55、键盘设计全解析：布局、特性与替代方案

键盘设计全解析：布局、特性与替代方案

1. 键盘布局的演变与比较

键盘作为输入设备，已经存在了100多年，广泛应用于打字机和计算机。早期打字机键盘的改进侧重于机械性能，后来则聚焦于提高打字速度和准确性。键盘布局的设计一直是研究和争论的焦点。

1.1 标准（QWERTY）布局

早期的肖尔斯键盘设计让快速打字者遇到了问题，因为连续按键的字杆会相互干扰。当前的QWERTY布局（以最左上角的字母行命名）增加了常见字母对之间的间距，减少了字杆卡住的频率。直到1900年左右，肖尔斯键盘上的盲打才开始普及。1878年出现了显示QWERTY布局的第一个专利。此后，人们多次尝试通过开发非QWERTY布局来改进键盘。

1.2 德沃夏克简化键盘布局

德沃夏克简化键盘（DSK）是最著名的尝试之一。奥古斯特·德沃夏克在1936年获得了该设计的美国专利。他运用时间 - 动作研究原则和效率的科学测量方法来设计布局，假设为十指盲打。DSK布局中，打字员右手使用频率高于左手，手指分配了相应的工作量，近70%的打字在主行进行，元音和常用辅音分布在键盘的相对两侧，增加了双手打字序列的频率。

多项实验对DSK和QWERTY布局进行了比较：
- 海军部研究 ：20世纪40年代，海军部比较了两组接受在职培训的打字员。一组是接受DSK布局再培训的QWERTY打字员，另一组是接受额外QWERTY培训的打字员。DSK组的打字速度提升和错误率降低幅度更大，但净字数每分钟（nwpm）的增益在统计上不显著。而且，两组使用了不同的基线来计算学习率，这影响了计算结果。此外，海军部在计算再培训成本和收益时，对DSK组进行了“修正”，这使得成本计算存在偏差。因此，海军部关于DSK再培训的结论缺乏说服力。
- 斯特朗研究 ：斯特朗为美国总务管理局进行了研究。他将QWERTY打字员培训到DSK键盘上达到之前的QWERTY打字水平，平均花费约28天。之后，DSK组接受额外指导以提高速度和准确性，而QWERTY组只接受额外的QWERTY培训。培训后，QWERTY组在打字测试中的表现优于DSK组。斯特朗得出结论，DSK没有优势，“强化”QWERTY培训更有效。然而，其他研究人员对该报告提出了质疑，因为原始实验数据已被销毁，且有猜测认为该研究偏袒QWERTY。
- 金凯德模拟 ：分析结果表明，DSK最多比QWERTY快2.3%（文本中数字为2.6%），但计算存在一些细微差异。由于打字速度受上下文和“均衡效应”的影响，而该分析仅使用了双字母组合，所以金凯德对DSK优势的估计可能不准确。
- 计算机模拟 ：诺曼和费舍尔使用“熟练打字员的手和手指运动的计算机模拟”进行比较，计算出DSK在打字速度上比QWERTY快约5.4%。该研究考虑了上下文效应，解决了金凯德报告中的一些批评。
- 自动搜索最佳键盘布局 ：诺埃尔和麦克唐纳使用人工智能搜索程序，发现DSK比QWERTY约好10%，而最佳可能布局仅比DSK好1.2%。

总体而言，大多数研究证实DSK比QWERTY快，但两者之间的差异大小存在分歧。由于存在诸多未知因素，切换到DSK可能无法带来实际的生产力提升，对于大多数打字员来说可能并不值得。

1.3 字母顺序键盘

将字母按字母顺序排列在按键上是另一种键盘设计方法。这种布局出现在一些儿童玩具、股票经纪人的报价终端、一些便携式数据设备上，有时也作为某些触摸屏应用的默认屏幕键盘。

多项研究对QWERTY和字母顺序键盘进行了比较：
- 赫希研究 ：赫希测试了一组非打字员在QWERTY和字母顺序键盘上的表现。经过七小时的练习，QWERTY组的打字速度从每秒1.47次按键提高到1.99次，而字母顺序组甚至没有达到实验前的QWERTY打字速度。
- 米凯尔斯研究 ：米凯尔斯扩大了研究范围，包括不同打字技能、年龄和背景的人。结果显示，高技能和中等技能组在QWERTY上的打字速度明显更快，低技能组在两种键盘上的打字速度没有显著差异。此外，熟练打字员在QWERTY上输入数字序列的速度也比字母顺序键盘快。
- 诺曼和费舍尔研究 ：他们测试了非打字员在四种不同键盘上的表现，结果表明QWERTY比其他布局快65%以上。统计测试显示，前三种键盘都明显优于随机布局，而QWERTY优于两种字母顺序布局。
- 刘易斯等人研究 ：刘易斯等人使用基于菲茨定律和英语双字母频率的成本函数进行评估。对于专家级的手写笔打字，传统字母顺序布局比QWERTY慢3%，而大致方形的字母顺序布局比QWERTY好约13%。然而，在初始用户偏好和性能研究中，参与者表现更好且更喜欢QWERTY布局。

