基于眼動實驗的數(shù)控機(jī)床人機(jī)界面改善研究

王曉婷+張新敏

摘 要：隨著數(shù)控技術(shù)的不斷發(fā)展，各類數(shù)控機(jī)床產(chǎn)品的加工效率和自動化程度等均有大幅度提高，且各項加工性能也都逐漸趨于完善。但數(shù)控機(jī)床在給生產(chǎn)加工帶來極大便利的同時也暴露出了自身的嚴(yán)重缺陷：設(shè)計中沒有深入研究過人機(jī)關(guān)系問題，致使多數(shù)數(shù)控機(jī)床人機(jī)界面的宜人性較差。為了研究上述問題，本文以美國HAAS數(shù)控車床為研究對象，找出其現(xiàn)有人機(jī)界面設(shè)計中存在的問題，運用人因工程學(xué)的相關(guān)知識和理論對其加以改善，并通過眼動實驗對上述改善效果進(jìn)行評價。

關(guān)鍵詞：數(shù)控機(jī)床；人機(jī)界面；眼動實驗；效果評價

1 引言

隨著數(shù)控技術(shù)的高速發(fā)展，數(shù)控機(jī)床已經(jīng)發(fā)展成為現(xiàn)代機(jī)床產(chǎn)業(yè)的主流產(chǎn)品，它是現(xiàn)代先進(jìn)制造技術(shù)中至關(guān)重要的基礎(chǔ)設(shè)施和裝備，也是機(jī)械設(shè)計制造和人因工程學(xué)等多個學(xué)科領(lǐng)域的重點研究對象，并已經(jīng)逐漸成為裝備制造業(yè)的核心，受到了國內(nèi)外諸多制造企業(yè)的高度重視。

雖然目前的數(shù)控機(jī)床產(chǎn)品在各個加工領(lǐng)域都發(fā)揮了重要作用，也給工業(yè)生產(chǎn)帶來了極大便利，但是其在使用過程中也暴露出了其自身的嚴(yán)重缺陷：目前大部分?jǐn)?shù)控機(jī)床產(chǎn)品在設(shè)計和制造的過程中只運用了機(jī)械設(shè)計等領(lǐng)域的相關(guān)知識和理論，而并沒有非常深入地研究過人機(jī)關(guān)系問題[1]。這就導(dǎo)致了很多數(shù)控機(jī)床盡管加工性能優(yōu)良，但是其人機(jī)界面設(shè)計不合理，操作過程復(fù)雜繁瑣，宜人性較差，進(jìn)而增加了工人錯誤操作的可能性，使得機(jī)械加工過程中的安全性和準(zhǔn)確性得不到保障，甚至有可能造成嚴(yán)重的事故。另外，作業(yè)姿勢和作業(yè)環(huán)境的不合理也會導(dǎo)致各種職業(yè)病的發(fā)生。

本文以美國HAAS品牌 SL30數(shù)控車床為研究對象，首先運用人機(jī)工程學(xué)的相關(guān)知識和理論，對產(chǎn)品現(xiàn)有的人機(jī)界面進(jìn)行改善設(shè)計，然后通過眼動實驗對改善的效果進(jìn)行評價。

2 數(shù)控機(jī)床人機(jī)界面現(xiàn)狀及改善

2.1 SL30數(shù)控機(jī)床人機(jī)界面

圖1為SL30數(shù)控車床控制面板的人機(jī)界面，該款產(chǎn)品人機(jī)界面的布局以及色彩搭配不夠合理，界面宜人性較差，因而在高端數(shù)控機(jī)床市場中缺乏核心競爭力。

通過調(diào)研分析，該款數(shù)控車床控制裝置的人機(jī)界面存在以下問題：

（1）數(shù)控機(jī)床操作中至關(guān)重要的急停鍵以及啟動停止鍵均位于控制面板的左側(cè)，這與人的右手操作習(xí)慣相違背，不符合右手最快出擊的原則。

