計(jì)算機(jī)鍵盤(pán)的人機(jī)工程學(xué)設(shè)計(jì)綜述

梁艷霞

（江蘇師范大學(xué) 機(jī)電工程學(xué)院，江蘇 徐州 221116）

計(jì)算機(jī)鍵盤(pán)的人機(jī)工程學(xué)設(shè)計(jì)綜述

梁艷霞

（江蘇師范大學(xué) 機(jī)電工程學(xué)院，江蘇 徐州 221116）

鍵盤(pán)作為計(jì)算機(jī)人機(jī)界面中重要的輸入設(shè)備得到了極為廣泛的應(yīng)用。傳統(tǒng)計(jì)算機(jī)鍵盤(pán)存在的設(shè)計(jì)缺陷導(dǎo)致使用者易患相應(yīng)的職業(yè)病。文中給出了鍵盤(pán)的起源、分類、國(guó)內(nèi)外研究現(xiàn)狀、鍵盤(pán)設(shè)計(jì)的工效學(xué)指標(biāo)及設(shè)計(jì)新趨勢(shì)，以微軟人體工程學(xué)4000鍵盤(pán)為例，分析了鍵盤(pán)設(shè)計(jì)中的人機(jī)工程學(xué)因素。最后指出鍵盤(pán)設(shè)計(jì)的兩個(gè)方向：一是徹底改革，采用一鍵多符或多鍵一符鍵盤(pán)；二是在現(xiàn)有QWERTY鍵盤(pán)基礎(chǔ)上進(jìn)行人性化改進(jìn)。

計(jì)算機(jī)鍵盤(pán)；人機(jī)工程學(xué)；鍵盤(pán)設(shè)計(jì)

0 引言

計(jì)算機(jī)目前已成為人類不可或缺的工具,早在2000年，全球已有超過(guò)25%的人工作日有一半以上的時(shí)間在用計(jì)算機(jī)[1]，近年來(lái)這一數(shù)據(jù)在急劇上升。

隨著計(jì)算機(jī)不斷滲透到工作生活的方方面面，與計(jì)算機(jī)應(yīng)用有關(guān)的職業(yè)疾患在日益上升。其中，與鍵盤(pán)應(yīng)用有關(guān)的肌肉骨骼癥狀高達(dá)76%[2]。目前我國(guó)每年約有7000多萬(wàn)計(jì)算機(jī)操作者由于長(zhǎng)期應(yīng)用長(zhǎng)條形鍵盤(pán)操作而患上了各種疾病。因此，對(duì)鍵盤(pán)的人機(jī)工程學(xué)研究已成為各國(guó)相關(guān)學(xué)科專家研究的一個(gè)重要課題。

1 計(jì)算機(jī)鍵盤(pán)概述

1.1 計(jì)算機(jī)鍵盤(pán)的起源

自1866年第一臺(tái)商用打字機(jī)誕生以來(lái)，鍵盤(pán)一直是以計(jì)算機(jī)為代表的人機(jī)系統(tǒng)的主要輸入設(shè)備。1971年,國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)化組織把一種布局簡(jiǎn)稱為QWERTY的鍵盤(pán)規(guī)定為國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)鍵盤(pán)，成為世界各地廣泛使用的計(jì)算機(jī)輸入設(shè)備[3]，如圖1所示。

1.2 計(jì)算機(jī)鍵盤(pán)的分類[4]

鍵盤(pán)種類繁多，其分類有很多維度，這里主要以鍵盤(pán)編碼為主要維度來(lái)進(jìn)行區(qū)分，根據(jù)按鍵與字符的對(duì)應(yīng)關(guān)系，鍵盤(pán)可分為：①一鍵一符：是指一個(gè)按鍵只對(duì)應(yīng)一個(gè)字符；②一鍵多符：是指一個(gè)按鍵對(duì)應(yīng)多個(gè)字符；③多鍵一符：多鍵一符運(yùn)用了組合鍵的方式實(shí)現(xiàn)一個(gè)字符的輸人，也即人們常說(shuō)的和弦。

