（设计艺术学专业论文）为拇指设计——手机键盘设计的人机工程问题研究.pdf

y 弘7t 幻 湖北工业大学硕士学位论文 竺 i 一 一i i 摘要 与传统的以人与大尺度产品的关系为研究对象的人机问题研究不同 本项研 究以一个典型的小尺度产品与手的关系为研究对象 从运动生理的角度对拇指这 一人体局部的运动特征进行较深入的基础性研究 并以此为依据 从人机工程的 角度进一步提出单手持握并操作的通讯类产品的设计思路 本研究的内容主要包括三个部分 第一部分着重调查 研究和分析了目前市场上各种手机的键盘设计方法 在 此基础上进行了详细的分类和横向的对比 为手机键盘的设计总结了一般性原 则 第二部分以目的手机键盘设计中矛盾比较突出的布局设计问题为中心 利用 观察和实验的方法 获得了男性手机键盘布局设计的基本原则 利用这一原则 既可以对手机键盘进行布局设计的后期评价 也可以在设计初期为手机整体布局 设计提供指导性帮助 根据前两部分取得的成果 本文最后在第三部分结合人机工程学的普遍原则 和设计方法 从设计实践的角度出发 提出了一些手机键盘的全新的设计思路和 概念设计方案 本研究获得的最主要理论成果是针对手机键盘布局设计的男性拇指工效分 布图 根据这个分布图 可以得出结论 基于拇指工效的 般手机的键盘布局原 则是左边优先于右边 中优先于上 上优先于下 以右手操作为例 本研究获得的主要设计成果是转换键 方位感应控制 和弦键盘等手机键盘 概念设计 关键词布局设计 人机工程 绩效实验 方位感应 和弦键盘 湖北工业大学硕士学位论文 a b s t r a c t t h et r a d i t i o n a lm a n m a c h i n eq u e s t i o n st a k er e l a t i o nb e t w e e np e o p l ea n db i g y a r d s t i c kp r o d u c t sa s r e s e a r c ho b j e c t d i f f e r e n t l y t i f f sr e s e a r c hr e g a r d sr e l a t i o n b e t w e e nat y p i c a ls m a l l y a r d s t i c kp r o d u c ta n dh a n da st h em a i no b j e c t c a t t yo n d e e p e ra n db a s i cs t u d y i n gt ot h i sp h y s i o l o g i c a lc h a r a c t e r i s t i cw i t ht h u m b as m a l lp a r t o ft h eh u m a nb o d y f r o mt h ea n g l eo fp h y s i o l o g i c a lm o v e m e n ta n db a s e d0 di t t h i s r e s e a r c hp u tf o r w a r dt h ed e s i g n i n gw a y so fc o m m u n i c a t i o np r o d u c t st h a tc a nb eh o l d a n do p e r a t e db ys i n g l e h a n di nt e r m so fe r g o n o m i c t h ec o n t e n to f t h i sr e s e a r c hi n c l u d e st h r e ep a r t sm a i n l y t h ef i r s tp a r ti n v e s t i g a t e d s t u d i e da n da n a l y z e dt h ed e s i g n sm e t h o do fk e y b o a r do f d i f f e r e n tc e l l p h o n ea tp r e s e n te m p h a t i c a l l y c a r r i e do nt h ed e t a i l e dc l a s s i f i c a t i o na n d h o r i z o n t a lc o n t r a s t a n ds u m m a r i z e dt h eg e n e r a lp r i n c i p l eo fd e s i g no ft h ec e l l p h o n e k e y b o a r d t h es e c o n dp a r tt o o kt h eo u t s t a n d i n gq u e s t i o n p l a c e m e n td e s i g ni nc e l l p h o n e k e y b o a r d a st h ec e n t e r u t i l i z e do b s e r v i n ga n de x p e r i m e n t t oo b t a i nt