基于人因工程学原理的键盘设计

学生课程设计（论文）题 目： 基于人因工程学原理的键盘设计 学生姓名： 学 号： 所在院(系)： 机械工程学院 专 业： 工业工程 班 级： 2010级 指 导 教 师： 职称： 2013年 6 月 25 日 教务处制摘要随着科学技术的发展，特别是计算机技术的推广和普及，计算机越来越多的应用在人们的日常生活中的各个领域；无论实在工作方面，还是在娱乐休闲方面，计算机都扮演着重要的角色，在计算机的配件中当然有个重要的配件，那便是计算机重要的输入设备之一-键盘；键盘是人和计算机交互的一个主要界面，它集成了计算机的操作的功能；然而标准的键盘并不符合人机系统高效、舒适的要求不利于提高信息输入的效率；随着日常生活中使用键盘的时间和频率的增加以及键盘设计的不合理性，一些不健康的隐患也随之而来，比如称为“累积性骨骼肌肉损伤”这种职业病；另一个方面，键盘不合理的设计也会降低工作效率。因此最需要的是设计出符合高效、舒适、安全等要求的键盘。在科学技术不断提高的背景下，我们所使用的产品就需要不断地改善和创新，从一定程度上来讲，每一次的设计应该都是一次创新的过程，作为科学技术载体的产品创新，是改进人类工作、生活方式进而促进社会进步的重要推动力，产品的创新是理性分析产生的，从设计变量来看，工业产品的材料、形态、尺寸、色彩、机理、技术原理等方面都可以成为创新的突破点。产品在设计过程中需要注意的是要依据“以人为本”的设计思想，充分考虑人的因素，并依据人因工程的理论为依据；注重人机交互，注重人与工具的和谐性。关键词 高效，舒适，人机系统，创新，以人为本，交互目录摘要1绪论11.1课题研究的背景11.2课题研究的目的和意义11.3课题研究的内容22 键盘设计所应用的基本理论和设计原则33 常用键盘分析43.1常用键盘的类型43.2常用键盘材料53.3按使用对象分类54 键盘设计的原理和原因64.1键盘设计的主要因素和原因64.1.1键盘设计人手的因素64.1.2键盘设计环境的因素94.1.3键盘设计色彩的因素94.2键盘设计材料94.3键盘设计其它细节94.4键盘设计的最终概念模型10结论13参考文献14 1 绪论1.1课题研究的背景信息化时代的来临；导致我们日常生活中的工作和娱乐都离不开计算机，自然而然的就离不开计算机的输入设备键盘，在今天，科学为我们创造了很多之前认为不可能的事情；就计算机而言就有很大的突破，对于键盘这样的输入工具就有很多种不同的类型，包括机械键盘、无线键盘、以及电容触屏的虚拟键盘等，也有不同数量的按键，不同的类型具有不同的优点和缺点；但是键盘的整体不过都是由主键盘区、功能键区、编辑键区和数字键盘区等四部分组成，也正是这样几个重要的部分的合理分布才能提高我们的工作效率与人体的舒适感觉，但是遗憾的是；就标准键盘而言，并不符合人机系统高效、舒适的要求，会大大的降低信息输入的效率，人在使用键盘中，容易滋生一些病理性的状况，出现的这些问题主要是长时间保持相对固定的坐姿和重复某一动作而形成强迫性体位，以致身体相应部位处于持续的紧张状态而导致局部神经和肌肉损伤。对于“累积性骨骼肌肉损伤”这种职业病，它与重复性，机械力和工作姿势有密切的关系。对于现在已经有的键盘进行调查得出，可知不同地域的人，手的大小、形状等都是不一样的，而且对于不同的人对于键盘的材料和按键的形式都有不同的要求；甚至是对与键盘的颜色都有不一样的需要。综合考虑不同的人的不同需要，需要有能满足不同人的不同种类的产品，人们的不同的需求越多，然而现在已经具有的市场中缺乏能满足人们这些需求的东西，因此对于键盘的创新设计应运而生。