综上所述，字母顺序键盘无论具体排列如何，都没有比QWERTY更具优势。在大多数情况下，设计师应提供QWERTY布局而非字母顺序布局。

1.4 其他键盘布局

一些研究人员为特殊目的开发了非标准布局：
- 格肖等人布局 ：格肖、罗森和古德诺夫 - 特雷帕尼耶使用人工智能搜索程序开发了一种布局，理论上这是专家用手写笔或单指打字的最佳布局，但他们没有对该布局进行用户测试。
- 刘易斯等人布局 ：刘易斯等人设计了一种类似的最小距离布局。对于高度熟练的手写笔打字，该布局比QWERTY快27%。在初始用户偏好和性能评估中，参与者更喜欢QWERTY布局。
- 半QWERTY键盘 ：马蒂亚斯等人开发了单手半QWERTY键盘，利用了打字员在QWERTY布局上的现有技能。十名参与者经过十次约一小时的练习后，平均打字速度从第一次练习结束时的13.2 wpm提高到第十次练习后的34.7 wpm，错误率从16%降低到7.4%。
- 擦拭激活电容键盘 ：蒙哥马利提出了一种擦拭激活电容键盘，该键盘是一个平板，手指可以滑动或擦拭以创建字符。该键盘没有移动部件，可以是任意大小，但除了与标准键盘的擦拭次数和按键次数比较分析外，没有进行其他测试。

这些非标准布局概念有趣，但在大多数情况下，设计师应在采用替代设计之前，将其与QWERTY布局进行评估，特别是在用户不太可能达到专家水平的情况下。

1.5 键盘布局结论

标准键盘结构下，QWERTY布局是在字母顺序排列的基础上，为减少字杆卡住而重新排列形成的。分析表明，熟练打字员在QWERTY布局上的打字速度约为理论最佳布局的90%，DSK将这一比例提高到95 - 99%。然而，大多数打字员认为学习DSK的相对较小收益无法弥补成本。对于大多数目的，设计师的首选应是QWERTY布局。

2. 数据输入小键盘

大多数计算机键盘除了主字母数字部分外，还有一个单独的数字小键盘用于数据输入。此外，按键式电话作为计算机远程终端的使用也在增加。

2.1 数字和字母的布局

• 用户期望位置 ：卢茨和查帕尼斯测试了六种按键配置，发现人们通常按照阅读文本的顺序（从左到右、从上到下）将字母和数字放在按键上，无论按键配置如何。当数字已经在按键上时，如果数字排列是从左到右、从上到下，人们会一致地将字母按此顺序放置；如果数字排列不是这样，约一半的人会使字母排列与数字顺序一致，另一半人则坚持从左到右、从上到下排列。现代美国大多数电话上的数字排列是最常见的。
• 记忆准确性 ：德特韦勒等人让电话公司员工凭记忆在空白小键盘上分配字母，只有18%的受试者在第一次尝试时能100%准确放置字母。经过后续培训，72%的参与者达到了100%的准确性。这表明尽管人们与电话小键盘有数千次交互，但很少有人真正掌握了字母和按键之间的映射关系。
• 布局性能比较 ：多项研究比较了电话布局（顶部为1、2、3，底部为0）和常见计算器布局（顶部为7、8、9）的性能。康拉德和赫尔让家庭主妇输入数字代码，发现电话布局在速度和准确性上更优。保罗等人测试了空中交通管制员，发现电话布局在输入字母和混合（字母和数字）数据方面更好，但在仅输入数字时性能相同。古德曼等人使用模拟方法测试了Telidon键盘的水平和电话布局，在反应时间任务中，电话布局的速度和准确性略好，但在更现实的性能测试中差异不显著。用户在解决问题任务中强烈偏好电话布局。马加尔比较了打字员使用键盘水平顶行数字和单独的10键计算器小键盘进行数字输入的吞吐量和错误率，发现有经验的小键盘用户在小键盘上的输入速度明显更快，且所有参与者都强烈偏好使用计算器小键盘进行数字输入任务。

综上所述，数据输入小键盘的设计和使用在很大程度上取决于所需的按键任务。对于数字和混合输入，电话布局略优于计算器布局，特别是对于不熟悉计算器或加法机的人。有经验的小键盘用户在需要进行大量数字输入任务时，使用单独的数字输入小键盘会受益。

