（应用心理学专业论文）计算机指点装置的操作可控性和稳定性分析.pdf

计算瓿攒点装饕熬撵箨霹控牲葙稳定蛙分辑 y 8 4 4 2 6 6 疆域大学硕士学位论文 计算机指点装置的操作可控性和稳定性分析 摘要 图形用户界面的发展使计簿机指点装置得到了广泛使用。常用的指点敞置是鼠标，但 冀大量使用导致丁各种疲劳现象及肌肉骨骼不适的问题，所以需要寻找一种良好的备择装 鬣。当蓠各择装麓中最常举的楚追踪球，礴对箕研究还甚少。掰究不露指点装嚣瓣操 乍特点， 设计更菇优纯鹩摆点装置，霞蹋产迸幸亍更大续效和更小痿害豹操作，是分震要静。可控。陡 和稳定性是从人因素的角度评价指点装置性能的重要指标。本研究采用需要涟续精确控制的 邀踪作业，着霪考察鼠标、食指操作追踪球和拇指操作追踪球的操作可控性和稳定性，并以 此为基础对三种指点装置的操作特点进行了深入的分析。 零骚究包撂嚣拿实验，实验一考察不强瓣耩路线条锌下三释捂蠢装鬟瓣搡箨可控瞧鞫 稳定性，实验二考察运动速度对三种装置的撩作可控性和稳定性的影响。此外，本研究还耍 隶被试对所使用装置的可控性和操作疲劳度做主观评价，并避步分析使用三种指点装置的 磐观可控性与主观可控性之间的关系，以及操作可控性和稳定性与操作疲劳度的关系。 本臻究褥瘩鞋下结论： 1 、磊标路线影响鼠标、食据搡作追踪球秽拇指搡 乍追黥球等指点装鲞的操作可控淫鞫 疲劳度，但它们对这些指点装置的操作稳定性的影响相对较小。 2 、目标速度影响鼠标、食指操作追踪球和拇指操作追踪球等指点装置的操作可控性、 稳定性靼疲劳度。 3 、慧熬来说，在操作可控注秘稳定注：，簸赫优予嚣种避踩蘧，两嚣年中追踩璩闻鹣蓑 异较小，然而鼠标的主观操作疲劳度也略高于两种追踪球。 4 、本研究发现，主观的操作可控性和疲势度与客观的操作可控性( 即操作误差) 和操 作稳定性( 即操作误差变异度) 的关系是复杂的，客观的操作可控性和稳定性可熊 主要反映了操偿绩效，嚣主巍兹攥 擎鬈控蛙稳疲劳魔霹簸主要反浃7 要嚣出静努力 程度积工作负荷，这避而说明了应该用多个指标来评价指点装置的操作。 5 、本研究还发现，指点装鼹的操作中存襁操作绩效与二i = 作负荷的互换特性，即指点装 置的操作可控性( 客观的与主观的) 和稳定性随着目标速度降低而掇高，同时也增 趣了工作受蓣，在适中的操终速度，撩点装最的操捧w 控性、稳定性靼工作负黄将 是相对较襞鹃。 关键词： 操作可控性和稳定性、目标路线和速度、鼠标、食指操作追踪球和拇指操作 追踪球 茎兰塑塑盔薹攫堕堡堡鲨篓翌堡塞壁坌堑 墼竖奎兰型兰堂垡造壅 a n a l y s i so fc o n t r o l l a b i u t ya n ds t a b i l i t yo nc o m p u t e rp o i n t i n gd e v i c e s a b s t r a c t t h ed e v e l o p m e n to fg u im a k e sw i d eu s eo fc o m p u t e rp o i n t i n gd e v i c e s t h em o s tc o m m o n p o i n t i n gd e v i c ei sm o u s e ，i t sa m o u n t so fu s ec a r li e a dt ov a r i e t i e so fp r o b l e m si nm u s c u l o s k e l e t a l f a t i g u ea n du n c o m f o r t a b l e u e s s ，s oi ti sr e q u i r e dt os c a r c ka ne x c e u e n tt y p eo f a l t e r n a t i v ed e v i c e 。 t h em o s tp o p u l a ra l t e r n a t i v ed e v i c ea tp r e s e n ti st r a c k b a l l ，b u tt h es u 曲曲o u tw h i c hi ss c a r c e + i t i sn e c e s s a r yl os t u d yt h eo p e r a t i n gt r a i t so fd i f f e r e n tp o i n t i n gd e v i c e sa n dd e s i g no p t i m a ld e v i c e 。 w h i c hc a nm a k eu s e r sh a v ei t t o r ee t t i c i e n ta r i d l e s sh a r m f u la n du n h e a l t h f u l o p e r a t i o n c o n t r o l l a b i l i t ya n ds t a b i l i t ya r ei m p o t t a n ti n d e xo fe v a l u a t i n gp o i n t i n gd e v i c ei nv i e wo fh u m a n f a c t o r 0 u rr e s e a r c hu s e dt r a c k i n gt a s kn e e d e dc o n t i n u o u sa n da c c u r a t ec o n t r o l 。