基于人因工程學(xué)原理的鍵盤設(shè)計

課程設(shè)計（論文）PAGE學(xué)生課程設(shè)計（論文）題目：基于人因工程學(xué)原理的鍵盤設(shè)計學(xué)生姓名：學(xué)號：所在院(系)：機(jī)械工程學(xué)院專業(yè)：工業(yè)工程班級：2010級指導(dǎo)教師：職稱：2013年6教務(wù)處制摘要隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，特別是計算機(jī)技術(shù)的推廣和普及，計算機(jī)越來越多的應(yīng)用在人們的日常生活中的各個領(lǐng)域；無論實在工作方面，還是在娛樂休閑方面，計算機(jī)都扮演著重要的角色，在計算機(jī)的配件中當(dāng)然有個重要的配件，那便是計算機(jī)重要的輸入設(shè)備之一鍵盤；鍵盤是人和計算機(jī)交互的一個主要界面，它集成了計算機(jī)的操作的功能；然而標(biāo)準(zhǔn)的鍵盤并不符合人機(jī)系統(tǒng)高效、舒適的要求不利于提高信息輸入的效率；隨著日常生活中使用鍵盤的時間和頻率的增加以及鍵盤設(shè)計的不合理性，一些不健康的隱患也隨之而來，比如稱為“累積性骨骼肌肉損傷”這種職業(yè)??；另一個方面，鍵盤不合理的設(shè)計也會降低工作效率。因此最需要的是設(shè)計出符合高效、舒適、安全等要求的鍵盤。在科學(xué)技術(shù)不斷提高的背景下，我們所使用的產(chǎn)品就需要不斷地改善和創(chuàng)新，從一定程度上來講，每一次的設(shè)計應(yīng)該都是一次創(chuàng)新的過程，作為科學(xué)技術(shù)載體的產(chǎn)品創(chuàng)新，是改進(jìn)人類工作、生活方式進(jìn)而促進(jìn)社會進(jìn)步的重要推動力，產(chǎn)品的創(chuàng)新是理性分析產(chǎn)生的，從設(shè)計變量來看，工業(yè)產(chǎn)品的材料、形態(tài)、尺寸、色彩、機(jī)理、技術(shù)原理等方面都可以成為創(chuàng)新的突破點。產(chǎn)品在設(shè)計過程中需要注意的是要依據(jù)“以人為本”的設(shè)計思想，充分考慮人的因素，并依據(jù)人因工程的理論為依據(jù)；注重人機(jī)交互，注重人與工具的和諧性。關(guān)鍵詞高效，舒適，人機(jī)系統(tǒng)，創(chuàng)新，以人為本，交互目錄摘要 1緒論 11.1課題研究的背景 11.2課題研究的目的和意義 11.3課題研究的內(nèi)容 22鍵盤設(shè)計所應(yīng)用的基本理論和設(shè)計原則 33常用鍵盤分析 43.1常用鍵盤的類型 43.2常用鍵盤材料 53.3按使用對象分類 54鍵盤設(shè)計的原理和原因 64.1鍵盤設(shè)計的主要因素和原因 64.1.1鍵盤設(shè)計人手的因素 64.1.2鍵盤設(shè)計環(huán)境的因素 94.1.3鍵盤設(shè)計色彩的因素 94.2鍵盤設(shè)計材料 94.3鍵盤設(shè)計其它細(xì)節(jié) 94.4鍵盤設(shè)計的最終概念模型 10結(jié)論 13參考文獻(xiàn) 