Возможности современного клавиатуростроения (аппаратные)

Продолжая повествование о том, как и зачем можно повысить эффективность работы с клавиатурой, важно рассказать о технических (аппаратных) возможностях современных клавиатур.

Устройство клавиатуры

В состав любой клавиатуры входит:

1. Корпус

2. Клавиши

3. Микроконтроллер

4. Электрическая цепь (провода или печатная плата или мембрана) для соединения клавиш и вспомогательных электронных компонентов с микроконтроллером.

Корпус

Корпус клавиатуры может быть изготовлен из множества материалов: дерева, глины, алюминия, пластмассы и пр.

По форме корпуса клавиатуры можно условно разделить на плоские и объемные.

Самые простые и недорогие корпусы у плоских ортолинейных клавиатур.
Простая плоская ортолинейная клавиатура, как в известном слогане «Quadratisch. Praktisch. Gut!» (нем. квадратный, практичный, качественный), не вызывает вопросов к своему дизайну благодаря очевидной лаконичности и минимализму.

Плоская ортолинейная клавиатура

Объемные клавиатуры сложной формы предназначены для повышения антропометрической совместимости.

Антропометрическая совместимость — соответствие формы тела форме устройства (в рассматриваемом контексте формы кисти форме клавиатуры).

Объемная клавиатура

Чем лучше антропометрическая совместимость клавиатуры, тем сложнее её форма и дороже стоимость корпуса. Производство клавиатур с высокой антропометрической совместимостью не рентабельно по причине большой себестоимости и малого спроса. Производителям намного проще изготавливать и продавать плоские клавиатуры на одной плате.

Может ли плоская клавиатура быть эргономичной?

Недостатки плоских клавиатур

Низкая эффективность нажатий большим пальцем

Большие пальцы использовались на клавиатурах со времен первых пишущих машин, в основном, для поочередного нажатия пробела.
Такое нажатие не требует точного позиционирования и больших энергозатрат.
С появлением новых функций и нестандартных клавиатур, большой палец стали использовать для нажатия дополнительных клавиш, что существенно повысило физическую совместимость и улучшило баланс нагрузки на пальцы.
Так на многих клавиатурах под большим пальцем стали размещать клавишу буквы Е — самой частой буквы английского алфавита.

При нажатиях большим пальцем в одной плоскости с остальными пальцами работает только его короткая отводящая и разгибательная мышца.
Самая сильная мышца большого пальца — длинная сгибательная, при этом не работает.
Длинная сгибательная мышца захватывает предмет с противоположной стороны от других пальцев. Её использование существенно повышает эффективность работы большого пальца (попробуйте взять кружку, расположив большой палец с той же стороны, что и остальные, а затем воспроизвести движения набора клавиш клавиатуры).

Чрезмерная нагрузка на короткую разгибательную мышцу приводит к травмам сухожилия большого пальца (болезнь де Кервена). С недавнего времени в группу риска получения этой травмы вошли заядлые листатели лент смартфонов.

а — обычные нажатия; б — анатомически более эффективные нажатия

Чтобы избежать травмам сухожилий большого пальца и повысить его эффективность при активном наборе, клавиши для него должны располагаться в другой плоскости, перпендикулярной плоскости других пальцев.

Низкая эффективность нажатий нескольких клавиш одним пальцем

Векторы силы нажатий пальцев отличаются для каждой клавиши клавиатуры (особенно при слепом наборе с фиксацией кисти на основном ряду).
Максимальная эффективность нажатия достигается при расположении клавиши таким образом, чтобы её центральная ось (шток) совпадала с вектором нажатия пальца.
Так как палец, при фиксации кисти на основном ряду, меняет наклон под каждую клавишу, для повышения эффективности нажатий необходимо расположение клавиш под разными углами.
Но клавиатурах IBM Model F (1981) для этого использовали изогнутую печатную плату.

Векторы нажатий: а — на клавиатуре с изогнутой платой; б — на клавиатуре с плоской платой

Для удешевления производства на современных клавиатурах используется плоская плата, а изогнутый профиль имитируется разным углом наклона нажимных поверхностей клавиш.

