基于TRIZ理论的无线鼠标优化设计研究*

刘旭铭，朱玉杰，张永雷，陈仲瀚，郭传臻,王馨怡

（东北林业大学，黑龙江 哈尔滨 150040）

近年来，随着多媒体智能终端的发展，无线鼠标越来越不能满足人们对终端输入设备在人机交互等方面的智能化需求，无线鼠标不断地更新换代成为了未来的一大趋势[1]。通过调查发现，若用户需要在无法提供桌面的办公环境下使用鼠标，其工作效率会因为极大的局限性而受到影响。因此新型无线鼠标的研发尤为重要，相关产品也层出不穷。例如，朱麒文等[2]自主研发了一套头戴式视线追踪系统，运用视觉跟踪与映射算法采集瞳孔坐标，实现用眼球完成鼠标指针的操作；曾泽良等[3]通过MPU6050传感器和遥杆电位器的结合，控制屏幕上光标的移动；焦超群[4]设计了基于微机电系统（Micro-Electro-Mechanical System，MEMS）运动传感器的运动检测方案和基于线速度运动检测的仿真软件，并根据手指弯曲的特点设计出了一种穿戴式输入设备。上述鼠标虽然能够满足多媒体环境下演示者随时控制鼠标移动的需求，但是能源提供方面并不便捷与环保，数据线易丢失、难整理以及废弃电池对环境造成污染等问题亟待解决。针对以上问题，本文运用发明问题解决理论（Teoriya Resheniya Izobreatatelskikh Zadatch，TRIZ）提出了一套数据线收纳式无线三维鼠标设计方案。

1 TRIZ理论

TRIZ理论由前苏联科学家根里奇·阿奇舒勒于1946年创立[5]。它是一种主要由技术系统演变的8个法则、48个通用工程参数、40条发明原理等构成的理论与方法体系。它是基于多学科领域知识的产品创新设计理论及发明问题解决方法学，主要用于解决产品功能设计中遇到的矛盾冲突点[5]。TRIZ理论应用过程的基本思路见图1[6-7]。本文将待解决的实际问题分析过程转化为TRIZ问题模型，并运用TRIZ方法及工具寻找最优理想解，将其应用到实际工程创新问题中，不断发现问题并改善。

图1 TRIZ理论解决问题的一般流程图

2 问题分析

2.1 无线鼠标功能系统分析

本文从多角度对用户需求进行调研，通过对调研报告和调查数据的分析，准确找到用户最真切的需求。第95页图2为无线鼠标的功能系统分析，找到现有市场上无线鼠标产品在材质、附加功能、供电方式、运作模式等方面存在的不足，并以此为切入点，结合TRIZ理论设计符合当代用户需求的无线鼠标。其中，供电方式和增值功能均存在可改进的部分[8]。

图2 无线鼠标功能系统分析

2.2 问题描述及解决目标

2.2.1 无线鼠标与人机交互

当前市面上的大多数鼠标只能在平面上使用，无法突破二维平面的局限，鼠标的操作控制与使用效果不能在三维空间保证和实现，人们无法在一些特殊场合如课堂、会议和户外移动场所等环境下使用。因此，如何让鼠标摆脱桌面束缚在空中移动，增强人机交互的能力显得尤为重要。

2.2.2 无线鼠标与便携充电

无线鼠标目前充电相对不便利，充电方式基本有充电线充电和更换充电电池两种。充电线充电的鼠标数据线易丢失且不便整理，会给用户带来一些不必要的困扰；更换充电电池的鼠标，其电池寿命有限且废弃电池对环境的破坏不容忽视。因此，新型无线鼠标要做到便携充电，应综合考虑其效益，选择合适的充电方式。

2.2.3 无线鼠标与多功能使用

为了更加迎合用户的使用需求，鼠标的功能研究也在不断突破，不过目前市场上的大多数鼠标功能较单一，并不能很好地实现便捷的功能操作，缺乏实用性。为实现无线鼠标的复杂功能，还应考虑用户在汇报、教学等特殊场合示意事物的效果，应思考如何实现鼠标电量可视化，从而实现鼠标作用多元化。

3 基于TRIZ理论的新型无线鼠标的创新设计

3.1 设计思路

结合上文所述，新型无线鼠标要在人机交互、便携充电和多功能使用3个方面进行改善，再结合TRIZ理论，采用矛盾矩阵来解决欲改善参数时导致的另一参数恶化的矛盾冲突现象[9-10]。对现有产品进行功能分析，先确定其实际技术冲突，利用TRIZ通用工程参数对具有实际技术冲突的技术参数进行描述，再利用矛盾矩阵找出发明原理从而解决问题[11]。新型无线鼠标的设计思路见图3。

