【《基于SLA的人体工程学鼠标外壳设计与实现》8200字】

PAGE\*Arabic24基于SLA的人体工程学鼠标外壳设计与实现目录摘要 1第1章绪论 31.1研究的目的和意义 31.2国内外的研究概况 3第2章设计方案的确定 52.1技术要求 52.2设计方案及总体结构 5第3章鼠标外壳的曲面建模与仿真 73.1鼠标尺寸的确定 73.2曲面曲率计算 83.3鼠标外部曲线设计 93.4创建鼠标外壳主体曲面 113.5修剪鼠标曲面与加厚 123.6鼠标的仿真 13第4章鼠标产品的实现 164.13D打印材料 164.2鼠标实现过程 18第5章结论 22参考文献 23摘要有关鼠标设计的研究有很多，但是很多鼠标设计没有合理地结合人体工程学技术，导致鼠标的设计不科学，进而引起与“鼠标手”有关的健康问题。本论文使用了SLA技术对所设计的人体工程学鼠标进行了产品实现。通过对人体工程学原理进行分析，设计了一款结合人体工程学技术的鼠标，并利用3D打印技术，3D打印材料的可塑性，实现了这款人体工程学鼠标，减少长时间使用鼠标导致的手腕疲劳。鼠标结构较小，使用方便，符合人体工程学。关键词：3D打印；鼠标；人体工程学；UG软件第1章绪论1.1研究的目的和意义3D打印机（3Dprinters）又称三维打印机，是一种具有快速成型技术的机器。这是一种神奇的打印机，由恩里科，迪尼发明和设计。它不仅能打印一座完整的房屋，还能在太空船上打印出你需要的任何形状。3D打印机主要运用数据模型，采用特殊的材料蜡，塑料粉末或金属粉末等黏性材料，通过层层打印来创建三维物体的模型。如今，与传统模具制造相比，三维打印已成为制造现代模型、模具和零件的重要途径，在航空航天、汽车、生物学、工程建筑、教学科研等领域具有独特的优势。目前，我国制造业体系庞大，已经在高端装备、家电设计、特种金属、纳米材料、非金属材料等领域，形成了高端产业群。但是，大多数的制造工艺和技术都还是采用的传统的加工方法，只有少数企业委托国外的3D打印机进行再加工，因此3D打印的普及程度有待提高。新型鼠标的设计包括鼠标外壳曲线的弧度，尺寸大小和轻便携带等。鼠标符合人体工学的目的是提高使用鼠标的人的舒适度、手感和改善人们使用鼠标的习惯，减少长时间使用鼠标带来的身心疲劳，尽可能防止肌肉劳损症状的发生，最大限度地保护用户的手腕健康，提高用户的工作时的体验。中国人的平均臂展，身高，手掌的大小都不同于欧美，因此很多盛行于欧美市场的鼠标产品大多数都不怎么适合中国人，新型鼠标的设计主要针对亚洲人17-19厘米手型进行设计，符合人体工程学鼠标的标准。优秀的鼠标需要具备美丽的外观，舒适亲肤的外壳并能够适合用户的手型。完美的鼠标表面要细腻光滑，外壳要光滑圆润同时不滑手。没有明显毛刺和突兀，接缝细腻精密。一般长期使用鼠标的人腕骨突出，手腕会经常感到酸痛，这说明鼠标设计时没有考虑到用户的使用习惯与使用姿势。新型的鼠标设计结合了人体工程学的设计理念。使用时人们感觉舒适轻松，与掌心合拍，按钮放松且有弹性的，为人们提供愉悦且舒适的办公体验。1.2国内外的研究概况自从1968年斯坦福大学的道格拉斯恩格尔巴特博士设计制造出第一款鼠标后，鼠标到现在经历了机械鼠标、光学鼠标、鼠标蓝牙和激光鼠标几个阶段[14]。随着用户需求水平的提升，出现了一些崭新的鼠标结构。