提升上肢残疾人游戏体验的交互设计研究

摘要：提升上肢残疾人的游戏交互体验，为未来的无障碍游戏设计研究提供一定的理论基础和实践建议。在用户中心设计、无障碍设计、可用性设计和情感设计等理论的指导下，从生理和心理特征两个层面出发，分析上肢残疾人的用户需求，同时结合案例分析，总结成功设计的经验。提出了一系列优化游戏控制器和交互界面的策略。该策略可为游戏辅助产品的交互设计提供理论指导，提升上肢残疾人的游戏可访问性和用户体验。

关键词：交互设计；上肢残疾人；游戏控制器；用户中心设计；无障碍设计；可用性设计；情感设计

中图分类号：TB472 文献标识码：A文章编号：1003-0069（2024）17-0066-04

Abstract：Improving the gaming interaction experience for upper limb disabled individuals provides a theoretical foundation and practical recommendations for future research on accessible game design.Guided by theories such as user centered design，accessibility design，usability design，and emotional design，this study analyzes the user needs of upper limb disabled individuals from both physiological and psychological perspectives，and summarizes successful design experiences through case analysis.A series of strategies for optimizing game controllers and interactive interfaces were proposed as a result.This strategy can provide theoretical guidance for the interactive design of game assistive products，improving the accessibility and user experience of games for upper limb disabled people.

Keywords：Interaction design；Upper limb disability；Game controller；Accessibility design；User centered design；Usability theory；Emotional design

引言

电子游戏不仅是现代社会的娱乐方式，还广泛应用于康复和教育领域。对于上肢残疾人来说，良好的游戏体验能提升他们的生活质量、社交互动和心理健康。然而，传统游戏控制器和界面设计常无法满足这些用户的特殊需求。因此，设计和优化无障碍游戏控制器及交互界面，成为游戏设计领域的重要课题。现有研究多集中于硬件改进和特定技术应用，系统性理论框架探讨较少，导致设计缺乏可持续性和通用性。本文结合无障碍设计、用户中心设计、可用性设计和情感设计等理论，构建系统性设计框架，提出针对上肢残疾人群体的游戏交互设计策略，旨在推动无障碍游戏设计发展，提升上肢残疾人的游戏体验和生活质量。

一、相关理论概述

（一）用户中心设计（User-Centered Design，UCD）

用户中心设计是一种以用户为核心的设计方法，其目的是确保产品的设计能够满足用户的需求和期望。这一方法强调在设计过程中，通过不断地获取用户反馈来迭代改进设计。UCD的基本流程包括：

1.需求分析：通过问卷调查、访谈、观察等方法了解用户的需求和使用情境。

2.原型设计：基于需求分析，创建低保真或高保真的原型。原型可以是草图、线框图或交互模型，用于初步验证设计思路。

3.用户测试：邀请真实用户对原型进行测试，收集他们的反馈和建议。测试方法包括可用性测试、A/B测试等。

4.迭代改进：根据用户反馈，对设计进行反复改进，直至达到用户满意度和可用性标准。

用户中心设计的核心是不断循环的“设计—测试—改进”过程，确保最终产品能够真正满足用户的需求。

（二）无障碍设计（Accessible Design）

无障碍设计是一种设计理念，旨在确保产品和服务能够被包括残疾人在内的所有人方便地使用。无障碍设计的主要原则包括：

1.公平使用：设计的产品应对所有人同样有效，无论其能力如何。2.灵活性：设计应能够适应广泛的个人偏好和能力。3.简单直观：设计应易于理解和使用，无需复杂的学习过程。4.感官信息多样化：通过多种感官途径（视觉、听觉、触觉）提供信息，确保所有用户都能获取必要的操作反馈。

