人機工程課程設計鼠標鍵盤人體工程設計產(chǎn)品的現(xiàn)狀與分析

工業(yè)083鼠標、鍵盤人體工程設計產(chǎn)品的現(xiàn)狀與分析課程名稱：人機工程實驗所屬院系：管理學院工業(yè)工程系指導教師：鄧華在第二次世界大戰(zhàn)之后，人體工程學就已經(jīng)作為獨立的學科開始發(fā)展，在設計、環(huán)境、軍事等諸多領域都有廣泛的應用，可以說，只要是有人機交流的地方就有人體工學的應用，而鍵盤鼠標外設的人體工學也已經(jīng)成長了數(shù)年。鍵鼠產(chǎn)品已經(jīng)發(fā)展了幾十年，作為電腦桌面上使用頻率最高的輸入工具，同時也是人機交流的最重要工具，它的性能好壞直接決定了我們工作效率的高低。隨著技術的發(fā)展，我們從最原始的機械鼠標到激光鼠標，從有線鼠標到無線鼠標，從功能簡樸的機械鍵盤到功能豐富的多媒體鍵盤，我們已經(jīng)突破了技術瓶頸。鼠標鍵盤是人和計算機交互的一個重要界面，它同時集成了光標的移動和計算機的操作的功能，輕松的運動和多功能的按鍵使鼠標領先于其他各種定位設備，可以說鼠標鍵盤是我們平常生活中操作電腦的一個最常用的工具，因此設計具有人機工程學特點的鼠標是十分故意義的。鼠標的人機工程學設計，重要就是鼠標的造型設計。而要研究這個問題一方面要研究人手圖一：人手的結(jié)構(gòu)鼠標設計現(xiàn)狀分析人手的結(jié)構(gòu)中，與鼠標相關的部分向上涉及前臂，而向下則有手腕、手掌、手指等結(jié)構(gòu)。前臂內(nèi)部涉及尺骨、橈骨等重要的骨骼人就是依靠這兩根骨頭的交錯來完畢手腕的旋轉(zhuǎn)的。而手腕結(jié)構(gòu)中重要是一快腕骨，它的轉(zhuǎn)動使得人的手腕可以仰俯。而人的手掌則重要由兩組肌肉組成，一個是拇指屈肌和外展肌組成的肌群，一個是小指屈肌及展肌組成的肌群，在兩個肌群指間有一條溝壑。對于不同的人，這條溝的深度和寬度是不同的。而這條溝內(nèi)部，則是人手重要神經(jīng)和血管所走的地方。手指的結(jié)構(gòu)則相對比較簡樸，每個手指涉及三個指節(jié)，并在一定范圍內(nèi)可以作橫向的展開。對于手腕結(jié)構(gòu)來說，多次的實驗證明，當人的手腕呈“仰起”狀態(tài)時，則“仰起”的夾角在15度－30度之間的時候，是最舒適的狀態(tài)，超過這個范圍，會導致前臂肌肉處在拉伸狀態(tài)，并且也會導致血流的不暢。對于手掌來說，其最自然的形態(tài)就是半握拳狀態(tài)。而鼠標的造型設計，事實上就是要盡量貼合這個形態(tài)。對鼠標的設計原則，可以歸結(jié)為以下三點：1、要使鼠標外殼緊密貼緊人手掌的兩個重要肌群——拇指肌群和小指肌群。使它們能夠貼緊而又不受壓迫。受壓迫會導致手掌處在疲勞狀態(tài)，而貼不緊又有握不住的感覺。2、要使鼠標外殼緊貼掌弓而又不壓迫它。也就是鼠標外殼要貼緊手掌中間的那條“溝”。假如它不能貼緊，那么手心就會有“懸空”的感覺，而假如壓迫了它，由于下面是手重要動脈和神經(jīng)的必經(jīng)之地，時間長了以后會導致手缺氧。3、鼠標的最高點應當位于手心而不是后部的掌淺動脈弓，否則會導致手掌產(chǎn)生壓迫感。對于手指，手指的自然形態(tài)應當是五個手指都不懸空，并且處在呈150度左右的自然伸展狀態(tài)。