图3 新型无线鼠标具体设计思路

3.2 冲突分析

3.2.1 初步方案

根据人机工程的原理，综合应用手握式工具设计原则[12]，考虑无线鼠标使用过程的实际要求，改进目前常用的鼠标，以更好地满足应用要求，相关设计的初步方案如下。

1）人机交互方面。为了更好地实现人机交互，突破二维平面的局限上升至三维空间，实现三维空间控制鼠标，增强人机交互式体验，运用三轴陀螺仪空中定位算法，通过MPU6050传感器感知芯片模块的角度变化，打破鼠标只能在平面上使用的常规，用户可随时随地控制鼠标。但该方案会导致误触鼠标，难以达到想要的示意结果，降低了鼠标的使用性能。

2）便携充电方面。增设鼠标数据线收纳机构，实现充电一体化，避免数据线丢失或与其他数据线如耳机线、手机充电线等放在一起相互缠绕而导致的麻烦。但该方案会占用鼠标内部空间体积，需要统筹考虑其他零部件的安放位置。

3）多功能使用方面。附加激光笔功能，方便商务、教学演示，为无线充电多媒体鼠标的设计提供了参考。可增加LED电量显示灯以实现电量可视化，但该方案会导致鼠标的能源供给负担增加，电路更加复杂化。

3.2.2 矛盾冲突与48个工程参数进行转换

1）矛盾1：将增加MPU6050空中定位模块与鼠标适用性能降低之间的矛盾转换为改善适应性与可靠性恶化之间的矛盾。其中，适应性是第32项工程参数，意义为系统或物体应对外部变化的能力，或在各种外部影响下发挥功能的能力，即用户可在各种环境下操控鼠标，不局限于二维平面。而可靠性是第35项工程参数，意义为物体或系统能够正常执行其功能的能力，即增加MPU6050空中定位模块导致的鼠标性能降低，出现误触鼠标按键的现象。

2）矛盾2：将增加数据线收纳机构进而实现鼠标和充电线一体化与占用鼠标内部空间体积之间的矛盾转换为改善可连通性与运动物体体积恶化之间的矛盾。其中，可连通性是第33项工程参数，意义为该系统和其他系统能够联合的程度，即无线鼠标和充电数据线的一体化程度。而运动物体的体积是第7项工程参数，意义为物体的三维尺寸如体积，即增加数据线收纳机构导致的鼠标内腔空间体积的不足。

3）矛盾3：将增加激光笔功能和LED电量显示灯从而实现多功能与电池负担的增加和电路复杂化之间的矛盾转换为改善运行效率与增加装置复杂性之间的矛盾。其中，运行效率是第24项工程参数，意义为一个物体或系统的主要功能或相关功能，即新型无线鼠标附加的激光笔和LED电量显示功能。而装置的复杂性是第45项工程参数，意义为构成物体或系统的元件数量以及多样性，即鼠标在附加多种功能的同时导致系统复杂化。

3.3 基于矛盾矩阵的设计方案

根据确定的技术参数，查阅2003版矛盾矩阵表，得到矛盾矩阵，相关元素见表1。

表1 2003版矛盾矩阵表

结合新型无线鼠标研究过程的用户需求，依次筛选出新型鼠标研究过程中运用的发明原理——24（中介物原理）、10（预先作用法）、17（多维原理）、1（分割原理）、3（局部质量原理）、15（动态化原理）。

涉及到的除以上6种发明原理外的其他发明原理对新型无线鼠标研究设计的指导意义不大，在此不予考虑。其中，无线鼠标交互设计方面涉及到的发明原理是第24条、第10条和第17条；便携充电方面涉及到的发明原理是第1条、第3条和第24条；多功能使用方面涉及到的发明原理是第3条和第15条。

3.3.1 交互设计

1）中介物原理。中介物原理指利用中介物质传递某种物体或中间过程。增加MPU6050空中定位模块实现三维空间操作，运用三轴陀螺仪空中定位算法，整合平面操作和立体操作，通过传感器感知芯片模块的角度变化，检测出无线鼠标的角速度变化和加速度变化，进而计算出鼠标空间坐标的动态变化，以此控制鼠标在屏幕上光标的移动[3]。

