陈思嘉 方晨宇 周子涛
谭迪熬 中国发明协会院士专家咨询工作委员会首任专家，中国发明协会中小学创造教育分会会长，科技创新教育特级教师，教育部国培计划专家库专家。
鼠标是一种常用的计算机输入设备，它可以对当前屏幕上的光标进行定位，并通过按键和滚轮装置对光标经过位置的屏幕元素进行操作。
传统鼠标受其形状限制，使用者需长时间以手部水平姿态抬腕进行操作，易造成腕管压力增加，导致“鼠标手”、腕管综合征等疾病。如果能将鼠标的操作方式由二维平面改为三维立体，使人体手部能自然摆放，防止手部大幅度翻转，就能减小对手腕和腕管的压力。
一、项目分工
陈思嘉主要负责作品整体测试与数据分析，方晨宇主要负责3D外观设计与项目背景调查，周子涛负责电路部分的调试与实现。
二、研究过程
（一）结构构成
运动感知鼠标由运动感知单元、无线信号控制及发射设备、USB无线信号接收单元三部分组成。
运动感知单元由集成化运动感知芯片ADXL-345和Mpu-6000（6050）组成。无线信号控制及发射设备由控制模块（Arduino Nano）、无线通信单元（HC-05主从一体蓝牙模块）和电源管理模块组成。USB无线信号接收单元由无线通信模块和CH9329模拟鼠标模块组成。
（二）工作原理
首先，芯片ADXL-345和Mpu-6000分别采集鼠标在初始状态的运动信息，感知运动方向和姿态，传送信号至单片机，单片机根据相应算法，判断鼠标的三维位置和位移方式等，由蓝牙模块发送相关数据至USB无线信号接收设备。该设备根据通信协议，实现感知的运动方式向鼠标动作的转换，再根据协议编码，通过USB接口完成与计算机的交互通信。
两部分协同工作，完成通过感知运动方式实现控制计算机鼠标指针的功能。动作命令设计为：向前、向后、向左、向右倾斜，分别对应光标上、下、左、右移动；
向左水平挥动2下，实现单击功能；
向左水平挥动3下，实现双击功能；
向右水平挥动2下，实现右击功能。
（三）程序设计
本项目程序设计的核心是通过Arduino Nano处理运动感知单元感知的不同运动姿态，并控制通信单元，实现无线传输。
在实际设计的过程中，需额外考虑按键中断程序与数据发送中断程序。在程序中插入通信模块状态检查指令，若模块处于非工作状态，则数据处理程序运行完毕之后，CPU再返回暂停处，继续执行原来的程序。
（四）硬件设计
整体采用3D设计、3D打印的制作方式，初步将运动感知鼠标的外观设计为人手造型，数据接收装置为长方形。
三、项目测试
主要完成光标的移动控制、单击功能、双击功能和右击功能的性能测试。在所有的测试过程中，计算机的鼠标参数保持不变。
（一）光标的移动控制性能
1.装置倾斜角度与光标移动速度的关系
在电脑屏幕上确定相距10 cm的两点A、B，装置在AB直线方向上分别倾斜15°、30°、45°、60°、75°，观察装置倾斜角度与光标移动速度之间的关系。每个倾斜角度每组测试10次，完成10组测试后求平均值，每组测试间隔5分钟。
测试结果表明，光标在装置倾斜角度为45°～75°时，往任意方向移动的速度较稳定。以常见电脑屏幕大小为例，电脑屏幕对角线长度约304.8毫米，按照鼠标移动速度计算，跨越屏幕对角线的时间为7.1～7.6秒，远低于普通鼠标正常的移动速度。
排除实验时实验员的人为因素以及实验时需要平稳观测光标移动而故意减缓速度的因素，鼠标移动速度仍然较慢。
2.光标移动时装置突然反向倾斜时光标的反应时间
装置向某个方向倾斜45°～75°，光标运动1 s后，装置突然反向倾斜45°～75°，观察装置反向与光标开始反向运动之间的时间差。每组每个反向倾斜有效动作测试10次，完成10组测试后求平均值，每组间隔5分钟。
测试结果表明，光标在任意角度下的反应时间为290毫秒～460毫秒，而人眼平均延迟为24毫秒，光标會出现较明显的延迟现象。
（二）鼠标单击功能性能
在桌面新建一个文件夹，预先打开这个文件夹，将光标移动到关闭该文件夹的按钮上。手持本装置，保持水平，向左挥动2下，观察文件夹是否被关闭，记录文件夹被正常关闭的次数。每组测试10次，做10组，每组间隔5分钟。
测试结果表明，鼠标单击命令平均成功率为96%。
（三）鼠标双击功能性能
在桌面新建一个文件夹，预先将光标移动到该文件夹上。手持本装置保持水平状态，向左挥动3下，观察文件夹是否被打开，记录文件夹被正常打开的次数。每组测试10次，做10组，每组间隔5分钟。
测试结果表明，鼠标双击命令平均成功率为92%。
四、创新点
（一）本项目提出、设计并初步实现了一种新型人体工程学体感控制鼠标的设计和制作方案，并验证了其可行性。
（二）通过三维运动感知控制计算机的光标，避免了传统鼠标因不符合人体工程学导致的长时间使用对手部健康产生的危害。
（三）本产品允许使用者在三维立体空间操作鼠标，摆脱了传统鼠标对使用条件的限制，拓展了鼠标的可操作空间。
五、展望与反思
（一）本项目设计并制作的鼠标仅为实验性质的产品，尚未考虑用户的体验感。在设计上更偏向于实验性质，整体体积较传统鼠标偏大，不便于用户使用。下一步将致力于缩小鼠标体积，优化传感器布局，使其更贴合人体手部，使用更舒适。
（二）产品单体价格过高。在实验中使用的各类传感器存在功能上的冗余现象，产品整体采用3D打印技术，制作工序较长，成本高，有悖于经济性。下一步的改良方向是追求产品的经济性，寻找更加贴合产品需求的传感器，改进制造工艺，缩短制造工序，减少成本。
（三）软件程序设计存在一定的问题，仍需进一步完善。产品在控制延迟上仍存在一定的问题，系统对手势命令的处理速度较慢，需要一定的反应时间，整体程序步骤缺乏简洁性。
下一步的设计重心将放在如何改进并优化手势处理算法，同时引入并训练手势命令预测程序，在使用者发出命令之前预测其可能做出的手势指令，从而弥补因无线传输和处理手势命令造成的延时。
专家点评
陈思嘉、方晨宇、周子涛同学的运动感知鼠标，从选题方式上分析，属于老题新做的改进型发明项目。这是因为类似的专利项目，如“一种结合识别运动轨迹感知鼠标动作的方法”于2010年6月就已公开。
然而，几位同学通过观察和调查发现，由于工作等需要，人们使用计算机频率高，鼠标操作频繁，长时间使用鼠标易导致“鼠标手”，压迫血管和神经，造成供血不足，从而引起手指出现刺痛、发麻的症状，不利于身体健康。虽然有了相关专利，但市场上还未出现相应的 产品，于是主动进行了新的尝试。其整个装置的核心是运动感知单元。经过多次试验，他们在几款感知运动方向的传感器中选择了体积小、功耗低、分辨率精度高的ADXL-345集成化运动感知芯片，使这种鼠标可以凌空操作，无需任何按键，通过姿态识别实现所有功能。
这个项目最突出的特点是体现了同学们的合作意识与协作攻关的能力。新时代，我们青少年的集体科创项目，就是要走向合作共赢、创新成长的新境界。
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