a n ds t u d i e dt h e o p e r a t i n gc o n t r o l l a b i l i t ya n ds t a b i l i t yo f t h r e ep o i n t i n gd e v i c e s ：m o u s e ，t h ei n d e xf i n g e ro p e r a t i n g a n dt h u m bo p e r a t i n gi r a e k b a l l s b a s e dd nt h er e s u l t s t h eo p e r a t i n gt r a i t so f t h et h r e ed e v i c e sw e e c o m p a r e di nd e t a i l t w oe x p e r i m e n t sw e r et e n d u e t e di nt h i ss t u d y t h et w oe x p e r i m e n t st e s t e dt h ee f f e c to f t a r g e t p a t ha n dm o v i n gs p e e dt ot h eo p e m t m gc o n t r o l l a b i l i t ya n ds t a b i l i t yo fm o u s e ，t h ei n d e xf i n g e r o p e r a t i n ga n dt h u m bo p e r a t i n gl r a c k b a l l s ，i na d d i t i o n 。s u b j e c t sw e 陴r e q u i r e dt oh a v eas u b j e c t e v a l u a t i o nt ot h eo p e r a t i n gc o n t r o l l a b i l i t ya n ds t a b i l i t yo ft h r e ep o i n t i n gd e v i c e s ，a n dt h er e l a t i o n o f o b j e c t i v ea n ds u b j e c t i v ee o n t r o l l a b i l i t ya n dt h er e l a t i o no f o p e r a t i n gc o n t r o l l a b i l i t y , s t a b i l n ya n d f a t i g u ed e g r e ew e r ea n a l y z e d ， m a i nf i n d i n g so f t h i sr e s e a r c ha f ea sf o l l o w i n g ： j t a r g e tp a t hh a sam o r ee f f e c to nt h eo p e r a t i n gc o n t r o l l a b i l i t ya n df a t i g u ed e g r e eo f q d l j s e , a n dt h ei n d e xf i n g e ro p e r a t i n ga n dt h u m bo p e r a t i n gt r a c k b a l l s ，b u to n l yh a sal e s se f f e c to n t h eo p e r a t i n gs t a b i l i t yo f t h et h r e ep o i n t i n gd e v i c e s 2 。t a r g e ts p e e dh a sa ne f f e c t o nt h eo p e r a t i n gc o n t r o l l a b i l i t y , s t a b i l i t ya n df a t i g u ed e g r e eo f m o u s e ，a n dt h ei n d e xf i n g e ro p e r a t i n ga n dt h u m bo p e r a t i n gt r a c k b a t l s ， 3 ，i ng e n e r a ls p e a k i n g ，m o u s ei sb e r e rt h a nt h et w ot r a c k b a l l sa n dt h et w ot r a c k b a l l so n l yh a v e s l i g h td i f f e r e n c ei nt h eo p e r a t i