人机工程学论文

人机工程学课程设计

鼠标、键盘的人机工程学设计产品的

现状与分析

学院：工程学院

姓名：张彰高

学号：20094027016

指导教师：王黎明

中国·大庆

鼠标、键盘的人机工程学设计产品的现状与分析

专业：09工业设计姓名：张彰高学号：20094027016

摘要：调查分析了当前鼠标、键盘人体工程设计产品的现状，着重分析了人体工程学在鼠标、键盘设计领域的应运。并从正面反应了人体工程设计产品的优势，及带使用者操作舒适便捷的享受。

关键词：鼠标;键盘;设计;人体工程学

引言: 在第二次世界大战之后，人体工程学就已经作为独立的学科开始发展，在设计、环境、军事等诸多领域都开始广泛的应用，可以说，只要是有人机交流的地方就有人体工学的应用。键鼠产品已经发展了几十年，作为电脑桌面上使用频率最高的输入工具，同时也是人机交流的最重要工具，它的性能好坏直接决定了我们工作效率的高低。随着技术的发展，我们从最原始的机械鼠标到激光鼠标，从有线鼠标到无线鼠标，从功能简单的机械键盘到功能丰富的多媒体键盘，我们已经突破了诸多技术瓶颈。

鼠标键盘是人和计算机交互的一个主要界面，它同时集成了光标的移动和计算机的操作的功能，轻松的运动和多功能的按键使鼠标领先于其他各种定位设备，可以说鼠标键盘是我们日常生活中操作电脑的一个最常用的工具，因此设计具有人机工程学特点的鼠标键盘是十分有意义的。鼠标键盘的人机工程学设计，主要就是鼠标键盘的造型设计。以人体工程学设计的鼠标键盘已经成分为市场的主流。

1、鼠标设计现状分析

1.1、人手掌的生理结构

图一：人手掌的血管和神经解剖结构

如图一，人手的结构中，与鼠标相关的部分向上包括前臂，而向下则有手腕、手掌、手指等结构。前臂内部包括尺骨、桡骨等主要的骨骼人就是依靠这两根骨头的交错来完成手腕的旋转的。而手腕结构中主要是一快腕骨，它的转动使得人的手腕可以仰俯。而人的手掌则主要由两组肌肉组成，一个是拇指屈肌和外展肌组成的肌群，一个是小指屈肌及展肌组成的肌群，在两个肌群指间有一条沟壑。对于不同的人，这条沟的深度和宽度是不同的。而这条沟内部，则是人手主要神经和血管所走的地方。手指的结构则相对比较简单，每个手指包括三个指节，并在一定范围内可以作横向的展开。

对于手腕结构来说，多次的试验证明，当人的手腕呈“仰起”状态时，则“仰起”的夹角在15 度－30 度之间的时候，是最舒适的状态，超出这个范围，会导致前臂肌肉处于拉伸状态，而且也会导致血流的不畅。对于手掌来说，其最自然的形态就是半握拳状态。而鼠标的造型设计，实际上就是要尽量贴合这个形态。对鼠标的设计原则，可以归结为以下三点：

1、要使鼠标外壳紧密贴紧人手掌的两个主要肌群——拇指肌群和小指肌群。使它们能够贴紧而又不受压迫。受压迫会导致手掌处于疲劳状态，而贴不紧又有握不住的感觉。

2、要使鼠标外壳紧贴掌弓而又不压迫它。也就是鼠标外壳要贴紧手掌中间的那条“沟”。如果它不能贴紧，那么手心就会有“悬空”的感觉，而如果压迫了它，因为下面是手主要动脉和神经的必经之地，时间长了以后会导致手缺氧。

3、鼠标的最高点应该位于手心而不是后部的掌浅动脉弓，否则会造成手掌产生压迫感。对于手指，手指的自然形态应该是五个手指都不悬空，而且处于呈150 度左右的自然伸展状态。而对于鼠标设计来说，手指部分的一个特别要求，就是当手指自然伸展时，第三指节的指肚应该正好处于鼠标按键的微动开关上，这样才能获得最佳的按键手感。

1.2、鼠标的人机工程学设计

本人认为符合人机工程学的设计并不是适合每个人，这一点上在鼠标的设计中尤为明显。有很多号称符合人机工程学的鼠标用起来并不是很舒服，主要原因在于这些鼠标设计的时候是以欧美人士作为基准的，而这个基准对于亚洲人来说显得过大了。欧美人士的手掌心平均要比亚洲的手掌心深1-2CM，而且手要长