14-PAGE14-1緒論1.1課題研究的背景信息化時代的來臨；導(dǎo)致我們?nèi)粘Ｉ钪械墓ぷ骱蛫蕵范茧x不開計算機(jī)，自然而然的就離不開計算機(jī)的輸入設(shè)備—鍵盤，在今天，科學(xué)為我們創(chuàng)造了很多之前認(rèn)為不可能的事情；就計算機(jī)而言就有很大的突破，對于鍵盤這樣的輸入工具就有很多種不同的類型，包括機(jī)械鍵盤、無線鍵盤、以及電容觸屏的虛擬鍵盤等，也有不同數(shù)量的按鍵，不同的類型具有不同的優(yōu)點和缺點；但是鍵盤的整體不過都是由主鍵盤區(qū)、功能鍵區(qū)、編輯鍵區(qū)和數(shù)字鍵盤區(qū)等四部分組成，也正是這樣幾個重要的部分的合理分布才能提高我們的工作效率與人體的舒適感覺，但是遺憾的是；就標(biāo)準(zhǔn)鍵盤而言，并不符合人機(jī)系統(tǒng)高效、舒適的要求，會大大的降低信息輸入的效率，人在使用鍵盤中，容易滋生一些病理性的狀況，出現(xiàn)的這些問題主要是長時間保持相對固定的坐姿和重復(fù)某一動作而形成強(qiáng)迫性體位，以致身體相應(yīng)部位處于持續(xù)的緊張狀態(tài)而導(dǎo)致局部神經(jīng)和肌肉損傷。對于“累積性骨骼肌肉損傷”這種職業(yè)病，它與重復(fù)性，機(jī)械力和工作姿勢有密切的關(guān)系。對于現(xiàn)在已經(jīng)有的鍵盤進(jìn)行調(diào)查得出，可知不同地域的人，手的大小、形狀等都是不一樣的，而且對于不同的人對于鍵盤的材料和按鍵的形式都有不同的要求；甚至是對與鍵盤的顏色都有不一樣的需要。綜合考慮不同的人的不同需要，需要有能滿足不同人的不同種類的產(chǎn)品，人們的不同的需求越多，然而現(xiàn)在已經(jīng)具有的市場中缺乏能滿足人們這些需求的東西，因此對于鍵盤的創(chuàng)新設(shè)計應(yīng)運而生。1.2課題研究的目的和意義對于這樣一個在我們生活中起著舉足輕重的輸入工具，如果能有那么一款有益于減輕操作疲勞，操作員感覺使用起來舒適、安全、高效的鍵盤，自然具有非凡的意義；例如，在你工作時一款這樣的鍵盤能將你的工作時間縮短一兩天，而且不會帶來什么職業(yè)??；在你上網(wǎng)聊天和玩游戲時，即使使用很長的時間也不會覺得手疲軟，而且不會存在什么“鍵盤手”、“鼠標(biāo)手”之類的病理現(xiàn)象等等一系列的好處，這樣的東西對于人們而言登頂會有很大的需求，然而需求是市場的源頭，需求越多，渴望被滿足的欲望越大，市場的空間就越大，產(chǎn)品的創(chuàng)新設(shè)計要做的就是來滿足這些人的不同的需要。創(chuàng)新設(shè)計的出發(fā)點還是人，基于人手的形狀與尺寸，來滿足人的生理與心理的愉悅。綜合上述情況，所以很有必要參考人因工程學(xué)科中的理論對人們?nèi)粘Ｉ钪谐Ｓ玫逆I盤進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計和改善。1.3課題研究的內(nèi)容本課程設(shè)計運用人因工程中的“人體測量”、“人機(jī)界面設(shè)計”、“色彩”、“材料”等方面的理論對所使用的鍵盤進(jìn)行綜合設(shè)計和改善；具體的內(nèi)容可分為五部分。首先，對整個課程設(shè)計的背景、目的和意義以及內(nèi)容進(jìn)行簡要的介紹；其次，鍵盤設(shè)計過程中所需要的人因工程學(xué)的基本理論和設(shè)計原則的介紹；其次，是對現(xiàn)在常用鍵盤的現(xiàn)狀進(jìn)行分析；再次，有針對性的對現(xiàn)狀的不合理之處進(jìn)行改善和設(shè)計，著重對鍵盤設(shè)計的原理以及這樣設(shè)計的理由進(jìn)行闡釋；最后，對本課程設(shè)計做一個簡要的總結(jié)，簡單的梳理全文內(nèi)容，指出本課程設(shè)計的不足。