1、 人机工程学课程设计 题 目 键盘的人机工程学分析与设计 学生姓名 郑平平 学号 1115074008 所在学院 机械工程学院 专业班级 工业设计 2011 级 1101 班 指导教师 王小军 完成地点 陕西理工学院北区 2013 年 12 月 28 日 人机工程课程设计说明书 课 程 设 计 任 务 书 院(系) 机 械 工 程 学 院 专业班级 工业设计 11 学生姓名 李洋 一、课程设计题目 键盘的人机工程学分析与改进设计 二、课程设计工作自_ 2013 _年_ 12 月_ 16 日 起至 2014_年 1 月 08 日 止。 三、课程设计进行地点: 校内 四、课程设计的内容要求： 设计
2、内容设计内容 1、对所研究的产品进行人机工程学分析，包括该产品与人体尺寸的匹配，操 纵或显示 装置的感知、认知分析，操纵机构的宜人性分析，用户视觉感受与使用心理的分 析； 2、在分析的基础上，总结现有该产品存在的问题或不足； 3、针对所存在的问题，提出解决方案； （或进行创新设计） 4、经过分析论证，进行方案的比较、筛选，优化设计方案，并最终确定设计 方案； 5、建立三维模型，制作效果图六视图； 6、绘制标准 CAD 六视图工程图； 7、制作展板，进行效果展示。 设计要求：设计要求： 1、设计说明书 A4 幅面，统一采用计算机打印； 2、设计说明书撰写规范参考陕西理工学院毕业设计（论文） 格式
3、及计要求； 3、所有图纸打印幅面 A4（工程图、设计草图、效果图 6 视图、展板） ，单独装 订成册； 4、设计说明书、图册、所有源文件的刻录光盘一并装入资料带，并填写清单； 5、课程设计题目参见选题表及题目清单，每位同学可从中自行选择其中之一， 或自拟 题目，但必须经过指导教师同意，方可进行； 6、每位同学独立设计，完成所有设计任务。 指 导 教 师 王小军 系(教 研 室) 工业设计教研室 系(教研室)主任签名 批准日期 人机工程课程设计说明书 接受设计任务开始执行日期 2013 年 12 月 15 日 学生签名 郑平平 人机工程课程设计说明书 键盘的人机工程学分析及改进设计 作者：郑平平
4、 （陕理工机械工程学院工业设计 11 级 01 班，陕西 汉中 723003） 指导老师：王小军 摘要：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
5、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。这与当今的人性化 设计主流是格格不入的。 在键盘的设计中运用人机学原理,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。“人的因素”在设计中是不能忽 视的一个重要条件。设计以心理为圆心、生理为半径,用以建立人与物(产品)以及 环境之间和谐关系的方式,最大限度地挖掘人的潜能,综合平衡地使用人的肌能, 保护人体健康,不断地引领人类趋于完善。文中从键盘的平面布局、主键盘区、编 辑定位键盘区和数字辅助键盘区的按键布置以及整体
6、设计等角度出发,在分析传 统键盘的基础上,提出了键盘的改进设计。 关键词：人机工程学 计算机键盘 效率 改进设计 人机工程课程设计说明书 目录 设计任务书 摘要 1、 键盘的调研和市场分析1 1.1 用户对产品的外观要求.1 1.2 用户对产品性能的要求.1 1.3 键盘的设计历史和演变3 1.4 问卷调查5 1.5 调查结果分析及发现问题6 2、 键盘人机分析10 3、 产品定位和市场定位.10 4、 设计方案及方案确定.12 5、 设计图纸.13 5.1 初步的设计图纸.15 5.2 手绘精细尺寸划分.17 5.3 电脑尺寸绘制.18 5.4 产品效果图.19 6、 设计分析.20 5.1
