人机工程学课程设计说明书.doc

人机工程学课程设计

题 目 键盘的人机工程学分析与设计
学生姓名 郑平平 学号
所在学院 机械工程学院
专业班级 工业设计2023级1101班
指导教师 王小军
完毕地点 陕西理工学院北区

2023年 12 月 28 日

课程设计任务书
院(系) 机 械 工 程 学 院 专业班级 工业设计11 学生姓名 李洋
一、课程设计题目 键盘的人机工程学分析与改善设计
二、课程设计工作自__ 2023 _年_ 12 月_ 16 日 起至 2023_年 1 月 08 日止。
三、课程设计进行地点: 校内
四、课程设计的内容规定：

设计内容
1、对所研究的产品进行人机工程学分析，涉及该产品与人体尺寸的匹配，操纵或显示 装置的感知、认知分析，操纵机构的宜人性分析，用户视觉感受与使专心理的分析；
2、在分析的基础上，总结现有该产品存在的问题或局限性；
3、针对所存在的问题，提出解决方案；（或进行创新设计）
4、通过度析论证，进行方案的比较、筛选，优化设计方案，并最终拟定设计方案；
5、建立三维模型，制作效果图六视图；
6、绘制标准CAD六视图工程图；
7、制作展板，进行效果展示。
设计规定：
1、设计说明书A4幅面，统一采用计算机打印；
2、设计说明书撰写规范参考《陕西理工学院毕业设计（论文）》格式及计规定；
3、所有图纸打印幅面A4（工程图、设计草图、效果图6视图、展板），单独装订成册；
4、设计说明书、图册、所有源文献的刻录光盘一并装入资料带，并填写清单；
5、课程设计题目参见选题表及题目清单，每位同学可从中自行选择其中之一，或自拟 题目，但必须通过指导教师批准，方可进行；
6、每位同学独立设计，完毕所有设计任务。
指 导 教 师 王小军 系(教 研 室) 工业设计教研室 系(教研室)主任署名 批准日期
接受设计任务开始执行日期 2023年12月15日 学生署名 郑平平

键盘的人机工程学分析及改善设计
作者：郑平平

（陕理工机械工程学院工业设计11级01班，陕西 汉中 723003）

指导老师：王小军

摘要：电脑已经成为人类不可或缺的工具,它带来了快速的运算、精确的计算以及方便的管理模式。随着着IT技术的飞速发展,电脑的更新换代速度非常之快,键盘作为人机交互的输入设备也在不断地推陈出新。然而目前市面上多数台式电脑键盘却未能满足良好的宜人性。在人类越来越依赖于电脑的今天,许多电脑症候群也随之而来。长时间地使用键盘容易导致双手肌肉的紧张,严重的甚至导致使用者肌体上的劳累损伤,其症状包含因使用键盘导致的手腕神经压迫、坐姿不良引起的脊椎神经伤害以及颈部和腰部、累积性骨骼肌肉损伤 反复某一动作而形成逼迫性体位,以致身体相应部位处在连续的紧张状态而导致的局部神经。这与当今的人性化设计主流是格格不入的。
在键盘的设计中运用人机学原理,结合手的解剖学特点、坐姿生理学等学科知识以及视觉显示终端作业岗位的人机界面设计原则,使人机环境系统相协调,为使用者发明安全、舒适、健康、高效的工作条件。“人的因素”在设计中是不能忽视的一个重要条件。设计以心理为圆心、生理为半径,用以建立人与物(产品)以及环境之间和谐关系的方式,最大限度地挖掘人的潜能,综合平衡地使用人的肌能,保护人体健康,不断地引领人类趋于完善。文中从键盘的平面布局、主键盘区、编辑定位键盘区和数字辅助键盘区的按键布置以及整体设计等角度出发,在分析传统键盘的基础上,提出了键盘的改善设计。

关键词：人机工程学 计算机键盘 效率 改善设计

目录
设计任务书
摘要
1、 键盘的调研和市场分析..................................1
1.1 用户对产品的外观规定...............................1
1.2 用户对产品性能的规定...............................1
1.3 键盘的设计历史和演变............................3
1.4 问卷调查........................................5
1.5 调查结果分析及发现问题..........................6
2、 键盘人机分析......................................10
3、 产品定位和市场定位...................................10
4、 设计方案及方案拟定...................................12
5、 设计图纸.............................................13
5.1 初步的设计图纸...................................15
5.2 手绘精细尺寸划分.................................17
5.3 电脑尺寸绘制.....................................18
5.4 产品效果图.......................................19
6、 设计分析.............................................20
5.1 功能分析.........................................21
5.2 人机分析.........................................21
5.3 造型分析.........................................23
7、 设计总结.............................................25
参考文献..................................................26