h eb a s i c p r i n c i p l eo fp l a c e m e n td e s i g no fc e l l p h o n ek e y b o a r df o rt h em a l e u t i l i z et h i s p r i n c i p l e w ec a r l n o to n l ya p p r a i s eo nt h ep l a c e m e n to ft h ec e l l p h o n ek e y b o a r d a f t e rd e s i g n e d b u ta i s oo f f e rg u i d a n c eo nt h ei n i t i a ls t a g eo fd e s i g n i n g a c c o r d i n gt ot h ea c h i e v e m e n tt h a tt h ef i r s tt w op a r t sm a k e t h i st e x tc o m b i n e st h e g e n e r a lp r i n c i p l eo fm a n m a c h i n ee n g i n e e r i n ga n dd e s i g nm e t h o df i n a l l y p r o c e e d f r o mt h ea n g l eo fd e s i g n i n gp r a c t i c e a n dt h e np u tf o r w a r ds o m eb r a n d n e ww a y so f d e s i g n i n ga n dp l a n so f c o n c e p t u a ld e s i g n t h em a i nt h e o r ya c h i e v e m e n to b t a i n e di nt h i sr e s e a r c hi s aw o r ke f f i c i e n c y d i s t r i b u t i o nm a po ft h u m bw o r k sf o rc e l l p h o n ek e y b o a r dp l a c e m e n t a c c o r d i n gt o t h i sd i s t r i b u t i o n m a p w ec a nd r a wt h ec o n c l u s i o n t h ep l a c e m e n tp r i n c i p l eo f k e y b o a r do fg e n e r a lc e l l p h o n e s b a s e do nt h ew o r ke f f i c i e n c yo ft h u m b i st ot a k e p r e c e d e n c eo v e rt h er i g h to nt h el e f t t h em i d d l eo v e rt h et o pa n dt h et o po v e rt h e b o t t o m i fo p e r a t ew i t hr i g h th a n d k e y b o a r dc o n c e p t u a ld e s i g no ft h ec e l l p h o n ei n c l u d i n gs h i f tk e y o r i e n t a t i o n i n d u c t i o nf o ri n t e r a c t i v ec o n t r o la n dc h o r d k e y b o a r d e t c a r em a i n l yd e s i g n p r o d u c t i o n so ft h i sr e s e a r c h k e y w o r d sp l a c e m e n td e s i g n e r g o n o m i c se n g i n e e r i n g p e r f o r m a n c ee x p e r i m e n t o r i e n t a t i o ni n d u c t i o n c h o r dk e y b o a r d i i 湖北工业大学硕士学位论文 1 1 引言 第1 章绪论 就目前的手机设计市场而言 随着手机制造技术的发展 功能性技术的发展 早已经不是制造研究的主要问题 手机的设计问题已经发展成为一个典型的 黑 箱问题 于是 目前的手机设计出现了这样一种现象 手机制造商几乎每个月都会推 出几种新款样式的产品 不断求新 求异 以谋求在市场竞争中的生存和发展 在此环境下 手机的设计很容易走向了另一个极端 以作 表面文章 为主 满足用户不断提高的精神需求固然必要 但是求新求异的同时 反而容易忽 略了一些功能方面的基本诉求 例如手机按键的人机问题 目前手机的按键设计种类非常多 但是在人机问题方面多少都有一些缺点 与此同时 