n gc o n t r o l l a b i l i t ya n ds t a b i l i t y , b u tm o u s ei ss l i g h t l yh i g h e r t h a nt h et w ot r a c k b a l l si ns u b j e c to p e r a t i n gf a t i g u ed e g r e e 4 ，t h i sr e s e a r c hf i n d ；t h er e l a t i o na m o n gs u b j e c t i v eo p e r a t i n ge o n l r o l l a b i l i t ya n df a t i g u ed e g r e e g a n do b j e c t i v eo p e r a t m gc o n t r o l t a b i l i t ya n ds t a b i l i t yi sc o m p l i c a t e d ，o b j e c t i v eo p e r a t i n g c o n t r o l l a b i l i t ya n ds t a b i l i t yp r o b a b l yr e f l e c to p e r a t i n gp e r f o r m a n c e ，b u ts u b j e c t i v eo p e r a t i n g c o n t r o l l a b i l i t ya n df a t i g u ed e g r e e sp r o b a b l yr e f l e c tf o r c ed e g r e ea n dw o r kl o a d ，w h i c hs h o w t h a tm a n yi n d e xs h o u l d 酶u s e dt oe v a l u a t eo p e r a t i n ga c t i v i t yo f p o i n t i n gd e v i c e ， 5 ，a n o t h e rf i n d i n go ft h i sr e s e a r c hi st h a tt h e r ei sat r a d e - o f fp r o p e r t yb e t w e e no p e r a t i n g p e r f o r m a n c e a n dw o r kl o a di n o p e r a t i n gp o i n t i n g d e v i c e ，t h a t f s ，o p e r a t i n g c o n t r o l l a b i l i t y ( o b j e c t i v ea n ds u b j e c t i v e ) ，s t a b i l i t ya n dw o r kl o a do fp o i n t i n gd e v i c e sd e c l i n e w h e nt a r g e ts p e e di n e r e 2 z e ，u n d e rm i d d l eo p e r a t i n gs p e e d ，o p e r a t i n gc o n t r o l l a b i l i t y , s t a b i l i 锣 a n dw o r k o a do f p o i n t i n gd e v i c e si sr e l a t i v e l yb e t t e r k e y w o r d s ：t h eo p e r a t i n gc o n t r o l l a b i l i t ya n ds t a b i l i t y , t a r g e tp a t ha n ds p e e d ，m o u s e ，t h e i n d e xf i n g e ro p e r a t i n ga n dt h et h u m bo d c r a t i n gt r a c k b a l l s l i 计舅机指点装簧的揉俸可控搜翱稳定性分析新江大学预十学位论文 1 引言 s 0 年锭鞋来，鞋w i m p ( 程塞、攀括、菜单帮措煮装鐾) 蠢基懿麴圈形焉户嚣嚣( g u i ) ， 因其方便、誊观、简单弱举以及支持煮拨操作等特点两湃受计算机用户欢迎，这静羚蕊的命令大 都通过描赢装置( p o i n t i n gd e v i ) 对群鞯上的对象进行赢接操作而实现。相对于依靠激盘输入的 命令行界蕊，这种交互方式大大减轻了计算机用户对操佧命令的记忆负荷。当前最广泛使用的指 点装置是酝标。有研究攒燃，计算飒用户使趣鼠标的时阀占计算机使瘸时阕的2 3 以上。然面， 涟之纛采的整与鬣标使翔秘联系酾各静瘫劳现象及霆琵瘸器潞不适豹淘题薅益增多，冀主要原因跫 鼠标豹使翅蛰遍涉及鼠糖爆户长时闾地黎藤予不是j ；f 9 工作姿势之下，如手腕过度尺偏釉伸展，肩 部外展和向外旋转，前臀持续的旋前用力，以及有时候黼臂无支撑，致使上臂、肩部承受高肌肉 负荷。