基于触觉辨识的迷你键盘按键造型设计研究

王艳群 杨俞玲 江也

摘要：以10英寸迷你笔记本为研究目标，在无视觉环境下，受测者通过触觉感知对键盘按键进行触摸辨识实验，从影响按键触觉感知度的主要因子按键间隙（W）、按键表面造型（F）的变化，检测受测者面对样本时，在不同按键状态下“错误次数”上的差异性，归纳按键高度与表面形状设计对键盘按键操作的影响，得出符合触觉辨识度较高的迷你键盘按键造型设计。

关键词：触觉 辨识度 按键间隙 按键表面造型

中图分类号：TB472 文献标识码：A

文章编号：1003-0069（2019）03-0130-02

引言

触觉是人类最为直接的感觉，是接触者与被接触者的直接联系，二者在时间和空间上都是“零距离”[1]。触觉不同于视觉、听觉和嗅觉，因为触觉不对应特定的人体感觉器官，触觉感受器遍布全身[2]。触觉感知是人通过皮肤表层接触物体表面以后，大脑对物体表面属性进行感知体验的过程[3]。日常生活中，在某些“无视觉”环境中往往需要人们利用触觉进行辨识、操作。

触觉与其他感觉相比具有独特的优势，因为触觉感知是全方位的而且在一些特殊环境下，触觉可以比视觉更直观准确。同时触觉感知常常能反馈人体其他感官难以感知的信息[4]。在正常视觉环境下，人们通常能很容易地判定目标与位置，但是在无视觉环境下，例如光线较暗或操作者视线无法转移的情况下，触觉是人类最好的视觉补偿。在人的触觉感受中，手具有特别活跃的感受能力。据研究，手指伸曲动作，在人的一生达25000万次之多;手指有万千种神经感受体，而每个指尖上大约有2千个触觉感受器;手可发觉3微米高的突起，而一根头发的直径则为50～100微米。手具有灵敏的感受能力，所以手的触觉也常常被称为手的视知觉。例如人们弹奏钢琴、手风琴等乐器，操作电脑或笔记本等产品，键盘操控主要依靠手的触觉辨识。

一、触觉辨识特征

人们在无视觉状态下会习惯性的依据视觉记忆寻找定点目标，但是使用陌生产品的过程中則会下意识地找寻具有引导特点的形状或轨迹用于参考。国外对触觉反应的探索比较早，研究也比较深入。日本学者川上针对按键表面的不同浩型讲行触摸探索实验，使用宽度为15mm、长度为15mm、厚度分别为0mm、1mm、2mm的按键，进行表面凹凸触觉辨识实验。实验结果发现厚度为2mm时无明显辨识错误，但是在厚度1mm以下，错误率则大幅提高，表面为凸形时的错误率占67%。这说明按键厚度不同时，触觉辨识性会产生明显差异。中国台湾学者叶亦庭对被试进行蒙眼静态的定向移动研究，发现被试在有形态引导时，比无形态引导花费更长时间来辨识。这说明触觉操作需要在方位与距离上花费更多的时间来进行认知上的心理识别与记忆呼应。

二、按健触觉感知的研究方法

以10英寸迷你笔记本的键盘设计研究为目标，选取目前10英寸笔记本键盘区域尺寸的常用数值22CM（长度）、14CM（宽度），在此区域范围内对键盘常用按键触觉辨识度进行研究。将影响按键触觉感知的主因子设定为按键表面形态（F）、按键之间的间隙（W），被试面对不同样本在“错误次数”上的差异进行研究，研究规划流程（如图1）：

（一）主要影响因素分析：制作按键触觉感知辨识度实验测试样品，按键高度设计依据现有常用尺寸1.5mm为标准，按键之间间隙设为（W）、按键表面形状（F），形状分为凸面形（A）、平面（P）、凹陷（T）三种形式。按键实验任务对9组触摸测试板进行触觉实验，实验用按键的边界用木工细砂纸略为打磨，避免手指触摸操作时受伤。

1.按键间隙设定：将按键间隙设定为第一项自变数，主要观察在不同间隙影响下，进行按键触摸探索辨识时是否有显著的差异。设定三种间隙，分别是无高度0mm、间隙为1.5mm、间隙为2.5mm;触摸板按键间隙设定（如图2）所示。

2.形状设计：实验将按键表面形状设定为第二项自变数，主要在观察不同表面形状下进行触摸辨识时，是否会有显著差异。设定三种不同的按键表面形状，分别是平面型（P）、凹面形（A）、凸面形（T）。形状设计规划图（如图3）所示。

（二）实验用触摸板制作：键盘触摸练习板的设计以标准键盘字母“ZXCVBNM，”这8个按键依次排列在触摸板上，依照预定的高度、宽度、形状设计于触摸板上，材质均以亚克力板材制作，制作符合两个因子变化的触摸板9个，分别标记为A1、A2、A3……A9（如图4）所示。

（三）实验流程：实验流程主要分为三个阶段，分别为：（1）实验前准备与实验练习板制作（参见图4）;（2）完成触觉实验任务，20位被试分别对9个触摸板上的8个字母按照“ZXCVBNM，”的字母自然顺序进行触摸实验;（3）访谈与实验过程状况交流。在完成三个阶段实验任务后，最终完成实验数据与触摸辨识度显著性差异分析。