5.容错设计：设计应尽量减少因误操作而引起的负面后果。

6.低体力负担：操作应尽量减少用户的体力消耗。

（三）可用性设计（Usability Design）

可用性是指产品在特定环境下被特定用户使用时的效率、效果和满意度。高可用性的设计能够显著提升用户体验。可用性评估包括以下几个方面：

1.有效性：用户能够成功完成任务的程度。

2.效率：用户在完成任务时所需的时间和精力。3.满意度：用户对使用体验的主观感受。4.学习性：用户能够多快掌握使用方法。

5.记忆性：用户在长时间不使用后再次使用时的熟练程度。

（四）情感设计（Emotional Design）

情感设计关注用户在使用产品过程中的情感体验，旨在通过设计激发用户的积极情绪。情感设计的3个层次包括：

1.本能层次：用户对产品的初步感受，主要通过视觉和触觉来传递。

2.行为层次：用户在使用产品过程中的体验，涉及产品的功能和可用性。

3.反思层次：用户在使用产品后的感受和评价。优秀的设计应能够留下深刻的正面印象，提升用户的忠诚度和满意度。

二、上肢残疾人的用户需求分析

（一）上肢残疾人的定义及分类

如图1，上肢残疾人是指由于先天性或后天性原因导致上肢部分或全部丧失功能的人群。上肢残疾人根据残疾部位又可分为手部残疾、前臂残疾以及上臂残疾3种。手部残疾主要影响手指和手掌的功能，如手指缺失、手指关节僵硬、手部肌肉萎缩等，这种类型的残疾会显著影响精细操作和手部力量；前臂残疾是指前臂区域的功能障碍或缺失，如前臂截肢、前臂骨折后遗症、前臂肌肉萎缩，这种残疾限制了前臂的旋转和手腕的运动；而上臂残疾则影响整条上臂的功能，如上臂截肢、上臂肌肉萎缩、肩关节功能障碍等，整个手臂的运动能力和力量都被大大削弱。

（二）游戏场景下上肢残疾人的生理特征与需求分析

生理上的缺陷是上肢残疾人参与游戏活动的最大阻碍，与正常人相比，他们的上肢都或多或少存在一些不同程度的功能障碍，使他们在游戏操控方面遇到诸多困难，这表示他们对游戏交互产品有着更多独特的需求，表1通过对上肢残疾人的主要生理特征进行了总结和分析，并针对他们在游戏场景下可能遇到的问题提炼出部分需求，以作设计依据。

1.上肢功能受限。一些上肢残疾人可能完全失去了手臂的运动功能，例如，手指缺失的残疾人完全丧失了使用手指按压按键的能力，手掌缺失的残疾人甚至丧失了进行抓握、旋转操纵杆的能力，这表示他们只能通过现存的手掌或手腕部分去完成按压按键和移动操纵杆的操作，传统控制器的按键和操纵杆小而密集，上肢残疾人在使用时很容易误触，难以精确操作，因此他们需要更简洁的操作界面，更大的按键接触面积以及对他们而言更合理的按键分布方式，另外，由于残疾情况的不尽相同，多元化的操作设计也是十分必要的；部分上肢残疾人仍然保留了手臂的部分运动功能，例如前臂和手指虽然存在但功能衰退，尤其是力量明显不足，难以完成需要较大力度的操作，说明他们可能需要更高的操作灵敏度、更舒适的操作感受，以达到省力的目的。

2.上肢灵活性降低。由于长期缺乏运动，一些上肢残疾人的关节可能变得僵硬，限制了手臂和手指的灵活性，使得他们动作范围受限，无法进行大幅度93136fe0aa0b62469f0f4840636ea586c57685d8358961c428fd29c8a1025175的动作以及迅速的动作变换，我们需要让上肢残疾人能够通过小幅度的操作完成大部分游戏操控，因此，简单省力的操控动作设计也是一项潜在的需求。

3.感觉功能异常。由于硬化、萎缩等原因，上肢残疾人用来操控游戏的部位可能有触觉敏感性降低的问题，导致他们难以通过触觉反馈来确认操作，他们可能需要更强的触觉反馈强度，或者通过及时的视觉和听觉反馈来辅助他们确认自己的操作；一些因创伤导致残疾的用户，其创伤区域可能变得比其他部位更加敏感，在进行一些特殊动作时，可能会牵动该区域的痛觉神经，使他们感到疼痛或不适，例如，在不得不使用创伤区域按压按键时，可能因为与按键的接触面积较小而使区域受到的压强较大从而刺激到痛觉神经。因此，他们需要更加柔软舒适的控制单元外部材质，更大的接触面积，以减少操作部位收到的刺激。

（三）游戏场景下上肢残疾人的心理特征与需求分析

上肢残疾人因其自身的生理残疾以及由于种种原因造成的弱势地位导致他们在社会的方方面面都体验不到自身价值甚至还会遭到强势群体的蔑视和疏远，这使他们产生了一些更为复杂的心理因素，具体表现为孤独感、自卑感、敏感和自信心强，表2根据上肢残疾人的这些心理特征，针对他们在游戏场景下可能遇到的问题进行了需求分析。