2010年，王兴凤设计了一款五自由度的三维鼠标，实现了鼠标五个自由度的交互输出[7]。2015年，张亮提出了一种指纹识别鼠标，可以让鼠标匹配用户的身份信息，实现了“指纹识别鼠标”[8]。2017年，张炳辰和彭荣丽设计了一款适合儿童使用的鼠标造型，使鼠标可以针对各种用户群体进行设计[9]。虽然各种新型鼠标层出不穷，但它们的使用方法大同小异。它们都是用手指和手掌在鼠标上形成一个夹点来固定鼠标，然后通过前臂和手腕的运动来确定鼠标的轨迹和方向。随着互联网产业的兴起，许多从业者每天长时间的敲击键盘、移动鼠标。鼠标的运动主要由手腕支撑的力来控制，当鼠标长时间被手握住时，会对手腕、肌肉或关节产生很大的冲击，并在体内慢慢形成潜在的健康杀手——“腕管综合征”和“腕骨综合征”。为了解决这一类健康问题，设计师们做了许多新的鼠标设计，但他们通常摆脱不了使用左右鼠标按键的对称布局。鼠标的大小一般和人手掌的大小一样，所以所占手掌空间较大。该类鼠标的设计不便于携带。移动时需要很大的空间，在小桌面上移动很不方便。当然，也有一些小鼠标是为便于携带而设计的，但它们不方便使用。同时，有的还减少了鼠标中按键的功能。2009年，Ezmouse凭借其人体工程学的设计专利获得了10项设计奖：垂直外观和恰到好处的尺寸，耐用性，可持续性和美观性。Ezmouse为鼠标带来了革命性的创新，建立了符合人体工程学的鼠标的新标准。凭借其科学的人体工程学设计美学，Ezmouse已成为在世界市场上的供应商之一。2013年，德国著名CeBit展上，第三代minicute，Ezmouse也成为重点健康环保产品[15]。第2章设计方案的确定2.1技术要求采用UG模型对鼠标外壳表面进行人体工程学设计，解决了鼠标长时间使用带来的一系列健康问题。利用SLA技术，让鼠标表面更光滑，精度更高。2.2设计方案及总体结构手掌主要由两组肌肉驱动，两组肌肉的手指之间有一块凹陷。不同人的个体区别很大，很多人的神经和血管都分布在这一部分，所以在设计鼠标是否符合人体工程学时要特别注意该部分。根据对人类手部结构的分析，与鼠标相关的手部结构主要包括手掌、前臂和手腕。在腕关节的运动过程中，相关的运动主要通过尺桡骨的交错运动来实现。在腕骨的驱动下，手腕可以上下移动。在运动中，如果你把你的上臂和手掌放在桌子上，它们会保持一定的倾斜。在使用鼠标时，手掌方向自然往外侧。根据相关研究结论，对于腕部结构而言，如果腕部处于抬高状态，如果相应的角度在合理的范围内，可以保持较为舒适的状态。如果角度超过这个范围，很容易引起前臂肌肉紧张，影响血液循环。人体工程学鼠标的分析与改进。人体工程学鼠标的分析，主要从人体工程学的角度设计了一款人体工程学鼠标，为了让用户在使用鼠标时有良好的手感，符合用户的使用习惯，最大限度地减少长期不间断使用鼠标所造成的劳累，防止手部肌肉损伤，并在此基础上有效提高工作时的舒适感。鼠标的统计结果显示，市场上大多数鼠标都有不同程度的缺陷。具体表现为手部处于长时间的抓持状态，容易产生强烈的疲劳感。许多鼠标不容易携带。手腕的活动范围明显有限。因此，我们需要做出相应的改进，具体如下：提高鼠标外壳与手掌拇指和小指肌肉的契合度，但同时要避免对这些肌肉的压迫。如果配合太多，容易产生疲劳，如果配合不够，容易产生抓不住的感觉。为了满足长时间无压力使用鼠标的要求，我们应该确保鼠标的外壳非常靠近手掌。