Un método de evaluación y un kit de herramientas para evaluar el diseño del teclado en teléfonos inteligentes

Resumen

El protocolo presentado integra varios métodos de evaluación y demuestra un método para evaluar el diseño del teclado en teléfonos inteligentes. Los pares emparejados por caracteres en inglés se proponen como material de entrada, y el tiempo de transición entre dos claves se utiliza como variable dependiente.

Resumen

La entrada de teclado ha desempeñado un papel esencial en la interacción humano-computadora con una vasta base de usuarios, y el diseño del teclado siempre ha sido uno de los objetos fundamentales de estudio sobre dispositivos inteligentes. Con el desarrollo de la tecnología de pantalla, los teléfonos inteligentes podrían recopilar datos e indicadores más precisos para evaluar en profundidad el diseño del teclado. La ampliación de la pantalla del teléfono ha llevado a una experiencia de entrada insatisfactoria y dolor en los dedos, especialmente para la entrada con una sola mano. La eficiencia de entrada y la comodidad han atraído la atención de investigadores y diseñadores, y el teclado curvo con botones ajustables en tamaño, que concuerda aproximadamente con la estructura fisiológica de los pulgares, se propuso para optimizar el uso con una sola mano en teléfonos inteligentes de pantalla grande. Sin embargo, sus efectos reales siguieron siendo ambiguos. Por lo tanto, este protocolo demostró un método general y resumido para evaluar el efecto del diseño curvo del teclado QWERTY en un teléfono inteligente de 5 pulgadas a través de un software de desarrollo propio con variables detalladas, incluidos datos de comportamiento objetivo, retroalimentación subjetiva y los datos de coordenadas de cada punto de contacto. Existe suficiente literatura sobre la evaluación de teclados virtuales; sin embargo, sólo unos pocos de ellos resumieron sistemáticamente y reflexionaron sobre los métodos y procesos de evaluación. Por lo tanto, este protocolo llena el vacío y presenta un proceso y método de evaluación sistemática del diseño del teclado con códigos disponibles para el análisis y la visualización. No necesita equipos adicionales o costosos y es fácil de conducir y operar. Además, el protocolo también ayuda a obtener posibles razones para las desventajas del diseño e ilumina la optimización de los diseños. En conclusión, este protocolo con los recursos de código abierto no solo podría ser un experimento demostrativo en clase para inspirar al novato a comenzar sus estudios, sino que también contribuye a mejorar la experiencia del usuario y los ingresos de las empresas editoras de métodos de entrada.

Introducción

La entrada de teclado es el método principal de la interacción humano-teléfono inteligente^1,2,y con la penetración de los teléfonos inteligentes, la entrada de teclado obtiene miles de millones de usuarios. En 2019, la tasa global de penetración de teléfonos inteligentes había alcanzado el 41,5%^3,mientras que Estados Unidos, con la mayor penetración, había llegado hasta el 79,1%^4. Hasta el primer trimestre de 2020, el teclado móvil Sogou tenía alrededor de 480 millones de usuarios activos diarios⁵. Hasta el 6 de mayo de 2020, el Google Gboard se había descargado más de 1.000 millones de veces^6.

La experiencia de entrada de teclado insatisfactoria aumenta con la ampliación de la pantalla del teléfono. Aunque la pantalla ampliada tenía como objetivo mejorar la experiencia de visualización, ha cambiado la gravedad, el tamaño y el peso de los teléfonos inteligentes, lo que hace que los usuarios cambien la postura de sujeción repetidamente para llegar a áreas remotas (por ejemplo, los botones A y Q para usuarios diestros), lo que lleva a la ineficiencia de entrada. El estiramiento del músculo puede hacer que los usuarios sufran de trastornos musculoesqueléticos, dolores en las manos y diferentes tipos de enfermedades (por ejemplo, síndrome del túnel carpiano, osteoartritis del pulgar y tenosinovitis del pulgar^7,8,9,10). Los usuarios que prefieren el uso con una sola mano están en peores condiciones^11,12.

Por lo tanto, la evaluación y optimización del diseño del teclado se han convertido en temas candentes de investigación psicológica, técnica y ergonómica. Las empresas e investigadores del editor de métodos de entrada (IME) han propuesto constantemente diseños y conceptos de teclado variable para optimizar la experiencia y la eficiencia de la entrada, incluidos los teclados con cambio de diseño y reordenados por caracteres: Microsoft WordFlow Keyboard^13,Functional Button Area in Glory of Kings^14,IJQWERTY¹⁵y Quasi-QWERTY^16.

