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现行键盘生物力学分析与设计方案 作者： 日期：2 个人收集整理 勿做商业用途现行键盘生物力学分析与设计方案 摘要：系统的运用安全人机工程学的原理，对计算机键盘生物力学分析，指出计算机键盘在操作使用中人机不相匹配的问题;在此基础上提出了“人机工程学键盘的设计方案，用以改善键盘操作使用中存在的打字出错率高造成手指、手腕容易疲劳等问题，论证结果表明，该方案能较好的克服以上的人机交互问题,提高了人操作过程中的舒适度。 关键词：键盘操作 生物力学 人机匹配 改进设计Existing keyboard biomechanical analysis and design programAbstract Through to the security man-machine engineering curriculums study, systems utilization security man-machine engineerings principle， carries on the computer keyboard biology mechanics analysis， simultaneously also analyzed the computer keyboard operation use to operate with the human matches the existence the shortcoming and the insufficiency： Easy to make one produce wearily， affects the work efficiency and lasting rate. Through the research, the analysis proposed regarding this “Man-machine engineering keyboard” the work thing design proposal, with improves the typing error ratio which in the keyboard operation use exists to create the finger, the skill easily high weary and so on aspect questions。 The analysis result indicated that this plan practical easy line， to be able to improve many kinds of hands-on works the compatibility， to let its suitable person effectively, but raises the work efficiency and the work comfort level， and saves the manufacture cost greatly the expense, easy to promote in the ordinary family.文档为个人收集整理，来源于网络本文为互联网收集，请勿用作商业用途Key words Keyboard; bond election; biomechanics; plane matching； Improved Design； 1、引言随着计算机越来越来广泛的运用于学习和生活中,计算机已成为学校，办公室不可缺少的工具，然而，计算机也引发了一些健康问题。长时间从事键盘操作使工作人员容易产生手腕、手臂、肩背的疲劳，影响其工作和休息,是当前人机工程学在计算机键盘操作方面迫切需要解决的问题之一。而计算机键盘是计算机操作台的重要组成部分，所以对计算机键盘生物力学分析与设计的研究具有很大的现实意义。通过对计算机新的键盘原有操作条件的改进与设计，来实现作业效率与舒适度的提高，不仅符合人机工程的特性，也是寻求上述问题的最佳解决方案。本文拟就从人机工程学角度,对其进行分析、研究，提出对计算机按键的改进方案,以提高它的键选率。2、现行键盘操作使用的问题和对人体危害分析2.1 键盘操作使用存在的问题“鼠标手”学名“腕管综合症”，主要症状包括手部麻木、灼痛、腕关节肿胀、手动作不灵活、无力等，而计算机键盘、鼠标是主要的“腕管杀手”。 