有人将这种与计算机相关的累积性伤害称之谓“信息时代的职业瘸”。为此，人们希望能 够找到一秘浚容器操捧又霉减少瓤亵嚣释经害懿掺点装鬣来替代鼠嚣。警藏遥踪球( t r a c k b a l l ) 作为备择的指点装置较多雉出现在计算机硬件市场中。器管在现实中遗踪球的销售和使用多起来 了然而甜于这种计算机输入装置的入翻豢研究射比较少见，我们认为，人因素学的艇本原就 是要减少伤害和增加绩效，因此研究用鼠标、追踪球进行输入的人一机交亘特点，阱及比较、评 价它们作为输入装鬟的有效性是十分重簧躲。本研究试豳在这些方嚣做魑撵索工 乍。 1 1 羲标鹣笈震 最常粥的计算机指点装望是鼠标。世界上蒡1 其鼠标是】9 胡棼由崩坦福文学d o u 譬! 祜 e n g e l b a r t 博士发明的，他研发鼠标的动机是为了使计算机用户不用繁琐的键盘命令就能端容易地 选取文本。第1 只鼠标的外形如图1 - i 所示，是木制单键的。当时这一计舞机输入装鼹被称之为 “m o 瓣”( 豢鬣) ，瑟必据援禳之为“b u g ”( 囊虫) ，毽爨霸于毙标熬零溪“b u g ”剿没鸯幸莓下 来，到了：千世纪八十年代，鼠标功能幽鼹初的单键增鬻2 键或3 键，在外形上也开始考虑入因 素的问题，比如，为了便于握持，它的袭面建有一定倾斜角和弧形的( 见图【2 ) 。1 9 8 3 年a p p i e 公司首先将鼠标用于该公司推出的l i s a 计弊机上，作为g u 的操作工具，之后随此潮流，在p c 枫上也开始使翅鼹蠡。 图l j 全世界第l 晨靛标圄1 ，2 育一定倾斜角和弧形的鼠标 鼠标从出世至今已走j 曩了3 0 多年的历史当今的鼠标不论在造型上还是在功能上_ _ 都发生了 许多变化。从绻构而吉，鼠标出现的次序是机槭式鼠标、光电机械式鼠标和光电式鼠标，由于机 械式鼠标耪瘦低、接输速度慢秘寿套短，艨窖圭爱在基零上已被海汰。从援露嚣言，鼗翠罄逶p e 钒应孀匏鼠标均采耀撵形9 锌串雩亍接盈，以后逐步被采掰新技术的小圆形p c ，2 接口敢代，随着 即插即用建渔的推接，暂静静弑标开始整掰u s 8 接口。掰菜些专业静特殊需求，当前斑出现了 将红外信号用于计算机传袖信息的无线鼠标。从按键数而害，鼠标已从鼹早的单键鼠桥原型发展 为取键式和三键式。并且，魏了适应于剩颞测览，当裁t 譬多鼠标上加了滚轮。 遥踩球蹇络擒上赣一令镯藿麴藏嚣，寮豹滚球在装鬟土蓬，箕撵终燕毅手攒摇穗滚球簸代班 手豌移动鼠标屏幕上的光标向滚珠转动的方向移动。僚攘滚跨位置，它可以分为食指操作追踪 球和拇指操作迫踪球，有的媲踪球的滚球玻太也可用茹指操作( 见图l d ) ， 计算机指点装置舶操作可控性和稳定性分析 浙江大学硕士学位论文 图1 - 3 追踪球：从左到右依次为食指、拇指和多指操作 1 2 手部生物力学的分析 指点装置的使用主要以手部动作为主，所涉及到的肌肉骨骼组织包括手指、手掌、前臂、上 臂、腕关节、肘关节、肩膀、颈部以及背部。而手部运动的基本条件是运动协调和稳定，在操作 指点装置时，手部相关的肌群同时起制动和稳定两种作用。了解手部生物力学特点是研究指点装 置操作活动的前提。 1 2 1 手部与手腕的结构分析 依手指位置与运动目的的不同手部基本运动技能可分为五类，包括压触、勾握、精致握持、 摘取、力握等，如使用鼠标较常出现手指压触与手掌握持的动作。手指的运动包含屈、伸，收、 展，及环转等动作，如使用鼠标的按键动作包含了手指的屈曲和伸展等动作，而手指屈曲运动作 用的肌群有屈指伸肌、屈指浅肌、蚓状肌以及掌侧骨间肌；手指伸展运动作用的肌群有伸指肌、 蚓状肌以及背侧骨阅肌。 如图1 4 所示，腕关节的骨骼与前臂的两对长骨( 桡骨和尺骨) 相互连结。桡骨连结的是拇 指这边的手腕，而尺骨连结的是小指这边的手腕，即位于拇指侧的是桡骨，位于小指侧的是尺骨。 由于关节本身结构的缘故，手掌只能做二轴的运动。在垂直面上，为掌届，屈曲( p a l m a r f l e x i o n f l e x i o n ) 与背屈，1 申展( d o r s tf l e x i o n e x t e n s i o n ) ；在水平面上，则为尺偏( u l n a rd e v i a t i o n ) 与桡偏( r a d i a ld e v i a t i o n ) 。背屈动作角度可达7 5 。8 0 。，掌屈动作则可达8 5 。9 0 6 ；尺偏动 作可达3 5 。3 7 。，桡偏动作则可达1 5 。2 0 。( 见图1 5 和1 6 ) 。 尺骨 正中 图1 - 4 桡骨与尺骨 图1 - 5 尺偏与桡偏图1 - 6 背屈与掌屈 1 2 2 腕部动作及其运动肌群 腕关节的运动均非由单一的肌肉所控制，经常是由两个以上的肌群共同协调完成的。控制腕 关节运动的主要肌群包括有：l 、尺偏：尺侧屈腕肌、桡侧伸腕舰；2 、桡偏：尺钡i 伸腕舰、桡侧 屈腕肌：3 、背届：桡侧伸腕肌、尺侧伸腕肌；4 、掌屈：桡侧屈腕肌、尺侧屈腕肌。使用鼠标时， 较常出现的动作是背屈和尺偏。由于手腕具有一种特殊机制，当腕部为背屈时，手指会出现靠拢 的线型，而为掌届时则手指出现开放的状态。背屈在一些手工具握持上比掌屈更省力。