Горизонтальный изгиб запястья

Горизонтальный изгиб запястья: а — на обычной клавиатуре; б — на широкой ортолинейной клавиатуре; в — на раздельной клавиатуре; г — на угловой клавиатуре

При расположении рук на стандартной клавиатуре в основной позиции возникает изгиб в запястье, который со временем может привести к кумулятивным травмам верхних конечностей.

Проблема горизонтального изгиба запястий решается использованием следующих клавиатур:

1. Широкая клавиатура. На широкой клавиатуре основная позиция располагается так, чтобы ряды клавиш были перпендикулярны осям предплечий.

2. Раздельная клавиатура. Клавиатура разделяется на две части, ряды клавиш в которых располагаются под углом, перпендикулярным осям предплечий. Несмотря на то, что такой способ решения проблемы является более радикальным и дорогим (так как для каждой половины требуется свой микроконтроллер), он стал наиболее популярным.

3. Угловая клавиатура. Клавиатура разделяется на два блока клавиш, ряды которых располагаются под углом, перпендикулярным осям предплечий.

Вертикальный изгиб запястья

Форма большинства современных клавиатур предполагает, что руки при наборе нависают над клавишами, а не покоится на корпусе или столе.
Такой подход сохранился со времен пишущих машин, клавиши которых нужно было нажимать, прикладываясь к ним всей рукой, для хорошего отпечатка.
Сегодня, с появлением низкопрофильных клавиш с легким ходом, данный подход потерял свою актуальность (но любители старины, памятуя заветы дедов, предпочитают высокопрофильные клавиши с тяжелым ходом, как у пишущих машин).
Совершенно очевидно, что нависание рук над клавишами приводит к их усталости.
Озабоченные этой проблемой пользователи используют специальные подставки для рук или приобретают клавиатуры с низким профилем клавиш.
Но многие пользователи при наборе поднимают только пальцы, оставляя запястья на столе.
Такая манера набора приводит к тому, что запястья постоянно неестественно перегибаются, что в немалой степени способствует возникновению травм.

Вертикальный изгиб запястья: а — на обычной клавиатуре; б — на клавиатуре с подставкой

Для того, чтобы избавится от такого изгиба, запястья рук при наборе должны покоится на поверхности корпуса клавиатуры.

Фиксация запястья способствует сокращению бесполезных перемещений рук и повышению физической совместимости.

Все клавиши запястье-стабильной клавиатуры должны быть легко доступны для пальцев без перемещения рук. Это возможно, если не перемещать пальцы более чем на длину одной клавиши. Получается не более 42 клавиш.

Охватываемые, без перемещений запястий, клавиши на примере ортолинейной клавиатуры

Кроме повышения физической совместимости, запястье-стабильное положение повышает когнитивную совместимость, так как высвобождаются мыслительные мощности, отвечающие за перемещение и позиционирование рук.
Дополнительным положительным эффектом является устойчивость клавиатуры, обеспечиваемая прижимом запястья.

---

Кроме формы важны такие параметры корпуса, как его размер и вес. Клавиатуру можно установить намертво на рабочем месте, а можно носить с собой в кармане. Можно попытаться уместить все возможные клавиши, а можно обойтись самыми необходимыми.

Клавиши

Компьютерная клавиша в общем случае состоит из нажимной поверхности (колпачка), связной с передвигающимся подпружиненным штоком.
Положение штока регистрируется специальным датчиком и преобразуется в сигнал.
В компьютерных клавиатурах используются следующие типы датчиков нажатия:

• электроконтактные;

• электроемкостные;

• датчик Холла;

• феррозондовые;

• индуктивные;

• оптоэлектронные.

Наибольшее распространение имеют клавиши с электроконтактными датчиками.
В техническом смысле такие клавиши являются механическими коммутационными устройствами с нормально-разомкнутыми контактами.
Замыкание металлических контактов происходит при приложении усилия на нажимную поверхность. Размыкание происходит при освобождении нажимной поверхности с помощью возвратного механизма штока, состоящего из пружины или резинового купола или разнополярных магнитов.
Контакты клавиши связываются с микроконтроллером с помощью проводов или печатной платы или мембраны с токопроводящими дорожками.
Существуют клавиатуры с клавишами без металлических контактных пар. Шток таких клавиш замыкает контактные дорожки на мембране. Как правило, возвратный механизм таких клавиш состоит из резиновых куполов, расположенных, для простоты производства, на единой резиновой прокладке.