在我们操作计算机的过程中，动作最频繁的部位要算是腕部了。调查发现，计算机操作者中60有手腕疼痛、手痉挛等症状，比非操作者高5倍.在操作过程中，腕部不但要经常保持背屈状态,还要不断地伸屈以敲击键盘，因此强迫体位与频繁活动联合作用，使腕部的症状更为常见和严重。而造成腕部保持背屈状态的原因,就是普通键盘的外形使使用者在操作时有三个不自然姿势： （1）前臂的扭曲，因为键盘放置在台面上,为了击键，操作员需要从手掌相对改为手掌向下,从而出现了第一个不自然因素前臂和手腕的向内扭转; （2)腕部的尺偏，在普通键盘上，根据指法的要求,需要手掌必须有相应的放置方向，且左右手的方向要求是基本平行的。这样，为了适应指法要求，手相对于小臂就需要向尺骨方向偏转,腕关节的这种向尺骨方向的偏转称作尺偏。尺偏使手腕在工作中处于不自然的姿态，外侧的组织受压，内侧的组织受拉，腕管和神经、循环组织也受到扭曲,在手指敲击键盘的振动作用下，这些组织就比较容易出现劳损和病变； （3）腕部的背屈,腕部的背屈，指手腕在击键时，手掌向手背方向上仰，使腕部向手背方向弯曲的姿势。手腕背屈的角度越大，腕部也就疲劳得越快.手腕的背屈主要是由键盘的高度和桌面的阶梯形高度差引起的.本文为互联网收集，请勿用作商业用途文档为个人收集整理，来源于网络2.2 键盘操作使用对人体的危害 随着办公自动化和计算机的广泛应用，一些操作向着高速、单一、重复的特点发展，强迫体位在操作中占的比重越来越大，强迫体位是指身体的某个部分处于非自然状态时的体位,如操作计算机时，由于键盘有一定的高度，手腕必须背屈一定角度,这时腕部便处于强迫体位.长期处于强迫姿势,必然会导致肌肉骨骼系统的疾患,其中，计算机操作时所涉及的主要部位有腰、颈、肩、肘、腕部。下面分别对这几个部位的损伤作一简要介绍。 （1)腰部损伤 由于许多计算机操作中工作台与座椅的设计不符合工效学原则,致使操作者腰部常处于一种前倾姿势，而且专业计算机操作者经常长时间保持一种固定姿势进行工作，这样便会导致操作者的腰部损伤，主要表现为腰部酸痛，严重者可发生腰肌劳损和椎间盘退行性变，这是一种慢性疾患,也是导致工人残疾的主要原因之一；(2）颈部损伤 同样,VDT操作者在进行操作时，颈部一般也处于一种前倾姿势,长期处于这种姿势，会导致颈部软组织的劳损和椎间盘的损伤，这统称为颈椎病，其主要症状为颈部酸胀感，严重者可压迫颈部神经，引起放射状疼痛和头晕等症状。;（3）肩部损伤 由于敲击键盘时，上臂通常处于前伸状态,保持上臂前伸的主要肌肉是斜方肌，斜方肌持续紧张，也可导致肩部疼痛。这个症状常与颈部症状共存，因此称为肩颈综合症。 （4）肘部损伤 当敲击键盘时，由于键盘高于操作台，腕部常处于上翘状态,即背屈，手腕背屈时腕部伸肌持续紧张,可引起操作者的肘部症状，表现为疼痛,手腕背屈时疼痛加剧，常称为肱骨外上髁炎，又称网球肘； (5）腕部损伤 在计算机操作中,症状出现最频繁的部位要算是腕部了。我们的调查发现，VDT操作者中有60%主诉有手腕疼痛、手痉挛,比非VDT操作者高5倍。在操作过程中,腕部不但要经常保持背屈状态，还要不断地伸屈以敲击键盘，因此强迫体位与频繁活动联合作用，使腕部的症状更为常见和严重。 2。3 键盘操作使用存在的问题人机学分析111、前臂的扭曲 现在考虑在台面上放置键盘，为了击键，操作员需要从手掌相对改为手掌向下，从而出现了第一个不自然因素：前臂和手腕的向内扭转。2、腕部的尺偏 在普通键盘上，根据指法的要求，则要求手掌应有相应的放置方向，且左右手的方向要求是基本平行的.这样,为了适应指法要求，手相对于小臂就需要向尺骨方面偏转，腕关节的这种向尺骨方向的偏转称作尺偏。 尺偏使手腕在工作中处于不自然的姿态，外侧的组织受压,内侧的组织受拉，腕管和神经、循环组织也受到扭曲，在手指敲击键盘的振动作用下，这些组织就较易出现劳损和病变. 3、腕部的背屈 腕部的背屈，指手腕在击键时，手掌向手背方向上仰，使腕部向手背方向弯屈的姿势.手腕背屈的角度越大，腕部也就疲劳得越快,手腕的背屈主要源于键盘的高度和桌面的阶梯形高度差。3 计算机键盘生物力学分析3.1 生物力学概念及作用生物力学是研究生物系统运动规律的科学。生物系统包括有机整体和有机整体的联合部分。