1.孤独感。这是残疾人心理普遍存在的。上肢残疾人在肢体上存在缺陷，在社会上常常受到歧视，导致他们不愿出行，经常待在家里，久而久之，孤独感就会产生。他们也许想通过游戏与他人进行社交，但由于自身缺陷，传统的游戏操控方式对自己不适用，而且由于上肢残疾的多样性，他们无法找到完全适合自己的游戏操控方式，导致他们无法正常与他人一起参与游戏，这会使他们的孤独感进一步加重。因此，他们需要多样化的输入方式与高度灵活的自定义配置，允许他们根据自身条件对各个控制模块进行自由选择和搭配，找到符合自身需求的操作组合。

2.自卑感。每个残疾人都有这种情感因素存在，上肢残疾人在生理上的缺陷使他们在学习、生活、就业等各方面遇到的困难都比普通人多得多，在这样的情况下，如果从他人那里又得不到足够的帮助，自己总是遭遇失败，就会产生自卑情绪。反映在游戏场景下就是，他们在学习游戏操控设备的操作方法时，由于操作的复杂而又缺乏他人的指导，短时间内自己无法学会，心理受挫会产生自卑感，最终放弃学习。这表明他们需要一套简单易学的操作逻辑，同时提供全面的技术支持和培训也是必要的，包括用户手册、视频教程、在线支持等，帮助用户快速上手并充分利用产品的各项功能。

3.敏感、自尊心强。由于身体上的残疾使他们更容易过多注意自己，因而面对外界对自己的态度和评价时会十分敏感。在前期的学习和适应过程中，由于操作不熟练可能获得较低的游戏评价，导致自尊心受到打击，丧失继续练习的耐心，这可能是由于在练习过程中缺少足够的正向反馈引起的，我们需要在触觉、视觉和听觉方面提供更多激励人心的反馈机制，帮助用户建立自信心和成就感。

三、上肢残疾人游戏控制器的成功案例分析

（一）Xbox Adaptive Controller

如图2，微软推出的Xbox Adaptive Controller（XAC）是针对残疾玩家设计的一款游戏控制器。其设计宗旨是提高游戏的可访问性，解决传统控制器对残疾玩家的使用障碍。XAC的成功要素在于：

1.采用了用户中心设计的方法。XAC的设计团队在设计过程中进行了广泛的用户需求调研和反馈收集，曾与多个残疾人组织和社区的紧密合作，如AbleGamers、Cerebral Palsy Foundation、SpecialEffect和Warfighter Engaged等。这些组织为设计提供了宝贵的用户反馈和需求分析，通过这种合作，设计团队得以深入了解用户的具体需求和使用场景，从而确保了设计方案的可行性和实用性。

2.符合无障碍设计原则。XAC是一个统一的设备中心，既支持行动不便的残疾人使用，也支持身体正常的普通人使用，遵循了无障碍设计的公平使用原则。此外，XAC采用模块化的设计方式，设置了多个3.5mm插孔和USB端口，允许用户根据具体需求选择和连接适合的辅助设备，如开关、按钮、操纵杆和踏板等，同时，XAC支持使用应用程序，通过按钮重新映射和配置文件进一步自定义用户的交互方式，使用户能够根据自己的身体状况和操作习惯进行个性化调整，遵循了无障碍设计的灵活性原则。

（二）QuadStick

如图3，QuadStick是一款为四肢瘫痪患者设计的游戏控制器，利用嘴部操作来控制游戏。其设计理念是为不能使用传统控制器的用户提供独立游戏的能力。QuadStick的成功要素在于：

1.符合可用性设计的原则。QuadStick创新的嘴控操作方式，使用户可以通过吸气和吹气来模拟按键按压的动作，因为QuadStick内置了传感器，这些传感器可以检测到用户的吸气和吹气力度，并将其转换为相应的按键输入信号。除了吸吮和吹气，QuadStick还可以利用舌头的移动来进行控制，用户可以通过移动舌头来操纵一个微型操纵杆，该操纵杆连接到控制器上，能够模拟传统手柄的摇杆功能，这种嘴控操作方式，经过实践表明确实可以帮助用户完成各种游戏操作，遵循可用性设计的有效性原则。另外，QuadStick的操作逻辑虽然需要一段时间适应，但大多数用户在熟悉后都能流畅操作，遵循可用性设计的学习性原则。