2 國(guó)內(nèi)外鍵盤(pán)研究現(xiàn)狀

2.1 國(guó)內(nèi)研究現(xiàn)狀

國(guó)內(nèi)對(duì)于計(jì)算機(jī)鍵盤(pán)的研究成果不是很多，現(xiàn)有的工作主要集中在：針對(duì)當(dāng)前QWERTY鍵盤(pán)存在兩手距離偏近、鍵盤(pán)在側(cè)斷面上呈梯形、按鍵呈水平直線排列、沒(méi)有考慮到手的支撐、按鍵的布置沒(méi)有考慮到使用頻率、鍵盤(pán)設(shè)計(jì)沒(méi)有適應(yīng)網(wǎng)絡(luò)和多媒體急劇發(fā)展的趨勢(shì)等問(wèn)題，根據(jù)人機(jī)工程學(xué)中人的生理和心理特點(diǎn)、動(dòng)作經(jīng)濟(jì)性原則、色彩學(xué)等原理，對(duì)現(xiàn)有鍵盤(pán)進(jìn)行了改進(jìn)性設(shè)計(jì)，著重對(duì)鍵盤(pán)的總體布局和形態(tài)進(jìn)行重新設(shè)計(jì)；對(duì)鍵位布置按照使用頻率進(jìn)行調(diào)整；設(shè)置鍵盤(pán)墊；重新選擇鍵盤(pán)材料和色彩等[5]。

2.2 國(guó)外研究現(xiàn)狀

近年來(lái)，國(guó)外相關(guān)專家對(duì)于鍵盤(pán)的研究主要集中在：

（1）對(duì)肌肉活動(dòng)度方面的研究，如：手腕部支撐對(duì)胳臂和后背肌肉活動(dòng)度的影響；鍵盤(pán)操作中速度和力量對(duì)頸肩部肌肉活動(dòng)度的影響等[6]。

（2）對(duì)標(biāo)準(zhǔn)鍵盤(pán)和人機(jī)工程學(xué)鍵盤(pán)的比較研究，主要有：手腕和前臂姿勢(shì)比較；在擊鍵中的數(shù)字動(dòng)力學(xué)比較；研究培訓(xùn)對(duì)打字效果的影響等[7]。

（3）對(duì)創(chuàng)新鍵盤(pán)的研究如：對(duì)垂直鍵盤(pán)在擊鍵性能、用戶舒適度和肌肉緊張度方面的研究[8]；對(duì)虛擬鍵盤(pán)的研究；對(duì)觸摸式鍵盤(pán)的研究等。

3 鍵盤(pán)設(shè)計(jì)的工效學(xué)指標(biāo)及新趨勢(shì)

3.1 鍵盤(pán)設(shè)計(jì)的工效學(xué)指標(biāo)[9]

任何新型鍵盤(pán)的設(shè)計(jì)和評(píng)價(jià)都是基于以下工效學(xué)指標(biāo)的：①輸入速度；②正確率；③編碼的易學(xué)程度；④空間的要求；⑤雙手肌肉的緊張和勞損程度；⑥心理負(fù)荷；⑦用戶的使用偏好。

以上各指標(biāo)是相互聯(lián)系、相互制約的，不可能設(shè)計(jì)出一個(gè)鍵盤(pán)能同時(shí)充分滿足以上所有指標(biāo)，因此所有新鍵盤(pán)的誕生都是建立在對(duì)上述各指標(biāo)的權(quán)衡基礎(chǔ)之上的。

評(píng)價(jià)一種鍵盤(pán)的優(yōu)劣，主要取決于文本輸入的速度和準(zhǔn)確率，以及使用者的舒適程度。

3.2 鍵盤(pán)設(shè)計(jì)的新趨勢(shì)

在鍵盤(pán)設(shè)計(jì)的最初階段，研究工作主要是改善鍵盤(pán)的機(jī)械結(jié)構(gòu)，以提高它的機(jī)械性能。后來(lái)的工作集中于提高它的輸入速度和準(zhǔn)確性。而近年來(lái)，隨著計(jì)算機(jī)的普及，研究者們?cè)絹?lái)越重視鍵盤(pán)使用者的生理和心理的負(fù)荷，如疲勞度、雙手肌肉的緊張和勞損等。從前述國(guó)內(nèi)外研究狀況也可發(fā)現(xiàn)，目前國(guó)內(nèi)的研究工作重點(diǎn)主要還在第二階段，即提高鍵盤(pán)的輸入速度和準(zhǔn)確性，同時(shí)適當(dāng)考慮到了人的生理心理特點(diǎn)；而國(guó)外的研究已全面進(jìn)入到了最高階段，即研究使用者的生理和心理的負(fù)荷。

有不少研究表明，標(biāo)準(zhǔn)鍵盤(pán)的鍵位布局不符合工效學(xué)中人機(jī)系統(tǒng)高效舒適的設(shè)計(jì)目的，不利于提高信息輸入的效率。由此，工程心理學(xué)家及工效學(xué)家提出了一些用于替代標(biāo)準(zhǔn)鍵盤(pán)進(jìn)行更有效的人機(jī)交流的鍵盤(pán)。典型的有以下幾種：

