梁艳霞

（江苏师范大学 机电工程学院，江苏 徐州 221116）

计算机键盘的人机工程学设计综述

梁艳霞

（江苏师范大学 机电工程学院，江苏 徐州 221116）

键盘作为计算机人机界面中重要的输入设备得到了极为广泛的应用。传统计算机键盘存在的设计缺陷导致使用者易患相应的职业病。文中给出了键盘的起源、分类、国内外研究现状、键盘设计的工效学指标及设计新趋势，以微软人体工程学4000键盘为例，分析了键盘设计中的人机工程学因素。最后指出键盘设计的两个方向：一是彻底改革，采用一键多符或多键一符键盘；二是在现有QWERTY键盘基础上进行人性化改进。

计算机键盘；人机工程学；键盘设计

0 引言

计算机目前已成为人类不可或缺的工具,早在2000年，全球已有超过25%的人工作日有一半以上的时间在用计算机[1]，近年来这一数据在急剧上升。

随着计算机不断渗透到工作生活的方方面面，与计算机应用有关的职业疾患在日益上升。其中，与键盘应用有关的肌肉骨骼症状高达76%[2]。目前我国每年约有7000多万计算机操作者由于长期应用长条形键盘操作而患上了各种疾病。因此，对键盘的人机工程学研究已成为各国相关学科专家研究的一个重要课题。

1 计算机键盘概述

1.1 计算机键盘的起源

自1866年第一台商用打字机诞生以来，键盘一直是以计算机为代表的人机系统的主要输入设备。1971年,国际标准化组织把一种布局简称为QWERTY的键盘规定为国际标准键盘，成为世界各地广泛使用的计算机输入设备[3]，如图1所示。

1.2 计算机键盘的分类[4]

键盘种类繁多，其分类有很多维度，这里主要以键盘编码为主要维度来进行区分，根据按键与字符的对应关系，键盘可分为：①一键一符：是指一个按键只对应一个字符；②一键多符：是指一个按键对应多个字符；③多键一符：多键一符运用了组合键的方式实现一个字符的输人，也即人们常说的和弦。

2 国内外键盘研究现状

2.1 国内研究现状

国内对于计算机键盘的研究成果不是很多，现有的工作主要集中在：针对当前QWERTY键盘存在两手距离偏近、键盘在侧断面上呈梯形、按键呈水平直线排列、没有考虑到手的支撑、按键的布置没有考虑到使用频率、键盘设计没有适应网络和多媒体急剧发展的趋势等问题，根据人机工程学中人的生理和心理特点、动作经济性原则、色彩学等原理，对现有键盘进行了改进性设计，着重对键盘的总体布局和形态进行重新设计；对键位布置按照使用频率进行调整；设置键盘垫；重新选择键盘材料和色彩等[5]。

2.2 国外研究现状

近年来，国外相关专家对于键盘的研究主要集中在：

（1）对肌肉活动度方面的研究，如：手腕部支撑对胳臂和后背肌肉活动度的影响；键盘操作中速度和力量对颈肩部肌肉活动度的影响等[6]。

（2）对标准键盘和人机工程学键盘的比较研究，主要有：手腕和前臂姿势比较；在击键中的数字动力学比较；研究培训对打字效果的影响等[7]。

（3）对创新键盘的研究如：对垂直键盘在击键性能、用户舒适度和肌肉紧张度方面的研究[8]；对虚拟键盘的研究；对触摸式键盘的研究等。

3 键盘设计的工效学指标及新趋势

3.1 键盘设计的工效学指标[9]

任何新型键盘的设计和评价都是基于以下工效学指标的：①输入速度；②正确率；③编码的易学程度；④空间的要求；⑤双手肌肉的紧张和劳损程度；⑥心理负荷；⑦用户的使用偏好。

以上各指标是相互联系、相互制约的，不可能设计出一个键盘能同时充分满足以上所有指标，因此所有新键盘的诞生都是建立在对上述各指标的权衡基础之上的。

评价一种键盘的优劣，主要取决于文本输入的速度和准确率，以及使用者的舒适程度。

3.2 键盘设计的新趋势

在键盘设计的最初阶段，研究工作主要是改善键盘的机械结构，以提高它的机械性能。后来的工作集中于提高它的输入速度和准确性。而近年来，随着计算机的普及，研究者们越来越重视键盘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。从前述国内外研究状况也可发现，目前国内的研究工作重点主要还在第二阶段，即提高键盘的输入速度和准确性，同时适当考虑到了人的生理心理特点；而国外的研究已全面进入到了最高阶段，即研究使用者的生理和心理的负荷。

有不少研究表明，标准键盘的键位布局不符合工效学中人机系统高效舒适的设计目的，不利于提高信息输入的效率。由此，工程心理学家及工效学家提出了一些用于替代标准键盘进行更有效的人机交流的键盘。典型的有以下几种：