2.2 电话小键盘的字母数字输入

由于电话小键盘每个按键上有多个字母，使用其进行字母数字数据输入需要一种策略来指定每个按键（或按键序列）对应的字母，即“消歧”技术。
- 戴维森方法 ：戴维森建议使用按键式电话上的两个额外按键作为控制键。左（ ）按钮表示第一个字母，右（#）按钮表示第三个字母，无控制键的按键表示中间字母。弗朗卡斯等人将戴维森的方法与微型QWERTY小键盘和字母顺序小键盘进行比较，发现带有左右控制键的电话小键盘在输入字母数据时明显慢于QWERTY或字母顺序小键盘，但所有输入方法的准确性相同。因此，电话小键盘在该应用中不太适合输入字母，但在对准确性要求高且空间有限的任务中，带有控制键的电话小键盘可能是可以接受的。
- 特殊字符输入问题 ：使用标准电话小键盘输入字母数据的一个问题是缺少字母“Q”和“Z”以及其他标点符号。马里克研究了用户尝试输入特殊名称的方式，结果表明没有明显首选的输入方法。
- 其他研究与建议 *：巴特鲍和罗克韦尔比较了三种为单手按键设计的小键盘，发现具有每个字母和数字单独按键的键盘任务性能最快、最准确。布朗和古德曼比较了几种通过电话小键盘输入字母文本的方法，发现双控制键方法在速度和练习改进方面优于单键和三控制键方法，但所有三种方法的速度都低于10 wpm，对于需要扩展文本输入的任务来说不切实际。德特韦勒等人评估了五种从电话小键盘输入字母的策略，推荐了重复按键方法，但该方法无法清晰输入电话小键盘上未表示的字母或其他特殊字符，且需要用户在输入同一按键上的字母之间暂停。此外，一些计算机系统采用统计技术来“预测”用户输入的单词或名称，但统计消歧并不完美，需要一个按键让用户信号消歧错误或语音提示来引导用户。

总体而言，对于输入字母或混合字母数字数据，电话（和其他小型多功能）小键盘无法与QWERTY或字母顺序键盘相媲美。如果速度不重要，但准确性和空间至关重要，电话小键盘可能适用于有限的数据输入。使用电话小键盘进行有限的字母数字输入需要对按键进行充分标记（或用户指导），以允许输入所有字母，并提供字符消歧的方法。

3. 键盘的物理特性

键盘的物理特性对打字性能有重要影响，以下是对各方面特性的详细分析：

3.1 键盘高度和坡度

多项研究对键盘的高度和坡度进行了测试：
|研究人员|测试键盘|高度/坡度设置|测试对象|结果|
| ---- | ---- | ---- | ---- | ---- |
|Scales和Chapanis|长途电话接线员按键组|0、5、10、15、20、25、30或40度|无经验人员|八个坡度条件下速度和错误无差异，所有参与者都更喜欢有坡度的按键组，一半人更喜欢15 - 25度的角度|
|Galitz|计算机键盘|9、21和33度|打字员|键盘坡度对性能无影响，打字员更喜欢21度的角度，建议键盘坡度可在10 - 35度之间调节|
|Emmons和Hirsch|IBM 30 mm键盘|30 mm（5度）、38 mm（12度）、45 mm（18度）以及非IBM 30 mm（5度）键盘|12名有经验的打字员|三个角度/高度下错误率无差异，38 - mm和45 - mm键盘打字速度更快，打字员最喜欢45 - mm键盘，其次是38 - mm键盘|
|Miller和Suther|77 mm高键盘|坡度设置从14到25度，平均18度|美国和日本不同身高百分位的参与者|首选坡度与座位高度和个人身高显著相关，建议键盘坡度可调节至至少20度（25度更好）|
|Suther和McTyre|30 mm薄型键盘（5、10、25度）和厚型键盘（15度）| - |有经验的打字员|四个角度下打字性能无差异，无人喜欢5度键盘，一人喜欢25度，其他人认为10度和15度更好，建议键盘坡度在10 - 25度之间可调节|
|Abernethy和Abernethy与Akagi|30 - mm（8度）、66 - mm（12度）、44.5 - mm（8度）键盘| - | - |30 - mm键盘打字员的手更易“卷曲”，手腕角度更易“内旋”，修改后的30 - mm键盘参与者平均选择的坡度在桌面高度为16.1度，打字台高度为14.4度|
|Najjar、Stanton和Bowen|键盘|三个键盘主行高度（74、99和125 cm）和三个键盘角度（0、 - 15和 + 15度坡度）|站立打字员|最低主行高度下，0和 - 15度坡度的性能明显优于 + 15度坡度，参与者在中等和最高主行高度更喜欢0度和正坡度的键盘|
|Hansen|小键盘|0、15和35度坡度|飞行员|三个坡度下性能无差异，75%的飞行员更喜欢15度坡度|
|Burke、Muto和Gutmann|固定11度坡度键盘|四个高度（35、64、84和104 mm）| - |四个高度下速度和准确性无显著差异，参与者最不喜欢35 mm高度，最喜欢84 mm高度|

综合这些研究，较宽范围的键盘高度和坡度似乎不影响打字性能，打字员通常更喜欢键盘有一定坡度，坡度角度应至少可调节到15度，甚至更陡以满足个人偏好。

3.2 可拆卸键盘

目前没有关于键盘从显示器外壳可拆卸需求的研究。可拆卸键盘的目的是满足个人尺寸、偏好和任务需求，将键盘放置在工作表面上。然而，其优势可能受到工作表面选择的限制，并且在某些情况下，如办公室简短或不频繁的任务、笔记本电脑使用以及公共访问终端等，可能不需要可拆卸键盘。

