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《人机工程学》课程论文
新疆工程学院
论文题目：计算机键盘的人机工程学分析 专 业：矿山机电 班 级：12-9 姓 名：成永虎 学 号：2011252951 指导教师：金 葵
日 期：2014年5月 22 日
计算机键盘的人机工程学分析
摘要：本论文运用人机工程学原理展开对计算机键盘的分析。从键盘存在的问题及解决方案、键盘的的平面布局和键盘的整体规划对键盘进行了全面分析。是人们进一步了解键盘，既将大大提高用户的操作效率并保证他们的健康、舒适。
关键词：人机工程学；键盘；解决方案；整体规划
前言
电脑已经成为人类不可或缺的工具,它带来了快速的运算、精确的计算以及方便的管理模式。伴随着IT技术的飞速发展,电脑的更新换代速度非常之快,键盘作为人机交互的输入设备也在不断地推陈出新。然而目前市面上多数台式电脑键盘却未能满足良好的宜人性。在人类越来越依赖于电脑的今天,许多电脑症候群也随之而来。长时间地使用键盘容易造成双手肌肉的紧张,严重的甚至造成使用者肌体上的劳累损伤,其症状包含因使用键盘造成的手腕神经压迫、坐姿不良引起的脊椎神经伤害以及颈部和腰部、累积性骨骼肌肉损伤，重复某一动作而形成强迫性体位,以致身体相应部位处于持续的紧张状态而导致的局部神经。在键盘的中运用人机学原理,结合手的解剖学特点、坐姿生理学等学科知识以及视觉显示终端作业岗位的人机界面设计原则,使人机环境系统相协调,为使用者创造安全、舒适、健康、高效的工作条件。目前键盘存在的问题和解决方案
根据图1键盘在生活中的使用及实验研究发现目前标准键盘的缺点主要表现以下几点
图1 1.1 两手距离偏近及其解决方式
当双手放置在基准键位时, 食指间距约45mm, 与自然姿态相比, 容易导致前臂内旋、两肘两肩内收、屈前臂肌紧张, 短时间内就可造成肩颈部酸痛, 以至影响整个输入过程的正常进行。
手—键盘界面最自然的姿势为上臂从肩关节自然下垂,与前臂之间夹角70～90°,以保证作业时肘关节受力而不是上臂肌肉受力;还应保持手和前臂呈一直线,腕部向上不得超过20°,腕外展不超过15;双手向内相向交叉成60～70°, 两手掌间距约100～280mm。
目前键盘的理论和实践上的改进设计绝大多数都没有很好地重视这个问题多带来的负面影响。要想真正设计出符合人因工程学的键盘, 必须在这一点上作出突破,将键盘做成左右分离式的,将键盘左右手所操作的部分分离,使用户在操作的时候上肢保持为自然的态。使用分离键盘且键盘与水平面成20°夹角时,有助于减少肌张力;即使夹角为13°,仍能显著降低肌肉负荷。1990 年,Thompson 等人的实验表明18°夹角是最舒适的角度。因此分离式键盘与水平面之间的夹角应该控制在18°左右, 如图2 所示,同时应该做成可调式的,用户可以根据自己的喜好自由的进行调节。用户双手置于这种跟水平面成一定夹角的键盘上时, 手处于最自然的状态,避免了手腕的屈伸以及手的桡偏和尺偏,同时大拇指的动作不再是按压动作, 而是侧向的划拨动作,大大提高了大拇指的动作效率。而且因为前四指的长度不同, 键盘的水平方向可以设计成内凹圆弧面, 使之与手指摆放时的自然位置相适应。
1.2 双手小指均负担过重及其解决方式
小指力度最弱, 空间方位的判断能力差, 按标准操作法使用现行标准键盘, 左手小指负担10 个键的操作, 右手小指负担的键达15 个之多,是十个手指中负担键数最多的。由于小指作业往往造成整个手的外展角增大, 特别是敲击下缘或边缘键时, 外展角最大, 手向外运腕达到极限甚需要移动前臂, 如图1 所示。这就造成击键速度慢, 出错率高, 难以盲目定位, 易于疲劳等不良后果。特别是很多使用频率和重要性都很高的键例如Back Space 键被设计在远离J 键的角落, 使用者在进行文本输入时经常误按成其邻近的键。在击键时右手被迫腾起,食指离开基准键位。而在实际的作业过程中,Back Space 键的使用频率比回车键要高4 倍以上, 这导致了敲击速度和正确率大大下降。同样, Enter 键的敲击也需要右手食指离开J 键, 否则敲击成功率极低。Delete 键的设计偏离J 键更远。与此同时拇指的作用被忽视了。实际上拇指的力度、空问方位的判断能力、活动速度都是可以信赖的, 而且位置居中, 动作范围大, 单独动作能力强, 发挥拇指的作用是减少小指压力的重要思路。此外, 空格键的键长太大, 浪费了键盘上宝贵的空间。