（1）槽式键盘[10]。槽式键盘是一键一符的键盘，标准键盘的所有键位行均在同一个平面上，而槽式键盘将第3行（即ZXCVB行）键位与整个键盘平面成90°排列，整个键盘外形从侧面看形成一个槽式，故称槽式键盘。如图2所示。其特点有：①基本键位布局未作根本性的改动；②槽式的设计简化了从第2行（即ASDFG行）键位向第3行键位的操作动作，有利于提高输入的速度并减轻手指的负荷；③各基本行之间的键位分布设计成一一对应的直线排列，有利于提高盲打输入的易学性、准确性和速度；④在键盘内边缘（靠近操作者一方）设计了一个固定的扶手。

相关的研究结果表明：槽式键盘在输入速度、准确性、易学性和减轻操作者的疲劳等方面都优于标准键盘。

（2）和弦键盘[8]。和弦键盘是多键一符的键盘，输入一个信息单元必须同时按下一个或几个键，就象钢琴演奏和音一样，所以称为和弦键盘，如图3所示。它有以下特点：①体积小，可方便携带；②输入速度高；③易学性好；④操作灵活：可由单手操作，也可由双手操作。

由于上述原因，和弦键盘在国外被认为是可以替代标准键盘的最有力工具。

（3）一键多符键盘[11]。 一键多符键盘的典型应用目前主要在手机、PDA等移动终端上。它有以下特点：①空间要求低；②易学性好；③歧义性高。因此，一键多码键盘设计必须解决歧义性的问题，一般是通过计算机软件来消除歧义性。

（4）人机工程学键盘[12]。早在1926年，Klockenberg使用传统的QWERTY键盘时，双手极不自然。于是他将键盘分成左右两半，设计成最初的人机工程学键盘（即K键盘），如图4所示。其特征是在标准键盘上将指法规定的左手键区和右手键区这两大板块左右分开，中间以铰链相连，左右手各使用一块。K键盘的每片都按一定的角度放置，使人不必有意识地夹紧双臂，保持一种比较自然的状态，手腕自然伸直，操作自然，不易疲劳。实验表明：K键盘和QWERTY键盘在输入速度和效率上没有差别，但QWERTY键盘的使用者因手腕的疼痛停止输入，而K键盘的使用者是因不再能集中精力而停止输入。

4 键盘设计实例——微软人体工程学4000键盘[13]

微软人体工程学4000键盘是2006年已经面世的一款设计很人性化的键盘。如图5所示。该键盘是一键一符键盘，其特点主要有：①整体布局与K键盘类似，可以使使用者的手部及腕部处于一种自然的状态；②它提供一个可以支撑于键盘下方的托架，将其安装以后，从侧面观看键盘，其上表面处于向前倾斜的状态，便于腕部支撑；③下方设计有大面积的柔软质地皮革，用户在操控时可以将手腕舒适地置于其上，舒适的同时还能一定程度地增加摩擦力；④键盘上丰富的快捷按键还可以通过驱动程序重新设置自定义功能，用户可根据个人习惯将其设置为习惯的操作，全面提升操作效率。

5 结论

从世界上第一台计算机诞生至今的60多年间，键盘一直是计算机系统的重要输入设备。尽管随着新技术的快速发展，近年来触觉和语音等新的输入技术得到了很大进步，并有试图替代传统键盘的趋势；同时鼠标及其它非键盘输入设备的快速进步也在逐步削弱传统键盘的重要性。但在目前来看，至少在今后很长的一段时间，键盘的作用仍是不可替代的，尤其在大量文本输入工作中。

如上所述，传统QWERTY键盘存在诸多人机工程学问题，因此国内外相关研究人员相继提出了一些一键一码键盘的新的布局设计。改进后的键盘充分考虑了人机工程学的原理，更适合于操作者的特点，在实验室试用中明显地提高了输入效率。可是，这些经过改进的键盘往往难以得到实际的推广应用。究其原因，最主要的一点是这些键盘的编码方式和QWERTY键盘没有本质的差异，而是对标准键盘的键位布局作了根本性的改动，而新键盘的学习会干扰打字员费了很多努力才掌握的QWERTY键盘的使用技能，自然用户会偏好QWERTY键盘，而拒绝接受新式的一键一码键盘。厂商也不愿花费财力去作冒险的改进。Noyes甚至认为，新的一键一码键盘设计不会动摇QWERTY键盘的地位，任何更有效的键盘布局的开发和设计都仅仅是学术 行 为[3，9，10]。

因此笔者认为，对传统QWERTY键盘的改进有两条路可走：要么进行彻底的改革，采用与传统QWERTY键盘学习完全不冲突的多键一符（如：和弦键盘）或一键多符键盘；要么在不改变现有按键布局的基础上，进行人机工程学方面的一些改进设计，如上述的微软人体工程学4000键盘。

[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]周银河，陈东义，等.多种移动键盘分析[J].舰船电子工程，2006，6.

[5]楚杰.保健型人机键盘的参数优化与工效学设计[J].人类工效学,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]牟炜民，刘艳芳，张侃.键盘的种类及评价的工效学指标[J].人类工效学，1997，2.

[10]张侃，等.槽式键盘的工效学特征[J].人类工效学，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

梁艳霞(1973-)，女，山西芮城人，讲师，硕士。主要研究方向：人机工程学，计算机辅助工业设计。