3.3 键盘轮廓

键盘轮廓由不同行按键的相对角度和位置决定，大多数键盘轮廓符合扁平、碟形或阶梯形设计。目前只有两项研究测试了不同的键盘轮廓：
- Paci和Gabbrieili研究 ：他们评估了三名打字员使用阶梯形或碟形轮廓键盘的性能。碟形轮廓键盘的性能据报道更好，打字员也更喜欢该键盘，但这可能是由于坡度差异导致的。他们建议字母数字键采用碟形轮廓，数字小键盘采用阶梯形轮廓，功能键采用扁平轮廓。
- Magyar研究 ：十二名打字员使用扁平、碟形或阶梯形键盘轮廓进行测试。扁平键盘的吞吐量性能明显低于碟形或阶梯形键盘，未检测到的错误率也更高。虽然没有明确的证据表明碟形和阶梯形设计优于扁平轮廓，但数据表明键盘轮廓对用户性能和偏好的影响可能相对于其他键盘参数较小。

3.4 按键大小和形状

随着便携式设备的普及，键盘设计师希望通过减小按键大小来缩小键盘尺寸，但需要了解按键尺寸减小对打字性能的影响。
- Clare建议 ：克莱尔提出了按键形状设计的四个目标，建议按键顶部为12.7 mm方形，按键中心间距为19 mm，较小的按键（如9.5 mm）不太令人满意。
- 计算器按键大小 ：德宁格测试了十键数字小键盘的不同按键大小和形状，发现按键尺寸从9.5增加到12.7 mm时，按键时间和准确性得到改善。洛里基奥和刘易斯让15名参与者使用三种不同按键间距和大小的商用计算器，发现按键大小从10 mm方形增加到14 x 10 mm时，用户偏好和速度提高。
- 字母数字键盘 ：PC杂志的打字测试表明，按键较小的键盘打字性能较差，而使用相同按键机制但按键较大时，性能较好。洛里基奥和肯尼迪研究了将垂直按键间距从19减小到15 mm的影响，发现2.5小时练习后按键速率和错误无差异，但用户强烈偏好标准的19 mm按键间距。维克隆德等人对四种商用键盘进行了即拿即用的评估，发现最大按键的平均打字率更高，除最小按键外，双手打字比单手打字快。一些指南认为方形按键可能比圆形按键更好，因为在相同的按键中心间距下，方形按键提供更多的表面积。用户似乎更喜欢类似于早期Selectric打字机的略带圆形、碟形键帽。

标准字母数字键盘的按键中心间距通常为19 mm，使用较小的间距会导致打字速度变慢。设计师应努力为键盘的主要打字区域（如字母数字区域和数字小键盘）提供全尺寸（19 mm间距）的按键。关于按键形状，有证据表明按键应适合指尖形状，以方便定位和放置手指，用户似乎更喜欢有球形凹陷的按键。

3.5 按键力、行程和触觉反馈

按键的“力/位移”函数描述了手指按下按键以启动它所需的力以及按键在启动前后，过程中移动的距离。研究对不同力/位移函数的影响并不系统，难以建立特定方面对按键性能或偏好影响的模型。

研究人员	研究内容	结果
Deininger	电话使用和偶尔数据输入研究	最大力从14.1盎司（400克）降低到3.5盎司（100克）或最大行程从0.19英寸（4.8 mm）降低到0.03英寸（0.8 mm），性能无差异
Kinkead和Gonzalez	按键力和位移研究	低水平的力和行程下按键性能最佳，建议力在5.3 - 0.9盎司（150.3 - 25.5克）之间，行程在0.25 - 0.05英寸（6.4 - 1.3 mm）之间
Loricchio	文本输入打字研究，比较相同行程（2.7 mm）但不同操作点按键力（58克 vs. 74克）的键盘	错误率无差异，但58克键盘的吞吐量速度明显更快，测试参与者高度偏好较轻力的键盘
Brunner和Richardson	比较三种开关技术的键盘（弹簧卡扣键盘、线性弹簧键盘、弹性体开关键盘）	弹性体键盘在速度和错误方面比其他键盘约好2% - 6%，线性弹簧键盘上字符插入错误更频繁
Akagi	比较四种不同按键力和行程特性的键盘（两种线性弹簧键盘和两种弹簧卡扣键盘）	大多数测试参与者在线性弹簧键盘上打字更快，但触觉和线性弹簧动作键盘的打字速度无显著差异，低力键盘的错误率明显高于高力键盘，建议最佳设计的键盘应为触觉弹簧键盘，按键力约为57克
Monty、Snyder和Birdwell以及Texas Instruments	键盘质量评估	打字员认为平滑的按键移动是键盘质量的重要方面，重要因素包括无噪音的按键底部、突然的力变化产生的触觉反馈、类似“过山车”的力/位移曲线、无抖动的平滑曲线以及键帽的最小横向摆动
Cohen、Pollard和Cooper、Roe、Muto和Blake	电容和膜技术实验	缺乏按键行程的触摸键（如电容和膜技术）比传统机械键导致更慢的按键性能，添加提示（如压纹边缘、金属圆顶和操作时的音调或咔嗒声）可以减少早期的负面影响
Barrett和Krueger	比较触觉键盘和无触觉反馈的扁平压电键盘	两组受试者在传统键盘上的吞吐量性能和准确性都显著更高，扁平键盘对盲打员的性能影响更大，盲打员无法适应缺乏触觉反馈的情况
Rempel和Gerson、Armstrong、Foulke、Martin、Gerson和Rempel	手指力测量	键盘的力 - 位移特性会影响打字时指尖施加的力，需要较少激活力和较短按键行程的键盘实际上可以将受试者的峰值指尖力降低多达18%