3-4CM。如图二，就是一张标准体型的亚洲人（174CM）和低于标准体型的欧美人（178CM）士的手掌。

图二：左边为亚洲人手掌，右边为欧美人手掌

可以从图上看出很明显的差别：首先，亚洲人的手掌偏窄，其次手的长度也偏小，再者手掌中央的“沟”也偏浅。如图三，亚洲人手握欧美国家的品牌鼠标，非常明显的可以看出，两者之间不相适应。

图三：175CM 亚洲人手握欧美国家的品牌鼠标

另外，由于亚洲人的手普遍要比欧美人士短几个公分，所以在亚洲人握欧美人士的大鼠时，其鼠标的最弓背处刚好处于手掌心的靠后部分，并且手部的受力集中于手掌心稍后侧的掌浅动脉弓（如图四）。如果动脉受压过久，时间长了会产生麻木酸痛的感觉，并使手指缺氧产生疲劳感。另外，如果手处于强迫状态，其手指的灵活度也将受到很大的影响，这在玩游戏时体会更明显。

由上面的分析可以看出，主要针对欧美标准而设计的鼠标具有个头特别大，后背非常弓的特点，而这两点对亚洲人来说是一个极为不合理的设计。

图四：175CM 亚洲人手握欧美国家的品牌鼠标

一些著名的鼠标品牌主要是以欧美人士作为基准，设计出来的鼠标个头都特别大，并且后背都非常弓，因为如果鼠标后背太平，欧美人士的人握上去之后，手掌心就会有悬空的感觉。由于鼠标较大的原因，手腕的腕关节被迫抬高，使手背与桌面的夹角大于了30 度，腕关节部位及手的前臂部位的伸肌群都处于强直的受力状态，受前臂肌群力的影响，上臂的肱三头肌及肱三角肌也都会同时受到力牵拉的作用，这样一来，人的肩关节也会一直处于强直状态。在这种状况下用鼠标，时间长了很容易出现腕关节及肩部酸胀的症状，从而极易产生疲劳感。

图五：专门为亚洲人设计的鼠标

专门为亚洲人设计的鼠标（如图五）外形设计方面较之欧美的鼠标稍微要小一点，并且流线造型的弧度也要平缓一些，针对于亚洲人手的特点，这款鼠的后背夹角设计成为150 度左右，这种设计使亚洲人的手握在鼠标上后使手背同桌面呈现15-30 度夹角，而使腕关节及肩关节的都呈自然放松状，同时手握鼠标的受力点恰好位于手心稍靠掌指关节处，从而避开了位于掌心靠后侧的掌浅动脉弓。这样，不仅手指在点击按键时会非常灵活自如，并且长时间的使用也不会轻易疲劳。人们在使用鼠标时，总是频繁地使用食指，手腕支撑面积较小，肌肉处于紧张状态，受力较大且手指受力不均匀，这种单调而轻微的动作，易于使经常使用鼠标的人感到疲劳。鼠标的重量影响使用者的舒适程度，一般80-110克之间为宜。太重的话，手腕负载的压力过大；太轻的话，筋肉的紧张程度偏大，光

标定位的精确度难以掌握，两者均不适宜人员的长期使用。

图六：握持时的状态

这几款鼠标后背盖的设计为圆钝状，如图六，人的手握上去之后，手正好呈半握

拳的自然放松状，这种姿势刚好使鼠标的后背与手的掌心完全贴合，既不出现空

隙，也不使手掌肌群受压，这样不仅腕关节得到放松，并且掌指关节及指间关节

的韧带也会处于放松状，食指和中指能够轻松自如的点击按键，而小指自然放置在鼠标右侧。

除此之外鼠标应该放在一个稍低位置，这个位置相当于坐姿情况下，上臂与地面垂直时肘部的高度。鼠标和身体之间的距离也有一定的要求。手握住鼠标的时候，上臂和前身夹角保持45度以下的时候，身体和鼠标的距离比较合适。如太远了，前臂将带着上臂和肩一同前倾，会造成关节、肌肉的持续紧张。太近了，会造成上臂的持续收缩。