而對于鼠標設計來說，手指部分的一個特別規(guī)定，就是當手指自然伸展時，第三指節(jié)的指肚應當正好處在鼠標按鍵的微動開關上，這樣才干獲得最佳的按鍵手感。符合人因工程學的設計并不是適合每個人，這一點上在鼠標的設計中尤為明顯。有很多號稱符合人因工程學的鼠標用起來并不是很舒適，重要因素在于這些鼠標設計的時候是以歐美人士作為基準的，而這個基準對于亞洲人來說顯得過大了。據(jù)美國一家權威數(shù)據(jù)調(diào)查公司的數(shù)據(jù)記錄，歐美人士的手掌心平均要比亞洲人的手掌心深1-2CM，并且手要長3-4CM。下面就是一張標準體型的亞洲人（174CM）和低于標準體型的歐美人士手（178CM）圖二：左邊為亞洲人手掌，右邊為歐美人手掌可以從圖上看出很明顯的差別：一方面，亞洲人的手掌偏窄，另一方面手的長度也偏小，再者手掌中央的“溝”也偏淺。圖三175CM亞洲人手握歐美國家的品牌鼠標此外，由于亞洲人的手普遍要比歐美人士短幾個公分，所以在亞洲人握歐美人士的大鼠時，其鼠標的最弓背處剛好處在手掌心的靠后部分，并且手部的受力集中于手掌心稍后側(cè)的掌淺動脈弓。假如動脈受壓過久，時間長了會產(chǎn)生麻木酸痛的感覺，并使手指缺氧產(chǎn)生疲勞感。此外，假如手處在逼迫狀態(tài)，其手指的靈活度也將受到很大的影響，這在玩游戲時體會更明顯。由上面的分析可以看出，重要針對歐美標準而設計的鼠標具有個頭特別大，后背非常弓的特點，而這兩點對亞洲人來說是一個極為不合理的設計。圖四：175CM亞洲人手握歐美國家的品牌鼠標一些著名的鼠標品牌重要是以歐美人士作為基準，設計出來的鼠標個頭都特別大，并且后背都非常弓，由于假如鼠標后背太平，歐美人士的人握上去之后，手掌心就會有懸空的感覺。由于鼠標較大的因素，手腕的腕關節(jié)被迫抬高，使手背與桌面的夾角大于了30度，腕關節(jié)部位及手的前臂部位的伸肌群都處在強直的受力狀態(tài)，受前臂肌群力的影響，上臂的肱三頭肌及肱三角肌也都會同時受到力牽拉的作用，這樣一來，人的肩關節(jié)也會一直處在強直狀態(tài)。在這種狀況下用鼠標，時間長了很容易出現(xiàn)腕關節(jié)及肩部酸脹的癥狀，從而極易產(chǎn)生疲勞感。圖五圖六：專門為亞洲人設計的鼠標專門為亞洲人設計的鼠標外形設計方面較之歐美的鼠標稍微要小一點，并且流線造型的弧度也要平緩一些，針對于亞洲人手的特點，這款鼠的后背夾角設計成為150度左右，這種設計使亞洲人的手握在鼠標上后使手背同桌面呈現(xiàn)15-30度夾角，而使腕關節(jié)及肩關節(jié)的都呈自然放松狀，同時手握鼠標的受力點恰好位于手心稍靠掌指關節(jié)處，從而避開了位于掌心靠后側(cè)的掌淺動脈弓。這樣，不僅手指在點擊按鍵時會非常靈活自如，并且長時間的使用也不會容易疲勞。人們在使用鼠標時，總是頻繁地使用食指，手腕支撐面積較小，肌肉處在緊張狀態(tài)，受力較大且手指受力不均勻，這種單調(diào)而輕微的動作，易于使經(jīng)常使用鼠標的人感到疲勞鼠標的重量影響使用者的舒適限度，一般80-110克之間為宜。太重的話，手腕負載的壓力過大；太輕的話，筋肉的緊張限度偏大，光標定位的精確度難以掌握，兩者均不適宜人員的長期使用。圖七：握持時的狀態(tài)這幾款鼠標后背蓋的設計為圓鈍狀，人的手握上去之后，手正好呈半握拳的自然放松狀，這種姿勢剛好使鼠標的后背與手的掌心完全貼合，既不出現(xiàn)空隙，也不使手掌肌群受壓，這樣不僅腕關節(jié)得到放松，并且掌指關節(jié)及指間關節(jié)的韌帶也會處在放松狀，食指和中指可以輕松自如的點擊按鍵，而小指自然放置在鼠標右側(cè)。