2）预先作用法。预先作用法是指预先执行该作用的整体或一部分以提高效率，使过程更加便捷。新型的无线鼠标是在STM32单片机的基础上，根据MPU6050空中定位模块，运用算法——陀螺仪的初始姿态乘三轴陀螺仪输出的四元数算出姿态矩阵，进行空中定位，然后通过IIC接口与STM32单片机传输，单片机处理的数据通过SPI接口发送给无线收发模块NRF24L01。在接收端NRF24L01接收到发送端发送的数据后，通过SPI接口将数据发送给单片机，单片机通过USB接口将数据发送给PC端，实现数据通信，进而操纵鼠标[13]。

3）多维原理。多维原理是指可以将物体的运动或布置由一维到多维，改善空间的利用效率和可用性。在此基础上，MPU6050空中定位模块可以实现二维的突破，使鼠标可以在三维空间操作。

3.3.2 便携充电

1）分割原理。由于鼠标内腔空间体积有限，加之增加数据线收纳机构，如何放置数据线收纳机构以提高空间利用率显得尤为重要。分割原理是指将系统或物体分成独立的部分，在此原理基础上，将其内部构造主要划分为上下两层，中间以PCB隔板阻断，上层为电子元器件区，主要搭载电子元器件，下层为机械装置区，主要安放数据线收发装置。下层数据线的远芯轴端穿过PCB隔板与上层电路板内鼠标充电接口相接。新型无线鼠标总体结构见图4。

图4 新型无线鼠标总体结构示意图

2）中介物原理。中介物原理指利用中介物质传递某种物体或中间过程。因在鼠标内腔增设了数据线收纳机构，所以数据线的抽拉和安放方式就需要考虑妥当。在中介物原理基础上，数据线收发装置的核心部分用平面涡卷弹簧及其所搭载的数据线、棘轮棘爪停止器组成，此装置依托平面涡卷弹簧刚度较小、储能与势能同向旋转的特点以及棘轮棘爪停止器可控制数据线收放的特点，来实现数据线的自动收放。数据线收发装置构造见图5。

图5 数据线收发装置（卷簧盒外围虚线示意数据线缠绕）

3）局部质量原理。利用局部质量原理使组成物体的不同部分发挥不同的功能作用以实现系统资源的最优配置。在鼠标外壳左侧面安置数据线回收按钮以控制数据线的回收。鼠标下表面设置USB接口放置处，可实现数据线USB接口端的收纳，以防止接口磨损。接收器收纳装置所在位置见第98页图6。

图6 无线鼠标增值功能（接口保护盖）示意图

3.3.3 多功能

1）局部质量原理。利用局部质量原理使组成物体的不同部分发挥不同的功能作用以实现系统资源的最优配置，在鼠标外壳右侧面安置激光发射组件，包括激光笔及激光笔控制按钮，可实现激光笔的开合。鼠标外壳的上表面除滚轮外，还设置有LED电量显示灯，可实现鼠标电量的实时显示功能。激光二极管所在位置见第98页图7。

图7 无线鼠标增值功能（激光演示）示意图

2）动态化原理。利用动态化原理调整物体的性质或外部环境，使操作的每一步都能达到最佳效果。增加的激光笔控制按钮可以随时实现鼠标示意功能，在需要时只需按动按钮即可，指向鼠标指示的地方。另外，位于鼠标外壳上方的鼠标电源开关可实现开启工作状态与关闭工作状态的切换。相关部件位置见图8。

图8 无线鼠标增值功能（电量显示）示意图

3.4 设计总体评价

通过TRIZ理论设计出一套数据线收纳式无线三维鼠标的创新优化方案，对方案进行计算机仿真，验证其可行性与科学性，制作出实物并付诸于实际测试，经过专家组讨论，对整体设计的评价如下。

1）鼠标的数据线收纳功能。内部运用分割原理、中介物原理以及局部质量原理进行设计，运用力学计算、计算机仿真对收纳装置的设计可行性进行分析，有效解决了数据线易丢失、难整理的问题，具有一定的实用性和便捷性。

2）鼠标的附加功能。该新型无线鼠标功能多样，激光笔功能能让示意者更好地展现作品，电量可视化显示功能能提示用户鼠标电量的使用情况，极大地发挥了鼠标在多媒体环境中的应用价值。

3）鼠标的人机交互功能。颠覆了现有鼠标运行模式，有助于使用者在无桌面的条件下控制鼠标，具有较强创新性和实用性。

4 结束语

基于TRIZ理论，通过将现有无线鼠标面对的需求问题转化为TRIZ标准问题，从中找到TRIZ所对应的48个工程参数，利用矛盾冲突矩阵进行分析，形成围绕人机交互、便携充电、多功能使用三方面的创新设计方案，得到一种性能良好、实用性强的数据线收纳式无线三维鼠标，进一步证明TRIZ理论能在创新设计中起到一定的指导作用。