7、 功能分析.21 5.2 人机分析.21 5.3 造型分析.23 7、 设计总结.25 人机工程课程设计说明书 参考文献26 人机工程课程设计说明书 第 1 页 共 32 页 1 .键盘的调研和市场分析 1.1 用户对产品的外观要求 随着互联网的发展和高端技术的进步，现代人的生活与电脑越来 越密切了，无论是工作. 学习还是娱乐，电脑成了人们生活中必不可 少的一部分。电脑周边产品的个性化设计，现代化功能和创新风格如 同一泓清澈的小溪悄悄的流入了人们的学习和生活之中，在个性化的 设计逐渐普及时，各种新型材料的出现把产品的设计向前推向了一个 新的高度。人们在追求简约，个性化的同时更加重视低碳环保。
8、键盘作为日常接触最多的输入设备，究其外观构造来说，目前市 场上台式 PC 电脑的键盘主要采用活动式键盘，键盘作为一个独立的输 入部件，整体呈长方形，有各自的功能区，具有自己的外壳。经过几 个阶段的发展，加之人们的不断研究改造，使得键盘在外形构造方面 不断地趋于符合人体工程学原理，在一定程度上减轻了使用者腕部的 疲劳。 1.2 用户对产品性能的要求 介于电脑的普及人们对电脑的舒适度要求越来越高。 随着笔记 本电脑的兴起，人们对便携性要求越来越高，一种便携型新原理键 盘诞生。 人体工程学键盘是在标准键盘上将指法规定的左手键区和右 手键区这两大板块左右分开，并形成一定角度，使操作者不必有微 软公司命
9、名为自然键盘（Natural Keyboard） ，对于习惯盲打的用 户可以有效的减少左右手键区的误击率，如字母“G”和“H” 。有 人机工程课程设计说明书 第 2 页 共 32 页 的人体工程学键盘还有意加大常用键如空格键和回车键的面积， 在 键盘的下部增加护手托板，给以前悬空手腕以支持点，减少由于手 腕长期悬空导致的疲劳。 现在键盘市场发展的趋势越来越向专业化看齐，并且根据从事的 不同用途，键盘的性能也不一样。比如说游戏玩家基本就是带显示屏 幕的，或是很多快捷键的;而要经常使用的用户，就要配备易水洗的键 盘;还有能发光的键盘，分离式键盘等等。随着经济的发展，消费者对 键盘鼠标产品的需求也将
10、产生进一步的变化：对产品的外形设计、使 用舒适性、 便捷性等方面更加看重;无线键盘鼠标产品以其时尚、 舒适、 便捷的特点得到越来越多的消费者的青睐，市场份额将急剧攀升;一些 特定领域的键盘鼠标产品如笔记本专用键盘鼠标、专为游戏玩家设计 的键盘鼠标等将保持较好的增长。 1.3 键盘的设计历史和演变 键盘非常悠久，早在 1714 年，就开始相继有英、美、法、意、瑞 士等国家的人发明了各种形式的打字机，最早的键盘就是那个时候用 在那些技术还不成熟的打字机上的。直到 1868 年， “打字机之父” 美国人克里斯托夫拉森肖尔斯（Christopher Lathamsholes） 获打字机模型专利并取得经
11、营权经营，又于几年后设计出现代打字机 的实用形式和首次规范了键盘，即现在的“QWERTY”键盘。由于盲打 技术的出现，使得击键速度足以满足日常工作的需要，然而在 60 年后 （1934 年） ，华盛顿一个叫德沃拉克（Dvorak）的人为使左右手能交替 击打更多的单词又发明了一种新的排列方法，这个键盘可缩短训练周 人机工程课程设计说明书 第 3 页 共 32 页 期 1/2 时间，平均速度提高 35%。DVORAK 键盘布局原则是：1、尽量左 右手交替击打，避免单手连击；2、越排击键平均移动距离最小；3、 排在导键位置应是最常用的字母。比 DVORAK 键盘更加合理、高效的是 理连莫尔特(Lil