有机整体，即由各种器官和组织以及其中的液体和气体组成的整体;有机体的联合体，即由生物体各部分，如人是由头、躯干、四肢及内脏等组成的有机联合体。人体生物力学侧重研究人体各部分的力量、活动范围和速度,人体组织对于不同阻力所发挥出力量的数值、人体各部分的重量、重心变化以及做动作时的惯性等问题，其研究目的是为了使人在人机系统中更好地发挥其作用，尽量免做无用功，使人能有效地提高活动效率，减少疲劳，确保人生安全。在安全人机工程学设计与分析当中，就要准确地确定操作者和设备的最有利工作范围和界限,因此就得利用人体生物力学方法.为使操作者安全舒适地工作,在设计操纵机构时必须考虑人体出力大小、动作轨迹、动作平稳程度以及人体各部分运动的方向等因素,均要用到人体生物力学的理论。3.2 人体与键盘之间的人机交互键盘是计算机的操作机构，由人体的手来控制，计算机操作时所涉及的主要部位有腰、颈、肩、肘、腕部。人体重要活动范围和身体各部舒适姿势调节范围有个标准值（见表31)。3。2。1 关节的活动范围11（1)关节的连结:直接连结,间接连结两种方式.(2）关节的作用（见表31）（3）人体的活动范围:人体的肢体、躯干、头、颈、手掌、手指、脚掌、脚趾等均为有各自活动范围。人体活动范围可分为：最有利范围、正常范围、和最大可及范围三种。（4)人体各部分动作的的最大频率（见表3-2）.表3-1 关节的作用身体部位关节活动最大角度/（）最大范围/（）舒适调节范围/（)躯干胸关节腰关节弯后弯+100,-50+50，50+50，50150100100000上臂至躯干肩关节外摆、内摆、上摆、下摆、前摆、后摆+180，-30+180，-45+140，-402102251800+15+35+40+90下臂至上臂肘关节弯曲伸展+145，0145+85+110手至下臂腕关节外摆、内摆弯曲、伸展+30,20+75，605013500手至躯干肩关节左转右转+130，-12025030-60表3-2 人体各部分动作的的最大频率动作部位动作的最大频率(次/min)动作部位动作的最大频率(次/min）手204406臂99344手指360431腿300373前臂160292脚3304003。2.2 影响人体作用力的因素（1）体重：体重对人体作用力的发挥存在着有利和不利的两个方面。例如，在提取地上重物时，身体及头部岁重物的被提起而向上移动（抗重力)，体重提高了力的使用效率，将物体放置在地面上（向下用力）站姿比坐姿更好.体重既有利于操作的，又有不利于操纵的，操作时应尽量避免将力消耗在不合理的动作和身体的运动上；（2)体位：操作者的体位(立位、坐位、躺位）、躯干的稳定性对人体的作用力也有一定的影响。人体的作用力对人体的体位的依赖关系，由以下两个原因决定：随着关节姿势的改变，肌肉的长度发生变化,而肌肉表现出来的最大力同它的长度的减少量的二次方成正比下降，肌肉收缩最大时张力植最小；（2）肌张力岁转轴的力矩发生变化。力学中把转轴的作用线的最短距离叫力臂。人体运动的特点是肌肉附力点到转轴距离很近，因而在大多数运动中赢得速度和路程，但费力。（3）个体因素：不同的力量相差很大，强壮的人的人体力量是虚弱的人的人体力量的68倍。影响人体力量因素，如基因、人的尺寸、训练、动机、年龄和性别等.人在2535周岁时,力量达到最大值,在此以后，随着年龄的增长人体的力量开始下降。4 计算机键盘的人机工程学分析设计4。1 普通键盘的按键分布分析目前的普通的键盘基本都是横竖对直的格式(见图4-1），而且也无任何的标识来区别。对于初学计算机者需要一段很长时间的适应期,更主要的是这种排列使得操作者总是处于一种不自然状态：前臂和手腕的向内扭转。长时间如此,操作者不仅容易感觉到疲劳，更容易使手、肩、腰产生疼痛，造成职业病.键盘上无任何标识来区别按键区，也使得操作者误击率加大，事倍功半，浪费了本该可以用于休息的时间，造成疲劳。图41 普通的键盘针对这一现象，各个研究机构的工作人员纷纷开始以安全人机工效学概念来设计新的人机工程学键盘（见图42），它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，使操作者不必有意识的夹紧双臂，保持一种比较自然的形态,这种设计的键盘被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还有意加大常用键如空格键和回车键的面积,在键盘的下部增加护手托板，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.