除此之外鼠標應當放在一個稍低位置，這個位置相稱于坐姿情況下，上臂與地面垂直時肘部的高度。鼠標和身體之間的距離也有一定的規(guī)定。手握住鼠標的時候，上臂和前身夾角保持45度以下的時候，身體和鼠標的距離比較合適。如太遠了，前臂將帶著上臂和肩一同前傾，會導致關節(jié)、肌肉的連續(xù)緊張。太近了，會導致上臂的連續(xù)收縮。鍵盤設計現(xiàn)狀分析鍵盤作為較早的計算機輸入設備，從它的發(fā)展中我們也能看到一些計算機發(fā)展的影子。普通鍵盤的主鍵區(qū)，也就是字母鍵區(qū)，鍵位整體呈長方形排列，使用時，我們的兩個手腕要向內(nèi)收攏，時間長了非常不舒適，針對這一現(xiàn)象，很多品牌都推出了兩個主鍵區(qū)的人體工學鍵盤，這種設計可以讓我們在使用鍵盤時手腕自然的放置在桌面上或是腕托上，長時間使用也不會有不適感。并且我們從側(cè)面觀測鍵盤可以發(fā)現(xiàn)，這些按鍵的高度也是不同樣的，中間略高而兩側(cè)略低，我們的手是在一個曲率半徑較大的弧線上進行操作的，非常接近自然狀態(tài)。在鍵盤的平面布局設計中運用人機工程學的知識,改善和完善鍵盤的宜人性和舒適性。在鍵盤的設計中運用人機學原理,結(jié)合手的解剖學特點、坐姿生理學等學科知識以及視覺顯示終端作業(yè)崗位的人機界面設計原則,使人機環(huán)境系統(tǒng)相協(xié)調(diào),為使用者發(fā)明安全、舒適、健康、高效的工作條件?！叭说囊蛩亍痹谠O計中是不能忽視的一個重要條件。設計以心理為圓心、生理為半徑,用以建立人與物(產(chǎn)品)以及環(huán)境之間和諧關系的方式,最大限度地挖掘人的潛能,綜合平衡地使用人的肌能,保護人體健康,不斷地引領人類趨于完善。文中從鍵盤的平面布局、主鍵盤區(qū)、編輯定位鍵盤區(qū)和數(shù)字輔助鍵盤區(qū)的按鍵布置以及整體設計等角度出發(fā),在分析傳統(tǒng)鍵盤的基礎上,提出了鍵盤的改善設計。圖八：對的打字姿勢使用計算機和打字機都需要進行鍵盤操作，目前工作人員長時間從事鍵盤操作往往產(chǎn)生手腕、手臂、肩背的疲勞，影響工作和休息。從人體工程學的角度看，要想提高作業(yè)效率及能持久地操作，操作者應能采用舒適、自然的作業(yè)姿勢，工作人員因現(xiàn)有的鍵盤操作條件而采用不正常的姿勢，是導致身體疲勞的重要因素。由于在目前的工作臺上操作鍵盤，假如工作人員手腕放在臺面上，由于鍵盤的鍵面高于工作臺面，必然要讓腕部上翹，時間一長會引起腕關節(jié)疼痛；而懸腕或懸肘的操作雖然較為靈活，但由于手部缺少支撐，手臂或肩背的肌肉不得不保持緊張，故不能持久，也易疲勞。對這個問題，人體工程學現(xiàn)有的研究結(jié)論是“鍵盤自臺面至中間一行鍵的高度應盡量減少”。鍵盤前沿厚度超過50mm就會引起腕部過度上翹，從而加重手部負荷。此厚度最佳保持在30mm左右，必要時可加掌墊。即通過減薄鍵盤自身的厚度和在鍵盤前增長手部的支撐件來解決。鍵盤可減薄的限度是有限的。操作動作的合理性直接影響操作者的舒適性和工作效率。根據(jù)最節(jié)約操作動作原則,提出以下幾點改善設計。