值得注意的是现在的手机早已经不是简单的 移动电话 的概念 在 用户的生活中越来越多的充当移动信息中心的作用 越来越多的需要 输入 操 作 需要相对长时间的 快速 准确的操作 此时键盘的人机设计更体现出其重 要性 如果仅仅只是作为无线语音通话的工具 那么手机键盘的人机因素就显得不 那么重要了 因此对于早期手机来说 目前的键盘设计没有什么问题 但是手机 短信的出现和流行确实这一问题很快变得突出 近几年来 短信业务发展惊人 因为短信具有语音通话不可比拟的一些优点 安静 精确 私密 可重复阅读 易保存等等 从全世界来看 2 0 0 6 年的估计数字是 手机短信及其改进文本将 要占到年轻人手机费用的8 5 0 o 实际上的口头交谈要退居第二位 根据费城电讯 公司 哈里斯互动公司和无线电世界论坛的数据 i l l 在手机输入和控制界面中 键盘目前仍然占主导地位 但是现有键盘界面过 多地依赖于拇指 所以随着手机使用中信息量的增加 设计师应该寻求各种新型 的键盘 或者改善键盘 从而减轻拇指的劳动强度 或者将一部分工作分配给拇 指以外的肢体去做 1 2 国内外研究现状 传统的人机工程问题在运动生理领域研究的对象都是一些典型的体积相对 较大的产品 在本研究所搜集到的相关文献资料中 人体测量部分的数据几乎全 部集中于头部 躯干 四肢等较大尺度对象的测量 涉及到设计标准的部分 则 1 湖北工业大学硕士学位论文 主要是与人体尺度相当的产品和建筑设计标准 目前的人机工程学在这 方面发 展已经相当成熟 但是 对于小尺度的家电通信类产品的人机工程问题 目前的研究和提供给 设计师的支持则比较少 尤其是缺乏基础理论研究 现在 飞速发展的计算机技术不可避免的渗透到人机工程研究领域 为人机 工程学的研究与应用注入了新的活力 计算机辅助人机工程将成为今后人机工程 学发展的一个主要趋势 但是 以j a c k 为典型代表的参数化计算机辅助人机 工程软件和大多数人机工程研究一样 重点评价对象都是尺度相对比较大的产 品 或者根本没有手局部的功能模块 或者与我国情况不相符 国内目前在这方 面的研究尤其很缺乏 比如人体测量方面 手指各节的长度测量不像大尺度的身 体部分那样受重视 本研究过程中没有查找到系统的资料 只有部分欧洲的数据 标准 但可能不适用于东方人 因此 进行手的局部人机工程问题的研究具有双 重意义 国内外对小尺度的家电通信类产品的键盘设计的人机工程问题研究虽然相 对较少 但并非没有 不过 目前这方面的研究成果主要有以下几个特点 第一 计算机键盘等全功能键盘研究成果多 手机键盘等单手操作小型键盘 的研究少 工业设计师们对全功能键盘的研究由来已久 从a b c d e 键盘到q w e r t y 键盘再到d v o r a k 键盘 从早期i b m 键盘到微软自然键盘 从按键形状到功能键 布局 从硬件的方法到软件的方法 研究成果不胜枚举 键盘形式不断发展完善 甚至连一些手机键盘也在向全功能键盘靠拢 但是由于尺度和操作方式的不同 这些研究成果不能移植到手机键盘的设计中去 反观手机键盘 在形式和功能上 多年以来几无变化 一直延续着座机键盘和计算器键盘的老面孔 而实际上 手 机的单手持握并操作的特点与这两者在操作方式上并无直接联系 第二 手机键盘软件人机问题研究多 硬件人机问题研究少 最突出的现象 就是近年来输入法研究成果很多 t 9 输入法从众多输入法中逐渐脱颖而出 成 为手机输入法的主流 并且还在不断的改进和完善中 与此相对照的是 手机键 盘硬件的人机问题不但没有得到应有的重视 反而在形式设计的冲击下 人机特 性有走向倒退的趋势 严重不符合手指运动特性的键盘设计越来越多 全球主要手机生产商诺基亚对手机键盘的研究投入很大 不断推出新的键盘 概念 与国内部分高校和研究机构合作密切 但是其人机问题研究重点不在手指 运动特性及其与键盘关系的本身 而是主要在显示与控制的协调性 手机软件可 用性等方面 国内手机生产厂商设计部门在此方面研究更少 其职责主要是以研究造型风 格和结构设计为主 在人机方面的工作基本上仅限于后期主观评价 湖北工业大学硕士学位论文 第三 缺乏基础理论研究 目前 日本和台湾的设计研究机构在i t 类小型 产品的设计研究方面是公认比较先进的 在此类产品的入机工程问题上的研究也 不少 不过 他们的研究方法主要是观察和比较试验 基本上总是以一个具体的 已有的产品和型号为研究对象 通过实验的方法获得改良的方案 这样的研究方 法是以具体产品为目标 比较缺乏基础性研究 第四 日本在手局部的人机工程问题上做过一些基础性研究 用实验的方法 探讨了手指运动的一些基本特征 但是 这魑研究主要是针对手指作为手这个整 体的 部分的共同特性 没有对结构上比较特殊的拇指的运动特殊性作详细分 析 而目前手机键盘的特点恰恰是主要依赖于拇指的 综上所述 有必要通过观察和实验的方法 从运动生理角度 以可通用的手 机键盘为例 在单手操作的小尺度产品的按键设计问题上进行基础性研究 其成 果对目前的手机设计方法具有很大的补充意义 并且可以作为未来的手指人机工 程评价软件系统的实验和理论基础 1 3 特色和创新之处 本研究的最大特色和创新之处在于 与传统的以人与大尺度产品的关系为研 究对象的人机问题研究不同 本项研究以一个典型的小尺度产品与手的关系为研 究对象 从运动生理的角度对拇指这一人体局部的运动特征进行较深入的基础性 