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1、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 eng
2、ineering 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 insuffici
3、ency: 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 creat
4、e 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 le
5、vel, and saves the manufacture cost greatly the expense, easy to promote in the ordinary family。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
6、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
7、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
8、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。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
9、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
10、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
11、%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
12、，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
13、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
14、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3-1）。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3-1）（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
15、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,-120250-30-60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）、