В контексте физической совместимости, компьютерные клавиши отличаются своими габаритами, длиной хода штока и тактильной отдачей.

Габариты и длина хода клавиш

Первые компьютерные клавиши изготавливались похожими на клавиши пишущих машин, длина хода которых определялась параметрами рычажной системы и составляла не менее 5 мм.
Приемы нажима таких клавиш были идентичны приемам нажима клавиш пишущих машин: пальцы нависали над клавишами и нажимали их резкими сильными движениями.
С появлением компактных и мобильных компьютеров (ноутбуков), из-за нехватки места в корпусе, возникла необходимость в клавишах с малым габаритным размером.
Уменьшение габаритного размера вынужденно привело с уменьшению длины хода клавиш. Однако, довольно скоро пользователи заметили позитивные эффекты такого решения:

• повышение скорости набора, благодаря более быстрому срабатыванию клавиши с коротким ходом.

• уменьшение вертикального изгиба запястья, благодаря более низкому расположению клавиш относительно плоскости стола.

Отрицательным эффектом уменьшения длины хода стало снижение тактильного восприятие нажатия. Чем меньше ход клавиши, тем сильнее она становится похожа на сенсорный экран.

На следующей диаграмме изображены механизмы клавиш на примере наиболее популярных моделей, представленных на рынке.

Размеры механизмов. Красным обозначен подвижный шток клавиши; красной стрелкой обозначена длина хода штока; зеленым обозначена печатная плата; серой заливкой обозначено пространство клавиши в корпусе. Все механизмы изображены в одном масштабе. Наиболее распространенные на рынке механизмы — Cherry MX и их копии. Наиболее распространенные низкопрофильные механизмы — Kailh Choc. Kailh X и MX ULP самые низкопрофильные механизмы, применяются в ноутбуках и снабжены ножничным возвратным механизмом. На диаграмме не изображены нажимные поверхности клавиш (колпачки), устанавливаемые на шток.

Тактильная обратная связь клавиш

В отличие от сенсорных экранов, клавиши обеспечивают тактильную связь с пальцами, благодаря чему они всегда будут намного более удобны в использовании.

Цветовая маркировка штока механизмов Cherry MX позволяет определять тактильные характеристики переключателей по моменту срабатывания контакта в зависимости от силы нажатия и по тактильному восприятию.

Цветовая маркировка штоков Cherry MX. Легкость хода определяется в грамм-силе нажатия. Линейные механизмы не имеют тактильной отдачи при нажатии; тактильные нажимаются с запинкой; тактильно-кликающие нажимаются с запинкой, сопровождающейся характерным звуком (кликом). Все механизмы воспроизводят звук при ударе штока о дно корпуса.

Для быстрой печати лучше использовать клавиши с легким ходом.
Для лучшего слухового восприятия используются клавиши с звуковым откликом.
Существует подход расположения клавиш, в соответствии с которым механизмы выбираются в зависимости от функции клавиши. Например: для алфавитных клавиш — механизмы с легким ходом; для клавиш, случайное нажатие на которые может испортить работу (например Delete) — механизмы с тугим ходом.
Также существует подход расположения клавиш, в соответствии с которым механизмы выбираются в зависимости от силы пальцев: для мизинцев клавиши с коротким легким ходом, для больших пальцев клавиши с длинным тугим ходом.

Тип сигнала клавиш

Обычная электроконтактная клавиша содержит одну контактную группу, замыкание которой преобразуется микроконтроллером в команду или символ.

Существуют клавиши с несколькими контактными группами. Нажатие на половину длины хода, замыкает первые два контакта, а полное нажатие, замыкает все контакты.
Такая клавиша использовалась для управления курсором клавиатуры Apple III: половинное нажатие передвигало курсор на одну позицию, а полное нажатие приводило к непрерывному передвижению курсора.
Половинное нажатие такой клавиши может выдавать букву а, а полное букву А.
В играх половинное нажатие клавиши W может быть командой ходьбы, а полное нажатие — командой бега.

Принцип работы механизмов Леккер

Фиксирующиеся клавиши Cherry MX Lock

Существуют клавиши Леккер, передающие микроконтроллеру аналоговый сигнал, зависящий от положения штока.
На штоке клавиши располагается магнит, а под клавишей датчик Холла, определяющий положение штока по магнитному полю.