2.符合无障碍设计的原则。Quadstick可以模拟游戏手柄、鼠标和键盘设备，这些设备连接到游戏机或PC的每个按钮、按键、操纵杆或动作都可以成为由输入传感器控制的输出，除了自己的硬件输入外，Quadstick 还可以与其他设备一起使用，例如 PC 的鼠标、UltraStik 360 或 Tobii Eyegaze 设备，同时用户可以通过配置软件对控制器进行编程，设定不同的吸吮、吹气和舌头移动对应的游戏操作，从而实现复杂的操作需求，这些都遵循无障碍设计的灵活性原则。

四、提升上肢残疾人游戏交互体验的设计策略

（一）形成简洁、舒适、高效率的使用体验。从前文对上肢残疾人生理特征的分析可知，与常人相比，他们的身体存在着诸多方面的缺陷，要想让他们获得良好的使用体验，需要根据其身体特点进行针对性设计，主要可以从以下几个方面入手：

1.改进按键布局。首先，按键大小应适合不同手型的用户，例如，一些上肢残疾人由于手指缺失，可能需要通过手掌或手腕来进行按键操作，针对这类用户，可以设计更大、更易于按压的按键；其次，效率是衡量设计可用性的重要方面，因此，常用按键应放置在容易触及的位置，按键间距应适中，减少用户的手部移动；无障碍设计的低体力负担原则要求我们尽量减少用户在操作时的体力消耗，而多数残疾用户由于手部的缺失，一次只能进行一个操作，让用户在不同功能的按键之间来回切换和移动是极其消耗体力的，因此，可以将复杂的功能分解为简单的按键操作，从而减少控制器上的按键数量。例如，设计一个多功能按键，通过不同的按压方式（短按、长按、双击）来实现不同的功能；

2.优化外观设计。从情感设计原则的本能层考虑，我们需要通过颜色搭配、形状设计和材质选择，设计出吸引人的外观，提升用户的第一印象；同时，从行为层来看，我们还需要确保产品的功能性和可用性，在造型方面，产品应采用人体工学设计，提高使用舒适性，例如：手柄应符合人体自然握持姿势，形状应根据手部自然弯曲的角度设计，以减少手部压力和疲劳。在配色方面，可以考虑使用高对比度的颜色组合，使按键和重要信息更加突出。例如，将主要操作按键设计为红色，而辅助按键设计为蓝色，确保用户在视觉上能够快速区分。在材质方面，要兼顾实用性和舒适性，例如：手柄表面应使用防滑和减震的材料，如硅胶或软质塑料，增加握持的舒适度和稳定性；做好这些，本能层的吸引力和行为层舒适的使用感受才能为用户在反思层带来积极正向的情感反馈。

（二）提供多样、自由、个性化的操作方式。上肢残疾人的残疾情况具有多样性，他们有的左臂残疾、有的右臂残疾，有的双臂皆有残疾，每支手臂的残疾程度又有不同，此外，每个人的体型与操作习惯也有差异性，这导致了上肢残疾人对操作方式的需求是复杂多样的，无障碍设计的灵活性原则要求设计应能够适应广泛的个人偏好和能力，为了包容不同需求的用户个体，我们提出以下策略：

1.使用模块化设计方法。从XAC的成功经验可以看出，模块化设计是满足不同用户需求的重要手段。设计师可以参考XAC的设计思路，设计具有标准化接口的可插拔模块，用户可以根据需求选择并连接不同的操作模块，如按钮模块、操纵杆模块和踏板模块。同一功能的模块应具有不同的形状和操作方式，用户可以根据手部力量和操作习惯选择适合自己的功能模块。例如，用于操控方向的操纵杆模块，对于手掌仍然存在且能进行抓握的用户，可选用握持式操纵杆，通过推动摇杆操纵方向；对于手部严重缺失只剩前臂的用户可以选用包围式操纵杆，它可以包裹住用户的部分前臂，通过前臂的移动带动底部摇杆运动；而对于上臂残疾无法使用上肢进行操控的用户则可以选用脚踏式操纵杆，其表面具有增大摩擦的纹路，通过用户脚部向不同方向的倾斜趋势控制摇杆的方向，如图4。

2.允许高度个性化定制。提供一个软件平台，用户可以通过该平台自定义每个按键的功能，包括基本操作、组合操作和宏操作等；同时允许用户在软件平台上设置按键的灵敏度和响应时间，以适应不同的操作需求和习惯；此外还应提供配置文件管理功能，使用户可以创建、保存和切换不同的配置文件，以适应不同的游戏和操作场景。

