Understanding grip shifts:how form factors impact hand movements on mobile phones

In this paper we present an investigation into how hand usage is affected by different mobile phone form factors. Our initial (qualitative) study explored how users interact with various mobile phone types (touchscreen, physical keyboard and stylus). The analysis of the videos revealed that each type of mobile phone affords specific handgrips and that the user shifts these grips and consequently the tilt and rotation of the phone depending on the context of interaction. In order to further investigate the tilt and rotation effects we conducted a controlled quantitative study in which we varied the size of the phone and the type of grips (Symmetric bimanual, Asymmetric bimanual with finger, Asymmetric bimanual with thumb and Single handed) to better understand how they affect the tilt and rotation during a dual pointing task. The results showed that the size of the phone does have a consequence and that the distance needed to reach action items affects the phones’ tilt and rotation. Additionally, we found that the amount of tilt, rotation and reach required corresponded with the participant’s grip preference. We finish the paper by discussing the design lessons for mobile UI and proposing design guidelines and applications for these insights

Investigating how the hand interacts with different mobile phones

In this paper we investigate the physical interaction between the hand and three types of mobile device interaction: touchscreen, physical keyboard and stylus. Through a controlled study using video observational analysis, we observed firstly, how the participants gripped the three devices and how these grips were device dependent. Secondly we looked closely at these grips to uncover how participants performed what we call micro-movements to facilitate a greater range of interaction, e.g. reaching across the keyboard. The results extend current knowledge by comparing three handheld device input methods and observing the movements, which the hand makes in five grips. The paper concludes by describing the development of a conceptual design, proposed as a provocation for the opening of dialogue on how we conceive hand usage and how it might be optimized when designed for mobile devices

Multimodal access to social media services

Tese de mestrado integrado. Engenharia Informática e Computação. Faculdade de Engenharia. Universidade do Porto, Microsoft Language Development Center. 201

28 frames later: predicting screen touches from back-of-device grip changes

We demonstrate that front-of-screen targeting on mobile phones can be predicted from back-of-device grip manipulations. Using simple, low-resolution capacitive touch sensors placed around a standard phone, we outline a machine learning approach to modelling the grip modulation and inferring front-of-screen touch targets. We experimentally demonstrate that grip is a remarkably good predictor of touch, and we can predict touch position 200ms before contact with an accuracy of 18mm

Reflow: Automatically Improving Touch Interactions in Mobile Applications through Pixel-based Refinements

Touch is the primary way that users interact with smartphones. However, building mobile user interfaces where touch interactions work well for all users is a difficult problem, because users have different abilities and preferences. We propose a system, Reflow, which automatically applies small, personalized UI adaptations, called refinements -- to mobile app screens to improve touch efficiency. Reflow uses a pixel-based strategy to work with existing applications, and improves touch efficiency while minimally disrupting the design intent of the original application. Our system optimizes a UI by (i) extracting its layout from its screenshot, (ii) refining its layout, and (iii) re-rendering the UI to reflect these modifications. We conducted a user study with 10 participants and a heuristic evaluation with 6 experts and found that applications optimized by Reflow led to, on average, 9% faster selection time with minimal layout disruption. The results demonstrate that Reflow's refinements useful UI adaptations to improve touch interactions

Active PinScreen: Exploring Spatio-Temporal Tactile Feedbackfor Multi-Finger Interaction

Multiple fingers are often used for efficient interaction with handheld computing devices. Currently, any tactile feedback provided is felt on the finger pad or the palm with coarse granularity. In contrast, we present a new tactile feedback technique, Active PinScreen, that applies localised stimuli on multiple fingers with fine spatial and temporal resolution. The tactile screen uses an array of solenoid-actuated magnetic pins with millimetre scale form-factor which could be deployed for back-of-device handheld use without instrumenting the user. As well as presenting a detailed description of the prototype, we provide the potential design configurations and the applications of the Active PinScreen and evaluate the human factors of tactile interaction with multiple fingers in a controlled user evaluation. The results of our study show a high recognition rate for directional and patterned stimulation across different grip orientations as well as within- and between- fingers. We end the paper with a discussion of our main findings, limitations in the current design and directions for future work

Dynamics, control and sensor issues pertinent to robotic hands for the EVA retriever system

Basic dynamics, sensor, control, and related artificial intelligence issues pertinent to smart robotic hands for the Extra Vehicular Activity (EVA) Retriever system are summarized and discussed. These smart hands are to be used as end effectors on arms attached to manned maneuvering units (MMU). The Retriever robotic systems comprised of MMU, arm and smart hands, are being developed to aid crewmen in the performance of routine EVA tasks including tool and object retrieval. The ultimate goal is to enhance the effectiveness of EVA crewmen

