計算機鍵盤的人機工程學設計綜述

梁艷霞

（江蘇師范大學 機電工程學院，江蘇 徐州 221116）

計算機鍵盤的人機工程學設計綜述

梁艷霞

（江蘇師范大學 機電工程學院，江蘇 徐州 221116）

鍵盤作為計算機人機界面中重要的輸入設備得到了極為廣泛的應用。傳統計算機鍵盤存在的設計缺陷導致使用者易患相應的職業病。文中給出了鍵盤的起源、分類、國內外研究現狀、鍵盤設計的工效學指標及設計新趨勢，以微軟人體工程學4000鍵盤為例，分析了鍵盤設計中的人機工程學因素。最后指出鍵盤設計的兩個方向：一是徹底改革，采用一鍵多符或多鍵一符鍵盤；二是在現有QWERTY鍵盤基礎上進行人性化改進。

計算機鍵盤；人機工程學；鍵盤設計

0 引言

計算機目前已成為人類不可或缺的工具,早在2000年，全球已有超過25%的人工作日有一半以上的時間在用計算機[1]，近年來這一數據在急劇上升。

隨著計算機不斷滲透到工作生活的方方面面，與計算機應用有關的職業疾患在日益上升。其中，與鍵盤應用有關的肌肉骨骼癥狀高達76%[2]。目前我國每年約有7000多萬計算機操作者由于長期應用長條形鍵盤操作而患上了各種疾病。因此，對鍵盤的人機工程學研究已成為各國相關學科專家研究的一個重要課題。

1 計算機鍵盤概述

1.1 計算機鍵盤的起源

自1866年第一臺商用打字機誕生以來，鍵盤一直是以計算機為代表的人機系統的主要輸入設備。1971年,國際標準化組織把一種布局簡稱為QWERTY的鍵盤規定為國際標準鍵盤，成為世界各地廣泛使用的計算機輸入設備[3]，如圖1所示。

1.2 計算機鍵盤的分類[4]

鍵盤種類繁多，其分類有很多維度，這里主要以鍵盤編碼為主要維度來進行區分，根據按鍵與字符的對應關系，鍵盤可分為：①一鍵一符：是指一個按鍵只對應一個字符；②一鍵多符：是指一個按鍵對應多個字符；③多鍵一符：多鍵一符運用了組合鍵的方式實現一個字符的輸人，也即人們常說的和弦。

2 國內外鍵盤研究現狀

2.1 國內研究現狀

國內對于計算機鍵盤的研究成果不是很多，現有的工作主要集中在：針對當前QWERTY鍵盤存在兩手距離偏近、鍵盤在側斷面上呈梯形、按鍵呈水平直線排列、沒有考慮到手的支撐、按鍵的布置沒有考慮到使用頻率、鍵盤設計沒有適應網絡和多媒體急劇發展的趨勢等問題，根據人機工程學中人的生理和心理特點、動作經濟性原則、色彩學等原理，對現有鍵盤進行了改進性設計，著重對鍵盤的總體布局和形態進行重新設計；對鍵位布置按照使用頻率進行調整；設置鍵盤墊；重新選擇鍵盤材料和色彩等[5]。

2.2 國外研究現狀

近年來，國外相關專家對于鍵盤的研究主要集中在：

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

（2）對標準鍵盤和人機工程學鍵盤的比較研究，主要有：手腕和前臂姿勢比較；在擊鍵中的數字動力學比較；研究培訓對打字效果的影響等[7]。

（3）對創新鍵盤的研究如：對垂直鍵盤在擊鍵性能、用戶舒適度和肌肉緊張度方面的研究[8]；對虛擬鍵盤的研究；對觸摸式鍵盤的研究等。

3 鍵盤設計的工效學指標及新趨勢

3.1 鍵盤設計的工效學指標[9]

任何新型鍵盤的設計和評價都是基于以下工效學指標的：①輸入速度；②正確率；③編碼的易學程度；④空間的要求；⑤雙手肌肉的緊張和勞損程度；⑥心理負荷；⑦用戶的使用偏好。

以上各指標是相互聯系、相互制約的，不可能設計出一個鍵盤能同時充分滿足以上所有指標，因此所有新鍵盤的誕生都是建立在對上述各指標的權衡基礎之上的。

評價一種鍵盤的優劣，主要取決于文本輸入的速度和準確率，以及使用者的舒適程度。

3.2 鍵盤設計的新趨勢

在鍵盤設計的最初階段，研究工作主要是改善鍵盤的機械結構，以提高它的機械性能。后來的工作集中于提高它的輸入速度和準確性。而近年來，隨著計算機的普及，研究者們越來越重視鍵盤使用者的生理和心理的負荷，如疲勞度、雙手肌肉的緊張和勞損等。從前述國內外研究狀況也可發現，目前國內的研究工作重點主要還在第二階段，即提高鍵盤的輸入速度和準確性，同時適當考慮到了人的生理心理特點；而國外的研究已全面進入到了最高階段，即研究使用者的生理和心理的負荷。

有不少研究表明，標準鍵盤的鍵位布局不符合工效學中人機系統高效舒適的設計目的，不利于提高信息輸入的效率。由此，工程心理學家及工效學家提出了一些用于替代標準鍵盤進行更有效的人機交流的鍵盤。典型的有以下幾種：

（1）槽式鍵盤[10]。槽式鍵盤是一鍵一符的鍵盤，標準鍵盤的所有鍵位行均在同一個平面上，而槽式鍵盤將第3行（即ZXCVB行）鍵位與整個鍵盤平面成90°排列，整個鍵盤外形從側面看形成一個槽式，故稱槽式鍵盤。如圖2所示。其特點有：①基本鍵位布局未作根本性的改動；②槽式的設計簡化了從第2行（即ASDFG行）鍵位向第3行鍵位的操作動作，有利于提高輸入的速度并減輕手指的負荷；③各基本行之間的鍵位分布設計成一一對應的直線排列，有利于提高盲打輸入的易學性、準確性和速度；④在鍵盤內邊緣（靠近操作者一方）設計了一個固定的扶手。