如果不靠近手掌，很容易造成手掌下垂。鼠标的最高点应与手掌相对应，而不是与手掌浅动脉弓相对应，以免产生明显的压迫感。在鼠标的选材上，要尽量选择细腻，流畅，光滑的材料。在改进的设计中，要熟悉鼠标应用的手掌特性，深入分析每个手指的运动。在移动过程中，鼠标移动到合适位置后在操作按键与滚轮。改进后的鼠标手感和姿势非常适合，与桌面非常契合，长时间使用也不会酸痛，可有效解决鼠标使用中产生的问题。改进后的鼠标外壳采用适中的曲面来满足条件，曲面设计模块主要用于设计形状不规则的复杂模型。在UG三维建模中，曲线是曲面和产品的基础。曲线的质量不仅仅会直接影响到曲面的质量，而且也会影响到整个模型的质量。本文利用UG软件中的曲线曲面造型、实体造型和现有的人体工程学方法，成功地建立了符合人体工程学特点的鼠标外壳零件的数学模型。第3章鼠标外壳的曲面建模与仿真3.1鼠标尺寸的确定传统的鼠标外壳一般采用注塑加工方式，材料采用工程塑料。注塑件鼠标外壳一般会产生接痕，会使产品发脆等缺陷，并且工程塑料材质的鼠标外壳精度低，表面不够光滑。传统的鼠标设计一般会固定尺寸，没有针对不同的人群，不同的手型进行设计，没有从人体工程学的角度去设计，导致了相当一部分人的手腕健康问题。本论文所设计的人体工程学鼠标采用SLA技术，从人体工程学曲面和尺寸角度出发。设计主要由鼠标外壳，底座，按键，滚轮，四个部分组成。主要运用曲线的构造，再利用拉伸，抽取，拼接等命令将这些曲面转为一个完整的曲面组，最后将整个曲面组转换一个模型，三维建模如图1所示。鼠标的尺寸基于亚洲人的手型长度在17-19厘米之间，市面上大多数的人体工程学鼠标由欧美设计，鼠标的规格偏大于亚洲人的手型，本论文鼠标针对设计17-19厘米亚洲人手型的人体工程学鼠标，初步草图参数如图2所示，具体参数如表1所示，最终确定鼠标外壳基本大小规格为120×66×40mm。图1鼠标三维模型图2初步草图表1鼠标尺寸P0P1P2P3P4P555mm60mm5mm30mm33mm19mm3.2曲面曲率计算曲线的几何特征是人体工学鼠标的主要设计点，合适的曲面可以有效地减少长时间使用鼠标时的酸痛，本文鼠标外部曲面的设计数值如图3所示，由该数值计算合适的鼠标外部曲率。图3外部曲线参数对于空间上任何一正则曲线，都可以用显函数y=f(x)或者隐函数F(x，y)=0来表示，显函数和隐函数都可以表示成向量函数r(t)=(x(t)，y(t)，z(t))定义该曲线的方程为r(s)，其中s是曲线的弧长参数，再根据曲率的计算公式。（1）k(s)为曲线的曲率，其中QUOTE是曲线的单位切向量。（2）因为QUOTE，所以（3）化简后取极限如图1中所示数据x(10.95)，y(-23.35)，带入以上公式，可计算出k(s)为25.8，接下来的鼠标外壳曲线建模将依据此标准。3.3鼠标外部曲线设计首先创建鼠标外壳边缘曲线。先在“插入”菜单栏的“任务环境”中选择草图，弹出对话框中，默认情况下XC是草图平面。单击“确定”进入草图工作面。绘制外部曲线图4，曲线1、2、3的参数，曲线1的坐标X=-33.12，Y=-6.94，Z=17.55，曲率半径为30.3。曲线2的坐标X=-0，Y=-4.12，Z=25.80曲率半径为185.57，曲线3的坐标X=7.93，Y=-59.65，Z=13，曲率半径为91.03，具体参数如图5所示。