Los métodos de evaluación existentes del diseño del teclado varían de un investigador a otro, excepto por varios indicadores altamente aceptados, y se proponen indicadores más precisos. Sin embargo, con una variedad de indicadores, no hay un protocolo resumido y sistemático proporcionado para demostrar el proceso de evaluación y análisis del diseño del teclado. La Ley¹⁷ de Fitts y su versión extendida de la Ley FFitts^18,que describía la interacción humano-computadora, fueron ampliamente adoptadas para evaluar el rendimiento del teclado^19,20,21,22. Además, el área funcional del pulgar se propuso para mejorar el diseño del teclado, y describió un área de movimiento curva para que el pulgar complete cómodamente la tarea de entrada²³. Sobre la base de estas teorías, los indicadores que incluyen palabra por minuto, tasa de error de palabra y retroalimentación subjetiva (usabilidad percibida, rendimiento percibido, velocidad percibida, carga de trabajo subjetiva, esfuerzo y dolor percibidos, e intención de uso, etc.), que fueron altamente adoptados, se utilizaron parcialmente en estudios previos^{24,25,26,27,28,29} excepto para los métodos de modelado y simulación. Además, la elipse ajustada de puntos de contacto en cada botón y su desplazamiento^30,31 se utilizaron en los últimos años para investigar el rendimiento preciso de los eventos de entrada. Asimismo, se adoptaron la respuesta galvánica de la piel, la frecuencia cardíaca, la actividad electromiográfica, el gesto con las manos y el movimiento corporal^{32,33, 34,35} para evaluar directa o indirectamente la fatiga muscular, la comodidad y la satisfacción de los usuarios. Sin embargo, estos diversos métodos carecen de reflexión sobre la idoneidad de los indicadores utilizados, y un investigador novato puede confundirse para seleccionar los indicadores apropiados para su investigación.

La investigación sobre el diseño del teclado también es fácil de realizar, operar y analizar. Con el auge de la tecnología de pantalla, se podrían recopilar fácilmente más datos de comportamiento para evaluar el diseño del teclado en profundidad (por ejemplo, el tiempo de transición entre dos teclas y los datos de coordenadas de cada punto de contacto). Sobre la base de los datos mencionados, los investigadores podrían explorar con precisión los detalles del diseño del teclado y analizar sus desventajas y ventajas. En comparación con otras investigaciones de interacción humano-computadora, la investigación del diseño del teclado en teléfonos inteligentes portátiles también tiene un alto valor de aplicación para su vasta base de usuarios sin equipos costosos, materiales complicados o un gran espacio de laboratorio necesario. Los cuestionarios, escalas y scripts de Python sobre la investigación son de código abierto y de fácil acceso.

El propósito de esta investigación es resumir los métodos anteriores para demostrar un protocolo sistemático, preciso y general para evaluar y analizar el diseño del teclado en los teléfonos inteligentes. El experimento ejemplar y los resultados tienen como objetivo mostrar si el teclado QWERTY curvo con botones ajustables en tamaño podría optimizar la experiencia de entrada de una sola mano en un teléfono inteligente de 5 pulgadas en comparación con el teclado QWERTY tradicional y compartir el método de visualización y el script Python de análisis de datos.

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Protocolo

El estudio se realizó de acuerdo con el principio ético y fue aprobado por el Comité de Ética de la Universidad de Tsinghua. La Figura 1 muestra el proceso de evaluación del diseño del teclado de los teléfonos inteligentes.

Figura 1: Proceso general de realización de un experimento de teclado y evaluación del diseño del teclado. Haga clic aquí para ver una versión más grande de esta figura.