（2）控制面板上大部分?jǐn)?shù)控按鍵的背景色為深灰色或者淺灰色，但按鍵上的數(shù)字和字母卻為黑色，兩者之間的對比度較弱，容易造成操作人員的視覺疲勞以及誤操作，并且會嚴(yán)重影響數(shù)控機(jī)床的使用效率。

（3）控制面板的結(jié)構(gòu)和布局不夠合理，各個功能區(qū)域的按鍵布置比較雜亂且界限不清晰，提示性不夠明確，嚴(yán)重影響了用戶在機(jī)床操作過程中的認(rèn)知體驗，并且容易產(chǎn)生誤操作。

2.2 改善方案

本文運用人機(jī)工程學(xué)的相關(guān)知識和理論，針對上述控制面板人機(jī)界面中存在的問題進(jìn)行改善。

2.2.1 界面布局設(shè)計

改善過程中，將控制面板上功能相近或相關(guān)的按鍵劃分成相應(yīng)的“功能組”，各個“功能組”的布置與功能按鍵的排列必須考慮人眼的運動規(guī)律和大腦的認(rèn)知習(xí)慣，以及不同“功能組”之間的邏輯關(guān)系[2] 。另外，急停鍵以及啟動停止鍵均布置于控制面板的右側(cè)區(qū)域，符合右手最快出擊原則，保證了機(jī)床操作過程中的安全性。

2.2.2 色彩設(shè)計

控制面板整體背景采用淺灰色，各個功能區(qū)域模塊背景采用深灰色，以增強(qiáng)對比性，使操作者可以快速找到各個功能區(qū)域；另外在實際工作中，白色背景和黑色字符的誤讀率最低，且符合一般人的閱讀和認(rèn)知習(xí)慣，因此這里將白色作為數(shù)控按鍵的背景色，而按鍵上的文字顏色采用黑色，這種顏色搭配清晰醒目，可以增強(qiáng)易讀性。而控制面板上的重要按鍵則采用醒目的紅色和綠色，以突出強(qiáng)制引導(dǎo)的作用。

2.2.3 按鍵設(shè)計

常見的按鍵有普通按鍵和液膜按鍵，其中液膜按鍵外觀輕巧、便于安裝且經(jīng)濟(jì)耐用[3]。因此，在本次改善中，所有的數(shù)控按鍵均采用表面粗糙的四方形液膜按鍵。

綜合以上各方面的改進(jìn)方法，最終繪制出改善后的數(shù)控機(jī)床控制面板設(shè)計方案，如圖2所示。

3 眼動實驗

本文采用眼動追蹤法來對此次人機(jī)界面的改善效果進(jìn)行評價，力求評價結(jié)果客觀準(zhǔn)確。

3.1 實驗設(shè)計

根據(jù)測試任務(wù)要求，將數(shù)控機(jī)床的控制面板分成2個興趣區(qū)域（Area of Interest，AOI），分別為：AOI_1（EMERGENCY STOP）和AOI_2（數(shù)字鍵“0”），每個AOI都對應(yīng)實際任務(wù)中的一個認(rèn)知加工區(qū)域。實驗中要求被試者瀏覽控制面板整體界面并依次找到上述2個興趣區(qū)域。

本次實驗共選取30位被試者，所有被試者視力或矯正視力正常，沒有色盲或色弱等眼疾，均自愿參加實驗，且以往沒有使用過該款數(shù)控機(jī)床，也沒有參加過類似實驗。

本次實驗使用的主要儀器包括：Tobii X2-60型號眼動儀一臺、惠普筆記本電腦一臺、索尼顯示器一臺。采樣頻率為60Hz，其余參數(shù)均采用默認(rèn)設(shè)置。該款眼動儀采用的是非接觸式視線追蹤系統(tǒng)，實驗過程中無需佩戴眼鏡或頭戴裝置，被試者可以在自然放松的狀態(tài)下完成實驗。

3.2 實驗過程

實驗前，被試者要先仔細(xì)觀察改善前后的數(shù)控車床控制面板，然后由主測試者介紹實驗基本要求，并告知被試者需要完成的任務(wù)。接下來對被試者進(jìn)行眼動儀校準(zhǔn)，校準(zhǔn)完成后正式進(jìn)入實驗。

