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      基于半導(dǎo)體制冷制熱的護(hù)腕鼠標(biāo)墊

      2014-11-06 03:18:10亓晶晶張麗芳李月云黃立新
      機(jī)電工程技術(shù) 2014年8期
      關(guān)鍵詞:鼠標(biāo)墊手腕手部

      亓晶晶,張麗芳,李月云,黃立新

      (上海工程技術(shù)大學(xué)汽車工程學(xué)院,上海 201620)

      0 引言

      隨著計(jì)算機(jī)在生活中的普及,人們因?yàn)楣ぷ?,學(xué)習(xí),娛樂等等原因每天花費(fèi)在電腦上的時(shí)間越來(lái)越多。而在長(zhǎng)時(shí)間的使用電腦打字及移動(dòng)鼠標(biāo)的同時(shí),手腕關(guān)節(jié)極易因長(zhǎng)時(shí)間做重復(fù)運(yùn)動(dòng)而產(chǎn)生一系列毛病,如“鼠標(biāo)手”等。又由于許多地方冬夏季溫差特別大,人們使用鼠標(biāo)時(shí)常常感覺冬冷夏熱,雖然現(xiàn)在市場(chǎng)上有賣保暖的鼠標(biāo)墊,但通常只能保暖,夏天不能用,使得人們不得不準(zhǔn)備兩個(gè)鼠標(biāo)墊,不夠經(jīng)濟(jì)實(shí)惠,也很不方便。

      “鼠標(biāo)手”的出現(xiàn)顯然是鼠標(biāo)的外形與鼠標(biāo)墊之間的配合不夠合適,鼠標(biāo)總是趴在桌面,左右按鍵與桌面平行,長(zhǎng)期使用容易使手腕感到各種不適,嚴(yán)重的話會(huì)使手部的神經(jīng)和血管受損。不單單是腕部,由于使用時(shí)肩部有一定外展角度,前臂旋轉(zhuǎn)扭曲,長(zhǎng)時(shí)間的操作也會(huì)導(dǎo)致肩頸和手臂的疲勞不適。

      而如果不能改變鼠標(biāo)的基本外型,就只能改變鼠標(biāo)墊的外型以達(dá)到使用鼠標(biāo)時(shí)手腕和肩部都處于一個(gè)比較舒適且對(duì)身體有利的姿勢(shì)。采用冷熱可調(diào)的鼠標(biāo)墊也會(huì)更加的方便。

      1 鼠標(biāo)墊的整體設(shè)計(jì)

      如圖1,在鼠標(biāo)墊的上部是人機(jī)工程護(hù)腕,鼠標(biāo)墊的下部第一層中部是半導(dǎo)體制冷片,制冷片的兩端設(shè)計(jì)有放置電池的區(qū)域,左邊的電池放置區(qū)域電池與半導(dǎo)體制冷片正接,用于制熱;右邊的電池放置區(qū)域電池與半導(dǎo)體制冷片反接,用于制冷。第二層設(shè)計(jì)為散熱片放置區(qū)域,第三層設(shè)計(jì)為散熱風(fēng)機(jī)放置區(qū)域。二、三層的設(shè)計(jì)用于輔助半導(dǎo)體制冷片發(fā)揮作用。

      圖1 人性化冷熱可調(diào)護(hù)腕鼠標(biāo)墊的結(jié)構(gòu)圖

      2 半導(dǎo)體的制冷制熱原理

      2.1 帕爾帖效應(yīng)

      該效應(yīng)是在1834年由J.A.C帕爾帖首先發(fā)現(xiàn)的。在2種不同導(dǎo)體連成的回路中,當(dāng)電流流經(jīng)2種不同導(dǎo)體形成的接點(diǎn)時(shí),接點(diǎn)處會(huì)產(chǎn)生吸熱和放熱現(xiàn)象。吸熱或放熱會(huì)依電流方向不同而改變,吸熱和放熱量的大小與電流大小成正比。此效應(yīng)稱帕爾帖效應(yīng)(Peltier effect),圖2為帕爾帖效應(yīng)原理圖[1],X和Y是2種不同金屬導(dǎo)線所組成的封閉線路。當(dāng)回路通有直流電流時(shí),在兩金屬接觸點(diǎn)處會(huì)出現(xiàn)冷、熱端現(xiàn)象。