2鍵盤設(shè)計所應(yīng)用的基本理論和設(shè)計原則鍵盤設(shè)計的過程中所應(yīng)用的理論主要包括控制器的設(shè)計理論，體力疲勞及其消除，色彩環(huán)境理論，噪聲及其控制等。（一）控制器的設(shè)計理論中主要是考慮工具的設(shè)計原則：①避免靜肌負(fù)荷；②保持手腕伸直；③使組織壓迫最??；④減少手指的重復(fù)活動。（二）體力疲勞及消除，體力疲勞一般分為四個階段：①工作適應(yīng)期；②最佳工作期；③疲勞期；④疲勞過度積累期；疲勞消除的途徑可分為：（1）改善工作條件的方式①合理設(shè)計工作環(huán)境；②改進(jìn)設(shè)備和工具；③該進(jìn)工作方法（2）合理確定休息時間和休息方式（三）色彩環(huán)境理論：主要是考慮鍵盤表面的顏色給操作者帶來的不同的情緒感，例如暖色系顏色給人以興奮感，可以激發(fā)人的感情和情緒，可以抑制人的感情和情緒，使人興奮激情，精力旺盛，但也易疲勞；冷色系顏色給人以沉靜感，可以抑制人的情感和情緒，使人沉著冷靜和寧靜的休息。其中黑色給人產(chǎn)生憂郁的感覺。合理利用色彩的情緒感覺，創(chuàng)造適應(yīng)人的情緒要求的色彩環(huán)境。（四）噪聲及其控制;主要是對鍵盤按鍵時產(chǎn)生的噪音進(jìn)行消除，噪聲的消除方式主要有①選擇發(fā)聲小的材料；②改進(jìn)設(shè)備的機(jī)械結(jié)構(gòu)③采用吸聲、隔聲、消聲等措施。（五）人體測量;主要是對人的手的長度和手的寬度進(jìn)行，并通過求平均值所在的百分位對鍵盤的按鍵的間隔和按鍵的行間隔進(jìn)行設(shè)計。對于手的長度是指手保持僵直的狀態(tài)下，從腕部的皺痕到中指尖的距離。而手的寬度則是指通過手掌的最大寬度，在掌骨的末梢，與把手、控制桿的設(shè)計有關(guān)。在測量數(shù)據(jù)的過程中需要的用到的工具主要有軟皮尺和直尺等；人體測量數(shù)據(jù)在設(shè)計中的使用原則主要有三大類；1、極端設(shè)計原則；2、可調(diào)范圍設(shè)計原則；3、平均設(shè)計原則。3常用鍵盤分析3.1常用鍵盤的類型對于現(xiàn)在我們常用的鍵盤無非是兩大類；一類是筆記本的鍵盤，這類鍵盤一般都是86鍵的，如圖1-1所示，另一類是外接鍵盤，這類鍵盤大多數(shù)具有104鍵，如圖1-2；圖1-1筆記本鍵盤圖1-2外接鍵盤按照鍵盤的鏈接類型可以分為USB連接的鍵盤和無線鍵盤等。3.2常用鍵盤材料根據(jù)使用的材料不同，鍵盤大致分為：硅膠，P+R（塑料鍵帽，硅膠底板），P+R+TPU三種。按照按鍵的材質(zhì)進(jìn)行分類，目前常見的材質(zhì)主要有HIPS、PC、ABS、ABS+PC、PBT、POM。比如HIPS是最便宜的工程塑料之一，但是沖擊強(qiáng)度低，做出的產(chǎn)品很脆；對于PC材質(zhì)而言，它無色透明和具有優(yōu)異的抗沖擊性；而ABS樹脂的綜合性能較好，沖擊強(qiáng)度較高，化學(xué)穩(wěn)定，電性能良好等對于不同的材質(zhì)具有不同的優(yōu)劣。3.3按使用對象分類一般的鍵盤常用于臺式電腦、筆記本和工控機(jī)三大類。