1 .键盘的调研和市场分析
1.1 用户对产品的外观规定
随着互联网的发展和高端技术的进步，现代人的生活与电脑越来越密切了，无论是工作. 学习还是娱乐，电脑成了人们生活中必不可少的一部分。电脑周边产品的个性化设计，现代化功能和创新风格如同一泓清澈的小溪悄悄的流入了人们的学习和生活之中，在个性化的设计逐渐普及时，各种新型材料的出现把产品的设计向前推向了一个新的高度。人们在追求简约，个性化的同时更加重视低碳环保。
键盘作为平常接触最多的输入设备，究其外观构造来说，目前市场上台式PC电脑的键盘重要采用活动式键盘，键盘作为一个独立的输入部件，整体呈长方形，有各自的功能区，具有自己的外壳。通过几个阶段的发展，加之人们的不断研究改造，使得键盘在外形构造方面不断地趋于符合人体工程学原理，在一定限度上减轻了使用者腕部的疲劳。
1.2用户对产品性能的规定
介于电脑的普及人们对电脑的舒适度规定越来越高。随着笔记本电脑的兴起，人们对便携性规定越来越高，一种便携型新原理键盘诞生。
人体工程学键盘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，并形成一定角度，使操作者不必有微软公司命名为自然键盘（Natural Keyboard），对于习惯盲打的用户可以有效的减少左右手键区的误击率，如字母“G”和“H”。有的人体工程学键盘尚故意加大常用键如空格键和回车键的面积，在键盘的下部增长护手托板，给以前悬空手腕以支持点，减少由于手腕长期悬空导致的疲劳。
现在键盘市场发展的趋势越来越向专业化看齐，并且根据从事的不同用途，键盘的性能也不同样。比如说游戏玩家基本就是带显示屏幕的，或是很多快捷键的;而要经常使用的用户，就要配备易水洗的键盘;尚有能发光的键盘，分离式键盘等等。随着经济的发展，消费者对键盘鼠标产品的需求也将产生进一步的变化：对产品的外形设计、使用舒适性、便捷性等方面更加看重;无线键盘鼠标产品以其时尚、舒适、便捷的特点得到越来越多的消费者的青睐，市场份额将急剧攀升;一些特定领域的键盘鼠标产品如笔记本专用键盘鼠标、专为游戏玩家设计的键盘鼠标等将保持较好的增长。
1.3键盘的设计历史和演变
键盘非常悠久，早在172023，就开始相继有英、美、法、意、瑞士等国家的人发明了各种形式的打字机，最早的键盘就是那个时候用在那些技术还不成熟的打字机上的。直到1868年，“打字机之父”——美国人克里斯托夫·拉森·肖尔斯（Christopher Lathamsholes）获打字机模型专利并取得经营权经营，又于几年后设计出现代打字机的实用形式和初次规范了键盘，即现在的“QWERTY”键盘。由于盲打技术的出现，使得击键速度足以满足平常工作的需要，然而在60年后（1934年），华盛顿一个叫德沃拉克（Dvorak）的人为使左右手能交替击打更多的单词又发明了一种新的排列方法，这个键盘可缩短训练周期1/2时间，平均速度提高35%。DVORAK键盘布局原则是：1、尽量左右手交替击打，避免单手连击；2、越排击键平均移动距离最小；3、排在导键位置应是最常用的字母。比DVORAK键盘更加合理、高效的是理连·莫尔特(Lillian Malt)发明的MALT键盘。它改变了原本交错的字键行列，并使拇指得到更多使用、使“后退键”（Backspace）及其他原本远离键盘中心的键更容易触到。但MALT键盘需要特别的硬件才干安装到电脑上，所以也没有得到广泛应用。
　 到了20世纪中期，键盘又多了一个用武之地——作为电脑的基本输入设备。另一方面，至今，“QWERTY”键盘仍然是使用的最多的键盘布局方式，这是一个非常典型的“劣势产品战胜优势产品”的例子。
从目前的进展来看，出现了声控输入，手写输入和触摸或点击输入等几种非键盘输入方式，国外正在研发更先进的脑电波辨认与输入技术。因此，给人一种符合发展规律的思维判断，即将来某一天，键盘这种输入设备会被更先进的输入设备淘汰，其实这种前景是值得商榷的。
一款键盘的键位设计包含了两个概念，一是主体的英文和数字键位设计，二是各种附属键位设计。最通常的英文与数字键位设计方案就是俗称的“QWERTY”柯蒂键盘。这是Christ 0pher Latham snoles于1868年发明的键位方案。事实上这样设计的主线因素在于机械式打字机的结构，其铅字杠杆的结构决定了当两个位置接近的铅字同时按下的时候就会卡死，但相对的两个相距较远的铅字就不会发生同样的问题，相信有过英文打字机使用经验的人应当都会有所体会。
介于电脑的普及人们对电脑的舒适度规定越来越高。随着笔记本电脑的兴起，人们对便携性规定越来越高，一种便携型新原理键盘诞生。人体工程学键盘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，并形成一定角度，使操作者不必有微软公司命名为自然键盘（Natural Keyboard），对于习惯盲打的用户可以有效的减少左右手键区的误击率，如字母“G”和“H”。有的人体工程学键盘尚故意加大常用键如空格键和回车键的面积，在键盘的下部增长护手托板，给以前悬空手腕以支持点，减少由于手腕长期悬空导致的疲劳。
1.4问卷调研
调研方法
以问卷和网络收集资料为主，问卷方式：
1.网络问卷；2、当面问卷；
3.电话问卷；4、发放问卷。
问卷调查时间：2023年12月15日和16日
调查地点：某科技市场
对象：学生 工作者
问卷调查表
1. 你平时玩电脑游戏吗？
A 玩 B 不玩
2. 玩游戏的过程中你对你的键盘使用满意吗？
A 满意 B不满意
3. 你对你现有的键盘有哪方面的改善规定？
A 价格 B 外观 C 手腕舒适度 D 便捷可移动性 E 其它-------
4. 你平时玩游戏时是否使用键盘?
A 使用 B 不使用 C 不玩游戏
5. 你感觉你的键盘大小怎么样？
A 太大了 B 太小了 C正合适
6. 对于你现在正在使用的键盘最让你满意的是哪方面？
A 品牌 B 价格 C 质量 D 外观 E方便
7. 请问您喜欢超薄型键盘设计吗？
A 喜欢 B 不喜欢
8. 假如有机会你是否想拥有一款属于自己的独特键盘？
A 想 B 不在乎
9.请问什么样价位的键盘您比较容易接受？
A 30-60元 B 60-100元 C 100-200 D 200以上
10.请问您是什么职业？
A 学生 B 教师 C 工程工作 D IT人士 E其它