（1）槽式鍵盤(pán)[10]。槽式鍵盤(pán)是一鍵一符的鍵盤(pán)，標(biāo)準(zhǔn)鍵盤(pán)的所有鍵位行均在同一個(gè)平面上，而槽式鍵盤(pán)將第3行（即ZXCVB行）鍵位與整個(gè)鍵盤(pán)平面成90°排列，整個(gè)鍵盤(pán)外形從側(cè)面看形成一個(gè)槽式，故稱槽式鍵盤(pán)。如圖2所示。其特點(diǎn)有：①基本鍵位布局未作根本性的改動(dòng)；②槽式的設(shè)計(jì)簡(jiǎn)化了從第2行（即ASDFG行）鍵位向第3行鍵位的操作動(dòng)作，有利于提高輸入的速度并減輕手指的負(fù)荷；③各基本行之間的鍵位分布設(shè)計(jì)成一一對(duì)應(yīng)的直線排列，有利于提高盲打輸入的易學(xué)性、準(zhǔn)確性和速度；④在鍵盤(pán)內(nèi)邊緣（靠近操作者一方）設(shè)計(jì)了一個(gè)固定的扶手。

相關(guān)的研究結(jié)果表明：槽式鍵盤(pán)在輸入速度、準(zhǔn)確性、易學(xué)性和減輕操作者的疲勞等方面都優(yōu)于標(biāo)準(zhǔn)鍵盤(pán)。

（2）和弦鍵盤(pán)[8]。和弦鍵盤(pán)是多鍵一符的鍵盤(pán)，輸入一個(gè)信息單元必須同時(shí)按下一個(gè)或幾個(gè)鍵，就象鋼琴演奏和音一樣，所以稱為和弦鍵盤(pán)，如圖3所示。它有以下特點(diǎn)：①體積小，可方便攜帶；②輸入速度高；③易學(xué)性好；④操作靈活：可由單手操作，也可由雙手操作。

由于上述原因，和弦鍵盤(pán)在國(guó)外被認(rèn)為是可以替代標(biāo)準(zhǔn)鍵盤(pán)的最有力工具。

（3）一鍵多符鍵盤(pán)[11]。 一鍵多符鍵盤(pán)的典型應(yīng)用目前主要在手機(jī)、PDA等移動(dòng)終端上。它有以下特點(diǎn)：①空間要求低；②易學(xué)性好；③歧義性高。因此，一鍵多碼鍵盤(pán)設(shè)計(jì)必須解決歧義性的問(wèn)題，一般是通過(guò)計(jì)算機(jī)軟件來(lái)消除歧義性。

（4）人機(jī)工程學(xué)鍵盤(pán)[12]。早在1926年，Klockenberg使用傳統(tǒng)的QWERTY鍵盤(pán)時(shí)，雙手極不自然。于是他將鍵盤(pán)分成左右兩半，設(shè)計(jì)成最初的人機(jī)工程學(xué)鍵盤(pán)（即K鍵盤(pán)），如圖4所示。其特征是在標(biāo)準(zhǔn)鍵盤(pán)上將指法規(guī)定的左手鍵區(qū)和右手鍵區(qū)這兩大板塊左右分開(kāi)，中間以鉸鏈相連，左右手各使用一塊。K鍵盤(pán)的每片都按一定的角度放置，使人不必有意識(shí)地夾緊雙臂，保持一種比較自然的狀態(tài)，手腕自然伸直，操作自然，不易疲勞。實(shí)驗(yàn)表明：K鍵盤(pán)和QWERTY鍵盤(pán)在輸入速度和效率上沒(méi)有差別，但QWERTY鍵盤(pán)的使用者因手腕的疼痛停止輸入，而K鍵盤(pán)的使用者是因不再能集中精力而停止輸入。

4 鍵盤(pán)設(shè)計(jì)實(shí)例——微軟人體工程學(xué)4000鍵盤(pán)[13]

微軟人體工程學(xué)4000鍵盤(pán)是2006年已經(jīng)面世的一款設(shè)計(jì)很人性化的鍵盤(pán)。如圖5所示。該鍵盤(pán)是一鍵一符鍵盤(pán)，其特點(diǎn)主要有：①整體布局與K鍵盤(pán)類似，可以使使用者的手部及腕部處于一種自然的狀態(tài)；②它提供一個(gè)可以支撐于鍵盤(pán)下方的托架，將其安裝以后，從側(cè)面觀看鍵盤(pán)，其上表面處于向前傾斜的狀態(tài)，便于腕部支撐；③下方設(shè)計(jì)有大面積的柔軟質(zhì)地皮革，用戶在操控時(shí)可以將手腕舒適地置于其上，舒適的同時(shí)還能一定程度地增加摩擦力；④鍵盤(pán)上豐富的快捷按鍵還可以通過(guò)驅(qū)動(dòng)程序重新設(shè)置自定義功能，用戶可根據(jù)個(gè)人習(xí)慣將其設(shè)置為習(xí)慣的操作，全面提升操作效率。