因此维持 一定的背屈对鼠标操作是有益的。 鼠标操作主要是以手腕为支点，而控制腕部动作的肌群为手部提供两种功能：手部的初步定 位和稳定腕部为手提供工作台- 前臂的动作主要有旋前与旋后运动两种，这两种运动皆由远侧桡 尺关节控制。旋前运动的主要作用肌群为旋前圆肌；旋后运动的主要作用肌群则为旋后肌，使用 鼠标时会有较多的前臂旋前动作。手部的运动机能主要由两大部分的肌群所构成：l 、前臂肌群， 它是始于前臂而终止于手部的所有肌肉的总称。其主要机能是提供手腕与手指完成各种相关运动 计算机指点装置舶撵作可控性和稳定性分析 浙江大学硕士学位论文 图1 3 追踪球：从左到右依次为食指、拇指和多指操作 1 2 手部生物力学的分析 指点装置朐使用主要以手部动作为主，所涉及到的肌肉骨骼组织包括手指，手掌、前臂、上 臂、腕关节、肘关节、肩膀、颈部以及背部。而手部运动的基本条件是运动协调利稳定，在操作 指点装置时，手部相关的肌群同时起制动和稳定两种作用。了解手部生物力学特点是研究指点装 置操作活动的前提。 1 2 1 手部与手腕的结构分析 依手指位置与运动目的的不同，手部基本运动技能可分为五类，包括压触、勾握、精致握持、 摘取、力握等如使用鼠标较常出现手指压触与手掌握持的动作。手指的运动包含屈、伸，收、 展，及环转等动作，如使用鼠标的按链动作包含了手指的届曲和伸展等动作，而手指屈曲运动作 用的肌群有屈指伸肌、屈指浅肌、蚓状肌以及掌侧骨间肌；手指伸展运动作用的肌群有伸指肌、 蚓状肌以及背侧骨阔肌。 如图1 - 4 所示，腕关节的骨骼与前臂的两对长骨( 桡骨和尺骨) 相互连结。桡骨连结的是拇 指这边的手腕，而尺骨连结的是小指这边的手腕，即位于拇指侧的是桡骨，位于小指侧的是尺骨。 由于关节本身结构的缘故，手掌只能做二轴的运动。在垂直面上为掌届，屈曲( p a l m a r f i e x i o n f l c , x i o n ) 与背屈，1 申展( d o r s tf l o x i o m e x t e n s l on ) 在水平面上则为尺偏( u l n a rd e v ia l i o n ) 与桡偏( r a d i a ld e v i a t i o n ) 。背屈动作角度可达7 5 。8 0 。，掌屈动作则可达8 5 。9 0 6 ；尺偏动 作可达3 5 。3 7 。，桡偏动作则可达1 59 2 0 。( 见图1 5 和1 6 ) 。 尊移黟 芷中 图l - 4 桡骨与尺骨图卜5 尺偏与挠偏图1 - 6 背屈与掌屈 1 2 2 腕部动作及其运动肌群 腕关节的运动均非由单一的肌肉所控制经常是由两个以上的肌群共同协调完成的。控制腕 关节运动的主要肌群包括有：l 、尺偏t 尺侧屈腕肌、桡侧伸腕肌# 2 、桡偏；尺但伸腕肌、桡侧 屈腕肌：3 、背届：桡侧伸腕肌、尺侧伸腕肌：4 、掌屈：桡侧屈腕肌、尺侧屈腕肌。使用鼠标时， 较常出现的动作是背屈和尺偏。由于手腕具有一种特殊机制，当胞部为背屈时，手指会出现靠拢 的线型，而为掌届时则手指出现开放的状态。背屈在一些手工具握持上比掌屈更省力。圜此维持 一定的背屈对鼠标操作是有益的。 鼠标操作主要是以手腕为支点，而控制腕部动作的肌群为手部提供两种功能：手部的初步定 位和稳定腕部为手提供工作台一前臂的动作主要有旋前与旋后运动两种，这两种运动皆由远侧桡 尺关节控制。旋前运动的主要作用肌群为旋前凰肌；旋后运动的主要作用肌群则为旋后肌，使用 鼠标时会有较多的前臂旋前动作。手部的运动机能主要由两大部分的肌群所构成：1 、前臂肌群。 它是始于前臂而终止于手部的所有肌肉的总称。其主要机能是提供手腕与手指完成各种相关运动 它是始于前臀而终止于手部的所有肌肉的总称。其主要机能是提供手腕与手指完成各种相关运动 计算机指点装置舶操作可控性和稳定性分析 浙江大学硕士学位论文 图1 - 3 追踪球：从左到右依次为食指、拇指和多指操作 1 2 手部生物力学的分析 指点装置的使用主要以手部动作为主，所涉及到的肌肉骨骼组织包括手指、手掌、前臂、上 臂、腕关节、肘关节、肩膀、颈部以及背部。而手部运动的基本条件是运动协调和稳定，在操作 指点装置时，手部相关的肌群同时起制动和稳定两种作用。了解手部生物力学特点是研究指点装 置操作活动的前提。 1 2 1 手部与手腕的结构分析 依手指位置与运动目的的不同手部基本运动技能可分为五类，包括压触、勾握、精致握持、 摘取、力握等，如使用鼠标较常出现手指压触与手掌握持的动作。手指的运动包含屈、伸，收、 展，及环转等动作，如使用鼠标的按键动作包含了手指的屈曲和伸展等动作，而手指屈曲运动作 用的肌群有屈指伸肌、屈指浅肌、蚓状肌以及掌侧骨间肌；手指伸展运动作用的肌群有伸指肌、 蚓状肌以及背侧骨阅肌。 如图1 4 所示，腕关节的骨骼与前臂的两对长骨( 桡骨和尺骨) 相互连结。桡骨连结的是拇 指这边的手腕，而尺骨连结的是小指这边的手腕，即位于拇指侧的是桡骨，位于小指侧的是尺骨。 由于关节本身结构的缘故，手掌只能做二轴的运动。在垂直面上，为掌届，屈曲( p a l m a r f l e x i o n f l e x i o n ) 与背屈，1 申展( d o r s tf l e x i o n e x t e n s i o n ) ；在水平面上，则为尺偏( u l n a rd e v i a t i o n ) 与桡偏( r a d i a ld e v i a t i o n ) 。