谢谢合作!
1.5调查总结及发现问题
通过抽样调查法对100个人进行抽样调查，并通过记录分析，做出相应的图形表格。便于更加直观的看出大家对键盘的需求。

图1-1 对于键盘的各方面的需求

大家对键盘的质量规定最高，另一方面是其品牌和方便性，而对于价格和外观并不十分在意。
图1-2 玩游戏时对键盘的使用率

玩游戏时对键盘的使用率的调查发现，在80%的游戏爱好者中，有56%的人在游戏中需要用到键盘
图1-3 用户对键盘现有大小的感觉

对现有键盘，大多数人感觉其大小刚好合适，有20%人认为现有键盘有点偏大
图1-4 是否想用超薄型键盘

56%的人不太喜欢用超薄型的键盘，44%的人想用超薄的键盘设计
图1-5 对用户进行现有键盘设计的满意度调查

80%的人认为其现有键盘的键位设计是合理的，仅20%的人感觉其现有键盘不合理。

图1-6 是否想拥有一款属于自己的独立设计的键盘

大多数人希望拥有一款属于自己风格的键盘
图1-7 对于键盘的价位调查

键盘的价格在50-100之间的56%的人比较容易接受

通过调查发现虽然目前市场上主流的键盘发挥了其应有的作用，但金无赤足。下面我谈下自己的见解：
一·键盘体积稍大，携带不够方便。
二·键盘构造单一，不灵便，给拆卸以及清洗带来麻烦。
三·虽然现在的键盘解决了一些关于人体工程学的问题，但在使用过程中，不难发现，手指的不必要弯曲以及腕部悬空还是会给手部带来疲劳。

2、键盘人机分析
为了方便分析键盘的人机学问题，可以按照键盘的常用性、宜人性和所用的材料的不同进行分类，依次为：普通标准键盘、新型人机键盘、硅胶键盘。
普通标准键盘