1. Preparación

1. Diseño de experimentos
   1. Definir el tema de investigación y proponer la hipótesis.
   2. Diseñe el experimento de acuerdo con la hipótesis y defina las variables independientes (por ejemplo, distribución del teclado, postura de escritura). Utilice el diseño dentro del sujeto para reducir los factores de confusión y la varianza causada por la diferencia entre los participantes.
2. Variables dependientes
   1. Utilice datos físicos, incluida la longitud de la mano, la longitud del dedo de entrada y la circunferencia del dedo de entrada, que se midieron mediante una cinta métrica, como se muestra en la Figura 2.
   2. Utilice datos fisiológicos, incluida la respuesta galvánica de la piel (medida por el detector fisiológico inalámbrico portátil), la frecuencia cardíaca (medida por el detector fisiológico inalámbrico portátil), la actividad electromiográfica (medida por electromiografía de superficie), etc.
   3. Utilice el rendimiento de entrada: palabra por minuto, tasa de error de palabras y tiempo de transición entre dos claves.
      1. Palabra por minuto se refiere a la velocidad de entrada de los participantes (es decir, el número de palabras ingresadas correctamente por minuto).
      2. La tasa de error de palabras se refiere a la precisión de entrada de los participantes (es decir, el número de palabras ingresadas incorrectamente dividido por el número total de palabras bajo una condición). La tasa de error corregida, la tasa de error no corregida y la tasa de error total también se han utilizado en estudios previos³⁶.
      3. El tiempo de transición entre dos teclas se refiere al tiempo de reacción de los participantes entre dos puntos de contacto de una palabra²² ingresada correctamente (es decir, la hora de inicio del segundo punto de contacto menos la hora de salida del primer carácter).
   4. Use datos de movimiento corporal, como el gesto de la mano y el movimiento del cuerpo (dedo). Podrían ser recogidos por el sistema de captura de movimiento³⁵.
   5. Utilice datos subjetivos como la usabilidad percibida, la intención de uso, la precisión y velocidad percibidas, el esfuerzo y el dolor percibidos, y la carga de trabajo subjetiva, etc. Los datos subjetivos se pueden obtener a través de escalas y cuestionarios existentes, que son altamente confiables y válidos para evaluar mejor la retroalimentación subjetiva de los participantes sobre el diseño del teclado.
      1. Use NASA-TLX, una escala de 21 puntos que se utiliza para medir la carga de trabajo subjetiva a través de dimensiones mentales, físicas, de tiempo, rendimiento, esfuerzo y frustración. Una puntuación alta indica una alta carga de trabajo subjetiva²⁶.
      2. Utilice la Escala de Usabilidad del Sistema, un cuestionario de 5 puntos con 10 ítems, y las respuestas de un participante se calcularán como una puntuación única de 0 a 100. Una puntuación alta indica una alta usabilidad percibida²⁴.
      3. Utilice la escala Borg CR10, que varía de 0 a 10 para medir el dolor y el esfuerzo percibidos. Una puntuación alta indica un alto nivel de dolor y esfuerzo percibido²⁵.
      4. Use la escala de intención de uso: un cuestionario de 10 puntos que se utiliza para medir la probabilidad de que los participantes usen la tecnología o los productos. Una puntuación alta indica una probabilidad de alto nivel²⁸.
      5. La velocidad percibida y la precisión percibida se miden mediante escalas de 50 puntos, y una puntuación alta indica un buen rendimiento percibido²⁸.
   6. Recopile los datos de coordenadas de cada punto de contacto y cámbielos a la elipse ajustada (IC 95%) de puntos de contacto en cada botón^30,31. Adopte el área de cada elipse ajustada y el desplazamiento desde el centro de la elipse ajustada hasta el centro objetivo de cada botón como variables dependientes.
      NOTA: Los datos de coordenadas pueden ser recopilados con precisión por la aplicación de desarrollo propio en el teléfono inteligente. Si es difícil obtener los datos de coordenadas, los datos objetivos y subjetivos son suficientes para evaluar aproximadamente el diseño del teclado.

Figura 2: La medición de la mano. Haga clic aquí para ver una versión más grande de esta figura.

3. Materiales
   1. Elija el smartphone del experimento. Tenga en cuenta el peso, la resolución y el tamaño de la pantalla.
   2. Diseñar y desarrollar el software de experimento en smartphones (paso opcional).
      NOTA: El tiempo de transición entre dos teclas puede ser registrado automáticamente por este software o sensores de captura de movimiento (es decir, el sensor del acelerómetro). Puede ser difícil recogerlo manualmente (por ejemplo, un reloj o cronómetro).
   3. Seleccione la tarea de entrada de las siguientes sugerencias basadas en la hipótesis y revísela para que coincida con el propósito de la investigación.
      1. Para la tarea de entrada de pares de caracteres, empareje aleatoriamente 26 letras inglesas en 676 pares y divídalas en promedio en varios grupos según el diseño del experimento.
      2. Para la tarea de entrada de frases (oraciones), use frases que sean moderadas en longitud, fáciles de recordar y representativas del idioma de destino. Si el idioma de destino es el inglés, extraiga de 15 a 20 (o según el propósito de la investigación) frases o palabras de un conjunto de 500 frases³⁷.
4. Reclutamiento de participantes
   1. Utilice el software G*Power para calcular el tamaño de la muestra.
   2. Publicar cuestionarios para reclutar participantes potenciales.
   3. Filtre a los participantes potenciales con las características deseadas, por ejemplo, edad, salud, visión, mano y experiencia de entrada. Asegúrese de que la experiencia de entrada de los participantes sea equilibrada.