研究 并以此为依据 从人机的角度进一步提出单手持握并操作的通讯类产品的 设计思路 湖北工业大学硕士学位论文 1 4 论文总体结构 图l 论文主体框架 本篇论文的主体共分为三大部分 1 现状调查与定性研究部分 对现在市场上的手机键盘从控制键结构设计 数 字键结构设计和键型设计3 个方面进行分析 找到各种设计的优缺点进行横 向对比 从而提出一些定性的设计原则 2 实验与定量研究部分 针对现有手机设计与最佳拇指工效范围的矛盾 用实 验的方法获得拇指工效等参分布图 为手机键盘设计和手机布局概念设计提 供实验依据 3 设计方案部分 结合前两部分的结论 总结出手机键盘设计的一般原则 在 此基础上 结合人机工程设计方法对现有手机键盘设计提出一些参数改良方 案和基本元素的概念设计思路 湖北工业大学硕士学位论文 第2 章现状调查与定性研究 目前市场上主要销售的手机不管是什么结构形式 其界面基本上都是三大功 能分区组成 不包括听筒 麦克等部件 屏幕 控制键区 数字键区 下面 分别对后两个功能区的各种现有设计作简单的分析 2 1 功能键区的概念设计 2 1 1 功能键区的分类 功能键区 包括非键盘形式的控制方式 的主要作用是选择和执行功能命令 目前手机的功能键设计种类非常多 具体可以分为十字四方向键 两方向键 分 离的方向键 多键式 侧面键 五维转轮 侧面三维拨轮 侧面三维转轮 正 面三维转轮 正面三维拨杆 五维拨杆 还有非键盘的手写式 触控板 声控等 其中十字四方向键 五维拨杆 侧面键 侧面三维拨轮 正面三维拨杆 手 写式 声控等当前实际应用较多 大部分手机实际上采用两 三种控制方式相结合的设计 2 1 2 十字四方向键 目前应用极其广泛 位于手机中间的主导航键有四个方向 部分中间带有 o k 键 优点是操纵快速 灵活 准确率高 可以与其他按键安排在一起 缩短 拇指移动距离 缺点是占用手机正面面积大 图2 十字四方向键的常见形式 2 1 3 分离的方向键 多键式 具有多个彼此独立的方向键 目前不太常用 优点是界面清晰 缺点是按键 太多 有时反而容易误操作 占用手机正面面积大 通常键间行程太长 湖北工业大学硕士学位论文 图3 分离的方向键 2 1 4 两方向键 通常用在比较低端的机型上 只有左右或者上下方向键 目前应用较少 优 点是界面简单清晰 不易误操作 占用手机正面面积小 缺点是速度一般 不如 十字四方向键等操纵方式快速 适合于功能不太复杂的手机 图4 两方向键 2 1 5 侧面按键 这种方式通常不单独使用 主要用于辅助选择和调节的功能 优点是不占用 手机正面的面积 不易误操作 缺点是速度一般 而且不便与位于手机正面的按 键连用 湖北工业大学硕士学位论文 图5 侧面按键 2 1 6 五维转轮 目前仅在s o n y 手机上使用 转轮位于手机左上角或左上方 有四个方向控 制和o k 功能 优点是不占用手机正面面积 灵活快速 缺点是对操作精确性要 求高 容易误操作 不便与位于手机正面的其它按键联用 手感差 图6s o n y z 5 的五维转轮 2 1 7 侧面三维拨轮 以菲利浦为代表 拨轮位于手机左侧上方 具有上 下及o k 功能 优点是 界面清晰 不占用手机正面面积 缺点是速度一般 不便与手机正面的其它按键 连用 对操作准确性要求较高 易误操作 手感差 注 与转轮不同的是 拨轮在持续翻页时不需要不停转动 只需要离开平衡 位置保持不动即可 湖北工业大学硕士学位论文 图7 菲利浦9 2 9 的侧面三维拨轮 2 1 8 侧面三维转轮 以s o n y 为代表 转轮位于手机左侧上方 具有上 下及o k 功能 在持续翻 页时需要不停转动 优点是界面清晰 不占用手机正面面积 缺点是速度一般 不便与手机正面其它按键连用 图8 早期的s o n y 手机几乎全部使用侧面三维转轮的设计 2 1 9 正面三维拨杆 以阿尔卡特等为代表 三维拨杆通常位于手机中心位置 优点是界面清晰 便于与手机其它按键连用 缺点是速度一般 有时易误操作 手感一般 图9 正面三维拨杆 湖北工业大学硕士学位论文 2 1 1 0 正面三维转轮 目前仅在n o k i a 7 1 i 0 等极少数机型上使用过 三维转轮位于手机中心位置 优点是界面清晰 便于与手机其他按键连用 缺点是速度一般 有时容易误操作 图l o 少见的正面三维转轮 2 1 1 1 五维拨杆 五维拨杆的设计目前应用极其广泛 通常位于手机中心位置 优点是操纵快 速灵活 便于与其他按键连用 占用手机正面面积小 缺点是通常手感很差 比 较容易误操作 图1 l 小巧灵活的五维拨杆 2 1 1 2 触控板 目前仅仅应用在三菱v 4 0 l d 上 操控方式与笔记本触摸板相类似 位于手 机右侧上方 触控板的优点是界面清晰 不占用手机正面面积 手感较好 缺点 是速度一般 不便与其它按键连用 操作可靠性不够高 湖北工业大学硕士学位论文 图1 2 唯一采用触控板设计的三菱v 4 0 l d 2 1 1 3 手写触摸式 以大屏幕智能手机为代表 以触摸屏控制为主 辅以其他控制方式 一般不 独立使用 手写触摸式的优点是界面清晰 操作速度快 缺点是用手指按虚拟键 盘时没有力反馈 有时易误操作 有时需要触控笔 便利性差 易受环境干扰 图1 3 手写触摸式大屏幕智能手机 2 1 1 4 声控式 声控设计当前已经相当普及 但是 通常以其他控制方式为主 