Grasp-sensitive surfaces

Grasping objects with our hands allows us to skillfully move and manipulate them. Hand-held tools further extend our capabilities by adapting precision, power, and shape of our hands to the task at hand. Some of these tools, such as mobile phones or computer mice, already incorporate information processing capabilities. Many other tools may be augmented with small, energy-efficient digital sensors and processors. This allows for graspable objects to learn about the user grasping them - and supporting the user's goals. For example, the way we grasp a mobile phone might indicate whether we want to take a photo or call a friend with it - and thus serve as a shortcut to that action. A power drill might sense whether the user is grasping it firmly enough and refuse to turn on if this is not the case. And a computer mouse could distinguish between intentional and unintentional movement and ignore the latter. This dissertation gives an overview of grasp sensing for human-computer interaction, focusing on technologies for building grasp-sensitive surfaces and challenges in designing grasp-sensitive user interfaces. It comprises three major contributions: a comprehensive review of existing research on human grasping and grasp sensing, a detailed description of three novel prototyping tools for grasp-sensitive surfaces, and a framework for analyzing and designing grasp interaction: For nearly a century, scientists have analyzed human grasping. My literature review gives an overview of definitions, classifications, and models of human grasping. A small number of studies have investigated grasping in everyday situations. They found a much greater diversity of grasps than described by existing taxonomies. This diversity makes it difficult to directly associate certain grasps with users' goals. In order to structure related work and own research, I formalize a generic workflow for grasp sensing. It comprises *capturing* of sensor values, *identifying* the associated grasp, and *interpreting* the meaning of the grasp. A comprehensive overview of related work shows that implementation of grasp-sensitive surfaces is still hard, researchers often are not aware of related work from other disciplines, and intuitive grasp interaction has not yet received much attention. In order to address the first issue, I developed three novel sensor technologies designed for grasp-sensitive surfaces. These mitigate one or more limitations of traditional sensing techniques: **HandSense** uses four strategically positioned capacitive sensors for detecting and classifying grasp patterns on mobile phones. The use of custom-built high-resolution sensors allows detecting proximity and avoids the need to cover the whole device surface with sensors. User tests showed a recognition rate of 81%, comparable to that of a system with 72 binary sensors. **FlyEye** uses optical fiber bundles connected to a camera for detecting touch and proximity on arbitrarily shaped surfaces. It allows rapid prototyping of touch- and grasp-sensitive objects and requires only very limited electronics knowledge. For FlyEye I developed a *relative calibration* algorithm that allows determining the locations of groups of sensors whose arrangement is not known. **TDRtouch** extends Time Domain Reflectometry (TDR), a technique traditionally used for inspecting cable faults, for touch and grasp sensing. TDRtouch is able to locate touches along a wire, allowing designers to rapidly prototype and implement modular, extremely thin, and flexible grasp-sensitive surfaces. I summarize how these technologies cater to different requirements and significantly expand the design space for grasp-sensitive objects. Furthermore, I discuss challenges for making sense of raw grasp information and categorize interactions. Traditional application scenarios for grasp sensing use only the grasp sensor's data, and only for mode-switching. I argue that data from grasp sensors is part of the general usage context and should be only used in combination with other context information. For analyzing and discussing the possible meanings of grasp types, I created the GRASP model. It describes five categories of influencing factors that determine how we grasp an object: *Goal* -- what we want to do with the object, *Relationship* -- what we know and feel about the object we want to grasp, *Anatomy* -- hand shape and learned movement patterns, *Setting* -- surrounding and environmental conditions, and *Properties* -- texture, shape, weight, and other intrinsics of the object I conclude the dissertation with a discussion of upcoming challenges in grasp sensing and grasp interaction, and provide suggestions for implementing robust and usable grasp interaction.Die Fähigkeit, Gegenstände mit unseren Händen zu greifen, erlaubt uns, diese vielfältig zu manipulieren. Werkzeuge erweitern unsere Fähigkeiten noch, indem sie Genauigkeit, Kraft und Form unserer Hände an die Aufgabe anpassen. Digitale Werkzeuge, beispielsweise Mobiltelefone oder Computermäuse, erlauben uns auch, die Fähigkeiten unseres Gehirns und unserer Sinnesorgane zu erweitern. Diese Geräte verfügen bereits über Sensoren und Recheneinheiten. Aber