图4外部曲线图5曲线参数在草图选择栏中，单击[样条]命令绘制样条曲线，单击[确定]按钮退出[样条曲线]对话框。从图6中可看出曲线不够光滑，所以我们需要进一步改善它。双击初步草图外部曲线并选择[菜单]--[分析]--[曲线]—[显示曲率疏]命令在图形区域中显示草图曲线的稀疏曲率。拖动曲线调整的控制点将曲率变得平滑，如图7所示。要取消曲率稀疏显示，需要再次点击[曲率疏]命令，然后单击[确定]按钮关闭[样条]对话框。在草图工具栏中，点击[镜像曲线]选项，选中刚绘制为镜像曲线的草图曲线，镜像中心线设为X轴。单击[确定]完成镜像曲线的创建。最后，单击[完成]按钮（或快捷键q）退出草图并显示鼠标外壳框架曲率疏以完成构建，如图8所示。图6最外部曲线的曲率疏图7鼠标外部平滑曲率疏图8鼠标外壳曲率疏3.4创建鼠标外壳主体曲面选择菜单栏“通过曲线网络插入网格面”命令，自动弹出后使用曲线网络对话框。如图4所示，以外部最大曲率的曲线作为主曲线，点击中间按钮切换，注意方向相同。再次点击中间按钮后，选择最里层和最外部的曲线作为交叉曲线，点击中间按钮确定，注意同一方向。其他参数为默认值。因此，在使用曲线网格命令的同时，必须注意主曲线方向和横曲线，防止曲面变形。确认之后，您可以创建鼠标盖的表面，如图9所示。接下来通过曲线网格建模鼠标的按键和表面，网格分析分别如图10，图11所示，按键的网格分析，截面间距为2.5，锚点位置XC(27.0)，YC(-20.92)，ZC(-50.43)，表面部分的网格分析，截面间距为10.821，锚点位置XC(27.0)，YC(-52.62)，ZC(-55.34)。图9鼠标外壳表面图10按键网格分析图11表面网格分析图12曲面光滑处理为绘制图12，需要选择XZ平面作为草图平面，一起对曲线和曲率疏进行光顺处理分析，使外壳曲面呈现如图12所示的光滑形状，解除曲率疏显示以完成草图。点击“插入”，“曲面”，“有界平面”命令，系统弹出对话框，在图形区选择图12所示的曲线，点击左键完成有界平面的创建。在“插入”菜单栏中，选择“关联”—“镜像”命令，选择为镜像体创建的边界平面，为镜像平面选择新的平面，为指定平面选择ZC、XC平面，并确认，如图12所示。3.5修剪鼠标曲面与加厚在[插入]菜单栏中选择[修剪]——[修剪片体]命令来修剪鼠标盖的主外表和侧表面，如图14所示。镜像前镜像后图13镜像体图14修剪后特征单击“插入”菜单栏中的分组命令。在弹出对话框中，选择切片类型，选择目标实体，然后选择工具实体。确认后，完成表面拼接。在菜单栏中的[插入]中，选择[偏移/缩放]-[加厚]命令，偏移值为1，系统将弹出材料加厚对话框，加厚对象，选择拼接面,改变方向，并确认表面增厚操作完成。鼠标外壳的实体建模使用拉伸和边缘圆角命令来完成鼠标外壳模型的创建。3.6鼠标的仿真为验证鼠标设计现实生活中的可行性，对该鼠标进行仿真。创建仿真连杆的第一步是从连杆和运动副工具条中单击连杆图标，弹出连杆对话框。对话框中显示默认的名字，输入名字后按回车键即可。如图15所示，连杆对话框的第二项是自定义质量特性，它是一个可选项，在不涉及反作用力时可以将它关闭而使用自定义的质量特性.图15创建连杆1将鼠标底部建立连杆1，鼠标表面建立连杆2，鼠标滚轮建立连杆3然后定义各连杆的运动副，机构中的连杆是在空中浮动的，是没有约束的。