В играх авто-симуляторах такая клавиша заменят педаль газа. Такие клавиши могут заменить клавиши фортепьяно, задавая громкость звука в зависимости от скорости нажатия.

Существуют механизмы-переключатели, фиксирующиеся при нажатии. Такие механизмы использовали для клавиш Caps Lock. Преимущество фиксирующихся клавиш в тактильной идентификации состояния нажатия.

Нажимные поверхности клавиш (колпачки)

Форма колпачков и их размер позволяют повысить точность тактильного (слепого) позиционирования пальцев на клавиатуре.

Чем больше форма колпачков соответствует форме пальцев, тем точнее происходит слепое позиционирование.
Колпачки с ровной поверхностью используются для аккордового ввода, когда одним пальцем нажимаются две смежные клавиши.

На стандартных клавиатурах используются контурные колпачки — колпачки разной высоты и разных углов наклона, для повышения эффективности нажатия (о чем было сказано ранее).

Колпачки отличаются также типом крепления под тот или иной механизм.

Визуальная идентификация клавиш

Цвет колпачков и подписи на них повышают когнитивное визуальное восприятие клавиатуры, что важно для пользователей, не освоивших слепой метод набора.
Лучший способ нанесения подписей на колпачках — двойное литье, но в условиях отсутствия данной технологии (актуально для подписей на русском языке), лучшая альтернатива — лазерная гравировка с последующей затиркой полимерной глиной. Существует полимерная глина с люминофором, светящимся под ультрафиолетом, что позволяет повысить ночную визуальную идентификацию клавиш.

Существуют экспериментальные клавиатуры с колпачками с OLED экранами или e-ink экранами, позволяющими менять подписи клавиш в зависимости от выбранного регистра или обозначать клавиши в командных регистрах (горячие клавиши).

Также для подписей колпачков можно использовать электролюминесценцию.

Динамическая цветовая идентификация клавиш

Для цветовой идентификации клавиш используются прозрачные или полупрозрачные колпачки, под которыми расположен светодиод. Светодиод может располагаться как под колпачком, так и под специальным прозрачным механизмом клавиши (такие прозрачные механизмы обозначают индексом RGB).
Цветовая динамическая индикация позволяет изменять цвет каждой клавиши в зависимости от выбранного регистра или дифференцировать клавиши по цвету.

Авторская клавиатура с цветовой индикацией регистров. При нажатии на одну из клавиш-модификароторов, клавиши меняют свой цвет в соответствии с функциями. При нажатии на клавишу смены алфавитного режима она меняет свой цвет в зависимости от выбранного языка: для русского — красный, для английского — синий.

Информационные дисплеи

Дисплей на клавиатуре может использоваться неопытными пользователями для визуальной идентификации выбранного режимов ввода или для помощи аккордового ввода. Можно использовать дисплей и клавиатуру как калькулятор. Можно выводить на него скорость набора текста.

Звуковая обратная связь

К клавиатуре можно подключить пьезоизлучатель звука например для звуковой индикацию нажатия клавиш и переключения регистров.

Например при переключении клавиатуры на русский алфавит можно воспроизводить первые ноты гимна России, а при переключении на английский — гимна США.

Можно воспроизводить звук при нажатии командных комбинаций, например при сохранении файла.

Кроме пьезоизлучатель к клавиатуре можно подключать вибромотор для тактильно-звуковой индикации.

DIP-переключатель

В клавиатуру можно встроить DIP-переключатель режимов, например чтобы переключать режим работы клавиатуры с Windows на Mac.

Микроконтроллеры

Микроконтроллер — мозг клавиатуры. Микроконтроллер может быть в составе платы клавиатуры или в виде отдельной платы с подключаемыми контактами.
Наиболее популярная библиотека для программирования микроконтроллеров QMK работает с микроконтроллерами архитектуры AVR или ARM с usb-портами и с достаточным объемом флэш-памяти (от 32 кб).
В микроконтроллеры можно разделить по следующими характеристиками:

• габаритные размеры (для низкопрофильных компактных клавиатур требуются микроконтроллеры с малыми габаритами).

• объем перепрограммируемой памяти (в микроконтроллеры с малой памятью можно уместить только базовые функции клавиатуры).

• количество цифровых контактов (для клавиатур с большим количеством клавиш требуются специальные многоконтактные платы).

