摘 要

本文遵从人因工程学的原理，对键盘的键位布局进行了重新设计，同时还对键盘的外形设计进行了调整，解决了一些使用中出现的问题，一定程度上提高了使用者的体验，满足了人性化的需求，也提高了工作的效率。

论文主要研究了键盘的键位布局与整体外形这两个方面。通过对使用汉语拼音输入法进行汉字输入过程中键盘上各键位的按动频率的统计，获取键盘上各键位的按动频率，以此为基础对是使用键盘过程中各手指的工作负荷进行了分析，利用人因工程学的方法，平衡使用键盘时各指的工作负荷，提出了能够使各指负荷均衡的键位布局方案；同时对因长期使用键盘而出现的各种问题进行分析，利用人因工程学的相关知识，对现行键盘外形设计进行了改进，在一定程度上避免了使用者在使用中遇到的各种问题。

研究结果表明：重新设计的键位布局方案可以有效的解决了各手指工作负荷不均的问题，也可以提高使用者的输入效率；同时，使用优化后的键盘外形设计方案的键盘可以有效的提高使用者的舒适度，在一定程度上降低使用者的疲劳程度，减轻其受到的身体上的伤害。

本文的特色在于：以使用人群为基础，根据其输入特点，充分考虑的使用者的真实需求，对键盘的各方面进行重新的设计，开辟了键盘设计的新思路。

关键词：键盘；人因工程学；汉语拼音输入

Abstract

Based on the principle of human engineering, this paper focuses on redesigning the key layout of the keyboard and adjusting the keyboard shape design to solve some practical problems, so as to improve the user experience, meet the humanized demands and improve the work efficiency to some extent.

The paper mainly studies two aspects: the key layout and the overall shape of the keyboard. Through the use of Chinese Pinyin input method for the Chinese character input on the keyboard keys on the frequency of the statistics and the access to the keys on the keyboard to press the frequency, the paper analyzes the use of the workload of each finger when people use the keyboard. Based on human engineering method that is giving the balance of the workload of each finger in using the keyboard, the paper provides the key layout program, which can make the load balance of each finger. At the same time, the paper also analyzes various problems because of the long-term use of the keyboard. Through the use of human engineering knowledge, the current keyboard design has been improved to a certain extent, to avoid these problems.

The results show that the redesigned key layout scheme can effectively solve the problem of uneven workload of each finger, and improve the input efficiency of the user. At the same time, the keyboard of the optimized keyboard shape design can improve the user's comfort, to a certain extent, to reduce the degree of fatigue of the user and the physical damage suffered.

Feature of this paper: Considering daily usage habits of the Chinese character input on the keyboard keys, the paper focused on the user’s real demand and redesigned the keyboard in all aspects to offer some new ideas on the keyboard design.

Key Words：keyboard；Human engineering；Chinese Pinyin input

目 录

摘 要 1

Abstract 2

1 绪论 1

1.1 研究背景 1

1.2 国内研究现状 2

1.3 国外研究现状 2

1.3.1 DUORAK键盘 2

1.3.2 和弦键盘 3

1.3.3 K键盘 3

1.4 研究目的与意义 4

2 键盘设计综述 5

2.1 键盘的分类 5

2.1.1 以键盘材质划分 5

2.1.2 以键盘外形划分 5

2.1.3 以电路工作原理划分 6

2.2 键盘的设计步骤 6

2.2.1 键位布局设计 7

2.2.2 键盘外形设计 7

2.2.3 工作电路设计 7

2.3 键盘的设计计划 7

3 键位布局方案设计 9

3.1 按键频率统计 9

3.1.1 按键频率统计方法 9

3.1.2 按键频率统计过程 9

3.1.3 按键频率统计结果分析 11

3.1.4 按键频率统计误差分析 14

3.2 键位布局设计原则 14

3.2.1 人手疲劳的生理特征 14

3.2.2 排布原则 15

3.3 键位布局设计方案 15

3.3.1 按键等级划分 15

3.3.2 位置等级划分 16

3.3.3 键位布局初步方案 16

3.3.4 方案分析与调整 17

3.3.5 最终键位布局方案 18

3.4 键位布局方案测试 19

3.4.1 实验目的 19

3.4.2 实验准备 19

3.4.3 实验方案 19

3.4.4 键盘设计评价的工效学指标 19

3.4.5 实验方案结果 20

3.5 方案调整与反思 21

4 键盘整体外形设计 22

4.1 现行设计存在的问题分析及改善 22

4.1.1 两手间距过近 22

4.1.2 水平直线排列 23

4.1.3 竖直排布 23

4.1.4 缺键少键键位不合理 24

4.1.5 手腕缺乏支撑 25

4.2 键盘外形设计方案 26

4.2.1 改进的目标 26

4.2.2 改进方案的设计 26

4.3 方案评价 27

5 总结与展望 28

1 绪论

伴随着信息技术的飞速发展，电脑已经成为人类生活不可或缺的一部分。键盘作为人机交互时信息大量输入的主要手段之一，自19世纪中叶被发明以来^[1]就倍受青睐。通过键盘，使用者可以向电脑发出工作指令。然而随着电脑的使用范围与时间的增长，很多人由于长期使用键盘而患上了相关的肌肉骨骼病症，严重影响其正常的工作与生活。同时，目前使用最广的QWERTY键盘在键位布局上存在一些不合理的地方，这也给使用者造成了一些困扰。

1.1 研究背景

如今，人类对电脑的依赖性越来越强，而由于长期持续性的使用键盘，出现的相关病症也越来越多。其较轻微的状况是使用者在操作时双手酸痛，更严重的情况是患上腕管综合症、造成脊椎神经伤害以及颈部、腰部的累计性骨骼肌肉损伤等^[2]，这些职业病症严重的影响着使用者的健康与体验。