1.2课题研究的目的和意义对于这样一个在我们生活中起着举足轻重的输入工具，如果能有那么一款有益于减轻操作疲劳，操作员感觉使用起来舒适、安全、高效的键盘，自然具有非凡的意义；例如，在你工作时一款这样的键盘能将你的工作时间缩短一两天，而且不会带来什么职业病；在你上网聊天和玩游戏时，即使使用很长的时间也不会觉得手疲软，而且不会存在什么“键盘手”、“鼠标手”之类的病理现象等等一系列的好处，这样的东西对于人们而言登顶会有很大的需求，然而需求是市场的源头，需求越多，渴望被满足的欲望越大，市场的空间就越大，产品的创新设计要做的就是来满足这些人的不同的需要。创新设计的出发点还是人，基于人手的形状与尺寸，来满足人的生理与心理的愉悦。综合上述情况，所以很有必要参考人因工程学科中的理论对人们日常生活中常用的键盘进行优化设计和改善。1.3课题研究的内容本课程设计运用人因工程中的“人体测量”、“人机界面设计”、“色彩”、“材料”等方面的理论对所使用的键盘进行综合设计和改善；具体的内容可分为五部分。首先，对整个课程设计的背景、目的和意义以及内容进行简要的介绍；其次，键盘设计过程中所需要的人因工程学的基本理论和设计原则的介绍；其次，是对现在常用键盘的现状进行分析；再次，有针对性的对现状的不合理之处进行改善和设计，着重对键盘设计的原理以及这样设计的理由进行阐释；最后，对本课程设计做一个简要的总结，简单的梳理全文内容，指出本课程设计的不足。2 键盘设计所应用的基本理论和设计原则键盘设计的过程中所应用的理论主要包括控制器的设计理论，体力疲劳及其消除，色彩环境理论，噪声及其控制等。（一）控制器的设计理论中主要是考虑工具的设计原则：避免静肌负荷；保持手腕伸直；使组织压迫最小；减少手指的重复活动。（二）体力疲劳及消除，体力疲劳一般分为四个阶段：工作适应期；最佳工作期；疲劳期；疲劳过度积累期；疲劳消除的途径可分为：（1）改善工作条件的方式合理设计工作环境；改进设备和工具；该进工作方法（2）合理确定休息时间和休息方式（三）色彩环境理论：主要是考虑键盘表面的颜色给操作者带来的不同的情绪感，例如暖色系颜色给人以兴奋感，可以激发人的感情和情绪，可以抑制人的感情和情绪，使人兴奋激情，精力旺盛，但也易疲劳；冷色系颜色给人以沉静感，可以抑制人的情感和情绪，使人沉着冷静和宁静的休息。其中黑色给人产生忧郁的感觉。合理利用色彩的情绪感觉，创造适应人的情绪要求的色彩环境。（四）噪声及其控制;主要是对键盘按键时产生的噪音进行消除，噪声的消除方式主要有选择发声小的材料；改进设备的机械结构采用吸声、隔声、消声等措施。（五）人体测量;主要是对人的手的长度和手的宽度进行，并通过求平均值所在的百分位对键盘的按键的间隔和按键的行间隔进行设计。对于手的长度是指手保持僵直的状态下，从腕部的皱痕到中指尖的距离。而手的宽度则是指通过手掌的最大宽度，在掌骨的末梢，与把手、控制杆的设计有关。在测量数据的过程中需要的用到的工具主要有软皮尺和直尺等；人体测量数据在设计中的使用原则主要有三大类；1、极端设计原则；2、可调范围设计原则；3、平均设计原则。3 常用键盘分析3.1常用键盘的类型对于现在我们常用的键盘无非是两大类；一类是笔记本的键盘，这类键盘一般都是86键的，如图1-1所示，另一类是外接键盘，这类键盘大多数具有104键，如图1-2；图 1-1 笔记本键盘图 1-2 外接键盘按照键盘的链接类型可以分为USB连接的键盘和无线键盘等。