• разъем (Micro-USB, USB-C и пр.).

• возможность использования bluetooth (беспроводная клавиатура удобна, но имеет задержку отклика и подвержена взлому).

Педаль

Вместо любой клавиши клавиатуры можно использовать педаль.

На практике педалью удобно заменить клавишу shift и клавишу пробела. При этом можно использовать одну педаль как для пробела (при одиночном нажатии) так и для модификации, при её удержании.
Можно выделить следующие преимущества использования педали:

• разгружаются большие пальцы рук

• повышается неврологическая координация. Быстрый набор текста с использованием педали похож на танец.

• улучшается кровообращение ног, что особенно актуально при сидячей работе.

• задает физиологически-естественный угол наклона ступни, который невозможно достичь без специальной подставки для ног.

• приучает к правильной посадке за столом (отучает от закидывания ноги на ногу).

Самая простая конструкция компьютерной педали

Важно отметить, что педаль подходит только для стационарного использования.

Историческое примечание: Педаль использовалась на самой первой пишущей машине Шоулза для возврата каретки при переходе к новой строке.

Энкодер

Устройство, преобразующее вращение вала/колеса в сигнал. Известный пример: колесо мыши (скролл).
Энкодер, в отличие от клавиши, имеет 3 контакта и передает два разных сигнала в зависимости от направления вращения.

Тактильно отличаются энкодеры с щелчками и без щелчков.
Большинство энкодеров имеют функцию кнопки и могут использоваться как дополнительная клавиша (например для смены режима управления самого энкодера).
Энкодер может быть расположен осью как перпендикулярно, так и параллельно плоскости клавиатуры.
Примеры использования энкодера:

• изменение громкости или яркости экрана ПК.

• замена колеса мыши (скролл),

• перемещение по тексту или таймлайну, изменение цифрового значения (вместо использования стрелок или цифр),

• переход между программами и окнами (Alt+Tab)

• набор цифр

Набор цифр с помощью энкодера

Функции энкодера можно изменять в зависимости от выбранных регистров.

Важно отметить, что вращение энкодера пальцем менее естественно для анатомии руки, чем нажатие клавиши, поэтому на практике энкодеры не имеют преимущества в повышении физиологической совместимости по сравнению с клавишами.

Координатные устройства управления курсором в составе клавиатур

Концепция запясьте-стабильной клавиатуры (неподвижность рук при работе за клавиатурой) разрушается при использовании мыши.
Большинство современных интерфейсов не предполагают полного управления с помощью клавиатуры, а при использовании графических редакторов и вовсе не обойтись без мыши, трекбола или пера. Поэтому одна рука вынуждена постоянно перемещаться с клавиатуры на мышь и обратно.

В клавиатуру можно установить устройства, позволяющие заменить дополнительные координатные устройства ввода.

Джойстик и трекпоинт

В клавиатуру можно встроить мини-джойстик, аналогичный трекпоинту ноутбука для его использования вместо мыши.
Джойстик можно использовать и для ввода букв. Если разместить 10 джойстиков под каждый палец, то ими можно заменить 40 клавиш, используя не одно, а 4 направления нажатия.

Сенсорная панель (тачпад/трекпад)

В клавиатуру можно встроить сенсорную панель.

Трек-болл

Хорошей альтернативой мышки является встроенный в клавиатуру трекболл.

---

Использование описанных выше устройств координатного ввода требует отвлечения одного или нескольких пальцев от основной позиции.
Как можно использовать клавиатуру и координатное устройство, совсем не отрывая рук от основной позиции? Можно использовать отслеживатель взгляда, но он не обеспечивает высокую точность позиционирования курсора.

Клавиатура-мышь

Лучшим решением для полного отказа от одновременного использования клавиатуры и мышки является раздельная клавиатура со встроенным оптическим датчиком.

Одна из половин клавиатуры используется как для клавишного ввода, так и для перемещения курсора. Перемещая её по плоскости стола, она ведёт себя как мышь, но пальцы при этом не покидают основной позиции.

Авторская клавиатура-мышь. Для лучшей подвижности используется только 12 клавиш.

Вторую половину клавиатуры также можно превратить в мышь, например для навигации в программах 3-д моделирования или навигации в объемных графических интерфейсах, но это совсем другая история.