背屈动作角度可达7 5 。8 0 。，掌屈动作则可达8 5 。9 0 6 ；尺偏动 作可达3 5 。3 7 。，桡偏动作则可达1 5 。2 0 。( 见图1 5 和1 6 ) 。 尺骨 正中 图1 - 4 桡骨与尺骨 图1 - 5 尺偏与桡偏图1 - 6 背屈与掌屈 1 2 2 腕部动作及其运动肌群 腕关节的运动均非由单一的肌肉所控制，经常是由两个以上的肌群共同协调完成的。控制腕 关节运动的主要肌群包括有：l 、尺偏：尺侧屈腕肌、桡侧伸腕舰；2 、桡偏：尺钡i 伸腕舰、桡侧 屈腕肌：3 、背届：桡侧伸腕肌、尺侧伸腕肌；4 、掌屈：桡侧屈腕肌、尺侧屈腕肌。使用鼠标时， 较常出现的动作是背屈和尺偏。由于手腕具有一种特殊机制，当腕部为背屈时，手指会出现靠拢 的线型，而为掌届时则手指出现开放的状态。背屈在一些手工具握持上比掌屈更省力。因此维持 一定的背屈对鼠标操作是有益的。 鼠标操作主要是以手腕为支点，而控制腕部动作的肌群为手部提供两种功能：手部的初步定 位和稳定腕部为手提供工作台- 前臂的动作主要有旋前与旋后运动两种，这两种运动皆由远侧桡 尺关节控制。旋前运动的主要作用肌群为旋前圆肌；旋后运动的主要作用肌群则为旋后肌，使用 鼠标时会有较多的前臂旋前动作。手部的运动机能主要由两大部分的肌群所构成：l 、前臂肌群， 它是始于前臂而终止于手部的所有肌肉的总称。其主要机能是提供手腕与手指完成各种相关运动 计算机指点装置的操作可控性和稳定性分析 浙江大学硕士学位论文 的能量。依解剖特征可分为前、后两大肌群：前群主要为屈腕、屈指及使前臂旋前的肌肉；后群 主要为伸腕、伸指及使前臂旋后的肌肉。2 、手部肌群( h a n dm u s c l e s ) ，它是起始端与终止端都在 手部内部的所有肌肉的总称。共分为四大肌群：大拇指球肌群、小拇指球肌群、骨间肌和蚓状肌。 由此可知，手指的各种动作是由前臂肌肉调节，并通过腕部的连结、手部关节的配合以及手 部内部肌群的协调运作，从而共同完成各种复杂的手部作业。 1 3 关于指点装置的人因素研究 1 3 1 目标距离和大小对指点装置运动时间的影响 指点定位和拖动是g u i 环境中用指点装置完成的两种典型任务。指点定位指用指点装置将屏 幕上的光标移至某个对象或区域，拖动指用指点装置选中某个对象或区域，然后按下左键不松手， 将该对象或区域拖至要求的位置。这两类任务都是典型的定位任务。一些研究者考察了1 9 标方向、 距离和大小对指点装置运动时间( m t ) 的效应。k o t a n i ( 2 0 0 1 ) 、w h i s e n a n d ( 1 9 9 6 ，1 9 9 9 ) 、i c h i k a w a ( 1 9 9 9 1 、c a r d ( 1 9 7 8 ) 及g i l l a n ( 1 9 9 2 ) 研究了用鼠标的指点定位任务和文本编辑任务中目标大 小和距离与m t 的关系。研究表明，m t 均随着目标的减小和距离的增大而提高。张彤、杨文虎 和王碧英等人( 2 0 0 3 ，2 0 0 4 ) 用指点定位和拖动2 种任务测试了4 种目标大小和3 种目标距离组 合条件下鼠标、食指和拇指操作追踪球3 种指点装置的m t ，也获得了与上述研究者同样的结果。 但他们对结果的进一步分析发现m t 随着目标面积的增大而减小，但下降率里递减趋势，特别 是1 0 m m 与1 5 m m ( 赢径) 目标太小的m t 差异不显著。他们认为，指点装置的m t 由粗调( t r a v e l t i m e ) 和细调( a d j u s tt i m e ) 时间组成，这样，当其它条件相同时，目标越小，细调时间越长，随 着目标增大，细调时间将减少，当目标足够大时，细调时间将稳定在某个水平上，从而m t 不再 随目标的增大而有大的变化。他们的结果表明，g u i 中的图符、按钮或菜单选项等的直径( 圆形) 或边长( 矩形) 应大于1 0 m m ，这样可较大程度地减少这些指点装置的工作负荷。 1 3 2 目标方向对指点装置运动时间的影响 关于目标方向对鼠标操作的影响的研究结果不尽相同。如c a r d ( 1 9 7 8 ) 、k o t a n i 和h o r i i ( 2 0 0 1 ) 研究了右上9 0 。扇区内的目标方向对鼠标指点定位的m t 的影响，结果发现不存在目标方向主效 应。然而，b o r i t z ( 1 9 9 1 ) 、m a c k e n z i e 和b u x t o n ( 1 9 9 2 ) 及w h i s e n a n d 和e m u r i a n d ( 1 9 9 6 ，1 9 9 9 ) 的研究都报道了目标方向明显影响用鼠标移动光标的m t ，但他们的结果也不完全一致。b o r i t z 的研究表明，对于饼式菜单中的项目选择( 为图符式的方形目标) ，在水平向右方向用鼠标驱动 光标运动比在垂直向下方向更快。m a c k e n z i e 和b u x t o n 的研究发现，向右上方向的鼠标运动明显 比水平向右和垂直向上方向慢。