计算机和键盘和触控笔之型态学分析及人因设计方案

1、行政院国家科学委员会补助专题研究计划期中进度报告 计算机和键盘和触控笔之型态学分析及人因设计 计划类别：个别型计划整合型计划 计划编号： NSC92-2213-E006-039 执行期间： 92年 08月 01日至 93年 07月 31日 计划主持人：吴丰光 共同主持人：陈建旭马敏元 计划参与人员：罗书宜廖汉翔陈俊宇 成果报告类型（依经费核定清单规定缴交 :精简报告完整报 处理方式：除产学合作研究计划、提升产业技术及人才培育研究 计划、列管计划及下列情形者外，得立即公开查询 涉及专利或其它智慧财产权，一年二年后可公开查询 执行单位：国立成功大学工业设计学系 中华民国93年6月 30 日 摘要

2、随着行动纪元的展开，越来越多小巧且强调行动性的信息产品充斥在生活里，装 置变的越来越小，输入的形式也千变万化。在这股行动信息产品微小化潮流中，输 入作业并没有如同产品外在属性般地被重视，使用者必须重新学习适应这些受到外 在限制的输入设备。例如触控笔的笔身长度过短、直径太细、键盘按键太小、排列 过挤等现象。然而现有设备无法随着赋予信息产品的新概念而得到显著的改善，正 面临输入效率的严苛挑战。因此，本研究专注于和弦键盘和触控笔之使用性的探 讨，以期望发展出符合目前行动信息产品之使用者需求与更高的使用绩效。在和弦 键盘方面，旨在探讨使用者如何更容易的去学习和使用和弦键盘，和使用时手指置 换的特征和频

3、率。在触控笔方面，旨在探讨使用者执行最常用之点选、书写和描绘 作业之最适触控笔尺寸。 和弦键盘的研究结果显示： (1 效率最佳的编组在经过 24 个训练课程，共花费 3.5 小时，达到每分钟 101.39 字符的输入速率，正确率达 94.18%。(2 在输入正 确率方面，需要愈少和弦输入操作的字符，操作正确率相对较高。 (3 本研究提出 之和弦编组与其它和弦键盘比较，以字符串集为主的编码方式可以在短时间内让操 作者获得一定的输入速率，其缺点为输入速率趋近收敛值的时间比其它者来的早， 最高速率亦较低。 (4 在操作 10 小时后，以各受测者之最佳输入速率与原始输入 速率进行比较，达到每分钟 13

4、7.56 字符的速度，近于受测者之原始输入速率。 触控笔尺寸的研究结果显示： (1 三作业皆得理想的长度尺寸应介于 110mm- 140mm之间,避免小于或等 80mm. (2点选之理想的直径为 5.5mm书写则界于 8mm和11mm之间；画图则界于11mm和15mm之间.(3 点选与书写二作业使用之 理想直径尺寸为 8mm。 书写与画图作业之理想直径尺寸为 11mm。 三种作业之理想 直径尺寸应介于8mm-11m之间. 关键词：和弦键盘、触控笔、屏幕作业 Abstract Mobile technology leads the small-sized input device in to t

5、he dayflies and changed operating way of products for people on the quiet. The lack of concerning about input device caused some operating problems. For example, too thin diameter and too short of touch-pens, too small-keyboard sized for large fingers. The situations show the importance of ergonomic

6、ally well-designed input devices. Therefore, this study focuses on the issues of chord keyboard learn ability and touch-pen size, composing from two experiments: (1 Investigate how to learn and use chord keyboard easily, and the displacement of fingers. (2 Investigate the effects of touch-pen handle

7、 length and diameter on point-and-click, writing and drawing task performance with a pen-based computer. The results of chord keyboard can be summarized as following: (1 The most efficient operation of five modes reached the speed of 101.39 CPM (Characters per Minutes after 24 trials, 94.18% in corr

8、ect rate. (2 The less chord input characters being used the higher correct rate we get. (3 After comparing with other sorts of chord keyboard, the chunk-based-concept need less time for users to learn the method of operation. (4 The most efficient operation of five modes reached the speed of 137.56

9、CPM after 80 trials, equal to the subjectstouch typing speed. The results of touch-pen size can be summarized as following: (1 The touch-pen length should select between 110mm and 140mm rather than 80mm or below for the three screen tasks. (2 The optimum diameters of the touch-pens differed accordin

10、g to the screen tasks. For the drawing tasks, the optimum diameters were 11-15mm and for the writing tasks the optimum diameters were 8-11mm, however a pen with a diameter of 5.5mm was suggested especially for point-and-click task. (3 The optimum size for the combination of the three tasks: the sugg