實驗時，將測試用的圖片投放到顯示器上，被試者在精力集中的狀態(tài)下觀看顯示器上的圖片，并完成相應(yīng)的任務(wù)，通過鼠標(biāo)點擊切換圖片，直至結(jié)束，設(shè)備自動記錄眼動行為及各項數(shù)據(jù)。

3.3 實驗結(jié)果

本文將從被測者在人機(jī)界面改善前后的信息提取速度、信息加工難易程度以及界面舒適性這三方面對本次改善的效果進(jìn)行評價。

（1）信息提取速度

首次注視時間反映了不同設(shè)計要素捕獲注意的難易程度，即被試者對某一信息的提取速度[4]。由表1可知，對于任務(wù)設(shè)定的2個興趣區(qū)域，改善后人機(jī)界面的首次注視時間均遠(yuǎn)小于改善前界面，說明改善后的控制面板人機(jī)界面能夠更快地引導(dǎo)操作者找到各個功能區(qū)域的按鍵，因而工作效率更高。

（2）信息加工難易程度

注視時間反映的是設(shè)計界面中信息加工的難易程度，注視時間越長，則表示界面中信息越難加工。由表2可知，對于任務(wù)設(shè)定的三個興趣區(qū)域，改善后人機(jī)界面的注視時間均小于改善前界面，說明改善后的人機(jī)界面更有利于操作者提取和加工信息，更方便操作。

（3）界面舒適性

人在看到感興趣的物體時瞳孔會增大，而看到厭惡的物體時瞳孔則會縮小[5]。由表3可知，被試者在看到改善后人機(jī)界面時的瞳孔直徑明顯大于看到改善前人機(jī)界面時的瞳孔直徑，這說明改善后的人機(jī)界面舒適性更強(qiáng)且能更多地激發(fā)被試者的積極情緒。

（4）眼動熱點圖

眼動熱點圖是用不同的顏色來表示被試者的視線停留在某一區(qū)域的時間，視線停留時間最長的區(qū)域用紅色表示，注視時間較短的區(qū)域則用綠色表示。被試者的認(rèn)知加工方式可以通過眼動熱點圖被直觀地表現(xiàn)出來，主試者可以以此判斷界面的設(shè)計是否合理[6]。圖4和圖5分別給出了原機(jī)床人機(jī)界面和改善后的機(jī)床人機(jī)界面的熱點圖。

測試結(jié)果表明，原數(shù)控機(jī)床的人機(jī)界面中有多個不集中在指定興趣區(qū)域的紅色熱點，且分布雜亂無章；而改善后的人機(jī)界面中的紅色熱點區(qū)基本都集中在指定的認(rèn)知興趣區(qū)域內(nèi)。這說明原數(shù)控機(jī)床控制面板的人機(jī)界面設(shè)計不夠合理，導(dǎo)致被試者的關(guān)注點無法集中，從而降低了操作者的認(rèn)知和操作速度。而改善后的數(shù)控機(jī)床人機(jī)界面由于界面布局以及色彩搭配都比較合理，因而被試者的關(guān)注點可以很好地集中在各個認(rèn)知興趣區(qū)域，從而加快了操作者的認(rèn)知和操作速度。因此可以說明此次改善具有一定的效果。

4.結(jié)論

本文首先運用人因工程學(xué)的相關(guān)知識和理論，針對美國HAAS數(shù)控車床人機(jī)界面的不足之處進(jìn)行改善，并繪制出改善方案，然后運用眼動實驗，分別從人機(jī)界面的信息提取速度、信息加工難易程度以及界面舒適性這三個方面對改善效果進(jìn)行定量分析和評價，并給出改善前后的眼動熱點圖。綜合以上各方面結(jié)果，確定本次改善具有較好的效果。且本文使用的眼動評價方法具有一定的通用性和適用性，也可以將該方法應(yīng)用到其他更為復(fù)雜的產(chǎn)品界面設(shè)計中，為今后界面設(shè)計的分析和評價提供一定的參考和借鑒。

參考文獻(xiàn)

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