w h i s e n a n d 和e m u r i a n d 的研究( 1 9 9 6 ) 表明，鼠标指点定位的 m t 在4 个对角线方向一般慢于两个水平方向和两个垂直方向，而他们的进一步的研究( 1 9 9 9 ) 则表明，水平方向的鼠标操作运动明显快于其它方向，垂直方向的鼠标操作运动则明显慢于其它 方向，而对角线方向的鼠标操作运动基本介于这两者之间。 张彤、杨文虎和王碧英等人研究了指点定位和拖动2 种任务条件下目标方向( 水平方向左或 右，垂直方向上或下，及4 个对角线方向) 对鼠标、食指操作追踪球和拇指操作追踪球的m t 的 效应。他们的研究结果表明，对于鼠标，在指点定位任务中，在水平方向的m t 较短，而向上的 对角线方向( 右上和左上对角线) m t 较长，其他4 个方向的m t 大致处于这两者之间；在拖动 任务中，目标方向主效应不显著。对于食指操作追踪球，在指点定位任务中， 目标在水平方向 的m t 较短，而下和右下方向的m t 较长；在拖动任务中，同样是水平方向的m t 较短，而右上、 下和右下方向的m t 较长。对于拇指操作追踪球在指点定位任务中，目标方向影响的差异较小， 在上和右下象限方向( 右、右下和下) 的n i t 略短于其它4 个方向；在拖动任务中，在水平和向 下方向的m t 较短，而多数对角线方向的m t 较长。研究者认为，目标方向对指点装置操作的效 应是操作肢体的解剖和生物力学特点、不同任务的操作特点和精度要求、不同装置的操纵特点以 及装置性能等因素联合作用的结果。例如，对于鼠标，水平方向的移动主要通过手腕的尺偏或桡 偏来完成，而垂直方向的移动主要通过前臂的移动，而对角线方向的移动要通过两者的组合来完 3 计算机指点装置的操作可控性和稳定性分析 浙江大学硕十学位论文 成，手腕运动比前臂运动更灵活。对于食指操作追踪球，食指的收、展运动较灵活，因此水平方 向的m t 也是较短的，而该装置的球座后部对滚球向后转动产生相对较大的阻力，而导致该方向 的m t 较长。对于拇指操作追踪球拇指的特殊解剖结构特点使它在右下象限的操作较自如。又 如他们对实验结果的避一步分析发现，不同目标方向的m t 差异只出现在部分实验条件中，特 别是当目标较小时，目标方向对m t 的影响相对较大，而目标较大时，目标方向对m t 几乎无影 响。 1 3 3 关于指点装置操作中的费茨模型有效性 自1 9 5 4 年菲茨用铁笔移动方式研究手定位运动而得出穆之谓菲茨定律的m t 与目标距离和 宽度的关系式以来。人们一直用该定律来预测各种手控制器操作中的m t ，并将它推广到脚控制 器操作和其它定位操作的研究中。许多研究者认为菲茨定律同样适用于鼠标驱动光标的定位运 动，并将它作为一个重要的参数用于建立人一机交互模型，这些模型在计算机界面设计工效学评 价中起重要作用。张彤、杨文虎和王碧英等人( 2 0 0 3 ，2 0 0 4 ) 根据自己的研究结果，计算了鼠标、 食指操作追踪球和拇指操作追踪球的指点定位和拖动任务的8 个方向和总的菲茨定律方程式。 般用m t 与i d 的决定系数r 2 表示菲茨定律可以解释m t 方差的有效性。在他们的研究中，依据 目标方向，鼠标指点定位的r 2 为0 8 8 0 9 5 ，鼠标拖动操作的为o 8 7 o 9 6 ，食指操作追踪球 指点定位的r 2 为0 9 0 0 9 6 ，食指操作追踪球拖动操作的r 2 为o 8 5 0 9 6 ，拇指操作追踪球指点 定位的辩为0 8 8 0 9 5 ，拇指操作追踪球拖动操作的群为0 8 2 0 9 1 。这说明该研究中建立的3 种指点装置的菲茨模型是有效的，可用于预测典型指点任务中的m t 。还有许多研究者对此问题 进行过探讨如c a r d 等人( 1 9 7 8 ) 研究了菲茨定律在解释鼠标移动活动中的有效性问题，获得的 决定系数为0 6 6 ；b o d t z 等人( 1 9 9 1 ) 进行了同样的研究，获得的决定系数为o 9 7 ；g i l l a n 等人 ( 1 9 9 2 ) 对鼠标的研究中获得的决定系数为0 8 3 。虽然在上述研究中决定系数存在着一定的差异， 但它们都支持菲茨定律在研究指点装置m t 中的有效性。 1 3 4 关于指点装置的操作负荷研究 工作负荷是评价控制装置的一个重要指标，已有一些研究从不同的角度研究了指点装置的操 作负荷，l c h i k a w a 等人( 1 9 9 9 ) 对鼠标、直接图形输入板和间接图形输入板3 种指点装置的绩效 进行了拢较。实验中，他们采用了2 种目标大小( 边长为0 5 c m 和l c m 的正方形) 和2 种目标距 离的指点定位作业，以h r ( 心率) 比测试操作时的心理工作负荷并以指点容易性、运动容易 性、手肩部的体力负荷、眼负荷和总的操作容易性的主观评价测试了操作心理容易性 ( p s y c h o l o g i c a le a s i n e s st oo p e r a t e ) 。他们的实验发现，对于平均h r 比，直接图形输入板最低， 鼠标为其次，间接图形输入板最高，在长的目标距离条件下尤为如此。研究者认为原因可能是直 接图形 | i 入板的操作就如用纸和笔样，这种操作像日常的写字运动，因此减少了心理工作负荷。 