11、ested diameter size is between 8mm and 11mm, and the length should select between 110mm and 140mm rather than 80mm or below. Keywords: Chord keyboard, touch-pen, screen task. 一、前言 随着行动纪元的展开，越来越多小巧且强调行动性的信息产品充斥在生活里，装 置变的越来越小，输入的形式也千变万化。在这股行动信息产品微小化潮流中，输 入作业并没有如同产品外在属性般地被重视，使用者必须重新学习适应这些受到外 在限制的输入设备。例

12、如触控笔的笔身长度过短、直径太细、键盘按键太小、排列 过挤等现象。然而现有设备无法随着赋予信息产品的新概念而得到显著的改善，正 面临输入效率的严苛挑战。 再者，人们见到了各式各样的手提电脑、个人数字助理等新产品，形成重要的趋 势，改变了计算机的形体。随着穿戴式计算机的出现，沉寂一时的和弦键盘再度被 考虑用于输入作业。Cummi ng(1984提出，和弦键盘是指以两个以上的键在同一时 间同时按来代表一个定义。和弦键盘并不常见，主要优点是体积轻巧，易于携带， 不需要稳定环境皆可操作，适用于单手的文数数据输入，颇符合目前使用者对行动 性的需求。再者 , 过去的研究者在设计和弦键盘时，常先考虑按键可能

13、呈现的排列 组合，并对操作不同组合时的困难度进行评估及排序，再依照字符频率将字符安排 在不同的组合上，频率高的字符常安排在操作困难度低的组合方式上，以增进输入 速度。经过研究者巧思的安排，通常操作者可达到相当高的输入速度，然而前提 是，必须通过长期的训练和记忆。在忙碌的今日社会中，旷日费时的学习势必成为 和弦键盘推行的窒碍。 又近几年，笔式输入 (pe n-based产品大量的出现，像 palm pilots、大哥大、电 子书、平板计算机等。使得人们直接在屏幕上如传统书写自然输入的活动更为频 繁，使用触控笔的机会也就增多 (Briggs et al., 1993。 Wallace and Sc

14、homer, 1994。 书写活动在日常生活中仍扮演着一个很重要的角色 (Longstaff and Heath, 1997。 Briggs et al., 1993, 它提供了人们传达与自我表现一种主要方式(Roberts and Samuels, 1993。而书写活动使用的笔，亦是手工具的一种(Sanders and McCormick, 1993，都可视为手部的延伸。如同其它手工具强调人因设计之重要性一样，不同 的书写工具尺寸 (长度，直径 ，或不同造形的握柄设计，皆会因从事的任务不同而 产生不同的使用行为和绩效 (Sanders and McCormick, 1993。 Kao, 19

15、79。 现今市售之笔式输入接口专用的触控笔，虽然有很多尺寸和造型提供使用者选 择，但是这些触控笔的平均直径尺寸仅约 5mm (Liang and Lo, 2002，且本研究经 前调查发现最小的长度尺寸也仅约80 mm。它们的长度与直径尺寸皆比传统的书 写工具的尺寸还要来得小，这样的现象不禁让我们怀疑，这些触控笔对于使用者在 任务上的执行是否能提供良好的使用绩效 ? 再者，相较于传统的书写活动，在笔式 输入接口上人们可以执行的任务更加多元，除了书写文字外，还能直接执行绘图活 动和 Position control，例如 Pointing、Selecting、Moving (Briggs et a

16、l., 19993.目前 与书写工具相关的研究，被探讨的议题很多。例如针对铅笔握持的(pencil grip (Sassoon et al., 1986。 Ziviani 长度尺寸范围从80到140 mm。本实验之长度有3个水平，分别为 80mm、110mm、140mm；直径有 4 个水平，分别为 5.5mm、8mm、11mm、15mm. 每位受测者被要求以随机的方式用 12 枝笔完成 3 种不同的任务。点选作业与书写 作业之依变项包含使用时间，错误率；画图作业之依变项包含使用时间，失误率， 初次失误发生时距离起始点的距离，总失误面积等。 2.1.3实验设备 12 枝实验用触控笔皆由本研究自制

17、。它们的尺寸涵盖市售的触控笔，其直径尺 寸范围从5.5到15 mm ;长度尺寸范围从80到140 mm。实验用的平板计算机之显 示装置为10.4薄膜转换器(TFT触控式液晶显示器(LCD。屏幕分辨率为1024 X 768 dpi。 2.1.4使用者手部持笔动作评价 (1 依各评价工程之尺度 , 分别以 3点量表、 4 点量表和实际量测数字评价之 . 评价 的工程则根据 Parush et al. (1998 研究中所提的人因评价要项 , 有: 握笔位置和握笔 的一致性。 还有本研究提出之握持时触及笔杆的手指数目、大拇指与食指在笔杆 上放置位置之距离、笔杆倚靠倚靠在食指的位置和书写时上肢支撑与否

