用物品。功能是产品的决定性因素，产品功能包括物理功能、生理功能、心理功能。满足产品的物理功能是设计的基本要求，在此基础上，产品的生理功能——使用的方便性、安全性、宜人性均是“以人为本”设计思想的体现，也是产品设计的重要评价标准。产品的方便性与宜人性就是产品与用户在尺寸、形状及使用中用力姿势是否合理配合、是否舒适与方便；产品的安全性就是产品是否防止了用户操作时造成意外伤害和错用时产生的危险［2］。心理功能则要从外形、色彩、质感等方面满足用户的精神需求。

儿童用品的设计中更加强调“以人为本”的人机工程学的理念。人机工程学研究“人-机-环境”系统中人、机、环境三大要素之间的关系，以人为目标对象，强调人的需求，把使用产品的“人”作为产品设计的出发点，要求产品的外形、色彩、性能等，都要围绕人的生理、心理特点来设计［3］。

人机工程学的研究提供了大量科学可靠的儿童身体结构、生理特点和心理特征等数据，这些数据可作为儿童产品设计的重要参考资源。设计人员结合先进的计算机辅助技术和创新的设计方法，从儿童生理特点及心理特点着手，设计符合儿童需求的产品，在产品功能和形式上体现易用性、安全性、趣味性。

3 儿童鼠标设计的基本方法

人机工程学在本质上就是使用户在使用产品的过程中尽量保持人体的自然放松状态，避免出现过多的强迫体位，从而降低长时间使用时身心的疲劳程度，最大限度地避免用户的健康伤害并提高用户的工作效率。对于手掌来说，其最自然的形态就是半握拳状态。而鼠标的造型设计，实际上就是要尽量贴合这个形态［4］。同时，从儿童心理特点出发，将鼠标简单枯燥的外形加以变化，把一些符合儿童喜好的卡通形象加入到儿童鼠标的设计当中。

儿童鼠标设计基本过程如下：（1）研究儿童的手型，收集整理相关数据：从人机工程学数据库查找儿童身体数据，结合市场调研，并进行数据的科学统计分析。（2）以儿童手部的生理结构为基础，结合人体工程学，构建鼠标外形曲面，完成儿童鼠标造型设计。（3）根据鼠标的使用功能、制造要求，将整体造型拆分为各组成零件。（4）产品零件的结构细化设计。（5）将各零件组装成整体，完成产品设计。

4 三维造型创新设计的实现

随着计算机软、硬件技术的飞速发展，三维CAD 软件在产品设计与制造领域的应用越来越广泛，Pro/E 软件具备基于特征、全参数化、统一数据库的建模造型功能，并且具有精确的模型分析功能，可以进行如干涉检查、重心计算、质量计算及运动分析仿真，方便地实现产品多目标优化设计。

对于电子产品中有复杂曲面外形要求的如手机、玩具、鼠标等的结构设计，为保证各零件间配合质量及外形效果，通常采用自顶向下设计模式，通过产品关键数据信息的共享与传递，保证各零件之间配合面一致，达到产品精度要求。自顶向下设计首先考虑产品的整体功能和外观需求，然后再从结构方面进行细化，符合产品开发从抽象到具体的思维过程。

Pro/E 软件系统有多种实现自顶向下设计的方法，主要有骨架模型、数据共享和布局。其中，骨架模型和布局主要用来控制组件整体结构，当组件涉及多个零件的相对位置或需要对整个组件进行布局规划时，则可通过骨架模型和布局控制整体产品结构，驱动产品各零件自动装配及更新装配，使产品设计者能着眼于整体结构的规划与更新。而数据共享可以从组件向零件或在零件间传递实体、曲面、基准等设计参数信息，是自顶向下设计中的重要方法。Pro/E 中提供的数据共享工具主要有收缩包络、合并/继承、发布几何和复制几何、注释元素等，其中合并/继承是Pro/E 中实现数据共享的常用工具。

儿童鼠标创新设计应用Pro/E 软件作为主要设计工具，具体方法如下：

（1）根据儿童手型数据，确定鼠标的关键曲线、基本尺寸。6 岁～14岁儿童手型数据如图1所示。儿童鼠标的长度大约从89.7 ～104.7mn；宽度约从49.8～56.4mm。

（2）以儿童手型数据为参照，构建鼠标关键轮廓曲线，如图2。

为了符合不同年龄段的儿童手型，将鼠标轮廓曲线设计参数化，设置长、宽、高三个方向上的控制参数，实现系列化参数设计。Pro/E 软件的族表（Family Table）功能非常适合用来创建形状相似、规格尺寸稍有不同的模型族。将不同年龄段的儿童手型曲线尺寸数据输入参数表，即可根据需要选择不同手型曲线数据，方便迅速地生成不同尺寸的系列鼠标三维模型。具体方法为：在构建一组基本手型轮廓曲线后，选取主菜单【工具】→【族表】，在弹出的族表定义窗口中，选取添加表行/列命令，依次将不同年龄段对应的轮廓曲线数据输入（如图3）。

图1 儿童手型数据

图2 鼠标轮廓曲线

图3 手型轮廓曲线数据族表

（3）以轮廓曲线构建鼠标造型曲面。鼠标宜人化设计的关键是使用户操作鼠标的过程中，手与鼠标的接触面处于自然舒展的状态，鼠标的边缘形态以弧线为主，在鼠标外形的设计上应该增强趣味性，增加卡通形象设计元素。造型过程中使用样条曲线、扫描混合、边界曲面、曲面合并等三维建模命令，如图4。

（4）根据功能、装配要求，构建零件分解曲线、曲面，如图5。

（5）应用Pro/E 软件中“合并/继承”的数据共享方法，将鼠标整体模型分解成左右按键、上盖、下盖。

（6）各零件的细节设计，如上下盖配合端面、装配定位孔柱等。

对模型进行组装及色彩渲染，儿童鼠标最终造型效果如图6。

由于鼠标整体造型是相近的，因各年龄段儿童手型尺寸稍有不同，在上述儿童鼠标的设计中，关键在于产品整体造型建模时，构建符合儿童自然状态手型的曲面，而曲面由手型曲线控制。通过设置手型曲线参数族表，只需以一组参数构建鼠标三维模型，然后在零件族表中选择不同参数值系列，即能获得不同尺寸的系列整体模型。采用自顶向下设计方法，使设计变更通过三维模型传递到产品的各个零部件，实现鼠标系列化、参数化的设计。

零件的详细设计中，对于零件间的某些相互配合的结构，例如各零件的装配端面、定位孔支撑柱，相关配合尺寸需一致，可以将零件装配为组件后在组件环境中完成，这样可以复制、参照配合零件的几何形状、基准特征等信息，建立装配参考关系。