改进方式，分离之后的键盘Space 键保持在原来位置, 使用频率极高的Back Space键和Delete 键根据其使用频率差异分别放置到Space 键的旁边, Enter 键则放置到左右手大拇指很容易控制到的Space 键的下方区域。Insert 键则调整到右手小指比较容易控制的地方。这样就很好的解决了以上的问题。此外右手所控制的Shift 键使用频率较高而且需要与其它键同时按压, 但是它偏离小指较远, 改进设计之后将其与“/”进行了调换。同样的道理, 将Ctrl 键调换到离小指较近的地方。
1.3 左右手的分工不合理及其解决方式
一般情况下右手基本上需要包揽主键盘区中线以右的敲击任务,约占整个键盘的2/3。编辑与定位键盘区占据了宝贵的键盘空间, 迫使右手需要频繁的离开基准键位对这个区域进行操作。当需要在主键盘区和数字辅助键盘区之间进行切换时, 右手需要跨过此区域, 跨越距离加长。
以上种种原因导致右手操作效率低下。可以通过取消这个编辑与定位键盘区, 将这个区域的按键分散到其它区域的方法很好地解决这个问题。因为左手控制的按键相对较少, 离开基准键位的机率相对较少。所以可以将PageUp、PageDown、Home 和End 这四个键放置到左手食指控制区域, 如图1 所示。因为在数字键盘区当NumLock 灯为熄灭状态时同样可以实现上下左右四个方向键的功能, 所以可以将上下左右四个方向键调整到右手主键盘区的下方。这样右手在控制这几个键时只需要在纵向方向上移动即可。整个右手在水平方向上的移动频率和距离也会大大减少, 提高了操作的准确度和效率。
1.4 操作键盘易疲劳及其解决方式
现行标准键盘的设计, 没有考虑到手的支撑点问题, 使人手在操作时常常处于悬腕状态, 整个手臂都处于紧张状态, 这是产生疲劳和误操作等现象的主要原因。如果长期或者频繁操作这种键盘, 就会造成腕腱组织劳损, 甚至导致忍受丧失感觉能力等严重的电脑职业病。
图2 为了解决这个问题, 腕托的配置是必不可少的(如图2所示), 虽然市场上有一部分键盘已经配置了腕托, 但是还有很多键盘并没有配置。而且, 市场上的腕托大多数都是塑料制品, 柔软程度不够。在腕部有2～3cm长的腕部通道, 丰富的血管、肌腱和神经都要从腕部通道穿过, 坚硬的支撑物与手腕的压迫和摩擦以及手腕在敲击键盘时的频繁动作容易导致手腕神经损伤从而产生腕部通道症候群以及肌腱炎等病症。因此腕托的材料最好采用较为柔软的材料。键盘的平面布局分析
现在普遍使用的台式计算机键盘为1971年国际标准化组织认证的国际标准键盘QWERTY键盘,由主键盘区、F键功能键盘区、编辑与定位键盘区和数字辅助键盘区组成。普通QWERTY键盘的主键盘区、编辑与定位键盘区和数字辅助键盘区的布局。许多键盘加大回车键的尺寸来方便敲击,却忽略了BackSpace键,将其放置在键盘主键区最右上角,该键键帽大小也只有12mm×14mm。由于Back Space键被设计在远离J 键的角落,使用者在进行文本输入时经常误按成其邻近的键。在击键时右手被迫腾起,食指离开基准键位。这导致了敲击速度和正确率大大下降。而在实际的作业过程中,Back Space键的使用频率比回车键要高4倍以上。所以此键的改进设计是一个重点。传统键盘的编辑与定位键区设计在键盘中部偏右位置。右手在操作鼠标时若要按这些键,要么右手放下鼠标操作后又返回点击鼠标,要么左手伸到键盘右部来进行此操作。这使得操作起来极不方便。左右手的分工也不尽合理,一般情况下右手基本上需要“包揽”主键盘区中线以右的敲击任务,约占整个键盘的2/3。而且此键区也没有一个起定位作用的基准键位,操作时几乎无法实现盲打。另外键位排列不够科学,定位键与编辑键的配合脱节,定位键与定位键之间的配合也不方便。
数字辅助键盘区提供给专门数字录入人员极大的操作方便性,却忽视了“ = ”键。用户在编写程序或进行计算时,习惯将“ = ”键与“ + ”、“”键,在原来“25 [2] 严扬.人机工程学设计应用[M ].北京: 中国轻工业出版社,2000 [3] 丁玉兰.人机工程学[M ].修订版.北京:北京理工大学出版社,2002 [4] 赵英新,陈淑,景璟.人机工程键盘的设计与研究[ J ].山东工业大学学报, 2001, 31(5):433–440 [5] 吴小勇.键盘操作板的人机工程学设计和分析[J ].人类工效学,1998 ,4(1):58260.[6] 杨明朗,袁桃.基于人机工程学的键盘设计[J].包装工程,2005,5.[7] 赵英新,陈淑,景璟.人机工程键盘的设计与研究[J].山东工业大学学报,2001,5.[8] 宿芳,张智君.键盘操作的工效学研究回顾[J].应用心理学,2003,3.[9] 郝玉哲.人机工程型键盘[J].中国安全科学学报,1995,6.
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