18、 . 各项评价 之尺度定义细节如下所述 . (2 握持时触及笔杆的手指数目 , 纪录手指的数目 (3 大拇指与食指在笔杆上放置位置之距离 , 将大拇指与食指握笔位置之相距的距 离分为三个水平：1分表示大拇指与食指二者平行。2分表示相距1cm以内。3分 表示相距1cm以上.在每枝笔杆上每隔一公分处皆被贴上 1mm宽度的线控之记号. (4 握笔位置, 即握笔处相对于笔尖的距离 . 因为在每枝笔杆上每隔一公分处皆被贴 上 1mm 宽度的线控之记号 , 所以 , 握笔的位置乃根据使用者之食指的位置判断之 , 依公分数给分 . (5 笔杆倚靠在食指的位置 . 1 分表示笔杆位于食指远程指骨到中指骨之间

19、, 包含近 端指节关节 , 此时笔杆与书写面构成的角度约 80度-90度之间. 2分表示笔杆位于食 指之近端指骨到掌骨区段 , 此时笔杆与书写面构成的角度约 65度-75度之间. 3分表 示笔杆位于手之虎口处 , 此时笔与书写面构成的角度约 45度左右 . (6 握笔之一致性 , 即书写时手指是否有在笔杆作上下移动的改变 . 4 分表示书写时 手指在笔杆上无任何上移或下滑或转动的改变 最佳)。 3 分代表书写时手指在笔 杆上有 1-2 次调整。 2 分代表书写时手指在笔杆上有 3-4 次位移的改变。 1 分代表 书写时手指在笔杆上发生 4次以上位移的改变 , 不断地改变位置 书写时上肢支撑与否

20、 . 4 分表示完全无支撑 , 书写时手臂的力量完全在肩关节 . 3 分表示一点局部支撑 , 只有腕关节支撑 , 而肘关节或说前臂的部分悬空 . 2 分表示一 点局部支撑 , 只有肘关节或说前臂的部分支撑 , 而腕关节悬空 . 1 分表示全部支撑 , 包 含肘关节或说前臂的部分和腕关节 . 2.2 和弦编组实验设计 本研究之实验步骤与流程将分为两阶段进行。第一阶段作为前测试，进行初步筛 选。第二阶段进行后续训练，并建立学习曲线。此过程得到的数据，将可提供往后 和弦键盘发展参考之用。 2.2.1 自变项 自变项组别，分组依据控制单元之数目，分为一个、二个及三个，其中三个控制 单元提出二种组合，以

21、及目前常见的手机编组，共有五种类型，以键盘仿真呈现。 2.2.2依变项 输入速率及正确率计测。输入速率以每分钟输入字符数计算 (CPM, character per minute,正确率则由错误字数推算。实验设定在输入同一字符时，连续的错误被 视为不同的输入错误，而非以单一错误视之。以百分比表示。 2.2.3受测者 本实验受测者为对行动信息产品颇具概念，无腕部受伤之经验者。英文按指打字 速度介于2030 wpm (words per minutes,每分钟打字速率 ，藉以排除其它因素 干扰。受测者年龄选定为 20-30岁之间，右手为惯用手。 2.2.4实验设备 此次实验中包含五种具代表性之不同

22、编组和弦输入设备，然而若异于受测者熟悉 之键盘，可能形成影响因素，故除编组方式不同外一切套用标准键盘设计，惟按键 顶面改为编组后之呈现，并以程序改变输入方式与输入字符。实验设备共计：五组 标准键盘，鼠标，笔记型计算机，屏幕。改装标准键盘时，为避免受测者操作误 触，因此剔除未用到的按键，并以 ABS 板覆盖。 三、研究结果 3.1触控笔实验结果与讨论 触控笔之实验结果归纳如下 (1点选作业最理想的笔之尺寸组合为长度 140mm与直径5.5mm；书写作业最理 想的笔之尺寸组合为长度 140mm与直径11mm；画图作业最理想的笔之尺寸组合 为长度 110mm 与直径 15mm. (2 三作业皆得理想