创建运动副的操作分为三步：先选择运动副要约束的连杆，然后确定运动副的原点，最后确定运动副的方向。给连杆1填加滑动副，运动副的原点为质心，方向竖直向上，如图16所示。连杆2滑动副谐波赋值，幅值为0.5mm，频率1440°，如图17所示。给连杆3添加旋转副，运动副的原点为圆心，给连杆3旋转副谐波赋值，幅值100°，频率5°/s，如图18所示。图16连杆1参数图17连杆2参数图18连杆3参数对刚才建立的连杆和运动副建立解算方案，设置时间为5s，步数为1500，包含静态分析，如图19所示。随后对整体运动仿真进行求解，速度300步数/秒，如图20所示，最后播放鼠标的运动仿真动画，如图21所示。图19解算方案图20仿真速度图21播放仿真

第4章鼠标产品的实现4.13D打印材料3D打印技术最初发明于美国的快速成型技术。其技术的基本原理是：先数字分层后物理分层，即首先建立打印作品的数字模型，进行数字分层，实行每一层的二维加工路径或轨迹。然后，选择适合的材料和相应的加工方法，并在上述的数字路径的驱动下逐层打印，最终完成打印模型。在我国，3D打印被称为增材制造技术。3D打印技术与传统的模具加工方法不同。它是一种日益成熟的加工方法，极大地提高了材料的利用率，颠覆了传统制造方法，是革命性的制造技术。三维打印技术不仅具有较高的处理灵活性而且市场反应速度快速，在工业生产，航空航天，建筑，艺术，动画模型，影视模型等领域都得到了很好的应用。其中，最典型，最成熟的技术有立体光刻设备（SLA），叠层物体制造（LOM），熔融沉积建模（FDM），选择性激光烧结（SLS），选择性激光熔化（SLM），3D打印和涂胶（3DP）。虽然这六种工艺原理相同，但打印材料的不同，导致这六种工艺的特点和具体应用领域也不同。通过回顾打印材料在三维打印过程中的应用及以往的研究成果，材料的特性是三维打印领域的研究重点，也是影响三维打印技术进一步发展和应用的中的难点。1984年，SLA技术获得了CharlesHull的专利，3DSystems公司使其商业化。SLA被公认为是被世界公认的最早3D打印工艺。目前，该工艺所用的主要材料是光敏液体树脂，即光敏树脂。光敏树脂材料主要包括齐聚物、引发剂和活性稀释剂。根据引发剂的使用机理，这类光敏树脂材料可分为阳离子光固化树脂、自由基紫外光固化树脂和杂化光固化树脂三大类。激光激发自由基体系产生自由基，引发单体聚合和交联。阳离子体系是一种由阳离子光引发剂辐照产生的强质子酸，它催化聚合加速并固化树脂，混合系统结合了以上两种固化原理，这种凝固首先是由激光照射产生的。最近几年，美国研发并推出了一种蓝卤冷光光敏树脂固化工艺，由于没有温升，会给口腔带来一定影响。因此，该树脂首次用于人牙修复。此外，光敏树脂材料受温度的变化影响小，耐热性强，尤其适合打印高精度的模型。目前，SLA复合材料的开发也是该工艺的一个研究热点。通过添加纳米陶瓷粉体、短纤维等特殊材料，来改变其材料的强度和耐热性，改变其应用范围，或在高温下烧蚀SLA，完成部分加工。目前，用于SLA工艺商业化的光敏树脂材料主要有：Vantico的SL系列，SL系列材料为乳白色，强度高，但韧性较低，应特别注意打印小而薄零件时发生脆性断裂。本系列产品在SLA50003D打印系统中的性能指标如表2所示[15]。表2SL系列树脂的性能参数光固化树脂的固化，就像漆的固化，相似于工程塑料。