辅以声音控 制 几乎从不独立使用 声控的优点是无按键 不占用手机正面面积 缺点是反 应速度一般 可靠性较差 不能与其它键连用 对环境和使用者要求高 通常不 能执行全部命令 难以独立使用 2 1 15 功能控制方式的横向比较和调查总结 下面的1 3 张雷达图是对以上各种功能键区设计和非键盘控制方式的主要优 缺点的横向比较 是根据前期用户调查的主观评价作出的结论 湖北工业大学硕士学位论文 十字四方向键分离的方向键 多键 两方向键侧面键 倾i j n 维拨轮 侧面三维转轮 湖北工业大学硕士学位论文 五维转轮 正面三维转轮 手写式 正面三维拨杆 五维拨杆 声控式 湖北工业大学硕士学位论文 触控板 图1 4 各种控制方式的横向比较 充分地了解和比较以上各种功能键区设计和非键盘控制方式的主要优缺点 以后 设计师就可以在设计实践过程中针对不同的设计需求和市场定位 选择出 最合适的手机功能键控制方式 例如 专门针对老年人市场开发的手机就比较适合于采用两方向键等具有界 面简洁 手感好 操作动作精度要求低等优点的控制形式 两方向键速度慢这一 缺点对于此市场定位来说并不显得突出 2 2 数字键区的概念设计 2 2 1 现有数字键设计种类 目前手机的数字键设计种类相对单一 绝大部分手机采用的是4 行3 列式标 准1 2 键位设计 但也有少数手机采用的是其它方式 甚至按键数量也有变化 其它的典型设计归纳起来主要有 3 行4 列式 环形 全功能键盘式 手写 式 f a s t a p 键盘 0 1 2 键盘 极少键设计等等 2 2 24 行3 列式 4 行3 列式标准1 2 键位 及其变化 是绝大部分手机采用的形式 优点是 排列紧凑 符合正常使用习惯 缺点是纵向尺寸比较大 湖北工业大学硕士学位论文 图1 5 标准1 2 键位及其变化 2 2 33 行4 列式 优点 排列紧凑 比较符合使用习惯 缺点 横向尺寸比较大 图1 63 行4 列式 2 2 4 环形 优点 形式上有一定趣味 缺点 平均键距太大 很容易造成拇指移动疲劳 图1 7 环形数字键 湖北工业大学硕士学位论文 2 2 5 全功能键盘 通常用于智能手机 具有标准q w e r t y 键盘 有多种形式 优点 适合大量 文字输入 缺点 面积太大 通常必须双手操作 按键拥挤 易误操作 图1 8 全功能键盘的部分形式 2 2 6 手写触摸式 通常用于智能手机 具有触摸屏 手写板等多种形式 优点 适合文字输入 缺点 必须双手操作 有时需要触控笔 虚拟键盘没有力反馈和触觉区分功能 图1 9 手写式 2 2 7f a s t a p 键盘 由d i g i tw i r e l e s s 发明 这种设计巧妙地利用了目前手机的键盘空隙 在 不改变单手操作方式的情况下 做到了数字键和字母键分开 而且有常用的符号 键 优点 适合大鬣文字输入 缺点 按键拥挤 容易误操作 手感欠佳 湖北工业大学硕士学位论文 图2 0f a s t a p 键盘的两种形式 2 2 8q 1 2 键盘 1 由s o f t a v a 推出 按键所输入的字符被排列在按键的周围 按压键的不同部 位便可得到不同的字符 因此 输入一个字母只要一次按压就可以完成 优未适合大量文字输入 在总体上还是保持了1 2 键位的布局方式 这对于用 户可以不需要花时间去适应新的键位 提供了向下的兼容性 缺点 按键拥挤 容易误操作 手感欠佳 图2 1 由s o f t a v a 推出的q 1 2 键盘 2 2 9 极少键设计 按键数量极少 主要用于老人 儿童 残疾人等 通过牺牲通用性达到方便 1 6 湖北工业大学硕士学位论文 快捷 安全的目标 东信贝贝通儿童手机德国三键老人手机 阿尔卡特儿童手机 图2 2 极少键设计 2 2 1 0 其它数字键概念设计 2 3 键型设计 图2 3 其它数字键概念设计 2 3 1 键型设计的范畴 本文对 键型 的定义包括以下四个方面的内容 1 键的形状 包括大小 平面形状 剖面形状 2 键的布局 包括布局区域 排列方式 键距 包括中心距 间隙 3 键的力反馈 包括按键力 压强 按键行程 4 键的材料与工艺 2 3 2 键的大小 手感与准确率 键的大小主要影响手感和快速按键的准确率 湖北工业大学硕士学位论文 1 大的按键有利于提高按键准确率 面积太小的按键会提高接触压强 手 感不好 2 按键面积小与按键错误率没有太大直接联系 3 通常侧面按键 控制轮 正面拨杆 辅助功能键等都把指端接触面做得 太小 4 细长的按键通常手感不好 但并不直接严重影响按键准确率 图2 4 手感不好的细长按键 2 3 3 键的剖面形状 触感与触觉区分 按键在剖面形状的设计上主要要解决手感和触觉区分的问题 从手感角度 基本可以分为平 凸 凹3 种 1 凸键增大了接触压强 凹键在理论上最适应手形 但在手机这种小按键 上实际使用效果并不好 平键通常手感舒适 而且软胶质平键触感极好 2 利用按键剖面形状进行相邻键触觉区分有多种办法 凸形键 按键与基 面之间的凹形导角 键间凹槽 键间凸起 阶梯键 波浪形键盘基面等 3 触觉区分能力较差的键盘主要有无间隙平键 与手机表面平齐的平键 图2 5 触觉区分能力较差的键盘 湖北工业大学硕士学位论文 2 3 4 键中心距 准确率与键间行程 1 足够大的按键中心距能保证按键准确率 但是平均中心距过大会导致键 间行程过长 