1.3、市场现有产品的人机工程学设计分析

图七：微软—— Microsoft舒适光学鲨3000

如图七，微软——Microsoft舒适光学鲨3000 ——Comfort Optical Mouse3000舒适光学鲨3000（以下简称COM3K）是微软05年9 月份才发布的最新一系列产品中的一员，应该属于接替红光鲨和宝蓝鲨位置来面向普通游戏用户及办公用户的替代产品。COM3K 不仅延续了微软之前在光学银光鲨4.0（IE4.0）上应用的“纵横滚轮”技术，而且还在保持6000FPS扫描频率的前提下将dpi 提高到了1000，是它在激烈的游戏环境下游刃有余。作为一款左右手通吃的鼠标，注定了COM3K的人体工学设计相对于其他单手人体工学鼠标要少一些，不过其流线型一体化设计的外观却给它的看相增色不少，尤其是左手边的一点红——拇指功能按键。在微软5.3 版IntelliPoint 驱动的支持下，这“万灰丛中一点红”可以配合“纵横滚轮”实现对鼠标当前位置的放大功能，对于图片浏览量较大和大屏幕显示用户来讲非常实用。不过既然COM3K 是一款左右手通用鼠标。

COM3K 延续了微软鼠标一贯的细腻、流畅以及舒适，之前红光鲨和蓝光鲨的爱用者过渡到COM3K 的时候非常容易就可以上手。有传闻COM3K 在某些鼠标垫上使用会出现跳桢的现象，但在使用过程中无论是在玻璃材质的黑色Icemat、橡胶材质的FuncSurface1030还是最近上镜率很高的“平民布垫”地狱火II 代这三种鼠标垫上使用COM3K都没发现任何问题。

如图八，G5 激光鼠标—— G5 Laser Mouse、G7 激光无线鼠标—— G7 Laser Cordless Mouse.G5 和G7 这对孪生儿就像是当年的MX5 0 0 和MX700，不过G5 跟G7 之间的区别不是仅仅在于有线和无线：G5 相当于继MX500、MX510 和MX518 之后罗技第四代“云貂”，在历经了三代的雕琢之后，G5身上集合了罗技最尖端的几项技术：首先是从MX1000 延续下来并进行了改进的2000dpi Laser 激光引擎，用户可以使用On the fly 技术通过鼠标滚轮下方的“＋”、“－”按钮来进行鼠标从400 至2000dpi的三段实时调节，让您想快的时候快，想慢的时候就慢。而且虎口位置的三个指示灯也能提醒使用者当前的dpi 档位，方便用户调节；接着是G5 的ABS 工程塑料外壳，通过磨砂处理之后的G5 表面摩擦力大增，让玩家

图八:G5 激光鼠标—— G5 Laser Mouse、G7 激光无线鼠标—— G7 Laser Cordless Mouse

握得更牢。而且这种设计对于手出汗比较多的朋友们也很有好处，磨砂颗粒与颗粒之间的沟壑可以让汗液表面积增大，可以以最快的速度把附在鼠标表面的汗液蒸发掉，再激烈的FPS 也不会脱手。最后就是革命性的鼠标“配重调节”系统：以往无论是机械鼠标还是光电鼠标的重量都是一定的，以至于一款鼠标在适合一部分用户的同时也失去了另一部分用户，而G5 的“配重调节”系统则可以让用户忽略这种情况的存在。配重调节顾名思义就是可以手动改变鼠标的重量，而G5 实现这种调节的方法就是将固定在鼠标内部的配重部分由鼠标内部转移到了外部，并且将这块配重分割成了若干块小配重，让用户自己根据自己的喜好来分配从0 到38 克的重量，就像吃自助餐一样——丰俭尤人。而G7 呢，跟G5 放在一起抛开线来讲外观几乎分辨不出来，但细看下来差别也不少：除了有线和无线的区别，G7 的工程塑料表面采用的是抛光处理，而不是G5 那样的磨砂处理；虎口处的dpi 指示灯除了可以像G5 一样显示档位之外，还可以显示剩余电量；G5 用来放置配重的插槽成为了G7 的电池槽，理所当然的G7就无法进行配重调节了。