23、的长度尺寸应大于或等于 110mm, 避免小于或等 80mm. 点选之 理想的直径范围界于 5.5mm和8mm之间；书写则界于8mm和11mm之间；画图 则界于11mm和15mm之间.不同的作业型式之笔的尺寸需求与使用行为特征皆有 差异 . (3 手部持笔动作与使用绩效之间的关系可得：点选时的绩效表现是受笔杆倚靠在 食指位置 ,大拇指与食指之位置相距距离与上肢支撑的影响 . 书写时受大拇指与食指 位置的影响 . 画图时则受手指数目 , 握笔位置, 笔杆倚靠在食指位置与上肢支撑的影 响. 从任何作业之主客观评量结果皆可得 , 理想的长度尺寸至少要大于或等于 110mm, 避免小于或等于 80mm

24、. 本研究为进一步探讨笔的长度对于绩效的影响 , 量测参与本 实验之 15 名受测者之手掌宽度。 他们的平均掌宽值为 81.57mm, 标准差为 4.73 mm. 而本实验使用之最短的笔长为 80mm, 其值与受测者的掌宽平均值相当 . 由此便 可理解, 为何在三种作业之绩效表现上 , 长度 80mm 的笔之表现均是最差的原因了 . 所以, 当我们在设计书写工具时 , 要注意并考虑该设计对象之掌宽的人体计测数据 , 避免使用与掌宽尺寸相当或更小的尺寸 . 再者, 从主客观之量测结果 , 可得点选作业之理想的直径尺寸范围界于 8mm 和 11mm之间，显示直径较细的笔较适合点选作业时使用.而书写

25、作业之理想的直径尺 寸范围界于8mm到11mm之间。直径太细的笔不适于书写时使用.本研究在书写 作业所得之理想的直径尺寸与传统书写用的圆子笔比较 , 市售普遍的圆子笔之直径 尺寸在8mm到10mm之间。显示本研究之发现与传统之书写笔的直径尺寸是相当 的. 本研究推论 , 人们对于在屏幕上之书写工具尺寸的需求可能受长久以来惯用的书 写工具的影响 , 而表现出相同的直径尺寸需求 , 并无太大的差异 . 最后, 画图作业之理 想的直径尺寸范围界于 11mm 到 15mm 之间 . 其研究结果与 Peck, Askov and Fairchild (1980论述之Paker的研究结果相当,他建议绘图时

26、铅笔的直径尺寸以 10/ 32 inch为佳,直径较细的笔在绘图时表现较不佳. 此外, 在书写和画图作业之握笔位置之一致性而言 , 本研究得到的结果与文献相仿 (Gree and Lockma n,1998 “握笔位置的变化性会随着年龄越大而减少”.部分的 研究亦提出人们一旦在学龄阶段习会自然书写的机动技能后 , 握笔位置的变化性会 随着年龄越大而减少 (Schneck,1991。 Gree and Lockman,1998. 本研究之受测对象 皆为成人 , 故在握笔之一致性上表现出高度的稳定性 . 此外, 本研究除了由表 3得到 各作业之理想的长度与直径尺寸值外 , 尚可得各作业间合并之理想

27、尺寸：建议点选 与书写二作业使用之理想直径尺寸为8mm。 若书写与画图作业连结 , 则建议理想 直径尺寸为 11mm。 连若结三种作业的话 , 则建议理想直径尺寸应介于 8mm-11mm 之间. 长度尺寸则仍然是要大于或等于 110mm. 3.2 和弦键盘结果与讨论 本研究着眼于改善学习费时问题，让操作者快速建立起技能，在费时与速率间做 权衡，提出最适宜之编组。实验结果可得： (1 在实验前测阶段，影响输入速率的主因为字符频率。字符频率在各个按键原始 状态总和居高者，在前几个训练课程中表现比其它组优异。第二组及第三组训练成 效不彰，归因于频率影响记忆策略，由于第二组和第三组的按键首字频率较低，

28、不 常被使用到，受测者无法顺利经由首字去记忆其余几个和弦状态所定义的字符。由 于第五组表现明显优于第二组和第三组，因此推测首字频率低于30%即可能对记 忆策略的建立有不良影响。 (2 受测者记住大多数的编组方式后，输入首字和输入和弦字符的时间差异缩减， 影响速率的主要因素由手指位移量所取代。 (3 完成 24 个训练课程，可得到第一组、第四组与第五组间具有显著差异，操作 之输入效率为第四组(101.39 CPM优于第五组(87.81 CPM，第五组优于第一组 (79.80 CPM。最终验证，操作第四组和弦编组时，能得到最高效率。而输入正确 率方面，则以第一组为最佳。归因于同一按键上，愈少需要和