这些都可以视为人性化的设计。 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,是导致身体疲劳的主要原因。因为在目前的工作台上操作键盘，如果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，但由于手部缺乏支撑，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降低”。键盘前沿厚度超过50mm就会引起腕部过分上翘，从而加重手部负荷。此厚度最好保持在30mm左右,必要时可加掌垫。即通过减薄键盘本身的厚度和在键盘前增加手部的支撑件来解决。键盘可减薄的程度是有限的。中间分离的键盘可以使使用者的手部及腕部较为放松，处于一种自然的状态.这样可以防止并有效减轻腕部肌肉的劳损。这种键盘的键处于一种对使用者而言舒适的角度.图4-2 人机工程学键盘但是经过对笔着的调查，这种键盘的家庭实用度却不高.因为其科技含量较大，成本费用较高,所以市场价格也偏高。往往不是普通家庭会或小资企业的首选，这样就使得它无法真正用于大众,也不能减轻大多数人因为长期使用键盘而带来的职业病痛。而且这款键盘的总体面积较普通的键盘面积大许多，使得用户不得不加大电脑桌的键盘槽面积,也为用户带来一定资金耗损。4。2 设计中键盘的按键分布及外观构造分析 键盘的设计改进方案（见图43)，它利用人机的原理：在主键区采用向内的八字形，分列式扇形一定角度布局可减轻操作者在工作过程中的手腕疲劳，这会使按键更靠近用户的手指，减少不必要的手指移动，同时带来更自然舒适的输入姿势。 图43 改进后的键盘模型根据笔者观察,在键盘上“6”、“y、“h”、“n这四个按键基本把键盘整体划分为左右键区，那么只要在制作时只要将这四个按键稍稍凸起，其他按键向下凹陷便可以做成中间稍稍凸起的键盘，适合人手相对的自然姿势，让键盘能使操作的手始终处于最省力、放松的状态的同时,也减去原有人机键盘中间凸起而空白的部分,即达到人机工程学以人为中心的原理，又减少了键盘所占多余面积。笔者查阅多种打字的方式，按键“f”、“j”基本是各种打字方式的中心依据点,所以设计后的键盘在这两个字母上加上凸起的标识，用于提高操作者的输出正确率，减少误击率。使得操作者的作业效率提高，拥有正常的休息时间.键盘的底拖在两侧加入支撑脚,以使操作者的指尖部分自然下垂，使用更加省力。对于键盘的下方的底拖，根据个人实用方式不同，电脑座椅的键盘槽构造不同，不好做统一的设计,而且普通的键拖如没有配套的键盘槽同样发挥不了其本身的人机效果。 为了让操作者更快的熟悉按键的功能分布在设计中可以运用到安全色,在键盘中“w”、“a”、“s”、“d”为喜欢游戏者的常用键，也是诸多快捷方式的常用键，因为要区别前面设计中的凸起和标识，所以运用到安全色。4.3 数据及GB图表分析键盘长、宽、高及颜色具体的数据则根据笔者社会调查及GB图表分析得来：表 44人体主要尺寸 单位：mm年龄分组男(1860)女（18-55）百分位数5 10 50 90 955 10 50 90 95 身 高 1583 1604 1678 1754 17751484 1503 1507 1640 1659前 臂 长216 220 237 253 258193 198 213 229 234表45几种常见键盘尺寸 单位:cm型号长 度宽高明基6511-WA45。316。32。8明基6533WA46.216.12.9三星310045。115.92.7为了实现设计成品的最合理的利用，再加上为了确保设计品一些功能实现所需的修正量采用产品的最小功能尺寸，根据表46、4-7及人机参数公式，测量可以得出整个设计品最佳尺寸（cm）:长：4648 宽：1718高：加上底拖支架6，主键区按键的向内倾斜14左右,前后相差1毫米。表4-6 安全色和对比色安全色对比色红色白色蓝色白色黄色黑色绿色白色注:黑色与白色互为对比色。分析表4-6、4-7、图4-8，如果要使键盘美观醒目，最好以黑色打底，白色作为标号,而在特殊按键用黄色来进行区分，这样便可达到最好效果。表47 普通材料的各角点坐标和亮度因数颜色用角点的色度坐标来决定可使用的颜色范围光源:标准光源D65（几何450）亮度因数坐标1234普通材料色红0。