说到电池，很多朋友都会抱怨罗技的无线鼠标待机时间短，现在看到了G7 如此“强劲”的规格是不是又为它的续航能力担心？罗技这次在G7 上采用了双快锂电池设计，就是随机附带了两块超锂电池，以备不时之需。据罗技官方称，这次应用在G7上的电池系统在充满电的情况下可以让G7 一刻不停连续不断工作10 小时，G7 正常的待机时间是——三天左右，对于这种待机时间来讲，双电池是很必要的，虽然看上去治标不治本，但也算解决了在鼠标突然断电的情况下迫切需要继续工作的问题。而且由于G7 采用的是2.4GHz 无线技术，即使是用户在使用过程中更换电池也不必像MX700 一样等待重新配对所造成的延迟。手感方面由于垫脚采用大块的聚四氟乙烯（其特点是耐化学腐蚀和低摩擦系数）作为材料，再加上无视使用界面的Laser 光学引擎，使得这G5 和G7 移动顺滑，毫无阻碍，流畅感大大增加；G5 和G7 的滚轮延续了上一代MX1000 的水平倾斜滚轮（就是于微软纵横滚轮类似的技术），在Setpoint 驱动的支持下与Office的各项软件完美结合，实现缩放等扩展功能，不过与微软COM3K 的纵横滚轮情况相似，G5 和G7 的滚轮作为按键按下去的时候也是偏硬，比COM3K 要软一些，至少不需要用到前者那么大的力气；最后要说一下G7的接收器部分，G7 这次仍然坚持了接收器和充电器2in 1 的模式，但因为采用活动电池设计，所以接收器 + 充电器的尺寸较MX1000 明显减小了，是款非常不错的鼠标。

2、键盘设计现状分析

2.1、键盘设计的人机工程学原理分析

键盘作为较早的计算机输入设备，从它的发展中我们也能看到一些计算机发展的影子。普通键盘的主键区，也就是字母键区，键位整体呈长方形排列，使用

时，我们的两个手腕要向内收拢，时间长了非常不舒适，针对这一现象，很多品牌都推出了两个主键区的人体工学键盘，这种设计可以让我们在使用键盘时手腕自然的放置在桌面上或是腕托上，长时间使用也不会有不适感。而且我们从侧面观察键盘可以发现，这些按键的高度也是不一样的，中间略高而两侧略低，我们的手是在一个曲率半径较大的弧线上进行操作的，非常接近自然状态。在键盘的平面布局设计中运用人机工程学的知识,改进和完善键盘的宜人性和舒适性。

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

使用者创造安全、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。

图九：正确打字姿势

使用计算机和打字机都需要进行键盘操作。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。操作动作的合理性直接影响操作者的舒适性和工作效率。如图九，正确的操作姿势，主键盘区手- 键盘界面最自然的姿势为上臂从肩关节自然下垂,与前臂之间夹角70～90°,以保证作业时肘关节受力而不是上臂肌肉受力;还应保持手和前臂呈

一直线,腕部向上不得超过0°,腕外展不超过15°;双手向内相向交叉成60～70°,手指自然弯曲,同手掌一起构成一个半圆形,呈空握球状;两手掌间距约100～280mm 。设计主键盘区沿中心线各自左右分开,两基准定位键之间距离约80～100mm 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。

图十：中间分离的键盘

如图十，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。

键盘作为计算机的主要输入设备,其设计与改进在计算机日益普及的今天尤显重要。从人机工程学的角度,在其平面布局和整体设计等方面进行了研究。在整体布局上更加注重操作方便性与合理性尤其体现在Back Space键的重新布置、编辑与定位键区和数字辅助键区的按键布局上这种设计方案能够有效避免用户肌肉紧张和静态疲劳,对整个计算机作业过程的舒适性有较好改善,同时也大大提高了作业效率,使用户和输入设备之间能够更好地协调工作。这充分体现了设计对人的关怀与呵护,使人和产品在交互过程中完美和谐地结合。最近的研究已经深入到各个键位的细部设计了。由于每个手指的长度、施力方向和力度大小都不一样,有研究已经在运用压力回馈图对每个键位进行设计尝试。由于QWERTY键盘的设计初衷是为了避免卡键现象,而最大限度地放慢了敲击速度,使得最常用的etasorni等键操作起来非常不便。在科技高速发展的新世纪,键盘的设计将进行一次大的革新,以符合时代前进的步伐。