综合来看，在较宽的参数范围内，按键力和行程对性能的影响较小。建议的按键力范围约为1 - 5盎司（28 - 142克），行程约为0.05 - 0.25英寸（1.3 - 6.4 mm）。约55 - 60克的按键力是一个较好的设计点，35克太轻。更重要的是按键的触觉反馈，它由逐渐增加的力、随后的突然下降（分离力）以及之后的力增加组成，形成类似过山车的曲线。键盘应提供触觉反馈，因为它可以提高按键性能，并且打字员更喜欢有触觉反馈的键盘。电容和膜按键在打字性能方面不如传统按键。

3.6 听觉反馈

对于熟练的打字员在高速数据输入任务中，打字机键盘的听觉咔嗒声、哔哔声和音调是不必要的，打字机打印锤敲击纸压纸卷轴产生的声音提供了足够响亮且相关的听觉反馈信号。然而，个人计算机的出现消除了撞击式打印机提供的听觉反馈，引入了允许真正静音按键操作的新键盘技术。

研究表明，带有听觉反馈的键盘打字速度明显更快、更准确，大多数打字员更喜欢听觉反馈，但也希望能够根据其物理特性和使用环境关闭它。对于电话小键盘，添加单音比咔嗒声或视觉信号允许更快的按键操作，当用户在拨号时看不到按键时，语音反馈可以减少按键错误。

听觉反馈的时间间隔很重要，如果延迟太长，会干扰打字性能。例如，当电传打字机的打印机制延迟或不规则时，打字速度会减慢，只有熟练的打字员在练习后才能消除这种影响。此外，听觉反馈和触觉反馈之间可能存在相互作用，尽管触觉反馈通常对按键速度更重要，但听觉反馈在用户对键盘的初始反应中起着重要作用，其重要性会随着时间减弱。

3.7 视觉反馈

对于普通电话拨号，视觉显示电话号码似乎没有价值，因为电话用户可以在可接受的低错误率下操作，检查显示的努力不值得。然而，对于国际传真等非常长的号码，视觉显示可能会有帮助。

对于普通键盘上的盲打员，视觉反馈对打字速度没有明显优势，但会影响打字员捕捉和纠正错误的能力。显示的字符少于9个时，打字员纠正自己错误的可能性较小。视觉反馈在学习打字时可能也很有用。

与听觉反馈一样，视觉反馈的时间也很重要。当电传打字机的打印机制延迟或不规则时，打字速度会减慢，只有熟练的打字员在练习后才能消除这种影响。计算机显示器上的视觉反馈延迟也会影响打字员的行为和满意度，受试者在计算机上打字时，单按键的感知延迟阈值为165 ms，多按键为100 ms。

3.8 错误避免功能

以下变量会影响打字错误率，但尚未得到实验研究：
- 翻转功能 ：翻转是键盘按正确顺序存储每个按键的能力。没有翻转功能时，打字员必须在按下下一个键之前释放当前键，高速打字会导致字符丢失或生成错误代码。两键翻转在按下第二个键而不释放第一个键时能准确生成两个按键，而n键翻转可以使任意数量的按键重叠而不干扰字符的正确顺序。n键翻转优于两键翻转。
- 滞后功能 ：启动发生在按键下行行程的“开关闭合”点，释放时，开关保持闭合直到按键经过“开关打开”点。如果闭合和打开点在同一位置，打字手指犹豫或上行行程不顺畅时可能会出现额外的、不需要的按键（按键弹跳）。滞后（“开关闭合”和“开关打开”点之间的行程距离）可以消除这个问题。
- 互锁功能 ：如果按键没有机械滞后，电子互锁可以提供相同的好处。大多数现代键盘通过电子轮询方案在按键之间施加最小时间间隔，系统假设短的键间时间是由于按键弹跳或意外按键引起的，互锁的作用是控制按键传输速率，忽略这些短的键间时间。最佳传输速率取决于最大按键速率，通常在快速打字爆发时出现。建议的互锁系统应考虑至少100个总字数每分钟的打字速率，对应约100 ms的互锁周期，但由于熟练打字时某些双字母的按键时间可能低至4 ms，可能需要更短的互锁间隔。
- 缓冲区大小 ：许多计算机键盘允许用户在显示器之前打字，当显示器依赖于系统响应时，这个功能特别有用。用户可以将按键存储在缓冲区中，直到系统准备好接收它们。比较存储1、2、4、6和7个字符的缓冲区时，缓冲区大小与视觉反馈速度相互作用影响打字速度。快速视觉显示时，较小的缓冲区不影响打字速度，显示延迟达1.5秒时需要更大的缓冲区。缓冲区大小不如视觉显示速度重要，视觉反馈的长时间延迟会导致性能下降，无论缓冲区大小如何。建议的缓冲区大小至少为七个字符。
- 重复功能 ：虽然没有实验数据支持按键重复功能的必要性，但经验表明“自动重复”按键在许多情况下很方便，如下划线和制作表格的图形符号。许多计算机键盘上所有按键都是自动重复的，但文献中没有关于最佳延迟长度的具体建议，常见的默认值是第一次和第二次按键之间延迟0.5秒，后续按键之间延迟0.1秒。