图1 普通标准键盘
普通标准键盘共108键，所有的按键可分为五个区：打字键区、功能键区、编辑控制键区、数字小键盘区和特殊功能区。键盘字母排列方式并不是按照26个字母的顺序排列的，而是一种叫做“QWERTY”式的排列方式，这点继承了英文打字机的传统。“QWERTY”式的键盘是一位叫克里斯多夫·斯库勒斯的工程师于1873年设计的，这样设计的目的是为了让人们减少打字速度。由于当时的英文打字机的技术不太过关，打字的速度过快，往往会导致打字机“卡壳”。后来，大家已经慢慢习惯了这种排列的键盘，所以现在的计算机键盘也就采用了这种形式。台式机键帽的按键行程平均为3.8-4.0毫米，笔记本电脑键帽的按键行程平均为2.50-3.0毫米，手感舒适。
存在的人机学问题：
（1）、26个英文字母的排列顺序导致学习困难、记忆困难、操作困难。无序排列不容易记忆，八个手指下的英文字母并不是最常用的字母。因此从新手到可以纯熟操作这种键盘需要花费很多时间和精力。
（2）、直板键盘导致对腕部的伤害。人操作键盘时最自然的输入姿势是身体直立，两只前臂抬起成八字，这是两个腕部成V形，长时间使用直板式键盘就会伤害腕部肌肉。
（3）、字母键的直线排列使手指处在不同的弯曲和伸展状态（非自然的弯曲状态），不仅影响打字效率，并且长时间击打键盘会使手指畸形发展。
（4）、键盘表面缺少弹性，触感较差。普通键盘选用的材料是硬质塑料，表面硬度过大，缺少弹性，触感较差。
（5）、按键声音过大。按键声音的产生和单键的架构方式有关。
（6）、键盘功能有待扩展。为了方便操作，可以扩展键盘自身的功能，比如音量控制、上网、接受邮件等方面。

3.产品定位和市场定位
目前来看，如今的电脑键盘都是在产品质量与外形方面进行提高，从整体的发展上分析，目前还没有脱离传统输入设备的也许，由于功能要素的局限，整体来看台式电脑的产品仍然是发展的重点，各个知名品牌也在努力研究更符合人体力学、减少手腕疲劳度的键盘产品。介于电脑的普及人们对电脑的舒适度规定越来越高。随着笔记本电脑的兴起，人们对便携性规定越来越高，一种便携型新原理键盘诞生——人体工程学键盘。
使用计算机和打字机都需要进行键盘操作，目前工作人员长时间从事键盘操作往往产生手腕、手臂、肩背的疲劳，影响工作和休息。从人体工程学的角度看，要想提高作业效率及能持久地操作，操作者应能采用舒适、自然的作业姿势，工作人员因现有的键盘操作条件而采用不正常的姿势，是导致身体疲劳的重要因素。由于在目前的工作台上操作键盘，假如工作人员手腕放在台面上，由于键盘的键面高于工作台面，必然要让腕部上翘，时间一长会引起腕关节疼痛；而悬腕或悬肘的操作虽然较为灵活，但由于手部缺少支撑，手臂或肩背的肌肉不得不保持紧张，故不能持久，也易疲劳。对这个问题，人体工程学现有的研究结论是“键盘自台面至中间一行键的高度应尽量减少”。键盘前沿厚度超过50mm就会引起腕部过度上翘，从而加重手部负荷。此厚度最佳保持在30mm左右，必要时可加掌垫。即通过减薄键盘自身的厚度和在键盘前增长手部的支撑件来解决。键盘可减薄的限度是有限的。中间分离的键盘可以使使用者的手部及腕部较为放松，处在一种自然的状态。这样可以防止并有效减轻腕部肌肉的劳损。这种键盘的键处在一种对使用者而言舒适的角度。

图2-1 市场上常见的键盘类型
4.设计方案及方案的拟定
根据传统键盘的三大局限性，各个击破，定出解决方案。
传统键盘会迫使你的手指在触及按键的时候向外侧弯曲，会对手腕肌腱和腱鞘产生接触压力，使人们在反复击键时对手腕产生伤害（图3-1）。并且大多数键盘的数字键小键盘都在手的右侧这对“左撇子”用户来说是很不方便的。

图3-1 手腕的侧弯和上弯
因此，根据人因工程学原理，调整键盘的手腕侧弯角度，设计一款“C”键盘，将键盘向内弯曲5度角，这样人在击键时手腕处在顺直状态，自然放置，避免对手腕肌腱的伤害。同时根据平时左右手的打字分工（图3-2），将键盘设计成可分割的三部分，左手，右手，尚有最右边的数字小键盘。这样使用者就可以根据自己的打字习惯，随意的放置键盘的方向和顺序（图3-3）。这种宜人的设计，使用户在使用键盘时，更舒适自如，提高工作学习的效率。