成型件的加工精度，力学性能与成型材料密切相关。因此，光敏树脂在SLA应用的技术应满足特殊要求，主要体现在以下几个方面：1．液体树脂稳定性很强。在可见光下，无化学变化，具有好的稳性，化学稳性和组成稳定。2．低粘度。SLA成形工艺是固化片层材料的叠加过程，每层固化片材后，上平台下降到一定水平后，液体树脂需要尽快覆盖固化片材层，对低粘度树脂的快速调平的特点符合。3．固化速度快。成型材料的性能直接受光敏树脂固化率的影响，从而在一定程度上影响经济成本。因此，光固化树脂需要对紫外线高度敏感。树脂的光固化速率又称光敏性，通常以临界曝光为特点。4．一次性固化率高。在紫外光固化条件下，未经固化后的固化度称为一次固化度。一次性固化率高可减少后固化过程中的收缩，减少后固化过程中的变形，保持零件的精度。5．打印精度是SLA技术的主要问题。在光敏树脂固化过程中，由于液相向固相的转变，常常导致树脂体积收缩，这不仅会对零件尺寸造成，还会引起翘曲，在光敏树脂的使用过程中，主要是为了减少材料固化产生的影响。6．透射的深度。Dp值过大与光固化树脂固化板层间的附着力对固化产品的强度和精度有很大的危害。SLA工艺中用的光固化树脂必须具有适中的透光深度系数Dp，固化板层厚度应依据Dp值进行微调。4.2鼠标实现过程运用UG完成鼠标设计后，现进行鼠标的产品实现过程，即打印过程，具体过程如下：1．修复处理，先将鼠标格式进行STL转换，然后将模型文件导入Magics软件，运用软件的修复向导进行修复分析，先使用综合修复里的自动修复，如图22所示。自动修复后仍有缺陷，便手动修复，直至显示没有错误，如图23所示。图22自动修复参数图23修复结果2．添加支撑，进行添加支撑处理，如图24所示。进行参数设置，树状支撑于模型间隙0.2mm，线性支撑于模型间隙X/Y=0.35mm,与底板间隙0.15mm,具体参数如图25所示。图24添加支撑图25支撑参数3．进行切片处理，如图26所示。切片厚度为0.1mm，光斑补偿为0.1mm，缝隙填充最大值5.0mm，具体参数如图27所示。图26切片处理图27切片参数在打印过程中，尝试了SLM，FDM打印方式，前者金属的外壳材质会导致鼠标不够灵活，使用户的疲劳感增加，FDM方式打印的外壳表面粗糙，不够光滑，精度低。最终确定了SLA打印方式，它能更好地满足鼠标外壳表面光滑，模型精度高的特点。与传统的模具加工制造相比，3D打印技术使用光敏树脂材料打印鼠标外壳有以上很多优势，现实的实践也完全可行。第5章结论人体工程学鼠标外壳设计是一个典型的工程设计问题。本论文在己知鼠标外壳和人体工程学常识的基础上，利用UG软件建立符合人体工程学的曲面外壳模型。该鼠标外壳不仅具有造型独特，精度高的优点，还有使用舒适，利用率高的特点，为将来人体工程学鼠标外壳提供了一个可以参考的系统模型。在当今以计算机模型设计为主要手段的情况下，该方法具有一定的应用价值，可以推广到工程实践中。但在后续工作中还有很多方面需要进一步完善，如鼠标内部零件的可行性和鼠标外壳的配合等。参考文献[1]张路红，胡颖雁．基于UG鼠标盖的曲面设计[J]．电脑知识与技术，2017，27（7）：56~59．[2]颜红科．基于UGNX6.0的新型鼠标设计与制作[J]．现代装备技术与装备，2015，12（2）：77~78．[3]曹雅莉．基于3D