3.9 颜色和标签

按键和键盘的颜色和标签建议通常基于可见性和编码要求，而不是实验研究。按键和整个键盘不应过于闪亮，以免产生眩光，通常建议采用哑光到丝滑哑光的表面处理。按键名称应清晰易读，用户能够理解。按键顶部略带粗糙（哑光）的表面有助于手指定位，但不应降低按键标签的可读性。按功能对按键进行分组和着色有助于视觉搜索，这在计算机键盘上尤其有用，因为它们通常不仅仅是用于文本输入的打字设备。

刘易斯的研究表明，当“替代”键上的“替代”一词的颜色和位置与其他按键上的替代功能相匹配时，受试者在选择主要和替代功能时的错误最少。

3.10 特殊用途按键

特殊用途按键包括退格键、回车键、光标控制键和功能键，一些相对较新的研究对这些按键的设计进行了探讨。

• 回车键和退格键 ：回车键在现代键盘上有多种形状，包括垂直回车键（高大于宽）、水平回车键（宽大于高）和倒L形“狗腿”回车键。研究表明，打字员对这三种回车键的偏好和性能顺序为狗腿回车键第一，水平回车键第二，垂直回车键第三。垂直回车键的获取错误幅度大约是狗腿和水平回车键的两倍。退格键通常占据一个（单宽退格键）或两个（双宽退格键）正常按键的空间，通常位于标准打字区域的右上角。研究发现，人们更喜欢并在使用双宽退格键时表现更好。肯尼迪和刘易斯的研究表明，在文字处理和电子表格程序中，回车键和退格键的使用比例不同。综合考虑，最佳键盘设计（不考虑键盘空间限制）应包括狗腿回车键和双宽退格键。如果空间有限，最佳折衷方案是水平回车键和双宽退格键。
• 光标控制键布局 ：光标控制键用于移动光标，常见的布局有盒式、十字形和倒T形。盒式布局中，左右箭头键位于上下箭头键正下方，左右控制 - 响应兼容性合适，但上下不合适。十字形布局中，箭头键围绕一个空键空间排列，所有四个键的控制 - 响应兼容性正确，但使用起来有些笨拙。倒T形布局与十字形类似，但下箭头键占据了十字形布局的空键空间。埃蒙斯的研究表明，十字形布局优于盒式布局，特别是对于无经验的用户。后续研究发现，十字形和倒T形布局在性能上没有差异，但大多数参与者更喜欢倒T形布局。
• 功能键 ：功能键由软件定义操作，目前没有关于不同功能键排列的公开研究。随着图形用户界面的发展，特别是鼠标和屏幕按钮的使用，功能键研究的重要性有所降低，未来在这一领域的研究可能不太可能。

4. 替代键盘设计

除了传统键盘，还有一些替代键盘设计，主要包括分体键盘和和弦键盘。

4.1 分体键盘

人们自然握持双手和手臂的姿势与在传统打字机上的姿势对比，使一些研究人员假设传统键盘设计中可能存在导致疲劳的因素。因此，一些人体工程学家和发明家开发了“人体工程学”分体键盘，这些键盘至少有两个部分，在水平平面上分开成一定角度（产生非平行的按键行），有些还在水平平面以下倾斜。

以下是对几种分体键盘的研究：
- K键盘 ：克罗默以早期分体键盘倡导者克洛肯伯格的名字命名了K键盘。该键盘有30个按键，呈直列排列，行呈弯曲状以适应不同手指长度，空格键为每个手弯曲以适应拇指的伸展范围，键盘提供了宽敞的手掌支撑区域。实验表明，两个半部分的侧向倾斜程度不影响按键敲击频率或错误率，打字员似乎更喜欢60度的倾斜角度而不是无倾斜。与标准键盘相比，打字员在K键盘上的错误率略低，但打字速度和心跳次数（作为循环应变的衡量指标）没有差异。然而，由于K键盘有内置的手掌支撑，而标准键盘没有，所以难以清晰比较两种键盘的几何形状。
- STR键盘 ：中濑和他的同事对实验性分体键盘的不同开口角度、倾斜角度和前臂 - 手腕支撑表面大小进行了实验。后来，标准电话与无线电公司（STR）将其开发成最终产品，并在1984年的人体工程设计中获得了设计奖。实验中，打字员认为分体键盘可以接受，更喜欢侧向倾斜10度和开口角度25度的设计。但实验设计存在缺陷，无法分离键盘类型和前臂 - 手腕支撑大小的影响。布里格姆和克拉克的实验表明，标准键盘的性能优于STR键盘，参与者也认为标准键盘更舒适，更喜欢标准键盘。
- Kinesis键盘 ：Kinesis键盘是一种雕刻式、不可调节的分体键盘，具有从主行延伸到边缘14 cm的大型前臂 - 手腕支撑。一些研究表明，部分参与者表示总体上更喜欢Kinesis键盘，但这一结果在统计上不显著。与标准键盘相比，使用Kinesis键盘的参与者打字速度较慢，错误较多，但手部和手腕的肌肉负荷明显降低。然而，两组参与者都明显更喜欢传统键盘而不是Kinesis键盘。
- HCK键盘 ：健康舒适键盘（HCK）是一种可调节（可变几何形状）的分体键盘。目前关于HCK的实验数据有限，仅有的研究表明，对于腕管综合征（CTS）组和对照组，HCK在手臂、前臂和手腕方面是最不舒适的键盘。两种组别的参与者都明显更喜欢传统键盘而不是HCK。