2. Procedimiento

1. Lea el formulario de consentimiento informado del experimento a los participantes, incluido el procedimiento del experimento, la tarea y si encontrarán alguna lesión mental o física. Si los participantes aceptan participar, deben firmar el formulario de consentimiento informado. De lo contrario, pueden retirarse de inmediato. De acuerdo con el formulario de consentimiento informado, los participantes también pueden retirarse en cualquier etapa del experimento.
2. Recopilar datos físicos y demográficos. Utilice una cinta métrica para medir la mano de cada participante (Figura 2) con el fin de eliminar el efecto de la diferencia de tamaño de la mano y también proporcionar datos repetibles para futuras investigaciones. Recopile datos demográficos como la edad, el género, la experiencia de entrada precisa y la ocupación.
3. Desinfecte todos los dispositivos y limpie las partes del cuerpo del participante que tocarán los dispositivos.
   1. Pida a los participantes que se laven las manos y limpien la pantalla de los teléfonos inteligentes para que los sensores de los teléfonos inteligentes puedan ser más sensibles.
   2. Pida a los participantes que usen detectores fisiológicos inalámbricos portátiles o un sistema de captura de movimiento. Pida a los participantes que usen la pulsera de detección fisiológica inalámbrica portátil en la mano no dominante para registrar la respuesta galvánica de la piel y la frecuencia cardíaca con la interferencia de ruido evitada.
      1. Coloque marcadores pasivos del sistema de captura de movimiento en las uñas, la falange proximal del dedo, las vértebras cervicales (C3-C5) y el brazo, para recoger el movimiento preciso del cuerpo y los dedos. Pegue electrodos inalámbricos a la piel de dos brazos y dos antebrazos para detectar la actividad electromiográfica (paso opcional).
   3. Calibrar todos los dispositivos utilizados en el experimento.
4. Parte de práctica
   1. Permita que los participantes completen la tarea de capacitación. La tarea de entrenamiento se utiliza para mejorar la familiaridad de los participantes con las tareas de entrada y los teclados para reducir el efecto de la práctica o la falta de familiaridad en el resultado del experimento. Se compone de 50 pares o 20 palabras seleccionadas al azar del conjunto de 676 pares en inglés o 500 frases. Solo cuando su precisión de entrada alcanza el 80% o más en 150 segundos pueden ingresar a los ensayos formales. La investigación ejemplar adoptó la nsomisión de 50 pares como tarea de entrenamiento.
5. Tarea principal
   1. Permita que los participantes completen ensayos formales en todas las condiciones experimentales. Deben garantizar su precisión lo más rápido posible durante el tiempo de la tarea de entrada. Los ensayos formales son tareas de entrada reales que serán evaluadas y analizadas en la investigación. Cada par, palabra u oración representa un ensayo, y diferentes diseños experimentales producen diferentes condiciones experimentales.
   2. Haga que los participantes completen la tarea de entrada en orden aleatorio o en un orden equilibrado. Los métodos de división de los materiales de entrada son los siguientes. Primero, 676 pares se pueden dividir aleatoriamente en cada condición experimental (es decir, los participantes han ingresado todos los pares cuando completan todas las condiciones experimentales). En segundo lugar, bajo cada condición experimental, 676 pares se pueden dividir en varios bloques al azar, y los participantes deben completar estos bloques al azar. En tercer lugar, para ingresar palabras, los participantes deben completar alrededor de 20 ensayos bajo cada condición. Cuarto, para ingresar oraciones, los participantes deben completar alrededor de 10 a 15 ensayos bajo cada condición. Los investigadores deben asegurarse de que no haya diferencias significativas entre el número de caracteres y el número de palabras introducidas por el participante bajo cada condición. La investigación ejemplar adoptó el primer método y tuvo cuatro condiciones experimentales.
   3. Después de cada condición, pida a los participantes que completen todos los cuestionarios (escalas que evalúan su experiencia subjetiva) al azar y déles 1 minuto o más para descansar.
6. Al final del experimento, deje que cada participante termine el cuestionario completo (Q & A) para obtener retroalimentación subjetiva.
7. Expresar agradecimiento a los participantes con recompensas monetarias o materiales.