2.2、市场现有产品的人机工程学设计分析

图十一：飙风手键盘

如图十一，飙风手键盘—Media Keyboard ClavierMultimedia飙风手（MediaKeyboard ClavierMultimedia，后简称MKCM）键盘是罗技推出的多媒体键盘产品里最薄的一款。平放于桌子上时，厚度仅有2.23 公分，MKCM最大的特色堪称便利，键位的布局十分有特点，其F1-F12、Scroll Lock、Print Screen SysRq、以及Pause Break键被设计为圆形，其中F 系列按键都被赋予了双重功能，配合软件就能实现其功能，通过F4 上面的Mode F按键来对功能进行切换，并且预留出F9～F12 键作为自定义多功能按键。在所有圆形键上均设置有相关的操作提示，初学者也可逐渐熟练。在圆形键的上方，MKCM 还配备了功能丰富的多媒体按键，其中主要包括上网和多媒体播放两大部分；在驱动正确安装的提下，这些快捷键可以将键盘和Internet 轻松连接，诸如收发电子邮件、上下翻页、MSN 登陆等常规操作均可一键完成。键盘中间最上方是对多媒体文件的播放，包括播放、停止、快进/ 退、调节音量等。我们手中的这款MKCM 键盘采用的还是PS/2 标准接口，它目前正在与USB 接口的产品换代，但是两者之间在主要功能并无任何差别。MKCM 键盘还附赠了一个分离式的掌托，掌托的使用可以让键盘更加舒适。在手感方面MKCM 给我们留下了很好的印象，按键偏硬，键程适中，是典型的罗技键盘风格。打起字来劈劈啪啪的很是舒服，驱动的安装也非常方便，功能键的能力可以做到几乎不借助鼠标就可自由遨游Internet，功能键虽多但并不显得忙乱，这与MKCM 自身面积较大也有关系。美中不足的是因为键盘左侧有几个功能键的原因，整体键位均向右挪动了一点，所以手指会习惯性的错一个键位，这也是新用户需要适应的地方。

结束语

相信不少常年从事电脑操作的朋友都会在长时间工作之后感觉腰酸手疼，肩膀、手指酸软，根据权威医学机构统计，从事电脑行业的人害肩周炎等肌肉、骨骼疲劳性疾病的几率要比普通人或者干体力活的公认多出好几倍！这就是为什么我们需要人体工程学的原因了。人体工程学可以让键盘，鼠标，显示器等等我们操作电脑所必须使用的工具能够尽量适合人体自然形态。就拿键盘来说，平时我们习惯将两手放在中间敲打键盘，但是人体工程学的键盘就可以让我们两手舒适自然地放在身体两侧，就算工作时间再长，我们的双手和肩膀都会非常轻松的。同样，符合人体工程学的显示器能够让我们尽可能少受到电磁辐射，对健康的保护是不言而喻的。

键盘的外形有两种，分别是标准键盘和人体工程学键盘，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，这种设计的键盘最早是由微软公司发明的，微软将这种键盘命名为自然键盘（Natural Keyboard），对于习惯盲打的用户而言这种键盘可以有效的减少左右手键区的误击率，如字母“G ”和“H ”。目前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等等。譬如我们前面介绍过的微软人体工学键盘4000 就是这类型的人体工程学键盘。

鼠标的外形一般都是长方体流线型的，人体工学的鼠标就是通过改变鼠标外型的大小和曲线以及重量这几方面的设计，从而最大限度地满足人们使用鼠标时在手感以及舒适度和使用习惯方面的要求，最大限度地保护用户的身心健康进而提高用户的工作效率。说到人体工程学鼠标，同样不能不说一下微软，毕竟它早在1993 年就推出全球第一款符合人体工程学的鼠标了。这次微软一口气发布了

六款人体工程学的鼠标，让别人不得不承认它在人体工程学方面的深厚造诣。其中的主力产品无线迅雷鲨价格虽然只有5 9 9 ，但是和另一巨头罗技的产品比起来，性价比就显得很高了。今时今日，电脑应用已经不仅仅是追求速度和效果，对人体健康的影响已经是显得越来越重要了。为了我们以后的健康，从今天开始，多花点钱，购置一些符合人体工程学的硬件，让我们工作和娱乐都舒舒服服，何乐而不为呢？

参考文献

[1] 键盘操作板的人机工程学设计和分析 小勇北京航空航天大学飞

行器设计与应用力学系北京

[2] 鼠标手势的工效学研究进展刘子慧, 陈硕浙江大学心理与行为科学

系杭州

[3]键盘鼠标操作致尺骨撞击综合征的诊断及原因分析

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