总体而言，使用分体键盘通常会导致打字速度减慢，但肌电图（EMG）测量通常显示手腕 - 前臂区域的肌肉负荷相对于标准键盘有所降低。然而，用户偏好倾向于标准键盘。在某些环境和工作站配置下，分体键盘可能会提高打字舒适度，但可能会在一段时间内降低打字速度。在改善打字员舒适度的初始干预中，增强工作站的其他环境和物理特征可能比引入分体键盘更简单有效。

4.2 和弦键盘

传统键盘上，打字员一次按一个键来按顺序创建字符，而和弦键盘要求打字员同时按下多个键来输入数据（就像在钢琴上弹奏和弦一样）。由于按键组合定义输入，和弦键盘比标准键盘需要的按键更少。

例如，一个带有二进制开关的五键和弦键盘可以产生多达31（2⁵ - 1）种按键组合，一个带有三进制（三位置）开关的五键和弦键盘可以产生多达242（3⁵ - 1）种按键组合，双手和弦键盘可以产生更多组合。一些和弦键盘将和弦转换为音素和音节，另一些则转换为单个字符和数字。

最广泛使用的和弦键盘是速记机（1930年获得专利）和帕兰特ype（1941年获得专利）。使用这些键盘的打字员学会将和弦与音素关联以产生音节，这种打字方法使速记员能够发展非常快的输入速度（足以跟上大多数说话者），速度可达每分钟250 - 300个单词，但需要大约三年时间来掌握这项技能。

其他研究也对不同类型的和弦键盘进行了探索：
- 新型和弦速记机键盘 ：贝德多斯和胡开发了一种新型和弦速记机键盘（最小和弦速记机，MCS），旨在更易于学习。五名学习MCS的人在50小时练习后，打字速度从约38到52 wpm不等，他们需要2.5到11小时来学习MCS代码。目前还没有数据表明打字员需要练习多长时间才能接近传统速记员的速度。
- 双手和弦键盘 ：戈弗和他的同事对一种为计算机文本输入设计的双手和弦键盘进行了实验。参与者学习和弦键盘的23个字符代码大约需要30 - 45分钟，初始输入速率约为7 - 8 wpm。经过25小时的培训，和弦键盘的打字速率为32 wpm，而类似QWERTY键盘为20 wpm。经过长时间练习，使用双手和弦键盘的参与者打字速度更快，一名参与者在练习60小时后达到了59 wpm的速度。
- 三位置键和弦键盘 ：许多和弦键盘使用两位置键（静止或按下），最近一些研究人员研究了带有三位置键（静止、远离打字员推动或向打字员拉动）的和弦键盘。三元和弦键盘（TCK）有八个按键，每个手指一个。不同的研究对TCK进行了测试，参与者学习和弦的时间和达到的打字速度有所不同，但总体上显示出随着练习时间的增加，打字速度逐渐提高。
- 信息握把和弦键盘 ：陆和阿加扎德对信息握把和弦键盘（ICK）进行了初步评估。四名大学生用一只手练习打字28个字符加上“空格”和“返回”，平均需要108分钟来学习和弦，初始平均打字速率约为40 cpm（8 wpm），两小时练习后平均输入速率为49 cpm（10 wpm）。

由于缺乏对标准键盘技能获取的可比数据，难以对和弦键盘的实验结果得出明确结论。现有信息表明，初学者无论是使用标准键盘还是和弦键盘，初始打字速度约为7 wpm。和弦键盘研究通常要求参与者学习的和弦数量远少于计算机键盘上的按键数量，并且很少评估和弦保留或不常用字符或功能的和弦使用情况。和弦键盘将继续作为速记员的数据输入设备，但在其他方面的应用可能有限。

5. 结论

现代标准键盘反映了100多年前的一些设计决策，同时也融入了近一个世纪以来对打字和按键行为的，尽管一些替代键盘设计（如德沃夏克布局、分体键盘和和弦键盘）有其独特之处，但它们通常未能提供令人信服的实证案例来完全取代标准键盘。不过，在某些特殊情况下，这些替代设计可能会有合理的应用。一个设计良好的标准键盘是一种极其有效的数据输入设备，在可预见的未来，它可能仍将是人机交互的关键组成部分。