图3-2 键盘的左右手分割点

图3-3 改良后的键盘设计
5.设计图纸
5.1.画出初步的设计图纸

图5-1 符合手腕曲度的键盘外观

图5-2 方案整体图和局部图

图5-3 局部部件图

5.2. 手绘精细尺寸划分

图5-4 左手键盘的尺寸设计

图5-5 最右边小键盘及数字键的尺寸

图5-6 右手键盘的尺寸设计
5.3. 电脑绘制尺寸图

图5-7 整体尺寸图
5.4. 产品效果图

图5-8 三部分可随意组装

图5-9 任意两个组装使用

图5-10 三个一起使用

图5-11 产品效果图

6.设计分析
6.1功能分析
（1）.这款“C”键盘设计，能更好地满足人们工作，学习和娱乐，它的便捷拆装性使其拥有更大得合用人群，对于习惯左手操作的用户，以及游戏爱好者可以完全满足他们的操作，他们可以随心所欲选择键盘的摆放位置，也可以单独使用某一块，或者多块，可以自由组合，比如某一炫舞爱好者，在玩炫舞这款游戏时，可以选择只用到左手键和最右边小键盘。而对于"左撇子"用户则可以将小键盘放置左手边，便于操作。
（2）.这款“C”键盘设计，左右键的梯形设计，使键盘整体趋势向外侧弯曲10度，这就减少了手腕工作的压力，更好的提高了工作，学习，娱乐的效率。
（3）.这款“C”键盘设计，便于拆迁，携带，清洗。同时这对于几个人同时使用一个电脑尤为使用（图5-1）。

图6-1 可拆卸便于对人使用
6.2 人机分析
（1）.传统键盘会迫使你的手指在触及按键的时候向外侧弯曲，会对手腕肌腱和腱鞘产生接触压力，使人们在反复击键时对手腕产生伤害（图5-2），从而减少工作的效率。而这款“C”键盘设计，改善手腕的姿势，减缓手腕疲劳，提高工作效率（图5-3）。

图6-2

图6-3
（2）. 键盘的尺寸和键与键之间的距离应当适合大多数的用户。总的来说，两个键的中心之间的水平方向上的距离应当在0.71-0.75英寸（18-19 mm）之间，垂直方向上的距离应当在0.71-0.82英寸（18-21 mm）之间，这样更符合人的手指操作（图5-4）。

图6-4
（3）.对于多人共同使用一台电脑时，这款“C”键盘设计的可拆迁和随意放置功能，满足大家的需求。同时右边数字键盘的可拆装性，同时解决了“左撇子”的操作苦恼，“C”键盘便于随心拆装，让你的操作过程随心所欲，尽享操作的娱乐（图5-5)。

图6-5 “C”键盘可以根据用户的偏好定制位置
6.3 造型分析
这款“S”键盘设计，造型美观大方，外观材料为PVC，颜色多样，可以根据自身需要，选择自己喜欢的颜色。整体外观成“S”字型，打破传统键盘一贯的直线型设计，给人更好的视觉体验（图5-6）。同时，每一块可以独立使用，也可以自行两两组合，小巧灵便。

图6-6

7.设计总结
这款“C”键盘设计，打破传统键盘的平板构架，将键盘分割，用户也许需要一点时间来适应这些设备，但是根据这款设计的功能，造型，以及人机原理分析，相信您通过切身体验，会喜欢上这款设计的。

参 考 文 献
[1]丁玉兰 人机工程学[M].北京：北京理工大学出版社.2023.
[2]阮宝湘.工业设计人机工程[M].北京：机械出版社.2023.
[3]周美玉.工业设计应用人类工程学[M].北京：中国轻工业出版社.2023.
[4]翟风奎.I-DEAS机械设计[M].北京：机械工业出版社.2023.
[5]阮宝湘.人机工程学课程设计[M].北京：机械工业出版社.2023.
[6]程能林.工业设计手册[M].北京：化学工业出版社.2023.
[7]赵江洪.人机工程学[M].北京：高等教育出版社.2023
[8]周建.PS图像解决[M].北京:清华大学出版社.2023.
[9]刘宝顺.产品结构设计[M].北京:中国建筑工业出版社.2023.
[10]亢洁.AutoCAD2023中文版[M].北京：电子工业出版社.2023.