12、lian Malt)发明的 MALT 键盘。它改变了原本交错的 字键行列，并使拇指得到更多使用、使“后退键” （Backspace）及其 他原本远离键盘中心的键更容易触到。但 MALT 键盘需要特别的硬件才 能安装到电脑上，所以也没有得到广泛应用。 到了 20 世纪中期，键盘又多了一个用武之地作为电脑的基本 输入设备。另一方面，至今， “QWERTY”键盘仍然是使用的最多的键盘 布局方式，这是一个非常典型的“劣势产品战胜优势产品”的例子。 从目前的进展来看，出现了声控输入，手写输入和触摸或点击输 入等几种非键盘输入方式，国外正在研发更先进的脑电波识别与输入 技术。因此，给人一种符合发展规律的思
13、维判断，即将来某一天，键 盘这种输入设备会被更先进的输入设备淘汰，其实这种前景是值得商 榷的。 一款键盘的键位设计包含了两个概念，一是主体的英文和数字键 位设计，二是各种附属键位设计。最通常的英文与数字键位设计方案 就是俗称的“QWERTY”柯蒂键盘。这是 Christ 0pher Latham snoles 于 1868 年发明的键位方案。实际上这样设计的根本原因在于机械式打 字机的结构，其铅字杠杆的结构决定了当两个位置接近的铅字同时按 下的时候就会卡死，但相对的两个相距较远的铅字就不会发生同样的 问题，相信有过英文打字机使用经验的人应该都会有所体会。 人机工程课程设计说明书 第 4 页 共
14、 32 页 介于电脑的普及人们对电脑的舒适度要求越来越高。 随着笔记 本电脑的兴起，人们对便携性要求越来越高，一种便携型新原理键 盘诞生。 人体工程学键盘是在标准键盘上将指法规定的左手键区和 右手键区这两大板块左右分开，并形成一定角度，使操作者不必有 微软公司命名为自然键盘（Natural Keyboard） ，对于习惯盲打的 用户可以有效的减少左右手键区的误击率，如字母“G”和“H” 。 有的人体工程学键盘还有意加大常用键如空格键和回车键的面积， 在键盘的下部增加护手托板，给以前悬空手腕以支持点，减少由于 手腕长期悬空导致的疲劳。 1.4 问卷调研 调研方法 以问卷和网络收集资料为主，问卷方
15、式： 1.网络问卷；2、当面问卷； 3.电话问卷；4、发放问卷。 问卷调查时间：2013 年 12 月 15 日和 16 日 调查地点：某科技市场 对象：学生 工作者 问卷调查表问卷调查表 1. 你平时玩电脑游戏吗？ A 玩 B 不玩 2. 玩游戏的过程中你对你的键盘使用满意吗？ A 满意 B 不满意 人机工程课程设计说明书 第 5 页 共 32 页 3. 你对你现有的键盘有哪方面的改进要求？ A 价格 B 外观 C 手腕舒适度 D 便捷可移动性 E 其它- 4. 你平时玩游戏时是否使用键盘? A 使用 B 不使用 C 不玩游戏 5. 你感觉你的键盘大小怎么样？ A 太大了 B 太小了 C 正
16、合适 6. 对于你现在正在使用的键盘最让你满意的是哪方面？ A 品牌 B 价格 C 质量 D 外观 E 方便 7. 请问您喜欢超薄型键盘设计吗？ A 喜欢 B 不喜欢 8. 如果有机会你是否想拥有一款属于自己的独特键盘？ A 想 B 不在乎 9.请问什么样价位的键盘您比较容易接受？ A 30-60 元 B 60-100 元 C 100-200 D 200 以上 10.请问您是什么职业？ A 学生 B 教师 C 工程工作 D IT 人士 E 其它 谢谢合作! 1.5 调查总结及发现问题 通过抽样调查法对 100 个人进行抽样调查，并通过统计分析， 做出相应的图形表格。便于更加直观的看出大家对键盘
