두 가지 발 마우스를 이용한 표적 클릭작업에서 수행도와 피로 비교 = Performance and Fatigue in Target Clicking Using Two Types of Foot Mouse Devices

국문 초록 (Abstract)

대부분의 인간-컴퓨터 상호작용(HCI) 연구가 손을 이용한 입력장치에 집중되어 왔으나, 핸즈프리 환경이나 상지 사용이 제한된 사용자를 위한 보조 기술뿐만 아니라 주 작업과 병행 가능한 핵심 입력 방식으로서 발 사용 조종장치의 중요성이 커지고 있다. 발 마우스는 크게 슬리퍼형(위치 제어)과 틸팅 페달형(속도 제어)으로 구분된다. 이 두 가지 방식은 근본적으로 다른 물리적 조작 원리를 가지므로, 이에 대한 수행도와 생체역학적 부하를 비교 평가하는 것이 필수적이다. 본 연구의 목적은 표적 클릭 작업에서 슬리퍼형과 틸팅 페달형 발 마우스의 수행도, 근활성도, Fitts‘ 모델 적합도 등을 정량적으로 비교하는 것이다.

실험에는 16명의 피실험자가 참여하여 다양한 조건에서 표적 클릭 작업을 수행하였다. 실험 설계는 두 가지 장치 유형(슬리퍼 vs. 틸팅 페달), 두 가지 표적 조건(정적 vs. 동적), 그리고 세 가지 이동 방향(수평, 수직, 사선)을 포함하였다. 종속 변수로는 이동 시간(MT), 오류율, 하지 4개 근육(전경골근, 비복근, 가자미근, 대퇴이두근)의 표면근전도(sEMG), 그리고 주관적 작업부하(NASA-TLX와 Borg’s Rating)를 측정하였다. 또한, 발 기반 포인팅 작업에 대한 모델 적합성을 검증하기 위해 Fitts 법칙을 적용하였다.

연구결과, 두 장치 간에 뚜렷한 상충 관계(trade-off)가 나타났다. 이동 시간 측면에서는 모든 조건에서 슬리퍼형이 틸팅 페달형보다 유의하게 빨랐다. 반면 오류율에서는 틸팅 페달형이 수평 및 수직 이동에서 더 높은 정확도를 보였으나, 사선 방향에서는 오류율이 크게 증가하였다. 근전도 분석 결과, 슬리퍼형은 대퇴이두근과 내측비복근을 주로 활성화하여 다리 전체를 사용하는 반면, 틸팅 페달형은 발목 제어를 위해 전경골근에 대한 의존도가 높았다. 주관적 작업부하 평가에서는 두 장치 간 전체적인 피로도에 유의한 차이가 없었다. Fitts의 법칙과 관련하여 두 장치 모두 높은 모델 적합도(R2 > 0.76)를 보였다. 또한, 슬리퍼형이 더 높은 정보 처리량(1/b)을 보이며 동적 작업에서도 모델의 일관성을 유지한 반면, 틸팅 페달형은 움직이는 표적에 대해서는 모델 적합도가 낮아지는 경향을 보였다.

결론적으로, 본 연구는 속도와 연속적인 다방향 이동이 필요한 작업에는 위치 제어 방식인 슬리퍼 마우스가 더 적합하며, 정적이고 수직/수평 방향의 작업에서 정밀함이 요구될 때는 속도 제어 방식인 틸팅 페달 마우스가 장점이 있음을 시사한다. 또한, 본 연구는 시각적 너비를 고려할 때 Fitts의 법칙이 발 기반 상호작용의 수행도를 예측하는 데 유효한 모델임을 확인하였다. 이러한 결과는 특정 작업 요구사항에 따라 적절한 발 입력 장치를 선택하고 설계하기 위한 인간공학적 가이드라인을 제공한다.

다국어 초록 (Multilingual Abstract)

Although most Human-Computer Interaction (HCI) research has focused on hand-based input devices, the importance of foot-operated input devices is growing. They serve not only as assistive technologies for hands-free environments or users with upper limb limitations but also as key input modalities capable of being performed in parallel with primary tasks. Foot mice are generally categorized into two types: the slipper type (position control) and the tilting pedal type (speed control). As these two methods rely on fundamentally different physical operational principles, a comparative evaluation of their performance and biomechanical load is essential. The objective of this study is to quantitatively compare the performance, muscle activity, and Fitts' model suitability of slipper-type and tilting pedal-type foot mice in target clicking tasks.

16 participants performed target clicking tasks under various conditions. The experimental design included two device types (slipper vs. tilting pedal), two target conditions (static vs. dynamic), and three movement directions (horizontal, vertical, and diagonal). The dependent variables measured were movement time (MT), error rate, electromyography (EMG) of four lower limb muscles (tibialis anterior, gastrocnemius, soleus, and biceps femoris), and subjective workload (NASA-TLX and Borg’s Rating). Additionally, Fitts' Law was applied to verify the model's suitability for foot-based pointing tasks.

The results indicated a distinct trade-off between the two devices. In terms of movement time, the slipper type was significantly faster than the tilting pedal type across all conditions. Conversely, regarding error rates, the tilting pedal type demonstrated higher accuracy in horizontal and vertical movements, but its error rate increased significantly in diagonal directions. EMG analysis revealed that the slipper type primarily activated the biceps femoris and medial gastrocnemius, utilizing the entire leg, whereas the tilting pedal type heavily relied on the tibialis anterior for ankle control. Subjective workload assessments showed no significant difference in overall fatigue between the two devices. Regarding Fitts' Law, both devices exhibited high model fit (R2 > 0.76). Furthermore, the slipper type demonstrated higher throughput (1/b) and maintained model consistency in dynamic tasks, while the tilting pedal type showed a tendency for lower model suitability with moving targets.

In conclusion, this study suggests that the position-controlled slipper mouse is more suitable for tasks requiring speed and continuous multidirectional movement, whereas the speed-controlled tilting pedal mouse offers advantages for tasks requiring precision in static, vertical, or horizontal directions. Additionally, this study confirmed that Fitts' Law is a valid model for predicting the performance of foot-based interaction when visual width is considered. These findings provide ergonomic guidelines for selecting and designing appropriate foot input devices based on specific task requirements.

목차 (Table of Contents)

• Ⅰ. 서론 1
• 1. 연구 배경 1
• 2. 연구 목적 2
• Ⅱ. 이론적 고찰 3
• 1. 발 사용 조종장치 3
• 2. Fitts’ Law 5
• 3. 근전도 8
• Ⅲ. 실험 방법 11
• 1. 피실험자 및 실험장치 11
• 2. 실험계획 13
• Ⅳ. 실험 결과 21
• 1. 발 마우스를 사용한 커서 이동시간의 분석 21
• 2. 오류율 분석 26
• 3. 근전도 측정 및 분석 31
• 4. Fitts 모델 적합성 분석 38
• 5. 주관적 정신적 작업부하 정도 분석 49
• 6. 주관적 신체적 작업부하 정도 분석 56
• Ⅴ. 토의 59
• Ⅵ. 결론 62