基于半导体制冷制热的护腕鼠标垫

2014-11-06亓晶晶张丽芳李月云黄立新

机电工程技术 2014年8期

亓晶晶，张丽芳，李月云，黄立新

（上海工程技术大学汽车工程学院，上海 201620）

0 引言

随着计算机在生活中的普及，人们因为工作，学习，娱乐等等原因每天花费在电脑上的时间越来越多。而在长时间的使用电脑打字及移动鼠标的同时，手腕关节极易因长时间做重复运动而产生一系列毛病，如“鼠标手”等。又由于许多地方冬夏季温差特别大，人们使用鼠标时常常感觉冬冷夏热，虽然现在市场上有卖保暖的鼠标垫，但通常只能保暖，夏天不能用，使得人们不得不准备两个鼠标垫，不够经济实惠，也很不方便。

“鼠标手”的出现显然是鼠标的外形与鼠标垫之间的配合不够合适，鼠标总是趴在桌面，左右按键与桌面平行，长期使用容易使手腕感到各种不适，严重的话会使手部的神经和血管受损。不单单是腕部，由于使用时肩部有一定外展角度，前臂旋转扭曲，长时间的操作也会导致肩颈和手臂的疲劳不适。

而如果不能改变鼠标的基本外型，就只能改变鼠标垫的外型以达到使用鼠标时手腕和肩部都处于一个比较舒适且对身体有利的姿势。采用冷热可调的鼠标垫也会更加的方便。

1 鼠标垫的整体设计

如图1，在鼠标垫的上部是人机工程护腕，鼠标垫的下部第一层中部是半导体制冷片，制冷片的两端设计有放置电池的区域，左边的电池放置区域电池与半导体制冷片正接，用于制热；右边的电池放置区域电池与半导体制冷片反接，用于制冷。第二层设计为散热片放置区域，第三层设计为散热风机放置区域。二、三层的设计用于辅助半导体制冷片发挥作用。

图1 人性化冷热可调护腕鼠标垫的结构图

2 半导体的制冷制热原理

2.1 帕尔帖效应

该效应是在1834年由J.A.C帕尔帖首先发现的。在2种不同导体连成的回路中，当电流流经2种不同导体形成的接点时，接点处会产生吸热和放热现象。吸热或放热会依电流方向不同而改变，吸热和放热量的大小与电流大小成正比。此效应称帕尔帖效应（Peltier effect），图2为帕尔帖效应原理图[1]，X和Y是2种不同金属导线所组成的封闭线路。当回路通有直流电流时，在两金属接触点处会出现冷、热端现象。

图2 帕尔帖效应原理图

2.2 半导体制冷制热

把一个N型半导体和一个P型半导体的粒子连接成一个电偶对，通以直流电源。如图3所示，电流从N极流向P极，N型元件的载流子是电子，P型元件的载流子是空穴。当电流从N型元件流入，从P型元件流出时，N型元件中的电子在电场作用下向下移动，在下端与电源的正电荷聚合，聚合时放热，同样P型元件中的空穴在电场作用下向下移动，在下端与电源的负电荷聚合，下端聚合时放出热量；同时，电子与空穴在上端分离，上端分离时吸收热量。当改变电流的方向时，吸热端会变为放热端，放热端会变为吸热端。

图3 半导体制冷制热原理

3 人性化的护腕设计

3.1 人机工程学设计

人机工程学是研究人与系统中其他因素之间的相互作用，以及应用相关理论、原理、数据和方法来设计以达到优化人类和系统效能的学科[2]。人机工程学讲究一切以人为中心的设计理念，基于对人的因素良好知识的设计。通过考虑人的形体尺寸的不同而获得良好的身体适应性产品，要求产品不仅要满足功能，还要符合美观、使用方便、操作灵活、舒适和安全。

3.2 护腕的设计

人类的手是一个非常神奇的器官，它能做各种各样的动作，帮助完成许多事情，最简单的就是吃饭了。可以说一个人要是失去双手，会非常的不方便，所以，保护双手是非常重要的。在使用鼠标的时候，有一个护腕的鼠标垫也是很重要的。一个真正护腕的鼠标垫要考虑到手的各个方面因素，如通过人体的手部尺寸、手腕在平行桌面的受力情况以及肘与腕关节的活动范围等来确定鼠标垫的大小和护腕的大小与形状，这样设计出来的护腕鼠标垫才算的上真正意义上符合人机工程学人性化的设计。下表分别是我国人体手部尺寸、肘腕关节的活动范围[3]。

表1 中国人体手部尺寸

表2 中国人的肘腕关节的活动范围

由上表可知，我国成年人男性“小”身材的人群有5﹪的人手长小于170 mm，手宽76 mm；“中等”身材的人群有50﹪的人手长小于183 mm，手宽82 mm；“大”身材的人群有95﹪的人手长小于196 mm，手宽89 mm。而女性手长与男性一样，手宽则分别为70 mm、76 mm、82 mm。所以，通过分析成年人体手部尺寸与肘腕关节的活动范围选择最适合的鼠标垫的宽度以及护腕的长度。

研究表明手在握持中，手腕应尽可能保持伸直状态，也即让手保持在它弯曲范围的中间位置，以便确保施加在手上的任何力在传递到臂的时候不会产生绕手腕转动的较大力矩。经试验证明，当人的手腕呈“仰起”状态时，则“仰起”的夹角在15°～30°之间是最舒服状态，超过这个范围，则前臂肌肉处于拉紧状态，而且也会导致血液的流动不畅。受其影响，上臂的三头肌及三角肌也都会同时受到力牵拉的作用，人的肩关节也会一直处于强直状态，神经网络受阻[4]。

图5为所设计的冷热可调护腕鼠标垫的护腕部位的设计图。如图所示，鼠标垫的突起部位中前部与手接触的位置设计为贴合手的弧状线条，让手充分感受护腕的托起，同时，突起部位的高度为平行仰起15°～30°，以此减缓疲劳。

4 人性化的温度设计[5]

4.1 人的冷热感觉

在人的皮肤上存在着许多温点和冷点，当热刺激或冷刺激相应地作用于它们，就会产生温觉和冷觉。如将手放在35℃的水里，最初产生温觉，浸入几分钟后就逐渐感受不到它；又如将手放在50℃以上或10℃以下的水里，就会出现持续的温觉或冷觉，这就是温度觉的适应。一般来说，环境温度与正常的皮肤温度相差越大，适应所需的时间越长。当较高的温度（如45℃）作用于皮肤时，即可产生烫觉；当室温在20℃～25℃时，烫觉阈限范围约为40℃～46℃。