3.2常用键盘材料根据使用的材料不同，键盘大致分为：硅胶，P+R（塑料键帽，硅胶底板），P+R+TPU三种。按照按键的材质进行分类，目前常见的材质主要有HIPS、PC、ABS、ABS+PC、PBT、POM。比如HIPS是最便宜的工程塑料之一，但是冲击强度低，做出的产品很脆；对于PC材质而言，它无色透明和具有优异的抗冲击性；而ABS树脂的综合性能较好，冲击强度较高，化学稳定，电性能良好等对于不同的材质具有不同的优劣。3.3按使用对象分类一般的键盘常用于台式电脑、笔记本和工控机三大类。其中的台式机的键盘，每个键盘按键紧密的排列在一起，而对于笔记本的键盘常采用的是分岛式键盘，每个按键都是孤立的这类键盘因为样子酷似巧克力，就称作巧克力键盘；所谓工控机即是工业控制计算机，工控机的键盘不管是在外观还是质地等等，都是多种多样的，如果要说工控机键盘和普通键盘的区别，主要是防护等级不同，但一般场合，用质量稍好点儿的普通键盘也可以了，特殊场合和特殊规则的地方就需要用到特制的工控机键盘。4 键盘设计的原理和原因4.1键盘设计的主要因素和原因4.1.1键盘设计人手的因素对于键盘上的按键的排列和外形进行设计，主要是根据现在已经有的各类键盘进行，同时参考人的一些要素，因此在设计键盘之前需要做的就是对人的手的形状有所认知，通过观察的形式取得人手的图片如下图4-1：图 4-1 人的双手及操作键盘是的姿势从图中可以看出人在自然状态下手的姿势和操作普通键盘时手的姿势，依据上图作出手在操作时的简图，及改善后的简图如下图4-2：目前的操作时手的姿势改善后的姿势图 4-2 改善前后的手的姿势在改善的过程中需要测量手的长度和宽度，并求所测量的数值的平均值，并依据平均值所在的百分位对键盘的按键的间隔和按键的行间隔进行设计，具体操作如下：(单位/cm)（1）在操作姿势上以人手的自然状态作为设计的参考，人在自然状态下相对于操作普通键盘时不会那么容易疲劳，现在大多数的键盘的操作时由于手腕的弯曲，特别容易疲劳，酸软。如下图4-3；30度左右手腕处易产生疲劳和酸软图 4-3 改善前手腕的状态通过分析得，可以通过重新设计按键的排列方式来改善这种现状；总体思想就是讲按键的排列方式符合人的手的形状来满足手腕处的弯曲角度带来疲劳的问题。 图 4-4 自然状态下的手（2）根据手的长短和宽窄来分布键盘上的按键，来达到使操作者感觉舒适不易出错；测量常用键盘的人的手的长度和宽度，对所取得的数据记录如下表格：图 4-5 手的长度17016.817517.418.418.016.817.618.618.017.417.817.618.017.818.218.418.217.217.818.018.218.018.417.417.817.518.418.818.018.218.017.817.417.818.417.917.618.617.817.817.817.618.018.218.617.818.218.218.3图 4-6 手的宽度9.89.79.010.310.09.89.29.710.49.810.010.010.49.69.710.410.410.310.29.410.29.69.89.79.910.09.89.89.210.49.49.89.49.69.710.69.610.09.710.69.69.89.59.510.010.29.810.010.09.6根据表格中的测量数据求得其平均值得：设手长为；手宽为，则分别求得手长的平均值=17.9手宽的平均值=9.854要求键盘按键的间隔能满足90%的人的使用要求，因此需用选择第5百分位和第95百分位，依据所求得平均值，求出键盘按键间隔设计的范围，以此作为设计的键盘按键间隔的标准。