键盘设计全解析：布局、特性与替代方案

6. 各类型键盘的对比总结

为了更清晰地了解不同类型键盘的特点，下面通过表格对标准键盘、分体键盘、和弦键盘以及一些特殊布局键盘进行对比：
|键盘类型|优点|缺点|适用场景|
| ---- | ---- | ---- | ---- |
|标准键盘（QWERTY）| - 广泛使用，大多数人有使用经验
- 设计成熟，打字速度和准确性有一定保障
- 兼容性好，可用于各种设备和软件| - 布局可能不是理论上最优，存在一定改进空间
- 长时间使用可能导致一定疲劳| - 日常办公、学习、娱乐等常规打字场景
- 对打字速度和准确性要求较高，但不需要特殊功能的场景|
|分体键盘| - 可能减少手腕 - 前臂区域的肌肉负荷，提高舒适度
- 部分设计符合人体工程学原理| - 打字速度通常比标准键盘慢
- 用户偏好倾向于标准键盘，需要一定时间适应| - 长时间打字工作，且对舒适度有较高要求的场景
- 特定工作环境和工作站配置下，可尝试改善打字体验|
|和弦键盘| - 经过适当培训后，可实现快速数据输入
- 需要的按键数量少| - 学习曲线较陡，掌握技能需要较长时间
- 研究通常要求学习的和弦数量少，对不常用字符或功能的支持可能不足| - 速记员等需要快速记录的专业场景
- 特定工作场景下，如美国邮政局的邮件分类|
|特殊布局键盘（如DSK、字母顺序键盘等）| - DSK理论上打字速度更快
- 字母顺序键盘易于理解| - DSK学习成本高，切换可能无法带来实际生产力提升
- 字母顺序键盘打字性能通常不如QWERTY| - DSK在某些对打字速度有极高要求且有足够时间培训的场景可能适用
- 字母顺序键盘在儿童玩具、简单输入场景可能使用|

7. 键盘设计的未来趋势

随着科技的不断发展，键盘设计也在不断演变，未来可能会呈现以下趋势：
- 智能化 ：键盘可能会集成更多智能功能，如自动纠错、根据用户打字习惯进行个性化调整等。例如，通过机器学习算法分析用户的打字模式，提前预测用户要输入的内容，提高打字效率。
- 可穿戴化 ：为了满足人们随时随地输入的需求，可穿戴键盘可能会成为一个发展方向。如智能手环式键盘，用户可以通过手腕上的设备进行输入操作。
- 虚拟现实与增强现实结合 ：在虚拟现实和增强现实环境中，可能会出现全新的键盘交互方式。用户可以通过手势、语音等方式与虚拟键盘进行交互，提供更加沉浸式的输入体验。
- 健康与舒适导向 ：继续关注人体工程学设计，进一步减少打字过程中的疲劳和损伤。例如，开发更符合人体手部自然姿势的键盘形状，以及采用更柔软、舒适的按键材料。

8. 给用户的建议

根据不同用户的需求和场景，以下是一些选择键盘的建议：
- 普通办公用户 ：标准QWERTY键盘是首选，它具有广泛的兼容性和用户基础，能够满足日常办公的各种需求。同时，可以选择具有良好人体工程学设计的键盘，如带有适当坡度和手掌支撑的键盘，以提高舒适度。
- 专业打字员 ：如果对打字速度有极高要求，且有足够的时间和精力进行培训，可以考虑尝试DSK布局键盘。但在做出切换决定之前，需要充分评估学习成本和潜在的生产力提升。对于长时间打字工作的专业人员，分体键盘可能是一个改善舒适度的选择，但需要做好打字速度可能暂时下降的准备。
- 特殊场景用户 ：对于速记员等需要快速记录的专业人员，和弦键盘是最佳选择。而在一些空间有限或对便携性要求较高的场景，如移动办公、户外使用等，可以选择小型、轻便的键盘，如折叠键盘或蓝牙键盘。

9. 总结

键盘作为人机交互的重要输入设备，其设计涉及到布局、物理特性、替代方案等多个方面。不同的键盘设计各有优缺点，适用于不同的场景和用户需求。在选择键盘时，用户应根据自己的实际情况进行综合考虑。同时，随着科技的发展，键盘设计也在不断创新和改进，未来有望为用户提供更加智能、舒适、高效的输入体验。

下面是一个mermaid流程图，展示了选择键盘的基本流程：

graph LR
    A[确定使用场景] --> B{日常办公?}
    B -- 是 --> C[选择标准QWERTY键盘]
    B -- 否 --> D{专业打字?}
    D -- 是 --> E{追求极致速度?}
    E -- 是 --> F[考虑DSK布局键盘]
    E -- 否 --> G{长时间打字?}
    G -- 是 --> H[考虑分体键盘]
    G -- 否 --> C
    D -- 否 --> I{特殊场景?}
    I -- 是 --> J{速记需求?}
    J -- 是 --> K[选择和弦键盘]
    J -- 否 --> L{空间有限?}
    L -- 是 --> M[选择小型便携键盘]
    L -- 否 --> C
    I -- 否 --> C

总之，了解键盘的各种设计特点和适用场景，能够帮助用户做出更合适的选择，提高打字效率和舒适度。希望以上内容对大家在选择和使用键盘时有所帮助。