计算机键盘的人因设计

计算机键盘的人因设计
案例介绍
电脑为人们带来快速、精确的计算、方便的管理模式以及便捷的沟通方式。

然而目前市面上多数键盘却未能满足良好的宜人性，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，如重复性施紧伤害、累积性骨骼肌肉损伤等等。

而且键盘上各功能区和按键的布臵不尽合理，导致输入效率低下。

案例目的
1、全面分析计算机键盘设计所涉及的人因问题。

2、联系使用计算机键盘的实际，应用相关人因原理和方法提出计算机键盘设计的改进建议。

3、体会控制器设计相关理论的实际应用。

案例问题
1、结合人因工程学理论，总结键盘设计的基本原则。

2、分析现行键盘设计主要存在的问题和解决方案？
案例分析
1、键盘的设计应尽量使之适应手指动作的要求，减少手腕动作，避免手臂或更高级次的动作。

为提高效率，降低能量消耗，在键盘设计中应当注意以下三个方面的内容：（1）尽量减少手指的转移动作，转移动作中尽量减少列转移；
（2）除拇指外，前四指的击键动作应当是短促的按压动作，而拇指要避免按压动作，其侧向划拨动作效率高而且运用自如，因此键盘设计要考虑各手指键特别是拇指键位置与对应手指动作相适应的问题；
（3）键盘横向排列要与前四指在同一行操作时的自然位置相适应，纵向排列要与手指行转移的自然方向和范围相适应。

2、现行标准键盘的缺点及解决方案主要从以下五个方面分析：
（1）两手距离偏近。

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70～90º，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。

要想真正设计出符合人因工程学的键盘，将键盘做成左右分离式的，如图 1 所示，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姿态。

左右手两基准定位键之间距离约在100～180mm。

实际的设计应该设计成用户可以自由调节间距和位置的形式。

图1 改进之后的键盘平面布局
使用分离键盘且键盘与水平面成18°左右夹角时，有助于减少肌张力，是最舒适的角度，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。

图2 与水平面的夹角
（2）键盘在侧断面上呈梯形，按键在整个纵向方向上也是按照第一行最高依次高度递减的方案布置。

分析手指行偏移的动作就会发现，现今键盘的设计，单凭手指的屈伸运动是无法实现行偏移的，在从下一行按键移动到上一行按键的时候因为各行按键之间的高度差，手指还得借助手腕甚至是整个手臂的动作来实现手指的抬起动作，这和人因工程学中的动作经济性原则相背离。

如果将键盘侧断面设计成内凹圆弧面，使之与手指围绕第二关节屈伸的圆弧相适应，前四指的行偏移动作就可以仅仅依靠围绕第二关节的转动，就可以实现不需要
借助手腕甚至是手臂的动作，这样不仅提高了操作效率而且用户也不会感到疲劳，如图3 所示。

图3 键盘侧断面示意图
（3）按键呈水平直线排列，操作时，手腕向下弯曲并内旋，双手呈正放姿态，同时前臂内旋，处在肌肉强迫状态。

在整个运动过程中上肢近乎直线运动，一直处在高度紧张状态中。

同时导致了与手在自然状态下的运动路线不相符，特别是左手指所操作的各键，其纵向排列方向与左手指自然屈伸运动方向正交。

这样左手操作的主要动作是运腕动作，见图4。

手指灵活运用能力得不到发挥。

这既不符合动作经济原则中尽量使用较低级次动作的要求也不符合人手的生物力学特征，使左手更易疲劳。

解决方案如图 1 所示，键盘上每一行按键的排列按照手指的长短呈弧线型布置。

如A、S、D、F，这几个键的排列跟人的手指正常放置位置相一致。

同时在左手按键纵向排列方向上的布置上，如4、R、F、V 这几个键，手指的动作方向跟手指放置时的自然方向一致。

其它键的排列也是按照这个原则。

这样就很好地解决了左手指自然屈伸运动方向与键纵向排列方向正交以及左手需要运腕动作的问题，能够大大减轻左手的疲劳，提高操作效率。

图4 现行键盘的左手动作
对于财务人员、程序员和进行数值计算的科研人员来说，数字键盘区是使用频率比较高
的区域。

对于他们来说，“=”键经常和数字键一起出现，是使用频率很高的按键，而且在数字键盘区完全有空间能够容纳“=”键，因此可以将“=”键加到数字键盘区。

具体布置方案见图5。

而且为了照顾左手为优势手的游戏用户的需要，数字键盘区应该设计成位置可调式的，它可以被放置到主键盘区的左侧，这样左手为优势手的游戏用户可以很好用左手来控制数字键盘区上复杂的动作按键。

图5 数字键盘区的改进设计
（4）双手小指均负担过重。

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 6 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。

图6 小指负担过重，手外展角太大
根据以上分析，改进设计如图1 所示。

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。

（5）左右手的分工不合理，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。

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Page Up、Page Down、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Unlock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。

（6）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，甚至导致丧失感觉能力等严重的电脑职业病。

为了解决这个问题，腕托的配置是必不可少的（如图3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，托腕的材料最好采用较为柔软的材料。

（7）键盘的设计没有适应网络和多媒体急剧发展的趋势。

电脑的发展使其自身的功能越来
图7 上网和多媒体按键布置
越复杂，特别是网络和多媒体功能在电脑所有功能中所占据的重要性越来越大，但是大多数键盘的设计还没能跟上这一发展趋势，导致用户在使用电脑上网的时候需要经常在鼠标定位、点击和键盘输入之间进行切换，大大降低了操作效率。

在使用多媒体欣赏电脑和音乐时也需要经常动用鼠标或者音箱按钮，很不方便。

因此，可以在键盘上设置上网键和多媒体调节键，将它们设置在键盘纵向最上边的区域的圆弧面顶点，如图3 所示，具体的按键布置如图7 所示。