鼠标键盘人体工程设计产品的现状与分析

工业083 鼠标、键盘人体工程设计产品的现状与分析课程名称：人机工程实验所属院系：管理学院工业工程系指导教师：邓 华在第二次世界大战之后，人体工程学就已经作为独立的学科开始发展，在设计、环境、军事等诸多领域都有广泛的应用，可以说，只要是有人机交流的地方就有人体工学的应用，而键盘鼠标外设的人体工学也已经成长了多年。键鼠产品已经发展了几十年，作为电脑桌面上使用频率最高的输入工具，同时也是人机交流的最重要工具，它的性能好坏直接决定了我们工作效率的高低。随着技术的发展，我们从最原始的机械鼠标到激光鼠标，从有线鼠标到无线鼠标，从功能简单的机械键盘到功能丰富的多媒体键盘，我们已经突破了技术瓶颈。鼠标键盘是人和计算机交互的一个主要界面，它同时集成了光标的移动和计算机的操作的功能，轻松的运动和多功能的按键使鼠标领先于其他各种定位设备，可以说鼠标键盘是我们日常生活中操作电脑的一个最常用的工具，因此设计具有人机工程学特点的鼠标是十分有意义的。鼠标的人机工程学设计，主要就是鼠标的造型设计。而要研究这个问题首先要研究人手 图一：人手的结构鼠标设计现状分析人手的结构中，与鼠标相关的部分向上包括前臂，而向下则有手腕、手掌、手指等结构。前臂内部包括尺骨、桡骨等主要的骨骼人就是依靠这两根骨头的交错来完成手腕的旋转的。而手腕结构中主要是一快腕骨，它的转动使得人的手腕可以仰俯。而人的手掌则主要由两组肌肉组成，一个是拇指屈肌和外展肌组成的肌群，一个是小指屈肌及展肌组成的肌群，在两个肌群指间有一条沟壑。对于不同的人，这条沟的深度和宽度是不同的。而这条沟内部，则是人手主要神经和血管所走的地方。手指的结构则相对比较简单，每个手指包括三个指节，并在一定范围内可以作横向的展开。对于手腕结构来说，多次的试验证明，当人的手腕呈“仰起”状态时，则“仰起”的夹角在15 度30 度之间的时候，是最舒适的状态，超出这个范围，会导致前臂肌肉处于拉伸状态，而且也会导致血流的不畅。对于手掌来说，其最自然的形态就是半握拳状态。而鼠标的造型设计，实际上就是要尽量贴合这个形态。对鼠标的设计原则，可以归结为以下三点：1、要使鼠标外壳紧密贴紧人手掌的两个主要肌群拇指肌群和小指肌群。使它们能够贴紧而又不受压迫。受压迫会导致手掌处于疲劳状态，而贴不紧又有握不住的感觉。2、要使鼠标外壳紧贴掌弓而又不压迫它。也就是鼠标外壳要贴紧手掌中间的那条“沟”。如果它不能贴紧，那么手心就会有“悬空”的感觉，而如果压迫了它，因为下面是手主要动脉和神经的必经之地，时间长了以后会导致手缺氧。3、鼠标的最高点应该位于手心而不是后部的掌浅动脉弓，否则会造成手掌产生压迫感。对于手指，手指的自然形态应该是五个手指都不悬空，而且处于呈150 度左右的自然伸展状态。而对于鼠标设计来说，手指部分的一个特别要求，就是当手指自然伸展时，第三指节的指肚应该正好处于鼠标按键的微动开关上，这样才能获得最佳的按键手感。符合人因工程学的设计并不是适合每个人，这一点上在鼠标的设计中尤为明显。有很多号称符合人因工程学的鼠标用起来并不是很舒服，主要原因在于这些鼠标设计的时候是以欧美人士作为基准的，而这个基准对于亚洲人来说显得过大了。据美国一家权威数据调查公司的数据统计， 欧美人士的手掌心平均要比亚洲人的手掌心深1-2CM，而且手要长3-4CM。下面就是一张标准体型的亚洲人（174CM）和低于标准体型的欧美人士手（178CM） 图二：左边为亚洲人手掌，右边为欧美人手掌可以从图上看出很明显的差别：首先，亚洲人的手掌偏窄，其次手的长度也偏小，再者手掌中央的“沟”也偏浅。 图三 175CM 亚洲人手握欧美国家的品牌鼠标另外，由于亚洲人的手普遍要比欧美人士短几个公分，所以在亚洲人握欧美人士的大鼠时，其鼠标的最弓背处刚好处于手掌心的靠后部分，并且手部的受力集中于手掌心稍后侧的掌浅动脉弓。如果动脉受压过久，时间长了会产生麻木酸痛的感觉，并使手指缺氧产生疲劳感。另外，如果手处于强迫状态，其手指的灵活度也将受到很大的影响，这在玩游戏时体会更明显。由上面的分析可以看出，主要针对欧美标准而设计的鼠标具有个头特别大，后背非常弓的特点，而这两点对亚洲人来说是一个极为不合理的设计。 图四：175CM 亚洲人手握欧美国家的品牌鼠标一些著名的鼠标品牌主要是以欧美人士作为基准，设计出来的鼠标个头都特别大，并且后背都非常弓，因为如果鼠标后背太平，欧美人士的人握上去之后，手掌心就会有悬空的感觉。由于鼠标较大的原因，手腕的腕关节被迫抬高，使手背与桌面的夹角大于了30 度 ，腕关节部位及手的前臂部位的伸肌群都处于强直的受力状态，受前臂肌群力的影响，上臂的肱三头肌及肱三角肌也都会同时受到力牵拉的作用，这样一来，人的肩关节也会一直处于强直状态。在这种状况下用鼠标，时间长了很容易出现腕关节及肩部酸胀的症状，从而极易产生疲劳感。图五 图六：专门为亚洲人设计的鼠标专门为亚洲人设计的鼠标外形设计方面较之欧美的鼠标稍微要小一点，并且流线造型的弧度也要平缓一些，针对于亚洲人手的特点，这款鼠的后背夹角设计成为150 度左右，这种设计使亚洲人的手握在鼠标上后使手背同桌面呈现15-30 度夹角，而使腕关节及肩关节的都呈自然放松状，同时手握鼠标的受力点恰好位于手心稍靠掌指关节处，从而避开了位于掌心靠后侧的掌浅动脉弓。