相關的研究結果表明：槽式鍵盤在輸入速度、準確性、易學性和減輕操作者的疲勞等方面都優于標準鍵盤。

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

由于上述原因，和弦鍵盤在國外被認為是可以替代標準鍵盤的最有力工具。

（3）一鍵多符鍵盤[11]。 一鍵多符鍵盤的典型應用目前主要在手機、PDA等移動終端上。它有以下特點：①空間要求低；②易學性好；③歧義性高。因此，一鍵多碼鍵盤設計必須解決歧義性的問題，一般是通過計算機軟件來消除歧義性。

（4）人機工程學鍵盤[12]。早在1926年，Klockenberg使用傳統的QWERTY鍵盤時，雙手極不自然。于是他將鍵盤分成左右兩半，設計成最初的人機工程學鍵盤（即K鍵盤），如圖4所示。其特征是在標準鍵盤上將指法規定的左手鍵區和右手鍵區這兩大板塊左右分開，中間以鉸鏈相連，左右手各使用一塊。K鍵盤的每片都按一定的角度放置，使人不必有意識地夾緊雙臂，保持一種比較自然的狀態，手腕自然伸直，操作自然，不易疲勞。實驗表明：K鍵盤和QWERTY鍵盤在輸入速度和效率上沒有差別，但QWERTY鍵盤的使用者因手腕的疼痛停止輸入，而K鍵盤的使用者是因不再能集中精力而停止輸入。

4 鍵盤設計實例——微軟人體工程學4000鍵盤[13]

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

5 結論

從世界上第一臺計算機誕生至今的60多年間，鍵盤一直是計算機系統的重要輸入設備。盡管隨著新技術的快速發展，近年來觸覺和語音等新的輸入技術得到了很大進步，并有試圖替代傳統鍵盤的趨勢；同時鼠標及其它非鍵盤輸入設備的快速進步也在逐步削弱傳統鍵盤的重要性。但在目前來看，至少在今后很長的一段時間，鍵盤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QWERTY鍵盤存在諸多人機工程學問題，因此國內外相關研究人員相繼提出了一些一鍵一碼鍵盤的新的布局設計。改進后的鍵盤充分考慮了人機工程學的原理，更適合于操作者的特點，在實驗室試用中明顯地提高了輸入效率。可是，這些經過改進的鍵盤往往難以得到實際的推廣應用。究其原因，最主要的一點是這些鍵盤的編碼方式和QWERTY鍵盤沒有本質的差異，而是對標準鍵盤的鍵位布局作了根本性的改動，而新鍵盤的學習會干擾打字員費了很多努力才掌握的QWERTY鍵盤的使用技能，自然用戶會偏好QWERTY鍵盤，而拒絕接受新式的一鍵一碼鍵盤。廠商也不愿花費財力去作冒險的改進。Noyes甚至認為，新的一鍵一碼鍵盤設計不會動搖QWERTY鍵盤的地位，任何更有效的鍵盤布局的開發和設計都僅僅是學術 行 為[3，9，10]。

因此筆者認為，對傳統QWERTY鍵盤的改進有兩條路可走：要么進行徹底的改革，采用與傳統QWERTY鍵盤學習完全不沖突的多鍵一符（如：和弦鍵盤）或一鍵多符鍵盤；要么在不改變現有按鍵布局的基礎上，進行人機工程學方面的一些改進設計，如上述的微軟人體工程學4000鍵盤。

[1]Hjelm,E.,Karlkvist,L.,Hagberg,M.,RIsberg,E.,Isaksson,A.,Toomingas,A.,2000.Working conditions and musculoskeletal disorders amongst male and female computer operators.Paper presented at the IEA 2000/HFES 2000 Conference.

[2]A Aaras,K Fostervold,O Ro,M Thoresen,S Larsen.Postural load during VDU work：a comparison between various work postures.Ergonomics，1997.

[3]Noyes J.Chord keyboards[J].Applied Ergonomics,1983,14(1)：55-59.

[4]周銀河，陳東義，等.多種移動鍵盤分析[J].艦船電子工程，2006，6.

[5]楚杰.保健型人機鍵盤的參數優化與工效學設計[J].人類工效學,2009，3.

[6]Grace P.Y.Szeto,Leon M.Straker,Peter B.O’Sullivan.The effects of speed and force of keyboard operation on neck–shoulder muscle activities in symptomatic and asymptomatic office workers.International Journal of Industrial Ergonomics,Volume 35,Issue 5,May 2005.

[7]David Rempel,Alan Barr,David Brafman,Ed Young.The effect of six keyboard designs on wrist and forearm postures.Applied Ergonomics,Volume 38,Issue 3,May 2007.

[8]Gerard P.van Galen,Hanneke Liesker,Ab de Haan.Effects of a vertical keyboard design on typing performance,user comfort and muscle tension.Applied Ergonomics,Volume 38,Issue 1,January 2007.

[9]牟煒民，劉艷芳，張侃.鍵盤的種類及評價的工效學指標[J].人類工效學，1997，2.

[10]張侃，等.槽式鍵盤的工效學特征[J].人類工效學，1997，3.

[11]Kreifeldt JG.Reduced keyboard designs using disambiguation.Proceedings of the human factors society 33rd annual meeting，1989.

[12]Kroemer K H E.Human engineering the keyboard.Human Factor,1972.

[13]http：//detail.tmall.com/item.htm?id=2254475874＆,2012/8/15.

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：人機工程學，計算機輔助工業設計。