3.提供多样化输入方式。多样化的输入方式是提升设计灵活性的重要方面。Quadstick创新的嘴控操作方式使其取得了巨大成功。因此，设计应尽可能支持多种输入方式，设计师可通过应用前沿技术，如语音控制、眼动追踪和肌电图（EMG）技术等，创新输入方式，为用户提供更多选择。例如，游戏控制器可以集成语音识别系统，允许用户通过口头命令执行游戏操作；同时，在使用新技术时，需要考虑可用性设计的学习性原则，通过优化操作逻辑、提供技术培训等方式，确保用户能快速掌握使用方法。

（三）创建清晰、人性、多层次的反馈机制。面对上肢残疾人感觉功能异常的生理特征以及孤独、自卑、敏感且自尊心强的心理特征，我们可以从视觉、听觉和触觉3个层面出发，建立更加适合他们的反馈机制，提升用户的操作感受和情感体验，具体策略如下：

1.视觉层面：上肢残疾人存在感觉功能异常的问题，为了帮助用户清晰的确认自己的操作成功与否，可以在用户执行操作时添加适当的动态效果，如按钮按下时的动画反馈、界面切换时的过渡动画等，这些效果应平滑且不影响用户操作的流畅性。同时，由于上肢残疾人具有敏感且自尊强的心理特征，这些动画效果还应具有激励性和趣味性，例如，使用一些竖起大拇指，双手奉上皇冠等对用户表示肯定的动画效果，帮助用户建立自信心，增加他们在使用过程中对受挫的心理承受度。

2.听觉层面。为了辅助用户确认操作，我们可以为每个按键和操作设计独特的音效，确保用户在进行不同操作时能够通过听觉确认操作的成功与否，同时，为了鼓励用户，在操作过程中可以阶段性地设置一些认可他们能力的语音音效，削弱他们的自卑感；另外，根据游戏的不同场景和氛围，可以通过动态调整音效的音量和节奏，并搭配合适的背景音乐，营造舒适或紧张的情感环境，提高沉浸感的同时可以一定程度上减轻用户的孤独感。需要注意的是，在设计多层次的音效时，应确保主要操作音效和背景音效之间的平衡，使用户能够清晰地听到重要的反馈音。

3.触觉层面。触觉反馈应具有高灵敏度和低延迟，确保用户在操作时能够即时感受到反馈。一些上肢残疾人可能出现触觉敏感度降低的问题，因此，触觉反馈的强度应是用户可以根据自身状况自行调整的。此外，考虑到用户的情感体验，可以在控制器中集成震动马达和压力传感器，根据用户操作和游戏情节提供不同强度和频率的震动反馈，也可以在控制器中集成力反馈装置，如电动机或伺服电机，为用户提供方向和力度的反馈，模拟物理阻力和反作用力，使用户更加沉浸式地体验游戏。

需要说明的是，无论是使用体验的优化，还是操作方式的创新，亦或是反馈机制的调整，都应遵守用户中心设计的流程，将用户置于设计过程的核心。在明确用户需求，根据设计策略进行设计实践时，应先后制作低保真和高保真模型，并邀请真实用户参与测试，并根据用户反馈不断迭代改进，以确保最终产品能够真正满足用户的实际需求。

结语

在数字化时代，游戏已成为连接人们、传递文化和促进社交互动的重要媒介。然而，对于上肢残疾人而言，传统的游戏交互设计往往未能充分考虑他们的特殊需求，限制了他们享受游戏乐趣的机会。目前，学术界对肢体残疾人的研究多集中在医疗康复领域，对游戏领域很少关注，本文的研究旨在填补这一空白，为无障碍游戏设计领域提供一些新的见解和思路。

文章从用户中心设计、无障碍设计、可用性设计和情感设计理论出发，分析了上肢残疾人的生理和心理特征，并从中提炼出他们在游戏场景下的部分需求，然后通过对两个成功案例的分析，总结出它们成功的经验，最后从使用感受、操作方式和反馈机制3个层面提出了提升上肢残疾人游戏交互体验的设计策略。通过这些研究和策略，我们希望更多的上肢残疾人可以获得更好的游戏感受，提升他们的社会参与感和生活质量。

最后，我们相信，随着研究的深入和社会的进步，无障碍游戏设计将不再是一种选择，而是一种标准，我们期待一个每个人都能够无障碍地享受游戏、表达自我、连接他人的世界。这不仅是对上肢残疾人群体的承诺，也是对整个社会进步的期望。

基金项目：北京市教育委员会科学研究计划项目资助（SZ202110009004）

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