这样，不仅手指在点击按键时会非常灵活自如，并且长时间的使用也不会轻易疲劳。人们在使用鼠标时，总是频繁地使用食指，手腕支撑面积较小，肌肉处于紧张状态，受力较大且手指受力不均匀，这种单调而轻微的动作，易于使经常使用鼠标的人感到疲劳鼠标的重量影响使用者的舒适程度，一般80-110克之间为宜。太重的话，手腕负载的压力过大；太轻的话，筋肉的紧张程度偏大，光标定位的精确度难以掌握，两者均不适宜人员的长期使用。 图七：握持时的状态这几款鼠标后背盖的设计为圆钝状，人的手握上去之后，手正好呈半握拳的自然放松状，这种姿势刚好使鼠标的后背与手的掌心完全贴合，既不出现空隙，也不使手掌肌群受压，这样不仅腕关节得到放松，并且掌指关节及指间关节的韧带也会处于放松状，食指和中指能够轻松自如的点击按键，而小指自然放置在鼠标右侧。除此之外鼠标应该放在一个稍低位置，这个位置相当于坐姿情况下，上臂与地面垂直时肘部的高度。鼠标和身体之间的距离也有一定的要求。手握住鼠标的时候，上臂和前身夹角保持45度以下的时候，身体和鼠标的距离比较合适。如太远了，前臂将带着上臂和肩一同前倾，会造成关节、肌肉的持续紧张。太近了，会造成上臂的持续收缩。键盘设计现状分析键盘作为较早的计算机输入设备，从它的发展中我们也能看到一些计算机发展的影子。普通键盘的主键区，也就是字母键区，键位整体呈长方形排列，使用时，我们的两个手腕要向内收拢，时间长了非常不舒适，针对这一现象，很多品牌都推出了两个主键区的人体工学键盘，这种设计可以让我们在使用键盘时手腕自然的放置在桌面上或是腕托上，长时间使用也不会有不适感。而且我们从侧面观察键盘可以发现，这些按键的高度也是不一样的，中间略高而两侧略低，我们的手是在一个曲率半径较大的弧线上进行操作的，非常接近自然状态。在键盘的平面布局设计中运用人机工程学的知识,改进和完善键盘的宜人性和舒适性。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。 图八：正确打字姿势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。操作动作的合理性直接影响操作者的舒适性和工作效率。根据最节约操作动作原则,提出以下几点改进设计。21111主键盘区手- 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7090,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0,腕外展不超过15;双手向内相向交叉成6070,手指自然弯曲,同手掌一起构成一个半圆形,呈空握球状;两手掌间距约100280mm 。设计主键盘区沿中心线各自左右分开,两基准定位键之间距离约80100mm 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。 图八：传统键盘结构手- 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7090,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6070,手指自然弯曲,同手掌一起构成一个半圆形,呈空握球状;两手掌间距约100280mm 。设计主键盘区沿中心线各自左右分开,两基准定位键之间距离约80100mm 。 图九：人机工程键盘另外像罗技WAVE键盘也是一款人体工学设计出色的键盘，虽然它没有将主键区分开，不过表面的波浪形并不是随便设计的，根据手的摆放位置、手指长度等多种因素，经过计算得出了目前我们看到的波浪形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。 图十：中间分离的键盘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。键盘作为计算机的主要输入设备,其设计与改进在计算机日益普及的今天尤显重要。从人机工程学的角度,在其平面布局和整体设计等方面进行了研究。在整体布局上更加注重操作方便性与合理性尤其体现在Back Space键的重新布置、编辑与定位键区和数字辅助键区的按键布局上。改进的设计方案能够有效避免用户肌肉紧张和静态疲劳,对整个计算机作业过程的舒适性有较好改善,同时也大大提高了作业效率,使用户和输入设备之间能够更好地协调工作。这充分体现了设计对人的关怀与呵护,使人和产品在交互过程中完美和谐地结合。最近的研究已经深入到各个键位的细部设计了。由于每个手指的长度、施力方向和力度大小都不一样,有研究已经在运用压力回馈图对每个键位进行设计尝试。由于QWERTY键盘的设计初衷是为了避免卡键现象,而最大限度地放慢了敲击速度,使得最常用的etasorni等键操作起来非常不便。在科技高速发展的新世纪,键盘的设计将进行一次大的革新,以符合时代前进的步伐。不良使用习惯纠正1. 尽量避免上肢长时间处于固定、机械而频繁活动的工作状态下，使用鼠标或打字时，每工作一小时就要起身活动活动肢体，做一些握拳、捏指等放松手指的动作。 2. 使用电脑时，电脑桌上的键盘和鼠标的高度