      圖2 帕爾帖效應(yīng)原理圖

      2.2 半導(dǎo)體制冷制熱

      把一個(gè)N型半導(dǎo)體和一個(gè)P型半導(dǎo)體的粒子連接成一個(gè)電偶對(duì),通以直流電源。如圖3所示,電流從N極流向P極,N型元件的載流子是電子,P型元件的載流子是空穴。當(dāng)電流從N型元件流入,從P型元件流出時(shí),N型元件中的電子在電場(chǎng)作用下向下移動(dòng),在下端與電源的正電荷聚合,聚合時(shí)放熱,同樣P型元件中的空穴在電場(chǎng)作用下向下移動(dòng),在下端與電源的負(fù)電荷聚合,下端聚合時(shí)放出熱量;同時(shí),電子與空穴在上端分離,上端分離時(shí)吸收熱量。當(dāng)改變電流的方向時(shí),吸熱端會(huì)變?yōu)榉艧岫?,放熱端?huì)變?yōu)槲鼰岫恕?/p>

      圖3 半導(dǎo)體制冷制熱原理

      3 人性化的護(hù)腕設(shè)計(jì)

      3.1 人機(jī)工程學(xué)設(shè)計(jì)

      人機(jī)工程學(xué)是研究人與系統(tǒng)中其他因素之間的相互作用,以及應(yīng)用相關(guān)理論、原理、數(shù)據(jù)和方法來(lái)設(shè)計(jì)以達(dá)到優(yōu)化人類和系統(tǒng)效能的學(xué)科[2]。人機(jī)工程學(xué)講究一切以人為中心的設(shè)計(jì)理念,基于對(duì)人的因素良好知識(shí)的設(shè)計(jì)。通過(guò)考慮人的形體尺寸的不同而獲得良好的身體適應(yīng)性產(chǎn)品,要求產(chǎn)品不僅要滿足功能,還要符合美觀、使用方便、操作靈活、舒適和安全。

      3.2 護(hù)腕的設(shè)計(jì)

      人類的手是一個(gè)非常神奇的器官,它能做各種各樣的動(dòng)作,幫助完成許多事情,最簡(jiǎn)單的就是吃飯了??梢哉f(shuō)一個(gè)人要是失去雙手,會(huì)非常的不方便,所以,保護(hù)雙手是非常重要的。在使用鼠標(biāo)的時(shí)候,有一個(gè)護(hù)腕的鼠標(biāo)墊也是很重要的。一個(gè)真正護(hù)腕的鼠標(biāo)墊要考慮到手的各個(gè)方面因素,如通過(guò)人體的手部尺寸、手腕在平行桌面的受力情況以及肘與腕關(guān)節(jié)的活動(dòng)范圍等來(lái)確定鼠標(biāo)墊的大小和護(hù)腕的大小與形狀,這樣設(shè)計(jì)出來(lái)的護(hù)腕鼠標(biāo)墊才算的上真正意義上符合人機(jī)工程學(xué)人性化的設(shè)計(jì)。下表分別是我國(guó)人體手部尺寸、肘腕關(guān)節(jié)的活動(dòng)范圍[3]。

      表1 中國(guó)人體手部尺寸

      表2 中國(guó)人的肘腕關(guān)節(jié)的活動(dòng)范圍

      由上表可知,我國(guó)成年人男性“小”身材的人群有5﹪的人手長(zhǎng)小于170 mm,手寬76 mm;“中等”身材的人群有50﹪的人手長(zhǎng)小于183 mm,手寬82 mm;“大”身材的人群有95﹪的人手長(zhǎng)小于196 mm,手寬89 mm。而女性手長(zhǎng)與男性一樣,手寬則分別為70 mm、76 mm、82 mm。所以,通過(guò)分析成年人體手部尺寸與肘腕關(guān)節(jié)的活動(dòng)范圍選擇最適合的鼠標(biāo)墊的寬度以及護(hù)腕的長(zhǎng)度。

      研究表明手在握持中,手腕應(yīng)盡可能保持伸直狀態(tài),也即讓手保持在它彎曲范圍的中間位置,以便確保施加在手上的任何力在傳遞到臂的時(shí)候不會(huì)產(chǎn)生繞手腕轉(zhuǎn)動(dòng)的較大力矩。經(jīng)試驗(yàn)證明,當(dāng)人的手腕呈“仰起”狀態(tài)時(shí),則“仰起”的夾角在15°~30°之間是最舒服狀態(tài),超過(guò)這個(gè)范圍,則前臂肌肉處于拉緊狀態(tài),而且也會(huì)導(dǎo)致血液的流動(dòng)不暢。受其影響,上臂的三頭肌及三角肌也都會(huì)同時(shí)受到力牽拉的作用,人的肩關(guān)節(jié)也會(huì)一直處于強(qiáng)直狀態(tài),神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)受阻[4]。