从而产生手指疲劳 2 中心距足够大 保证了按键的准确率 由于指端接触面形状的关系 纵 向中心距可以比横向小 3 中心距太小 必然影响按键的准确率 在按键形状不适当时 这种影响 尤其明显 4 如果软件要求数字键和功能键经常连用的话 两者的距离就不能太远 例如滑盖手机的键盘落差是其明显弊端 将上滑盖处理成斜面是解决办 法之一 图2 6 滑盖手机的键盘落差是其弊端 将上滑盖处理成斜面是解决办法之 5 按键的间隙太小或者没有间隙容易导致误触发 同时又会因为难以进行 触觉区分而影响按键准确率 6 按键间隙足够大 很难误触发 平键中心距相同 间隙小更容易误触发 审守角 寸督眚鬲门厂 葡鬲广一 厂 图2 7 平键中心距如果相同 间隙小更容易误触发 7 与相邻键间隙很小或者没有间隙的凹形键最容易导致误操作 例如 凹 形的四方向键 在进行左右选择时极易按到紧邻的辅助功能键 1 9 湖北工业大学硕士学位论文 2 3 5 键排列方式 键距 非纵横排列的按键排列对键距有特殊影响 1 蜂窝状排列能在面积一定的情况下使键中心距相对更大 2 环形排列容易导致键平均中心距过大 3 按键过多的设计在实质上往往是连续操作的按键键距过大 4 按键键距不均匀 排列方式不规则 变化过大的设计会破坏连续按键操 作的节奏 导致按键准确率降低或者影响速度 图2 8 按键键距不均匀 排列方式不规则 2 3 6 键区布局 手指耐疲劳控制范围 按键的布置要避免手指过度弯曲 伸直或侧偏 否则容易造成疲劳甚至伤害 1 现在的大屏幕手机按键常常过于靠下和靠边 容易使大拇指过度弯曲 可以 考虑提高按键的位置或者采用不对称设计 2 对于翻盖 滑盖等结构的手机 按键的设置要避开障碍 图2 9 辅助控制键太靠近上翻盖 2 3 7 按键行程 疲劳与准确率 1 按键行程太长很容易导致手指疲劳 2 按键行程太短容易导致误触发 2 0 湖北工业大学硕士学位论文 3 使用弹性材料对按键行程有一定影响 会加大行程 4 手写式 虚拟 键盘 触摸感应式键盘 触控板按键行程为零 没有力反馈 不能通过触觉感知操作 如果没有其他明显的反馈信息就很容易发生误操 作 或者导致操作速度很慢 2 3 8 材料与工艺 手机键盘目前主要采用的材料和工艺有5 类 普通硅胶品 塑料 硅胶 p r 热塑性薄膜 i m d i m d p r 纯塑料 1 i m d 产品的优点是可以设计得非常轻 薄 具有优良的耐磨性 便于印刷符 号和图案 可以与其他按键组合装配使用 缺点是i m d 产品不适于尖锐的按 键设计 按键间隙必须足够大 图3 0i m d 类 2 纯塑料现在 般极少使用 按键手感不好 联动现象比较严重 图3 1 纯塑料 3 硅胶类应用广泛 可以单独使用 也可组合使用 有多种颜色和原料硬度可 供选择 成本较低廉 但是纯硅胶类产品本身无手感 必须与聚酯薄膜 金 属薄膜或者微动开关配合使用 湖北工业大学硕士学位论文 图3 2 硅胶类 4 p r 类是指将塑料键帽与硅胶底板通过特殊胶粘剂装配在一起的工艺 兼顾 了塑料制品与弹性硅胶的优点 产品表面处理效果丰富 手感好 耐用性好 对按键形状几乎没有要求 与外壳的配合间隙可以做得很小 图3 ap r 类 5 i m d p r 类具有较硬的触感 又有较软的按压手感 耐磨性优越 具备密封 功能 图3 4i m d p r 类 2 3 9 手机键盘键型设计定性分析总结 手机键盘键犁设计在造犁方面的定性分析总结如下表所示 湖北工业大学硕士学位论文 表1 平面尺度因素 i 疲劳痛感 准确率触觉区分 速度 按键平面 大 l 大小 小 大 审心距 小 大 ii 间隙 小 无 表2 深度尺度因素 疲劳痛感 准确率触觉区分速度 凸 削面形状 卫 i 凹 f 大 按键行程 中 i 小 无 i 表3 平面布局因素 症劳痛感准确率触觉区分 速度 左 i 水 中 亚 键区分布右 l c 以右手 使用为铡 上 l 垂 鲞 申 下 湖北工业大学硕士学位论文 3 1 引言 第3 章实验与定量研究 许多产品在关键技术确定之后 需要进行的只是对这些部件进行空间位置上 的布局 产品的布局变换受到人机工程的约束 评价一个产品布局设计的好坏 除了外观上的创新外 是否符合人机工程学的要求也是个非常重要的评价因素 而这正是面向人机工程的布局设计变换方式的目的 产品的布局变换主要是进行空间排列 配置方式和尺度变化三种方式的变换 与i 在第二章 即现状调查部分中 本研究对当前手机键盘设计中的问题有了一 个定性的认识 但是前文的分析包含的内容非常多 几乎包含了按键设计的方方 面面 而且都是建立在用户主观评价和定性分析的基础上的 所以 在第三章即 实验分析部分中 将借助于实验的手段 对手机键盘的布局设计进行定量化研究 通过绩效实验的方式获得拇指的工效最佳范围参数 据观察 一般的手机持握和操作方式是 1 大拇指根部大鱼际肌群或手掌外侧小鱼际肌群 小指 无名指 中指台力握 住手机 不参与操作 2 食指靠在手机后上部 可能参与操作侧面键 包括控制轮 3 拇指控制键盘 或者侧面键 包括控制轮 4 手写式 全功能键盘通常需要双手操作 人手部的一般特点是 图3 5 一般的手机持握姿势 湖北工业大学硕士学位论文 食指是最灵活 快速 触觉最灵敏的手指 其次是中指 拇指是力量最大的手指 但是耐疲劳操作范围有限 触觉方面比较迟钝 手 的界面设计基本原则是 1 