21111主鍵盤區(qū)手-鍵盤界面最自然的姿勢為上臂從肩關節(jié)自然下垂,與前臂之間夾角70～90°,以保證作業(yè)時肘關節(jié)受力而不是上臂肌肉受力;還應保持手和前臂呈一直線,腕部向上不得超過0°,腕外展不超過15°;雙手向內(nèi)相向交叉成60～70°,手指自然彎曲,同手掌一起構(gòu)成一個半圓形,呈空握球狀;兩手掌間距約100～280mm。設計主鍵盤區(qū)沿中心線各自左右分開,兩基準定位鍵之間距離約80～100mm中間分離的鍵盤可以使使用者的手部及腕部較為放松，處在一種自然的狀態(tài)。這樣可以防止并有效減輕腕部肌肉的勞損。這種鍵盤的鍵處在一種對使用者而言舒適的角度。圖八：傳統(tǒng)鍵盤結(jié)構(gòu)手-鍵盤界面最自然的姿勢為上臂從肩關節(jié)自然下垂,與前臂之間夾角70～90°,以保證作業(yè)時肘關節(jié)受力而不是上臂肌肉受力;還應保持手和前臂呈一直線,腕部向上不得超過20°,腕外展不超過15°;雙手向內(nèi)相向交叉成60～70°,手指自然彎曲,同手掌一起構(gòu)成一個半圓形,呈空握球狀;兩手掌間距約100～280mm。設計主鍵盤區(qū)沿中心線各自左右分開,兩基準定位鍵之間距離約80～100mm。圖九：人機工程鍵盤此外像羅技WAVE鍵盤也是一款人體工學設計杰出的鍵盤，雖然它沒有將主鍵區(qū)分開，但是表面的波浪形并不是隨便設計的，根據(jù)手的擺放位置、手指長度等多種因素，通過計算得出了目前我們看到的波浪形人體工程學現(xiàn)有的研究結(jié)論是“鍵盤自臺面至中間一行鍵的高度應盡量減少”。鍵盤前沿厚度超過50mm就會引起腕部過度上翹，從而加重手部負荷。此厚度最佳保持在30mm左右，必要時可加掌墊。即通過減薄鍵盤自身的厚度和在鍵盤前增長手部的支撐件來解決。鍵盤可減薄的限度是有限的。圖十：中間分離的鍵盤中間分離的鍵盤可以使使用者的手部及腕部較為放松，處在一種自然的狀態(tài)。這樣可以防止并有效減輕腕部肌肉的勞損。這種鍵盤的鍵處在一種對使用者而言舒適的角度。鍵盤作為計算機的重要輸入設備,其設計與改善在計算機日益普及的今天尤顯重要。從人機工程學的角度,在其平面布局和整體設計等方面進行了研究。在整體布局上更加注重操作方便性與合理性特別體現(xiàn)在BackSpace鍵的重新布置、編輯與定位鍵區(qū)和數(shù)字輔助鍵區(qū)的按鍵布局上。改善的設計方案可以有效避免用戶肌肉緊張和靜態(tài)疲勞,對整個計算機作業(yè)過程的舒適性有較好改善,同時也大大提高了作業(yè)效率,使用戶和輸入設備之間可以更好地協(xié)調(diào)工作。這充足體現(xiàn)了設計對人的關懷與庇護,使人和產(chǎn)品在交互過程中完美和諧地結(jié)合。最近的研究已經(jīng)進一步到各個鍵位的細部設計了。由于每個手指的長度、施力方向和力度大小都不同樣,有研究已經(jīng)在運用壓力回饋圖對每個鍵位進行設計嘗試。由于QWERTY鍵盤的設計初衷是為了避免卡鍵現(xiàn)象,而最大限度地放慢了敲擊速度,使得最常用的etasorni等鍵操作起來非常不便。在科技高速發(fā)展的新世紀,鍵盤的設計將進行一次大的革新,以符合時代前進的步伐。不良使用習慣糾正1.盡量避免上肢長時間處在固定、機械而頻繁活動的工作狀態(tài)下，使用鼠標或打字時，每工作一小時就要起身活動活動肢體，做一些握拳、捏指等放松手指的動作。2.使用電腦