5 結(jié)論

從世界上第一臺(tái)計(jì)算機(jī)誕生至今的60多年間，鍵盤(pán)一直是計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的重要輸入設(shè)備。盡管隨著新技術(shù)的快速發(fā)展，近年來(lái)觸覺(jué)和語(yǔ)音等新的輸入技術(shù)得到了很大進(jìn)步，并有試圖替代傳統(tǒng)鍵盤(pán)的趨勢(shì)；同時(shí)鼠標(biāo)及其它非鍵盤(pán)輸入設(shè)備的快速進(jìn)步也在逐步削弱傳統(tǒng)鍵盤(pán)的重要性。但在目前來(lái)看，至少在今后很長(zhǎng)的一段時(shí)間，鍵盤(pán)的作用仍是不可替代的，尤其在大量文本輸入工作中。

如上所述，傳統(tǒng)QWERTY鍵盤(pán)存在諸多人機(jī)工程學(xué)問(wèn)題，因此國(guó)內(nèi)外相關(guān)研究人員相繼提出了一些一鍵一碼鍵盤(pán)的新的布局設(shè)計(jì)。改進(jìn)后的鍵盤(pán)充分考慮了人機(jī)工程學(xué)的原理，更適合于操作者的特點(diǎn)，在實(shí)驗(yàn)室試用中明顯地提高了輸入效率?？墒?，這些經(jīng)過(guò)改進(jìn)的鍵盤(pán)往往難以得到實(shí)際的推廣應(yīng)用。究其原因，最主要的一點(diǎn)是這些鍵盤(pán)的編碼方式和QWERTY鍵盤(pán)沒(méi)有本質(zhì)的差異，而是對(duì)標(biāo)準(zhǔn)鍵盤(pán)的鍵位布局作了根本性的改動(dòng)，而新鍵盤(pán)的學(xué)習(xí)會(huì)干擾打字員費(fèi)了很多努力才掌握的QWERTY鍵盤(pán)的使用技能，自然用戶會(huì)偏好QWERTY鍵盤(pán)，而拒絕接受新式的一鍵一碼鍵盤(pán)。廠商也不愿花費(fèi)財(cái)力去作冒險(xiǎn)的改進(jìn)。Noyes甚至認(rèn)為，新的一鍵一碼鍵盤(pán)設(shè)計(jì)不會(huì)動(dòng)搖QWERTY鍵盤(pán)的地位，任何更有效的鍵盤(pán)布局的開(kāi)發(fā)和設(shè)計(jì)都僅僅是學(xué)術(shù) 行 為[3，9，10]。

因此筆者認(rèn)為，對(duì)傳統(tǒng)QWERTY鍵盤(pán)的改進(jìn)有兩條路可走：要么進(jìn)行徹底的改革，采用與傳統(tǒng)QWERTY鍵盤(pán)學(xué)習(xí)完全不沖突的多鍵一符（如：和弦鍵盤(pán)）或一鍵多符鍵盤(pán)；要么在不改變現(xiàn)有按鍵布局的基礎(chǔ)上，進(jìn)行人機(jī)工程學(xué)方面的一些改進(jìn)設(shè)計(jì)，如上述的微軟人體工程學(xué)4000鍵盤(pán)。

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Research of Computer Keyboard Based Ergonomics

LIANG Yan-Xia
(Jiangsu Normal University,Xuzhou Jiangsu 221116,China)

Keyboard as important computer man-machine input equipment has been widely applied.The design flaws of traditional computer keyboard are causing the user to predispose to corresponding occupational diseases.This paper presents the origin,the classification,the present research situation at home and aboard,the ergonomic indices and the design trends of keyboard.With Microsoft ergonomic 4000 keyboard as an example,the ergonomics factors of keyboard design are analyzed.Finally it is pointed out that the keyboard design in two directions:either the thorough reform,using one or more keys with a character keyboard,either the humanized improvement based on the existing QWERTY Keyboard.

computer keyboard； ergonomics； keyboard design

TB47

A

10.3969/j.issn.1002-6673.2013.03.031

1002－6673 （2013） 03－072－03

2013-02-28

梁艷霞(1973-)，女，山西芮城人，講師，碩士。主要研究方向：人機(jī)工程學(xué)，計(jì)算機(jī)輔助工業(yè)設(shè)計(jì)。