17、的需求。 人机工程课程设计说明书 第 6 页 共 32 页 图 1-1 对于键盘的各方面的需求 大家对键盘的质量要求最高，其次是其品牌和方便性，而对于 价格和外观并不十分在意。 图 1-2 玩游戏时对键盘的使用率 玩游戏时对键盘的使用率的调查发现， 在 80%的游戏爱好者中， 有 56%的人在游戏中需要用到键盘 人机工程课程设计说明书 第 7 页 共 32 页 图 1-3 用户对键盘现有大小的感觉 对现有键盘，大多数人感觉其大小刚好合适，有 20%人认为现 有键盘有点偏大 图 1-4 是否想用超薄型键盘 56%的人不太喜欢用超薄型的键盘， 44%的人想用超薄的键盘设 计 人机工程课程设计说明书
18、 第 8 页 共 32 页 图 1-5 对用户进行现有键盘设计的满意度调查 80%的人认为其现有键盘的键位设计是合理的，仅 20%的人感 觉其现有键盘不合理。 图 1-6 是否想拥有一款属于自己的独立设计的键盘 大多数人希望拥有一款属于自己风格的键盘 人机工程课程设计说明书 第 9 页 共 32 页 图 1-7 对于键盘的价位调查 键盘的价格在 50-100 之间的 56%的人比较容易接受 通过调查发现虽然目前市场上主流的键盘发挥了其应有的作 用，但金无赤足。下面我谈下自己的看法： 一键盘体积稍大，携带不够方便。 二键盘构造单一，不灵便，给拆卸以及清洗带来麻烦。 三虽然现在的键盘解决了一些关于
19、人体工程学的问题，但在使用 过程中，不难发现，手指的不必要弯曲以及腕部悬空还是会给手部 带来疲劳。 2、键盘人机分析 为了方便分析键盘的人机学问题，可以按照键盘的常用性、宜人 性和所用的材料的不同进行分类，依次为：普通标准键盘、新型人机 人机工程课程设计说明书 第 10 页 共 32 页 键盘、硅胶键盘。 普通标准键盘 图 1 普通标准键盘 普通标准键盘共 108 键，所有的按键可分为五个区：打字键区、 功能键区、编辑控制键区、数字小键盘区和特殊功能区。键盘字母排 列方式并不是按照 26 个字母的顺序排列的， 而是一种叫做 “QWERTY” 式的排列方式，这点继承了英文打字机的传统。 “QWE
20、RTY”式的键盘 是一位叫克里斯多夫斯库勒斯的工程师于 1873 年设计的，这样设计 的目的是为了让人们降低打字速度。因为当时的英文打字机的技术不 太过关，打字的速度过快，往往会造成打字机“卡壳” 。后来，大家已 经慢慢习惯了这种排列的键盘，所以现在的计算机键盘也就采用了这 种形式。台式机键帽的按键行程平均为 3.8-4.0 毫米，笔记本电脑键 帽的按键行程平均为 2.50-3.0 毫米，手感舒适。 存在的人机学问题：存在的人机学问题： （1） 、26 个英文字母的排列顺序造成学习困难、记忆困难、操作困 难。无序排列不容易记忆，八个手指下的英文字母并不是最常用的字 人机工程课程设计说明书 第
21、11 页 共 32 页 母。因此从新手到能够熟练操作这种键盘需要花费很多时间和精力。 （2） 、直板键盘造成对腕部的伤害。人操作键盘时最自然的输入姿 势是身体直立，两只前臂抬起成八字，这是两个腕部成 V 形，长时间 使用直板式键盘就会伤害腕部肌肉。 （3） 、字母键的直线排列使手指处在不同的弯曲和伸展状态（非自 然的弯曲状态） ，不但影响打字效率，而且长时间击打键盘会使手指畸 形发展。 （4） 、键盘表面缺少弹性，触感较差。普通键盘选用的材料是硬质 塑料，表面硬度过大，缺少弹性，触感较差。 （5） 、按键声音过大。按键声音的产生和单键的架构方式有关。 （6） 、键盘功能有待扩展。为了方便操作，