其中的臺式機(jī)的鍵盤，每個鍵盤按鍵緊密的排列在一起，而對于筆記本的鍵盤常采用的是分島式鍵盤，每個按鍵都是孤立的這類鍵盤因為樣子酷似巧克力，就稱作巧克力鍵盤；所謂工控機(jī)即是工業(yè)控制計算機(jī)，工控機(jī)的鍵盤不管是在外觀還是質(zhì)地等等，都是多種多樣的，如果要說工控機(jī)鍵盤和普通鍵盤的區(qū)別，主要是防護(hù)等級不同，但一般場合，用質(zhì)量稍好點兒的普通鍵盤也可以了，特殊場合和特殊規(guī)則的地方就需要用到特制的工控機(jī)鍵盤。4鍵盤設(shè)計的原理和原因4.1鍵盤設(shè)計的主要因素和原因4.1.1鍵盤設(shè)計人手的因素對于鍵盤上的按鍵的排列和外形進(jìn)行設(shè)計，主要是根據(jù)現(xiàn)在已經(jīng)有的各類鍵盤進(jìn)行，同時參考人的一些要素，因此在設(shè)計鍵盤之前需要做的就是對人的手的形狀有所認(rèn)知，通過觀察的形式取得人手的圖片如下圖4-1：圖4-1人的雙手及操作鍵盤是的姿勢從圖中可以看出人在自然狀態(tài)下手的姿勢和操作普通鍵盤時手的姿勢，依據(jù)上圖作出手在操作時的簡圖，及改善后的簡圖如下圖4-2：目前的操作時手的姿勢目前的操作時手的姿勢改善后的姿勢改善后的姿勢圖4-2改善前后的手的姿勢在改善的過程中需要測量手的長度和寬度，并求所測量的數(shù)值的平均值，并依據(jù)平均值所在的百分位對鍵盤的按鍵的間隔和按鍵的行間隔進(jìn)行設(shè)計，具體操作如下：(單位/cm)（1）在操作姿勢上以人手的自然狀態(tài)作為設(shè)計的參考，人在自然狀態(tài)下相對于操作普通鍵盤時不會那么容易疲勞，現(xiàn)在大多數(shù)的鍵盤的操作時由于手腕的彎曲，特別容易疲勞，酸軟。如下圖4-3；30度30度左右手腕處易產(chǎn)生疲勞和酸軟圖4-3改善前手腕的狀態(tài)通過分析得，可以通過重新設(shè)計按鍵的排列方式來改善這種現(xiàn)狀；總體思想就是講按鍵的排列方式符合人的手的形狀來滿足手腕處的彎曲角度帶來疲勞的問題。圖4-4自然狀態(tài)下的手（2）根據(jù)手的長短和寬窄來分布鍵盤上的按鍵，來達(dá)到使操作者感覺舒適不易出錯；測量常用鍵盤的人的手的長度和寬度，對所取得的數(shù)據(jù)記錄如下表格：圖4-5手的長度17．016.817．517.418.418.016.817.618.618.017.417.817.618.017.818.218.418.217.217.818.018.218.018.417.417.817.518.418.818.018.218.017.817.417.818.417.917.618.617.817.817.817.618.018.218.617.818.218.218.3圖4-6手的寬度9.89.79.010.310.09.89.29.710.49.810.010.010.49.69.710.410.410.310.29.410.29.69.89.79.910.09.89.89.210.49.49.89.49.69.710.69.610.09.710.69.69.89.59.510.010.29.810.010.09.6 根據(jù)表格中的測量數(shù)據(jù)求得其平均值得：設(shè)手長為；手寬為，則分別求得手長的平均值==17.9手寬的平均值==9.854要求鍵盤按鍵的間隔能滿足90%的人的使用要求，因此需用選擇第5百分位和第95百分位，依據(jù)所求得平均值，求出鍵盤按鍵間隔設(shè)計的范圍，以此作為設(shè)計的鍵盤按鍵間隔的標(biāo)準(zhǔn)。