      圖5為所設(shè)計(jì)的冷熱可調(diào)護(hù)腕鼠標(biāo)墊的護(hù)腕部位的設(shè)計(jì)圖。如圖所示,鼠標(biāo)墊的突起部位中前部與手接觸的位置設(shè)計(jì)為貼合手的弧狀線條,讓手充分感受護(hù)腕的托起,同時(shí),突起部位的高度為平行仰起15°~30°,以此減緩疲勞。

      4 人性化的溫度設(shè)計(jì)[5]

      4.1 人的冷熱感覺

      在人的皮膚上存在著許多溫點(diǎn)和冷點(diǎn),當(dāng)熱刺激或冷刺激相應(yīng)地作用于它們,就會(huì)產(chǎn)生溫覺和冷覺。如將手放在35℃的水里,最初產(chǎn)生溫覺,浸入幾分鐘后就逐漸感受不到它;又如將手放在50℃以上或10℃以下的水里,就會(huì)出現(xiàn)持續(xù)的溫覺或冷覺,這就是溫度覺的適應(yīng)。一般來(lái)說(shuō),環(huán)境溫度與正常的皮膚溫度相差越大,適應(yīng)所需的時(shí)間越長(zhǎng)。當(dāng)較高的溫度(如45℃)作用于皮膚時(shí),即可產(chǎn)生燙覺;當(dāng)室溫在20℃~25℃時(shí),燙覺閾限范圍約為40℃~46℃。

      圖5 鼠標(biāo)墊護(hù)腕設(shè)計(jì)圖

      4.2 最佳溫度條件

      關(guān)于最佳溫度條件,許多人都做過(guò)實(shí)驗(yàn),研究表明:在舒適的溫度范圍,其有效溫度約為23℃~27℃;而21℃~23℃是稍涼的舒適界限;27℃~29℃是稍熱的舒適界限。比較而言,在13℃以下的人會(huì)感到“不舒服的寒冷”,36℃以上的人會(huì)感到“不舒服的炎熱”,而41℃以上則“難以忍受”。

      4.3 材料的溫度覺

      萬(wàn)得爾海得曾測(cè)得:當(dāng)皮膚接觸物體時(shí),有時(shí)會(huì)產(chǎn)生不愉快的感覺,這是由于接觸的瞬間皮膚溫度迅速下降所致。下降的程度因材料而異。實(shí)驗(yàn)表明,皮膚的觸感并不是單純由材料表面的溫度條件來(lái)決定,材料表面的凹凸也有影響。比如,粗糙的草墊子,比起光滑的材料,觸感要好一些。

      所以,在設(shè)計(jì)鼠標(biāo)墊的可調(diào)節(jié)溫度時(shí),要根據(jù)人的冷熱感覺、最佳溫度條件以及材料的溫度覺來(lái)確定最優(yōu)溫度范圍。

      5 總結(jié)

      (1)半導(dǎo)體制冷制熱護(hù)腕鼠標(biāo)墊集各種功能于一體,冬季使用溫暖,夏季使用涼爽,同時(shí)兼具護(hù)腕的功能,方便用戶的使用。

      (2)護(hù)腕方面,通過(guò)人體工程學(xué)的分析,護(hù)腕區(qū)的高度應(yīng)相對(duì)于手部仰起15°~30°。此時(shí),鼠標(biāo)墊完美適合每一個(gè)手腕,緩解肩部酸痛。

      (3)溫度方面,人體對(duì)溫度的感知又受到環(huán)境溫度,材料溫度等的影響,因此要比所得溫度稍高或稍低1℃~2℃,才是使人體感覺最舒適的溫度。

      [1]唐春輝.半導(dǎo)體制冷——21世紀(jì)的綠色“冷源”[J].半導(dǎo)體技術(shù),2005,30(5):32-34.

      [2]王繼成.產(chǎn)品設(shè)計(jì)中的人機(jī)工程學(xué)[M].北京:化學(xué)工業(yè)出版社,2010.

      [3]劉剛田.人機(jī)工程學(xué)[M].北京:北京大學(xué)出版社,2012.

      [4]吳廷玉,李雄.鼠標(biāo)墊的人機(jī)工程學(xué)設(shè)計(jì)分析[J].科學(xué)之友:中,2012(3):11.

      [5]王鑫,楊西文,楊衛(wèi)波.人體工程學(xué)[M].北京:中國(guó)青年出版社,2012.

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