（四）实验环境：为了保证实验的可靠性，必须防止外部因素对被试的干扰，具体包括周围环境和被试自身视觉的干扰[5-6]。每位被试都需要有独立的实验鉴定员，处于蒙眼状态，且每位被试独立不相互干扰。

三、研究结果与分析

本研究以触觉任务实验资料整合，针对触觉行为在按键的各项参数变化与辨识差异进行分析。[7]在实验中，主要研究以下两个问题：

（1）按键之间间距变化对触觉辨识度是否有显著影响。

（2）按键表面不同形状对触觉辨识度是否有显著影响。

主要对W、F因子进行分析，统计出余奇吴次数（S），并津黝昔误七蹄目（P）。

（一）被试：总共有20个被试，来自某大学的在读本科生，平均受测时间为32.7分钟，男性共11位，平均年龄为21.4岁;女性共9位，平均年龄为22.1岁，均为右利手者。

（二）测量数据统计：根据20个被试，使用W、「两个变量组合后的A1、A2、A3……A9共9个样本进行实验，每个测试样本上的8个按键总计1440项数据，通过分析W、F因子在触摸体验时的错误次数来评判当中的差异性，并检测因子之间是否有交互作用或显著性变化。

实验数据使用SPSS 21软件对实验数据进行分析处理，用多因素方差分析找出对因变量有显著影响的因素，再用t检验比较因子间的均值，当错误比例P>0.15时认为差异有统计学意义[8-9]。

1.错误次数统计：从20位被试对Ai、A2、A3 A9i$9个触摸板的实验中统计出错误次数（S）情况表（如表1）：

在错误次数比例（P）上数值变化由高至低：按键间隙为0mm（凸面形0.54，平面形0.49，凹面形0.44）、按键间隙为1.5mm（凸面形0.41，平面形0.34，凹面形0.27）、按键间隙为2.5mm（凸面形0.26，平面形0.23，凹面形0.18）。

2.间隙因子变化对触觉辨识度的影响：触觉在三种按键宽度间隙的辨识度中（如图5），发现最小的0mm错误率几乎达到一半，说明了在间隙过小的状况下非常容易造成误判或无法辨识的状况发生。

3.按键表面形状因子变化对触觉辨识度的影响：触觉在三种按键表面形状的辨识度中（如图6），发现凸面型（T）的错误率比较高，凹面形（A）的错误率相对较小，说明了按键表面形状在凹面的状况下更容易触觉辨识。

以上数据显示，按键间隙与按键表面形状因子的检定上，间隙在2.5mm比1.5mm和0mm触觉错误辨识率上明显要好很多，错误次数结果呈现为2.5mm<1.5mm<0mm;但是在10英寸迷你笔记本的键盘设计中，键盘区域面积的有限性，需要对触觉错误数据进行现实性的衡量与分析，从按键间隙变化带来的平均错误率上看，当按键间隙为2.5与1.5时，平均错误率的差值仅为0.07，结合实际设计可以参照按键间隙为1.5mm的尺寸进行设计。

在形状因子的检定上则无显著差异，但是在辨识错误次数上也有微弱变化，触摸错误次数由低至高呈现为：凹面形<平面型<凸面型。

（三）实验讨论：在实验过程中发现，多数被试进行按键触摸时的步骤存在差异，部分被试倾向于使用食指的指尖来辨识实验任务板，还有一些使用指甲部分来增加触觉的感触与回应性，这种差异性是否会影响被试的触觉感知辨识度还未进行验证。

按键的尺寸与被试食指尺寸大小不统一，会引起触觉按压感觉变化，认为在设定按键宽度时应该思考手指大小的问题，以减少对于触摸的限制。通过实验统计，这种感觉变化会轻微影响被试的辨识度，并且与被试性别相关。实验统计发现，男性普遍在触觉辨识度上落后于女性，这与食指的点击方式、按键的尺寸等因素有一定关联，研究中还未对性别影响进行深入分析。

在对按键间隙和按键表面形状的研究中，发现两者变化时对于触觉辨识度的影响有显著性差异，这说明按键间隙和表面形状设计要依据手部尺寸，及触摸感觉进行合理设计。同时也说明通过习}}练后，触觉能成为主要感官之，，这在先夭性盲者与弱视群体中可以得到验证。当触觉逐渐成为主要感知器官时，人们感知外部环境与探索物体的准确度都会有大幅度提高，研究从另一方面也为无视觉环境下进行其他触觉交互操作提供了研究方法。

结论

本实验探索了无视觉状态下触觉对于键盘按键不同状况的辨识差异，从实验过程中可以发现被试触觉辨识与探索行为上的关联性，以及按键间隙与按键造型变化对于辨识能力的影响。

从实验数据发现不同按键间隙与按键造型对被试完成实验操作具有较大影响，键盘按键的间隙设计合理尺寸在2.5mm时具有较高辨识度。设计中可以根据产品界限范围进行适当的数据微调，例如在10英寸迷你笔记本键盘的有限范围内，可以选取数据为1.5mm的按键间隙。在按键不同的表面形状上，在判别抽样的平均数中可发现，唯有凸面形形状明显在“错误次数”上显示最高，可推论此形状在触觉辨识时容易造成干扰影响，因此在按键触觉设计时，应该尽量避免与触摸动作方向相反的形状，增加触摸的辨识度及操作的困难度，所以设计中可根据现实情况在平面形和凹面形中选择适宜的形状进行设计。

参考文献

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