查表得第5百分位和第95百分位的變換系數(shù)K=1.645借助Excel求得手長的標(biāo)準(zhǔn)差=0.44949;手寬的標(biāo)準(zhǔn)差=0.365385計算手長的第5百分位：=-K=17.9-0.449491.645=17.2第95百分問：=+K=17.9+0.449491.645=18.6計算手寬的第5百分位：=-K=9.854-0.3653851.645=9.3第95百分問：=+K=9.854+0.3653851.645=10.4在設(shè)計鍵盤按鍵的主鍵盤區(qū)的時，參考手的寬度的范圍9.3～10.4cm將鍵盤左右邊的按鍵的區(qū)域設(shè)置為寬度為10.4cm的寬度，由于鍵盤的左邊的按鍵先對較右邊少一列，因此左邊的寬度設(shè)置為9.6cm。鍵盤的按鍵區(qū)域的縱向長度約為手的長度的四分之三，根據(jù)所求得的手長的范圍17.2～18.6cm，選在長度為18.2cm進(jìn)行設(shè)計得3/418.2=13.65cm,以此數(shù)據(jù)作為鍵盤的縱向長度。（3）另一個方面就是操作者的手一般都是懸空的沒有承托之處，容易產(chǎn)生疲勞，因此在鍵盤的下部進(jìn)行加長，并添加可以放手的地方，能在輸入信息的時候?qū)⑹滞筇幏旁谏厦鎭斫档推?；放手處的材料選擇軟而且貼合人手腕形狀的材料。4.1.2鍵盤設(shè)計環(huán)境的因素從光線強(qiáng)弱的角度進(jìn)行考慮，無非就是一種明亮的環(huán)境和一種光線較暗的環(huán)境，這兩種情況構(gòu)成了我們工作和學(xué)習(xí)的光線環(huán)境；還有就是一般的鍵盤在操作過程中還容易帶來一些噪音，這些都是設(shè)計中需要避免的部分。因此考慮將鍵盤的按鍵上設(shè)計成夜光的形式避免操作的失誤，針對鍵盤的按鍵產(chǎn)生的噪音則主要是從按鍵的材質(zhì)方面進(jìn)行改善；例如，可以采用硅膠材料或是采用紅外線阻隔來取代彈簧片。4.1.3鍵盤設(shè)計色彩的因素在人因工程學(xué)中學(xué)到不同的色彩對于人而言具有不同的影響，顏色的不同也會給人帶來不同的情緒感；例如明度較高而鮮艷的暖色，容易引起人的疲勞，明度較低、柔和的冷色，使人有穩(wěn)重和寧靜的感覺；暖色系容易給人以興奮感，可以激發(fā)人的感情和情緒，使人興奮激情，精力旺盛，但是易疲勞，冷色系顏色給人以沉靜感，使人沉著冷靜等等；在設(shè)計鍵盤的時候綜合工作和娛樂的需要來設(shè)計不同的顏色的鍵盤；例如，是那種需要冷靜思考的工作則可以將鍵盤設(shè)計為冷色系的顏色，比如青色、綠色、藍(lán)色等；如果某種工作需要旺盛的精力的投入，則可以選擇暖色系的鍵盤，比如紅色、橙色、黃色等。然而現(xiàn)在的鍵盤大多為黑色的色調(diào)，然而黑色容易使人產(chǎn)生憂郁的感覺。4.2鍵盤設(shè)計材料不同的材料會給人帶來不一樣的使用體驗，因此鍵盤設(shè)計時根據(jù)需要來選擇適合的材料，充分考慮到減小按鍵過程中的噪音問題和材料粗糙而造成的不舒適的感受；另一部分需要考慮的是鍵盤的下部承托手的部位的材料不能太硬，相反要采用軟質(zhì)的材料，避免給手腕帶來由于擠壓而帶來的損傷。4.3鍵盤設(shè)計其它細(xì)節(jié)在使用鍵盤的過程中如果能將很多常用的按鍵進(jìn)行整合，在鍵盤上同時加入“保存”按鍵、“聲音調(diào)節(jié)”按鍵、“快進(jìn)和快退”按鍵等的融合可以大大的提高工作效率；另一個主要的部分，便是在鍵盤的右手邊融入觸屏的功能，便可以不免抬手去操作鼠標(biāo)的過程。4.4鍵盤設(shè)計的最終概念模型鍵盤的設(shè)計和改善后