22、可以扩展键盘本身的功 能，比如音量控制、上网、接收邮件等方面。 3.产品定位和市场定位 目前来看，如今的电脑键盘都是在产品质量与外形方面进行提高， 从整体的发展上分析，目前还没有脱离传统输入设备的可能，由于功 能要素的局限，整体来看台式电脑的产品依然是发展的重点，各个知 名品牌也在努力研究更符合人体力学、减少手腕疲劳度的键盘产品。 介于电脑的普及人们对电脑的舒适度要求越来越高。 随着笔记本电 脑的兴起，人们对便携性要求越来越高，一种便携型新原理键盘诞 生人体工程学键盘。 人机工程课程设计说明书 第 12 页 共 32 页 使用计算机和打字机都需要进行键盘操作， 目前工作人员长时 间从事键盘操作
23、往往产生手腕、手臂、肩背的疲劳，影响工作和休 息。从人体工程学的角度看，要想提高作业效率及能持久地操作， 操作者应能采用舒适、自然的作业姿势，工作人员因现有的键盘操 作条件而采用不正常的姿势，是导致身体疲劳的主要原因。因为在 目前的工作台上操作键盘，如果工作人员手腕放在台面上，由于键 盘的键面高于工作台面，必然要让腕部上翘，时间一长会引起腕关 节疼痛； 而悬腕或悬肘的操作虽然较为灵活， 但由于手部缺乏支撑， 手臂或肩背的肌肉不得不保持紧张，故不能持久，也易疲劳。对这 个问题，人体工程学现有的研究结论是“键盘自台面至中间一行键 的高度应尽量降低”。键盘前沿厚度超过 50mm 就会引起腕部过分 上
24、翘，从而加重手部负荷。此厚度最好保持在 30mm 左右，必要时 可加掌垫。 即通过减薄键盘本身的厚度和在键盘前增加手部的支撑 件来解决。键盘可减薄的程度是有限的。中间分离的键盘可以使使 用者的手部及腕部较为放松，处于一种自然的状态。这样可以防止 并有效减轻腕部肌肉的劳损。 这种键盘的键处于一种对使用者而言 舒适的角度。 人机工程课程设计说明书 第 13 页 共 32 页 图 2-1 市场上常见的键盘类型 4.设计方案及方案的确定 根据传统键盘的三大不足，各个击破，定出解决方案。 传统键盘会迫使你的手指在触及按键的时候向外侧弯曲，会对手 腕肌腱和腱鞘产生接触压力， 使人们在重复击键时对手腕产生伤
25、害 （图 人机工程课程设计说明书 第 14 页 共 32 页 3-1） 。并且大多数键盘的数字键小键盘都在手的右侧这对“左撇子” 用户来说是很不方便的。 图 3-1 手腕的侧弯和上弯 因此，根据人因工程学原理，调整键盘的手腕侧弯角度，设计一 款“C”键盘，将键盘向内弯曲 5 度角，这样人在击键时手腕处于顺直 状态，自然放置，避免对手腕肌腱的伤害。同时根据平时左右手的打 字分工（图 3-2） ，将键盘设计成可分割的三部分，左手，右手，还有 最右边的数字小键盘。这样使用者就可以根据自己的打字习惯，随意 的放置键盘的方向和顺序（图 3-3） 。这种宜人的设计，使用户在使用 键盘时，更舒适自如，提高工
26、作学习的效率。 图 3-2 键盘的左右手分割点 图 3-3 改良后的键盘设计 5.设计图纸 人机工程课程设计说明书 第 15 页 共 32 页 5.1.画出初步的设计图纸 图 5-1 符合手腕曲度的键盘外观 图 5-2 方案整体图和局部图 人机工程课程设计说明书 第 16 页 共 32 页 图5-3 局部部件图 人机工程课程设计说明书 第 17 页 共 32 页 5.2. 手绘精细尺寸划分 图5-4 左手键盘的尺寸设计 图5-5 最右边小键盘及数字键的尺寸 人机工程课程设计说明书 第 18 页 共 32 页 图5-6 右手键盘的尺寸设计 5.3. 电脑绘制尺寸图 图5-7 整体尺寸图 人机工程
