021计算机和键盘和触控笔之型态学分析及人因设计Word格式文档下载.docx

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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

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137.56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-11mm之间.

关键词：

和弦键盘、触控笔、屏幕作业

Abstract

Mobiletechnologyleadsthesmall-sizedinputdeviceintothedayfliesandchangedoperatingwayofproductsforpeopleonthequiet.Thelackofconcerningaboutinputdevicecausedsomeoperatingproblems.Forexample,toothindiameterandtooshortoftouch-pens,toosmall-keyboardsizedforlargefingers.Thesituationsshowtheimportanceofergonomicallywell-designedinputdevices.Therefore,thisstudyfocusesontheissuesofchordkeyboardlearnabilityandtouch-pensize,composingfromtwoexperiments:

（1）Investigatehowtolearnandusechordkeyboardeasily,andthedisplacementoffingers.

（2）Investigatetheeffectsoftouch-penhandlelengthanddiameteronpoint-and-click,writinganddrawingtaskperformancewithapen-basedcomputer.

Theresultsofchordkeyboardcanbesummarizedasfollowing:

（1）Themostefficientoperationoffivemodesreachedthespeedof101.39CPM（CharactersperMinutes）after24trials,94.18%incorrectrate.

（2）Thelesschordinputcharactersbeingusedthehighercorrectrateweget.（3）Aftercomparingwithothersortsofchordkeyboard,thechunk-based-conceptneedlesstimeforuserstolearnthemethodofoperation.（4）Themostefficientoperationoffivemodesreachedthespeedof137.56CPMafter80trials,equaltothesubjects’touchtypingspeed.

Theresultsoftouch-pensizecanbesummarizedasfollowing:

（1）Thetouch-penlengthshouldselectbetween110mmand140mmratherthan80mmorbelowforthethreescreentasks.

（2）Theoptimumdiametersofthetouch-pensdifferedaccordingtothescreentasks.Forthedrawingtasks,theoptimumdiameterswere11-15mmandforthewritingtaskstheoptimumdiameterswere8-11mm,howeverapenwithadiameterof5.5mmwassuggestedespeciallyforpoint-and-clicktask.（3）Theoptimumsizeforthecombinationofthethreetasks:

thesuggesteddiametersizeisbetween8mmand11mm,andthelengthshouldselectbetween110mmand140mmratherthan80mmorbelow.

Keywords:

Chordkeyboard,touch-pen,screentask.

一、前言

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。

Cumming（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（pen-based）产品大量的出现，像palmpilots、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（Briggsetal.,1993;

WallaceandSchomer,1994）。

书写活动在日常生活中仍扮演着一个很重要的角色（LongstaffandHeath,1997;

Briggsetal.,1993）,它提供了人们传达与自我表现一种主要方式（RobertsandSamuels,1993）。

而书写活动使用的笔，亦是手工具的一种（SandersandMcCormick,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（SandersandMcCormick,1993;

Kao,1979）。

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（LiangandLo,2002），且本研究经前调查发现最小的长度尺寸也仅约80mm。

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Positioncontrol，例如Pointing、Selecting、Moving（Briggsetal.,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（pencilgrip）（Sassoonetal.,1986;

Ziviani&

Elkins,1986;

Bloteetal.,1987）、座姿和纸张位置（positioning）（Bloteetal.,1987）、书写时肌肉负荷议题（Hwangetal.,1994;

Parushetal.,1998）和书写工具种类与各部尺寸的研究（Kao,1976,1979;

CarlsonandCunningham,1990）。

却鲜少有人针对不同的工具尺寸或形式在不同的作业活动上所产生不同使用方式和绩效之方面的探讨。

基于上述理由,本研究将先初步以数个实验分别探讨和弦键盘的使用学习性和最合适知触控笔尺寸，最后再将其使用特性和产品特点发展一整合性，创新性之输入设备之研究。

二、研究方法

本研究针对触控笔与和弦键盘分别进行两个实验：

2.1触控笔实验设计

本实验为受测者内二因子实验设计，以长度和直径作为固定因子。

实验任务包含点选，书写和画图作业。

每个受测者被要求以随机的方式完成3种不同的任务，每个任务共有12个配方（4种直径×

3种长度）。

2.1.1受测者

15名受测者参与本实验，男性8名,女性7名。

他们皆是无任何手部肌肉与骨骼伤害的病史，且都是右手惯用者。

所有的受测者使用计算机经验的平均年数为7.5年（SD=1.88年）。

他们每天至少使用计算机4小时，其年龄范围从25岁到31岁，平均年龄为26.4岁（SD=1.55岁）。

2.1.2实验作业与依变项

12枝实验用触控笔。

它们的尺寸涵盖市售的触控笔，其直径尺寸范围从5.5到15mm；

长度尺寸范围从80到140mm。

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。

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×

768dpi。

2.1.4使用者手部持笔动作评价

（1）依各评价项目之尺度,分别以3点量表、4点量表和实际量测数字评价之.评价的项目则根据Parushetal.（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.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,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（最差）.

（7）书写时上肢支撑与否.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,characterperminute），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20～30wpm（wordsperminutes，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；

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.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4.73mm.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,AskovandFairchild（1980）论述之Paker的研究结果相当,他建议绘图时铅笔的直径尺寸以10/32inch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（GreeandLockman,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;

GreeandLockman,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，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（101.39CPM）优于第五组（87.81CPM），第五组优于第一组（79.80CPM）。

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。

求得回归方程式：

CPMi=31.915713×

T0.333201。

而依据McMulkin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HalfQWERTY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。