auch viele andere Werkzeuge und Objekte lassen sich mit winzigen, effizienten Sensoren und Recheneinheiten erweitern. Dies erlaubt greifbaren Objekten, mehr über den Benutzer zu erfahren, der sie greift - und ermöglicht es, ihn bei der Erreichung seines Ziels zu unterstützen. Zum Beispiel könnte die Art und Weise, in der wir ein Mobiltelefon halten, verraten, ob wir ein Foto aufnehmen oder einen Freund anrufen wollen - und damit als Shortcut für diese Aktionen dienen. Eine Bohrmaschine könnte erkennen, ob der Benutzer sie auch wirklich sicher hält und den Dienst verweigern, falls dem nicht so ist. Und eine Computermaus könnte zwischen absichtlichen und unabsichtlichen Mausbewegungen unterscheiden und letztere ignorieren. Diese Dissertation gibt einen Überblick über Grifferkennung (*grasp sensing*) für die Mensch-Maschine-Interaktion, mit einem Fokus auf Technologien zur Implementierung griffempfindlicher Oberflächen und auf Herausforderungen beim Design griffempfindlicher Benutzerschnittstellen. Sie umfasst drei primäre Beiträge zum wissenschaftlichen Forschungsstand: einen umfassenden Überblick über die bisherige Forschung zu menschlichem Greifen und Grifferkennung, eine detaillierte Beschreibung dreier neuer Prototyping-Werkzeuge für griffempfindliche Oberflächen und ein Framework für Analyse und Design von griff-basierter Interaktion (*grasp interaction*). Seit nahezu einem Jahrhundert erforschen Wissenschaftler menschliches Greifen. Mein Überblick über den Forschungsstand beschreibt Definitionen, Klassifikationen und Modelle menschlichen Greifens. In einigen wenigen Studien wurde bisher Greifen in alltäglichen Situationen untersucht. Diese fanden eine deutlich größere Diversität in den Griffmuster als in existierenden Taxonomien beschreibbar. Diese Diversität erschwert es, bestimmten Griffmustern eine Absicht des Benutzers zuzuordnen. Um verwandte Arbeiten und eigene Forschungsergebnisse zu strukturieren, formalisiere ich einen allgemeinen Ablauf der Grifferkennung. Dieser besteht aus dem *Erfassen* von Sensorwerten, der *Identifizierung* der damit verknüpften Griffe und der *Interpretation* der Bedeutung des Griffes. In einem umfassenden Überblick über verwandte Arbeiten zeige ich, dass die Implementierung von griffempfindlichen Oberflächen immer noch ein herausforderndes Problem ist, dass Forscher regelmäßig keine Ahnung von verwandten Arbeiten in benachbarten Forschungsfeldern haben, und dass intuitive Griffinteraktion bislang wenig Aufmerksamkeit erhalten hat. Um das erstgenannte Problem zu lösen, habe ich drei neuartige Sensortechniken für griffempfindliche Oberflächen entwickelt. Diese mindern jeweils eine oder mehrere Schwächen traditioneller Sensortechniken: **HandSense** verwendet vier strategisch positionierte kapazitive Sensoren um Griffmuster zu erkennen. Durch die Verwendung von selbst entwickelten, hochauflösenden Sensoren ist es möglich, schon die Annäherung an das Objekt zu erkennen. Außerdem muss nicht die komplette Oberfläche des Objekts mit Sensoren bedeckt werden. Benutzertests ergaben eine Erkennungsrate, die vergleichbar mit einem System mit 72 binären Sensoren ist. **FlyEye** verwendet Lichtwellenleiterbündel, die an eine Kamera angeschlossen werden, um Annäherung und Berührung auf beliebig geformten Oberflächen zu erkennen. Es ermöglicht auch Designern mit begrenzter Elektronikerfahrung das Rapid Prototyping von berührungs- und griffempfindlichen Objekten. Für FlyEye entwickelte ich einen *relative-calibration*-Algorithmus, der verwendet werden kann um Gruppen von Sensoren, deren Anordnung unbekannt ist, semi-automatisch anzuordnen. **TDRtouch** erweitert Time Domain Reflectometry (TDR), eine Technik die üblicherweise zur Analyse von Kabelbeschädigungen eingesetzt wird. TDRtouch erlaubt es, Berührungen entlang eines Drahtes zu lokalisieren. Dies ermöglicht es, schnell modulare, extrem dünne und flexible griffempfindliche Oberflächen zu entwickeln. Ich beschreibe, wie diese Techniken verschiedene Anforderungen erfüllen und den *design space* für griffempfindliche Objekte deutlich erweitern. Desweiteren bespreche ich die Herausforderungen beim Verstehen von Griffinformationen und stelle eine Einteilung von Interaktionsmöglichkeiten vor. Bisherige Anwendungsbeispiele für die Grifferkennung nutzen nur Daten der Griffsensoren und beschränken sich auf Moduswechsel. Ich argumentiere, dass diese Sensordaten Teil des allgemeinen Benutzungskontexts sind und nur in Kombination mit anderer Kontextinformation verwendet werden sollten. Um die möglichen Bedeutungen von Griffarten analysieren und diskutieren zu können, entwickelte ich das GRASP-Modell. Dieses beschreibt fünf Kategorien von Einflussfaktoren, die bestimmen wie wir ein Objekt greifen: *Goal* -- das Ziel, das wir mit dem Griff erreichen wollen, *Relationship* -- das Verhältnis zum Objekt, *Anatomy* -- Handform und Bewegungsmuster, *Setting* -- Umgebungsfaktoren und *Properties* -- Eigenschaften des Objekts, wie Oberflächenbeschaffenheit, Form oder Gewicht. Ich schließe mit einer Besprechung neuer Herausforderungen bei der Grifferkennung und Griffinteraktion und mache Vorschläge zur Entwicklung von zuverlässiger und benutzbarer Griffinteraktion