27、课程设计说明书 第 19 页 共 32 页 5.4. 产品效果图 图5-8 三部分可随意组装 图5-9 任意两个组装使用 人机工程课程设计说明书 第 20 页 共 32 页 图5-10 三个一起使用 图5-11 产品效果图 人机工程课程设计说明书 第 21 页 共 32 页 6.设计分析 6.1 功能分析 （1）.这款“C”键盘设计，能更好地满足人们工作，学习和娱乐， 它的便捷拆装性使其拥有更大得适用人群，对于习惯左手操作的用户， 以及游戏爱好者可以完全满足他们的操作，他们可以随心所欲选择键 盘的摆放位置，也可以单独使用某一块，或者多块，可以自由组合， 比如某一炫舞爱好者，在玩炫舞这款游戏时，
28、可以选择只用到左手键 和最右边小键盘。而对于“左撇子“用户则可以将小键盘放置左手边， 便于操作。 （2）.这款“C”键盘设计，左右键的梯形设计，使键盘整体趋势 向外侧弯曲 10 度，这就减少了手腕工作的压力，更好的提高了工作， 学习，娱乐的效率。 （3）.这款“C”键盘设计，便于拆迁，携带，清洗。同时这对于 几个人同时使用一个电脑尤为使用（图 5-1） 。 图 6-1 可拆卸便于对人使用 6.2 人机分析 （1）.传统键盘会迫使你的手指在触及按键的时候向外侧弯曲， 会对手腕肌腱和腱鞘产生接触压力，使人们在重复击键时对手腕产生 伤害（图 5-2） ，从而降低工作的效率。而这款“C”键盘设计，改善
29、手 人机工程课程设计说明书 第 22 页 共 32 页 腕的姿势，减缓手腕疲劳，提高工作效率（图 5-3） 。 图 6-2 图 6-3 （2）. 键盘的尺寸和键与键之间的距离应该适合大多数的用户。 总的来说，两个键的中心之间的水平方向上的距离应该在 0.71-0.75 英寸 （18-19 mm） 之间， 垂直方向上的距离应该在 0.71-0.82 英寸 （18-21 mm）之间，这样更符合人的手指操作（图 5-4） 。 图 6-4 人机工程课程设计说明书 第 23 页 共 32 页 （3）.对于多人共同使用一台电脑时，这款“C”键盘设计的可拆 迁和随意放置功能，满足大家的需求。同时右边数字键盘
30、的可拆装性， 同时解决了“左撇子”的操作苦恼， “C”键盘便于随心拆装，让你的 操作过程随心所欲，尽享操作的娱乐（图 5-5)。 图6-5 “C”键盘可以根据用户的偏好定制位置 6.3 造型分析 这款“S”键盘设计，造型美观大方，外观材料为 PVC，颜色多样， 可以根据自身需要，选择自己喜欢的颜色。整体外观成“S”字型，打 破传统键盘一贯的直线型设计，给人更好的视觉体验（图 5-6） 。同时， 每一块可以独立使用，也可以自行两两组合，小巧灵便。 人机工程课程设计说明书 第 24 页 共 32 页 图 6-6 人机工程课程设计说明书 第 25 页 共 32 页 7.设计总结 这款“C”键盘设计，
31、打破传统键盘的平板构架，将键盘分割， 用户可能需要一点时间来适应这些设备，但是根据这款设计的功能， 造型，以及人机原理分析，相信您经过切身体验，会喜欢上这款设计 的。 人机工程课程设计说明书 第 26 页 共 32 页 参 考 文 献 1丁玉兰 人机工程学M.北京：北京理工大学出版社.2005. 2阮宝湘.工业设计人机工程M.北京：机械出版社.2005. 3周美玉.工业设计应用人类工程学M.北京：中国轻工业出版社.2001. 4翟风奎.I-DEAS 机械设计M.北京：机械工业出版社.2004. 5阮宝湘.人机工程学课程设计M.北京：机械工业出版社.2005. 6程能林.工业设计手册M.北京：化学工业出版社.2008. 7赵江洪.人机工程学M.北京：高等教育出版社.2006 8周建.PS 图像处理M.北京:清华大学出版社.2006. 9刘宝顺.产品结构设计M.北京:中国建筑工业出版社.2005. 10亢洁.AutoCAD2008 中文版M.北京：电子工业出版社.2007.