查表得第5百分位和第95百分位的变换系数K=1.645借助Excel求得手长的标准差=0.44949;手宽的标准差=0.365385计算手长的第5百分位：=-K=17.9-0.449491.645=17.2第95百分问：=+K=17.9+0.449491.645=18.6计算手宽的第5百分位：=-K=9.854-0.3653851.645=9.3第95百分问：=+K=9.854+0.3653851.645=10.4在设计键盘按键的主键盘区的时，参考手的宽度的范围9.310.4cm将键盘左右边的按键的区域设置为宽度为10.4cm的宽度，由于键盘的左边的按键先对较右边少一列，因此左边的宽度设置为9.6cm。键盘的按键区域的纵向长度约为手的长度的四分之三，根据所求得的手长的范围17.218.6cm，选在长度为18.2cm进行设计得 3/4 18.2=13.65cm,以此数据作为键盘的纵向长度。（3）另一个方面就是操作者的手一般都是悬空的没有承托之处，容易产生疲劳，因此在键盘的下部进行加长，并添加可以放手的地方，能在输入信息的时候将手腕处放在上面来降低疲劳；放手处的材料选择软而且贴合人手腕形状的材料。4.1.2键盘设计环境的因素从光线强弱的角度进行考虑，无非就是一种明亮的环境和一种光线较暗的环境，这两种情况构成了我们工作和学习的光线环境；还有就是一般的键盘在操作过程中还容易带来一些噪音，这些都是设计中需要避免的部分。因此考虑将键盘的按键上设计成夜光的形式避免操作的失误，针对键盘的按键产生的噪音则主要是从按键的材质方面进行改善；例如，可以采用硅胶材料或是采用红外线阻隔来取代弹簧片。4.1.3键盘设计色彩的因素在人因工程学中学到不同的色彩对于人而言具有不同的影响，颜色的不同也会给人带来不同的情绪感；例如明度较高而鲜艳的暖色，容易引起人的疲劳，明度较低、柔和的冷色，使人有稳重和宁静的感觉；暖色系容易给人以兴奋感，可以激发人的感情和情绪，使人兴奋激情，精力旺盛，但是易疲劳，冷色系颜色给人以沉静感，使人沉着冷静等等；在设计键盘的时候综合工作和娱乐的需要来设计不同的颜色的键盘；例如，是那种需要冷静思考的工作则可以将键盘设计为冷色系的颜色，比如青色、绿色、蓝色等；如果某种工作需要旺盛的精力的投入，则可以选择暖色系的键盘，比如红色、橙色、黄色等。然而现在的键盘大多为黑色的色调，然而黑色容易使人产生忧郁的感觉。4.2键盘设计材料不同的材料会给人带来不一样的使用体验，因此键盘设计时根据需要来选择适合的材料，充分考虑到减小按键过程中的噪音问题和材料粗糙而造成的不舒适的感受；另一部分需要考虑的是键盘的下部承托手的部位的材料不能太硬，相反要采用软质的材料，避免给手腕带来由于挤压而带来的损伤。4.3键盘设计其它细节在使用键盘的过程中如果能将很多常用的按键进行整合，在键盘上同时加入“保存”按键、“声音调节”按键、“快进和快退”按键等的融合可以大大的提高工作效率；另一个主要的部分，便是在键盘的右手边融入触屏的功能，便可以不免抬手去操作鼠标的过程。4.4键盘设计的最终概念模型键盘的设计和改善后的概念模型如下图所示；主要由四大部分组成，如图4-5是设计的键盘的整体效果图；图4-6是键盘的主键盘区，这一部分主要是将左右手操作的按键彻底分开，并添加一个主机箱的开关按钮，方便关机和重启；键盘的功能键区和方向键如图4-7；数字键盘见图4-8，这两部分没有