6900。5950.5690.6550。07y0.3100。3150。3410.345蓝0.0780.1500.2100.1370.05y0.1710.2200.1600.038绿0.2300.2910.2480.0070。12y0。7540。4380。4090.703黄0.5190。4680.4270.4650。45y0.4800.4420。4830.534白0.3500。3000。2900.3400。75y0。3600.3100.3200.370黑0.3850。3000。2600.3450.03y0.3550。2700.3100.395 图4-8 普通材料安全色与对比色的颜色范围图4。4现行键盘的具体改进设计4.4。1设计具体内容图4-9为改进设计后键盘的主键区,在原来键盘的基础上根据人机数据把所有按键向内倾斜14，可以让操作者在工作时手成自然的向内摆放。“f”、“j”两个按键加上用于区别其他按键的凸起横条（401，402)，为喜欢盲打的人带来良好的触摸感。根据手的自然间隔距离，键与键之间的距离最好为56毫米，这样即可以减少误击率，又可以缩短手指的移动距离（403）。 图4-9 改进设计后键盘的主键区图4-10为整个键盘的侧视图，主要体现键盘底拖支架的高度（404），根据上面数据分析得出为6,这种角度适合操作者手腕、手指弯曲的程度，使手指在最省力的状态下敲击键盘。 图4-10 整个键盘的侧视图图4-11为键盘中间凸起的部分（405)表示“6”、“y、“h”、“n这四个按键，在笔者前面的表述中提到，各种打字方式基本以这四个按键为中线,划分成左右两个键区。在制作键盘过程使这四个按键稍稍凸起,以达到区分功能键区作用的同时，减少需要空白凸起，来区分功能键区时所浪费的材料。并且可以减少键盘过大而占用过多的地方。 图4-11 键盘中间凸起的部分图4-12为突出常用键“w”、“a”、“s”、“d”，因为不能和前面设计混淆所以使用安全色来区分.假使键盘以黑色打底,那么这四键则为黄色,如以白色打底这四键则为黄色（参考安全色与对比色的国家标准)。图4-12填充安全色后的键盘注:“w”、“a”、“s”、“d”四个按键为游戏爱好者的常用键,为提高玩家的识别率，运用安全色使之区别明显，即降低了错按率，也避免玩家为寻找按键所造成的视觉疲劳.4.4。2设计键盘的整体效果 图4-13 键盘的整体效果4.5 设计说明在普通键盘和现有的人机键盘基础上进行优化设计,把按键的角度，键与键的间距，键盘的高度都以人机界面结合最适数据来进行改进设计，形成一格外舒适而健康的工作环境条件,从而提高工效。这种改进就是对普通键盘在细节上进行了简单的改进设计，该设计具体可行也符合市场经济学规律，制造键盘的具体材料只需和普通键盘的一样就可以了，这个可以根据制造商的具体情况而定。46结论整体设计,比较于普通键盘，更加符合安全人机工程学的要求.在改进中,按键的角度、底座的支架、按键的功能区识别都通过合理的人记分配,适应人体特征、人机界面设计、作业空间的布置等方面履行安全人机工程学原则，有效地提高键盘操作性能和可靠性，使操作者的体力消耗和心理压力降到最低，从而减小操作差错。对比于市场现有的人机工程学键盘，此设计则减少了键盘所占用键盘槽的面积，为客户更换键盘带来了方便，也因材料运用减少使得其价格能为普通家庭所接受，扩大了销售面，提高产品的市场销售额。5 结束语在此次课程设计中，我得到了胡鸿老师的悉心指导和同学们的热心帮助，在此一并表示感谢!通过此次设计，加深了我对安全人机工程理论的认识和理解,也锻炼了自己实际运用能力，更深一步地了解了安全人机工程学知识在我们日常生活实践中的作用，同时也明确自己今后学习的和研究的方向。此外，我对现有计算机键盘的设计分析还有很多不够完善的地方；设计中对此种设计方案的具体的尺寸、角度、及选材还存在一些有待解决的问题；在键盘操作人因分析中还有很多因素也没有涉及等问题有待进一步探讨，还有由于我水平有限，设计中还存在很多的不足，望老师给予批评改进。参考文献1欧阳文昭.廖可兵.安全人机工程学。煤炭工业出版社。2002。7 2郭伏。杨学涵。 人因工程学。东北大学出版社.2001 3郭青山。汪元辉。人机工程设计.天津大学出版社。1994 4谢朝学. 发明创造入门.湖南大学衡阳分校. 20015王生.三种计算机工作台的工效学评价.工业卫生与职业病. 1996 15