必须有效地实现预定的功能 与操作者身体成适当比例 使操作者发挥最大效率 必须按照作业者的力度和作业能力设计 要适当考虑性别 年龄 训练程度 和身体素质上的差异 工具要求的作业不能引起过度疲劳和尽量避免静态施力 手 的界面设计解剖学因素有 避免静态施力 保持手腕处于顺直状态 避免掌部组织受压力 避免手指重复动作 由此可见 目前手机键盘的设计与人手部的一般特点 手 的界面设计基 本原则和设计解剖学因素有诸多矛盾之处 根据人体的骨骼 关节 肌肉 韧带运动机能的一般原理 骨骼的运动总是 依赖于收缩肌和舒张肌这两组作用相反的肌肉来控制 关节必然处在一定的调节 范围内最舒适 最耐疲劳 而且控制精度最高 即工效最佳处 这个范围就是收 缩肌和舒张肌这两组肌肉都处在放松状态时骨骼的平衡状态 这两组肌肉越不平 衡 则越容易疲劳 运动的准确性也会越低 正常人在休息时 手自然保持弓形 这是肌肉放松时由骨结构和软组织力学 关系平衡造成的 此时手的内在肌与外在肌的肌张力呈现一种相对的平衡状态 tj o 据观察 在持握手机时 手持的位置主要受手机重心位置的影响 此时拇指 各个关节肌肉的平衡位置通常会使拇指指尖处于手机中间 重心 偏左上的位置 以右手操作为例 但是目前市场上主要销售的手机不管是什么结构形式 包 括直板 翻盖 还是滑盖手机 其界面基本上千篇一律都是三段式布局 不包括 听筒 麦克等部件 上 屏幕 中 控制键区 下 数字键区 这样的设计造成的结果就是绝大部分手机按键都处在拇指的最佳工效范围 以外 而且 随着手机大屏幕设计和短信文化的越来越流行 这种情况也越来越 严重 手机生产商及设计研究部门将精力集中在外观的变化上 却极少去改变这 种三段式的结构 将手机最基本的操作舒适性的需要放到了次要的地位 d 动 d 勒 曲 勒曲 湖北工业大学硕士学位论文 图3 6 现有普通手机的三段式布局 图3 7 不舒适的手机操作姿势 按键位置不适当 按照观察的结果 首先猜想手机键盘 尤其是数字键区的上移 可能还有左 右不对称位移 有可能能够改善拇指的工作状况 为了证实此猜想 下面通过绩 效实验的手段来量化获取拇指的工效最佳区域 以实验结果为依据 结合第二章总结的键盘设计规律 就可以获得系统的 比较有针对性的键盘布局设计方法 从而对现有手机键盘进行参数改良设计 或 者提出全新的手机布局概念设计 由此又将会产生一些新的设计问题 在解决这 湖北工业大学硕士学位论文 些新的问题的过程中 可能会产生与现有手机完全不同的风格 在实验中 还要注意观察的主要问题有 1 拇指在不同方向上工效下降的速度有何不同 拇指对键盘的横向变化还是纵 向变化更敏感 2 男性和女性的区别 3 2 实验目的 利用观察和绩效实验的手段 确定单用右手操作时拇指相对于操作界面某一 坐标中心 持握手机时的自然位置 的运动工效分布曲线 为手机按键的合理布 局提供实验依据 为手机按键布局评价软件的开发提供实验数据 3 3 按键工效等参图测量实验方案讨论与初选 研究小组最初提出的实验方案有5 种 1 现有手机编程 2 手机一计算机通讯 3 模型一计算机通讯 4 全触摸屏p d a 手机编程 5 遥控器一计算机通讯 方案一现有手机编程 实验构想 利用现有手机界面 自编手机运行程序 进行键盘输入的绩效实验 记录并 输出实验所需数据 优点 1 无需制作实验用类手机界面模型 最接近于手机键盘真实使用情况 2 可利用实验数据对现有手机按键设计效果进行直观评价 疑难点 1 实验所需程序在手机上的运行技术难度大 2 要在多个键盘不同的手机上进行实验 可以进行的实验的键盘参数受到很大 限制 方案二手机一计算机通讯 实验构想 由计算机机给出信号 测试者利用现有手机界面进行键盘绩效实验 利用计 湖北工业大学硕士学位论文 算机记录并输出实验所需数据 优点 1 无需制作实验用类手机界面模型 最接近于手机键盘真实使用情况 2 可利用实验数据对现有手机按键设计效果进行直观评价 3 可完成大量复杂数据的记录与运算 疑难点 1 手机与计算机的快速实时通讯技术难度大 2 要在多个键盘不同的手机上进行实验 可进行实验的键盘参数受到很大限 制 方案三模型一计算机通讯 实验构想 由计算机机给出信号 测试者通过自制类手机输入设备进行键盘绩效实验 利用计算机记录并输出实验所需数据 优点 1 可以制作多个类手机界面模型 便于对各种键盘布局进行测试 2 接近于手机键盘真实使用情况 3 可利用实验数据对现有手机按键设计效果进行直观评价 4 可完成大量复杂数据的记录与运算 疑难点 1 类手机界面模型与计算机的快速实时通讯技术难度大 2 要制作多个类手机界面模型 并使之成为计算机可识别的输入终端 方案四全触摸屏p d a 手机编程 实验构想 利用p d a 手机模拟输入设备进行绩效实验 自编p d a 可运行程序 记录并输 出实验所需数据 然后将数据传输到计算机进行处理 优点 1 无需制作任何实验用实物模型 2 可模拟多种手机键盘输入 3 可获得空间t 完全连续分布的实验数据 疑难点 1 p d a 手机编程 2 操作虚拟软键盘和操作真实物理键盘之间存在一定差异 方案五遥控器一计算机通讯 实验构想 湖北工业大学硕士学位论文 利用现有红外遥控器作为输入设备 利用计算机记录并输出绩效实验所需数 据 优点 1 无需制作任何实验用实物模型 2 可完成大量复杂数据的记录与运算 疑难点 