对于操作心理容易性，鼠标在各项指标上都获得了鞍好的评价，除了手肩部的体力负荷外，直接 图形输入板与鼠标的评价很接近，而间接图形输入板在指点容易性和总的操作容易性上评价较 差。研究者认为可能由于他们的被试当前用的都是鼠标因此在情感上对鼠标更友好。 k o t a n i 等人( 2 0 0 i ) 以不屠难度指数( i d ) 的指点定位任务研究了鼠标序擘运动对闻和指点力。 他们假设，用于鼠标指点定位的肌肉收缩总量与d 有关，因此，将一个5 r a m 直径的力敏电阻 安装在鼠标内的微型开关的顶部，用于测量指点定位力。他们的实验发现，运动时间随i d 的减 小而下降，而指点力却随i d 的减小而增大。后一结果与他们原有的假设不符，并且他们的被试 表示在点击最小的目标时他们感到较难按压。因此，他们认为测量任务期间的表面e g m s 和拖 动力可能能够更好地测试鼠标操作时的用力状况。 f e m s t r o m 等人( 1 9 9 7 ) 用4 种字处理任务，以肌负荷( 根据表面e m g 测量) 和紧张度体验， 比较了仅用键盘、键盘和鼠标、键盘和鼠标加可活动手支撑、及中央有追踪点( t r a c k p o i n t ) 装置 的键盘4 种交互方式- 他们的实验结果发现，与无支撑的键盘和鼠标方式相比，用追踪点装置减 少了腐部肌肉舱负荷，但是增加了菏臂负荷，且觉察到前臂肌肉较紧张；与追踪点方式比较，仅 4 计算机指点装置的操作可控性和稳定性分折 浙江大学硕士学位论文 用键盘方式增加了右肩的肌负荷，且觉察到肩部肌肉较紧张；与键盘和鼠标方式比较，仅用键盘， 增加了前臂肌负荷，并且觉察到前臂肌肉较紧张；与键盘和鼠标方式比较，使用可活动的前臂支 撑，减少了肩部肌负荷，但增加了前臂肌负荷。 1 3 5 关于指点装置的操作姿势研究 随着鼠标使用的普及和使用时间的增长，当前有一种抱怨是使用鼠标引起了肌肉骨髂不适。 有人认为，使用鼠标易使腕部暴露于过度伸展和尺偏的不良姿势，而长时间地或反复地暴露于涉 及偏离中性关节位置的姿势会引起肌肉骨骼不适，并且频繁的腕部桡一尺偏移是腕管综合症 ( c a r p a lt u n n e ls y n d r o m e ) 的主要原因。因此，对指点装置的操作姿势研究引起了一些研究者的 关注。k o t a n i 等人( 2 0 0 1 ) 观察了不同目标方向的指点定位作业中上肢运动特点，发现目标在水 平方向时只有腕部的桡尺偏移，随着目标方向从水平变至垂直，腕部运动急剧减少，而前臂运动 增加。当目标方向在3 0 。时，“腕和前臂运动”的百分率最高，即在这种操作中观察到混合运动。 b u r g e s s - l i m e r i c k 等人( 1 9 9 9 ，2 0 0 0 ) 用红外探测装置测试了水平与垂直方向的指点定位任务中 鼠标和追踪球的操作姿势。结果发现，对于鼠标，平均腕部姿势是伸展1 8 2 。和尺偏1 1 。；对于 追踪球，平均腕部姿势是伸展2 3 1 。和尺偏5 7 。研究者认为，与鼠标相比，追踪球的使用可 减少暴鳝于涉及极端尺偏的姿势，但是其代价是可能会增加暴露于涉及极端腕部伸展的姿势。但 他们对被试个体数据的进一步分析发现存在个体差异，即用追踪球执行同样的指点任务时，有的 被试可消除不良的腕部姿势；有的被试的姿势有一定的改进，但仍存在极端的腕部姿势；而有的 被试暴嚣于极端尺偏的频率只有略微的减少，而暴露极端的腕部伸展增加。因此，他们认为以追 踪球作为备择的指点装置应该慎重，要注意训练，以保证不会使暴露于极端腕部姿势的状况加重。 1 4 本研究的目的和意义 在传统的操作活动研究中经常涉及操作可控性和稳定性的分析；m e a d 和s a m p s o n ( 】9 7 2 ) 研究了在不同运动方向手臂的控制运动准确性。研究发现，手臂在垂直平面和水平平面的内外控 制运动的误差较大；而手臂在垂直平面的上下控制运动和在水平平面的左右控制运动的误差较 小。c o m g a n 和b m g d e n ( 1 9 4 9 ) 研究了在水平面8 个方向手的控制运动的准确性。研究发现， 在左下和右上方向的误差最少，而在左上和右下方向的误差最多。上述研究中的运动都需要连续 的肌肉控制，出现的误差都是由手臂颤动引起的。对于控制器，一般上说来，当装置较可控时其 操作误差较小，当对装置的控制较稳定时其操作误差的波动较小。可控性和稳定性是从人因素的 角度评价控制器性能的重要指标，对于指点装置也间样如此。在许多方面，指点装置的操作需要 精确的控制，比如对于目标较小的指点定位作业、绘图作业或游戏操作等等。因此，它的操作可 控性和稳定性是非常重要的。 当前实践中使用最多的指点装置是鼠标，而追踪球作为备择的指点装置较多地出现在市场 上。本研究采用需要连续精确控制的追踪作业，着重考察鼠标、食指操作追踪球和拇指操作追踪 球的操作可控性和稳定性。本研究分为2 个实验，第1 个实验是要考察不同运动路线条件下这3 种指点装置的操作可控性和稳定性，第2 个实验是要考察运动速度对这些装置的操作可控性和稳 定性的影响。此外在实验中，还要求被试对所使用装置的可控性和操作疲劳度做主观评价。根 据这些数据，我们将进一步分析使用这些指点装置的客观可控性与主观可控性之间的关系，以及 这些装置的