29、弦输入的字符，操作 的正确率相对提升。第一组与第四组、第五组间之正确率具显著差异，第一组正确 率 96.19%；第四组 94.18%；第五组 93.33%。 (4 受测者之原始输入速率与和弦输入速率间，并无明显的关系存在。符合本研究 之基础概念：不建构在受测者既存的技术上，避免对未来操作者设限。 (5 与其它和弦键盘比较，以字符频率为主的编码方式可以产生高效率的和弦输 入，然亦需长时间的学习训练；而以字符串集为主的编码方式可以在短时间内让操 作者获得一定的输入速率，其缺点为输入速率趋近收敛值的时间比其它者来的早， 最高速率亦较低。 (6后续第四组进行至 80个训练课程后，输入速率已达收敛值。求

30、得回归方程式： CPMi =31.915713 x t333201。而依据McMuIkin等(1994对第二代三相和弦键盘之 单手操作研究显示，受测者开始操作时可达每分钟 37字符的速率， 60小时后达每 分钟 157 字符； Kroemer (1992对第三代三相键的研究中指出，受测者开始操作第 三代三相键时，可达每分钟 29 字符的速率， 10 小时后达每分钟 78 字符； Matias 等 (1996对 Half QWERTY 的测试指出，受测者初时达每分钟 11.7 字(换算为每分 钟 58.5 字符，约为受测者一般输入速率之 20.5%，10 小时后达每分钟 163.5 字 符，约为

31、一般输入速率之 51.6%。以上述学者研究和弦键盘的实验数据，反观本实 验中之第四组编组：操作速率始于每分钟 32.75 字符，约为受测者使用一般键盘输 入速率的 26.2%，在 3.5 小时后达每分钟 101.39 字符，约为一般输入速率的 81.1%，而在 10 小时后达 139.38字符，相当于受测者一般输入的速率。 四、结论与建议 本研究在既定之时间规划里，完成了和弦键盘和触控笔尺寸与使用动作型态的调 查，故此研究达成预期之研究内容与目标。从和弦键盘和触控笔尺寸的调查结果了 解使用者使用不同排序组合之合弦键盘的使用学习性和手指在键盘上置换的差异； 也透过触控笔的实验得到了各作业、各组合

32、作业之最适触控笔的尺寸，以及使用者 执行时上肢动作型态特性。其研究结果将提供相关产业或学术研究之建议与参考。 未来将可进一步依据本研究之研究结果将和弦键盘和触控笔进行整合性之弹性输入 装置之产品设计，再辅以实验性与评价性验证弹性输入装置之优势。 参考文献 Blote, AW., Zielstra, EM. & Zoerewey, MW., 1987. Writing posture and writing movement of children in kindergarten. Journal of Human Movement in Student 13, 323-341. Briggs,

33、 R.O.。 Dennis, A.R.。 Beck, B.S. 。 Nunamaker Jr., Jay F., 1993. Whither the Pen-Based Interface? Journal of Management Information Systems, 9 (3, 71-90. Carlson, K.。 Cunningham, J., 1990. Effect of Pencil Diameter on the Graphomotor Skill of Preschoolers. Early Childhood Research Quarterly, 5(2, 279-

34、293. Cumming, G., 1984. QWERTY and keyboard reform : the soft keyboard option, Int ManMachine Studies, 21, pp.445-450. Greer T. 。 Lockman, J.J., 1998. Using Writing Instruments: Invariances in Young Children and Adults. Child Development, 69 (4, 888-902. Hwang,Yie-Shu 。 Chang,Chen-Yin 。 Wang,Pei-Lin

35、g, The Study of Fine Motor Skill Activities and Pencil-Holding Gesture in Early Childhood, NSC, 1994, 1-147. (NSC84-2411-H133-003 Kao, H., 1976. An Analysis of User Performance Toward Handwriting Instruments. Perceptural and Motor Skill, 43, 522. Kao, H., 1979. Differential Effects of Writing Instru

36、ments on Handwriting Performance. Acta Psychologica Taiwanica, 21, 9-13. Kroemer, K. H. E., 1992.Performance on a prototype keyboard with ternary chorded keys, Applied Ergonomics, 23(2, pp.83-90. Liang, C.I., Lo, Q.J., 2002. A Study on Relationship with Recognition, Comfort and Stability of Touch-Pe

37、ns for PDA. Industrial Design (Taiwan30 (2, 131-136. Longstaff, M.G., Heath, R.A., 1997. Space-time Invariance in Adult Handwriting. Acta Psychologica 97, 201-214. Matias, E., MacKenzie, I. S., Buxton, W., 1996. One-Handed Touch-Typing on a QWERTY McMulkin, M. L., Kroemer, K. H. E., 1994. Usability of a one-hand ternary chord keyboard, Applied Ergonomics, 25(3, pp.177-181. Parush, Shula,。 Lavanon-Er