1 实现红外遥控器和计算机的快速实时通讯 2 操作红外遥控器与操作手机的动作之间存在一定差异 按键工效等参图测量实验方案比较与初选 对于获取工效等参曲线的实验来说 最重要因素是的是 1 要便于获得空间上连续分布的实验参数 2 要获取大量的实验数据才能有实际参考价值 因此 本研究选择 全触摸屏p d a 手机编程 的设计方案 3 4 实验原理 1 通过观察法确定样本人群在自然持握手机时 手与手机的相对位置 以及拇 指在手机正面所处在的位置 2 目前对布局工效进行测定的首选方法是反应时间及准确度实验 本研究以准 确度1 0 0 为条件 记录反应时间 给出位置信号 要求实验者完成拇指移 动到位和按下的动作 测量在不同位置信号下 各操作响应信号和给出信号 之间的时间延迟 最后对获得的随机测试数据进行分析 得到拇指按键操作 的工效等参曲线 3 5 实验方法 3 5 1 实验设备要求 实验硬件 1 p c 机 2 数码照相机 3 触摸屏p d a 手机 含数据附件 具体要求如下 a 全触摸屏 而且边框越窄越好 以避免测试盲区太大 b 内存较大 处理速度较快 c 支持用一些常用的语言编写应用程序 湖北工业大学硕士学位论文 d 触摸屏要有足够的长度和宽度 满足拇指的整个测试范围的需要 e 要进行适当处理 改善持握状况 以尽量接近手机键盘真实使用情况 实验中实际使用的p d a处理后尽量接近手机持握状况的p d a 图3 8 实验采用的硬件设备 实验软件要求 1 p d a 手机绩效实验测试软件 需要白行编制 2 数据处理软件s p s s i i 0 3 5 2p d a 手机绩效实验测试软件详解 本实验采用的是好易通 掌神 p d a 触摸屏有效范围为1 7 5 宰2 5 5 像素 为了避开编框区域 以免影响测试结果 采用其中1 6 0 十2 2 0 像素的区域作为测 试区域 将屏幕分成2 0 术2 0 像素的单元 每一个单元就是一个测试点 所以 整个 屏幕区域就拥有8 术l l 8 8 个矩阵测试点 每个参加测试者将会对8 8 个测试 点全部测试一遍 测试点出现的次序是随机的 注 这样的设计是为了让整个屏幕区域都得到均匀的测试 避免由于完全随 机测试点可能出现的不均匀性导致统计结果偏差 将每个测试者的全部8 8 个测试点分成2 组 每组4 4 个 测试点每3 s 出现 一个 两组实验之间休息一分钟 注 测试点分组 中间插入休息的设计是为了 1 避免长时间操作造成测试者手指疲劳 影响后出现的测试点的反应时间 时间值 2 组间休息时间可以用于p a d 向计算机传输数据 及时处理 测试点间隔时间设为3 s 是为了 湖北工业大学硕士学位论文 1 避免高强度操作造成测试者手指疲劳 影响后出现的测试点的反应时间 时间值 2 使测试者有足够的时间进行拇指动作并回到自然姿势 等待下一个测试 点信号的出现 测试点出现时 p d a 屏幕效果如图所示 反应时间是感觉反应知觉时间和运动时间之和 即 t g t l t 2 式中 t r 反应时间 t 1 感觉反应知觉时间 t 2 运动时间 本实验中 感觉反应知觉时间t 1 属于视觉简单反应时间 平均值大约为 o 2 s 峨 图中黑色的方块就是测试点 十字交叉线用于提示测试者测试点的位置 这 样的设计是为了避免测试者的拇指可能遮挡测试点 从而造成感觉反应知觉时间 t 1 的延迟 严重影响最后的正常的动作反应时间数据 图3 9 测试屏幕效果图 3 5 3 一个测试点的测试过程 1 测试点出现后 测试者要用拇指去按压测试点 此时p d a 要判断测试 湖北工业大学硕士学位论文 者是否按到了测试点 2 测试者动作正确 按i i l i i 试点以后 p d a 记下3 个数据 测试点的x 坐标 测试点的y 坐标 测试点的反应时间 测试者如果超过3 s 还没 有按到正确的位置 那么认为该测试点在可及范围以外 其反应时间以 3 s 计 x 坐标的取值范围是1 8 y 坐标取值范围为1 1 1 记录 反应时间精度为0 0 1s 3 测试者动作正确 动作成功的同时 p d a 给出反馈信号 测试点及辅助 线消失 发出按键音 向测试者表示动作已到位 准备下一个点的测试 4 无论测试者的动作是否正确 动作时间是多少 在上一个测试点信号出 现3 s 以后 继续给出下一个测试点 一组测试点完成以后 p d a 会获得3 4 4 个数据 形成一个数据串 每两 个数据之间要用一个特定字符隔开 空格或者逗号 以t x t 格式保存并传输到 计算机 以便用s p s s 进行数据统计与分析 3 6 实验步骤 3 6 1 实验准备 第一步 在进行实验以前 要向测试者说明实验目的和步骤 解除他们的疑 虑 以便使他们保持精神放松 以正常的状态进入实验 第二步 记录测试者的基本情况 包括 编号 年龄 性别 测量拇指末端 两节的总长 即从拇指指尖到第二节根部关节的直线长度 第三步 花几分钟时间使测试者习惯p d a 手机测试软件的用法 第四步 让测试者自然放松地手持p d a 手机 拍摄其手持姿势的正面照片 项 视图 注 下文中 如非特别说明 一切实验 数据 设计方案都以右手单手操作 为准 第五步 让测试者自然放松的手持一部普通手机 比如测试者自己的手机 3 6 2 开始实验 开始进行实验 在一组测试完成阻后 两组实验的间隙之中 将p d a 中的测