因使用键盘而患上的相关疾病，其根本原因大多是由于操作者在使用中长时间压迫了手腕处的神经，加上长时间保持不良的坐姿，而引发的脊椎神经损伤。累积性骨骼肌肉损伤是键盘操作中一个比较突出的问题，是指由于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,导致身体相应部位处于持续的紧张状态而导致的局部神经和肌肉损伤^[3]。

目前我国每年约有7000多万计算机使用者由于长期使用键盘进行操作，而患上了各种疾病^[4]。对键盘进行人因工程学方面的研究已是人类社会的迫切的需求，虽然作为人机交互输入设备的键盘在不断地推陈出新，但目前市场上能够符合人因工程学设计的电脑键盘乏陈可数。

同时，目前使用最广泛的键盘是1971年由国际标准化组织选用的QWERTY键盘^[5]，这款键盘诞生于1873，在设计过程中，由于受机器性能限制，不但没有为提高效率进行相应优化，反而进行了特殊的安排，来降低操作者的输入速度，保证机器能够准确识别，因此从效率的角度来讲，这款当今流传最广的键盘就存在天生的缺陷^[6]。

其次，目前广泛使用的QWERTY键盘是由以英文为输入主体进行设计的，与我国目前大多数人使用的汉语拼音输入模式在兼容性是否匹配还有待考证^[7]。在此背景下，设计一款适合汉语拼音输入特点的人体工程学键盘可以说是众望所归。

1.2 国内研究现状

目前国内在电脑键盘领域的研究主要集中在软件方面，通过软件智能辅助的方式，来提高中文输入时的效率，目前反响较好是搜狗输入法，这种输入根据用户的使用习惯，分析用户的输入目的，提前推送输入结果，这与一键多码键盘有相似之处。

在硬件方面，国内对于计算机键盘的研究成果不是很多，但还是有张学成等人提出的A字布局的笔记本电脑键盘布局优化方案^[8]，也有陆德谋等人对QWERTY的功能键的排布优化方案^[9]。这些研究对QWERTY键盘存在的问题提出了一些探讨，但都没有能够提出获得广泛认同的键盘整体设计方案。而以汉语输入特点为基础的相关研究目前还是一片空白。

1.3 国外研究现状

国外关于键盘的研究已经持续了多年，从最开始改良键盘的机械结构,以此来提高键盘的工作性能^[10]；到后来以思考如何提高输入速度和准确性^[11]；近年来，随着计算机的普及和人因工程学的不断发展，研究方向也集中到使用者的生理和心理的负荷, 如疲劳度、双手肌肉的紧张和劳损等方面^[6]。接下来将介绍几种非常具有典型性的研究结果。

1.3.1 DUORAK键盘

在针对输入效率方面，August Dvorak提出了的DUORAK键盘界面布局方案^[12]。这种键盘相比于QWERTY键盘，在手指移动距离方面进行了较大优化，将高频键分布在中排，同时尽可能使用左右手交替击键，均衡了负荷。测试结果显示，DUORAK键盘相比于QWERTY键盘在输入效率方面提升了35%^[13]。

图1.1 DUORAK 键盘

但是由于DUORAK键盘在界面布局上变化太大，学习成本过高，原来熟练使用QWERTY键盘的打字员抵触学习这种键盘，因此这一良好的设计并未能够得到广泛的应用。目前这种键盘只在在编程领域有小范围人群使用^[14]。

1.3.2 和弦键盘

QWERTY键盘在设计之初是非常标准的一键一码键盘，但是为了适应人的需求逐渐发展成为了一键一码与多键一码相结合的键盘。而和弦键盘是一种全新理念的多键一码键盘，这种键盘，每次按动需要同时按动几个键，来向电脑发出确定的命令，使用起来颇有弹琴的意思，因此而得名。

和弦键盘的按键的数量大大减少，因此键盘的体积同样巨幅缩减，操作员手指的移动同样减少^[15],在操作模式上，既可以选择单手操作，也可以双手操作。在某些特定场合下非常实用。研究证明这种键盘是一种易学高效的键盘，在某些特定场合下非常实用，比如飞机的驾驶舱。

1.3.3 K键盘

K键盘的提出可以说是键盘发展历史上的里程碑的存在。K键盘是由Klockenberg提出的，其设计初衷是为了解决用户在使用的双手极不自然，容易疲劳，因此将键盘分成左、右两半来减少手腕的扭曲^[3]。

图1.2 K键盘示例

这种键盘在输入速率上与传统键盘并无太大差距，但是可以大大降低操作者在使用过程中的疲劳，一定程度上可以避免相关病症的出现。实验表明，相比于使用传统键盘的测试者由于手腕疲劳而无法继续进行输入时，使用K键盘进行持续输入的测试者并未感到疲劳，其停止继续输入的主要原因是，难以集中注意精力。

在K键盘的基础，后来还出现了“鸥翼式”键盘等键盘，可以说K键盘是当前人因工程学键盘的典范之作，近年来微软提出的一系列人因工程学键盘都可以看到其踪影。

1.4 研究目的与意义

目前，我们所使用的键盘虽然可以称的上是一款经典的键盘，但并不能够说这是一款优秀的键盘，操作者在使用的过程中往往有多方面的问题与困扰。

传统键盘已经不能够满足现如今使用者对效率与舒适的需求，而人性化设计又已经成为当今设计中的重要考量因素。因此在原有设计的基础上进行开拓性的创新，是解决现如今键盘 “供需不衡”的途径。