3. Análisis de datos

1. Prueba de hipótesis mediante pruebas paramétricas o no paramétricas apropiadas
   1. Analizar los datos físicos, fisiológicos y de movimiento corporal para probar si la diferencia entre los participantes influiría significativamente en los resultados y la experiencia de entrada inexpresiva de los usuarios (paso opcional).
   2. Analice el rendimiento de entrada de los participantes para probar la eficiencia de entrada en el teclado.
   3. Analice datos subjetivos para probar la usabilidad percibida y la retroalimentación subjetiva del teclado.
   4. Averiga si el efecto de la práctica y el efecto de fatiga influyen significativamente en el resultado. Para cada condición, los ensayos se dividen en dos partes de acuerdo con la marca de tiempo (es decir, la primera mitad parte y la segunda mitad parte). Específicamente, bajo cada condición, examine la diferencia de rendimiento de entrada entre la primera mitad de la parte y la segunda mitad de la parte para probar si existe el efecto de práctica o el efecto de fatiga.
   5. Analice el área de la elipse ajustada de puntos de contacto en cada botón, así como el desplazamiento desde su centro hasta el centro de destino de cada botón (paso opcional).
      1. Recopile todos los puntos de contacto de cada botón con el software, y aproximadamente concuerdan con la distribución gaussiana bivariada. El intervalo de confianza del 95% de cada botón en las direcciones X e Y se deriva a través de los datos de coordenadas de cada punto de contacto en píxel, y las elipses de confianza del 95% sobre un contorno 1: 1 del botón para cada teclado se ajustan a través de scripts de Python en coordenadas de píxeles (consulte Archivo de codificación 2).
      2. Utilice puntos suspensivos ajustados (IC del 95%) y sus áreas para demostrar la dispersión de los puntos de contacto en cada botón. En cada botón, el desplazamiento de la elipse ajustada calculado por scripts de Python se define como el punto central de la elipse ajustada al punto objetivo del botón, y podría representarse desde las direcciones x e y (es decir, en el eje X y el eje Y, consulte el Archivo de codificación 3).
2. Modelado y simulación
   1. Utilice el modelo basado en datos en función de la ubicación y orientación del teclado para predecir el movimiento de los dedos mediante scripts de Python. Todos los movimientos de los dedos se dividen en ocho direcciones³⁸ (de arriba a abajo, de abajo a arriba, de izquierda a derecha, de derecha a izquierda, de izquierda a derecha-inferior, de derecha-abajo a izquierda-arriba, de izquierda-abajo a derecha-arriba, de derecha-arriba a izquierda-abajo). Para cada dirección, el tiempo de transición promedio entre dos teclas se calcula para representar la efectividad del movimiento de los dedos, que se utiliza para evaluar el diseño del teclado (paso opcional).
   2. Utilice el análisis de regresión lineal para construir un modelo mejorado de la Ley de Fitts (o su versión extendida, la Ley de FFitts) para predecir el tiempo de transición entre dos claves utilizando una arquitectura cognitiva integrada^{39 mediante} scripts de Python. El modelo mejorado de la Ley de Fitts podría proporcionar una mejor predicción y evaluación sobre el diseño del teclado basado en sus análisis sobre la ubicación y el ancho efectivo de las teclas, así como la distancia de dos teclas (paso opcional).

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Resultados

El estudio representativo sigue principalmente el protocolo mencionado. El estudio adopta un diseño dentro × del sujeto 2 (Distribución del teclado: QWERTY curva vs. QWERTY tradicional vs. QWERTY tradicional) 2 (Tamaño del botón: grande, 6.3 mm × 9 mm vs. pequeño, 4.9 mm × 7 mm) para evaluar si el QWERTY curvo podría mejorar la eficiencia de entrada y la comodidad en comparación con el QWERTY tradicional en diferentes tamaños de botones por la tarea de entrada del par de caracteres a través de nuestro softwar...

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Discusión

En este estudio, basado en el desarrollo de la tecnología de pantalla, presentamos un protocolo resumido y general de evaluación del diseño del teclado para evaluar el diseño del teclado de manera sistemática y precisa. Los indicadores y métodos existentes de estudios anteriores, los pares emparejados por caracteres en inglés y el tiempo de transición entre dos claves se integran y modifican para generar un protocolo efectivo.

Varios puntos críticos deben ser notados en este protocolo...

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Materiales

Name	Company	Catalog Number	Comments
Changxiang 6S smartphone	Huawei		Smartphone used in the examplar study
Curved QWERTY keyboard software	Tsinghua University		Developed by authors
SPSS software	IBM		Data analysis software
G*Power software	Heinrich-Heine-Universität Düsseldorf		Sample size calculation
E4 portable wireless wristband	Empatica		Recording galvanic skin response and heart rate
Arqus	Qualysis		Motion capture camera platform
Passive marker	Qualysis		Appropriate sizes: 2.5 mm, 4 mm, and 6.5 mm
Trigno sEMG	Delsys		Recording electromyographic activity
Visual Studio Code	Microsoft		Python editor