電子加工放板機(jī)器人操作界面分析研究

鐘煒垠　于帆　戈文

摘要：目的分析現(xiàn)使用的工業(yè)機(jī)器人放板機(jī)操作界面不易用等的原因，基于此研究分析的基礎(chǔ)上提高操作界面的易用性。方法通過對操作界面進(jìn)行視覺焦點(diǎn)實(shí)驗(yàn)，結(jié)合人體工學(xué)及界面設(shè)計(jì)相關(guān)理論將現(xiàn)使用的工業(yè)機(jī)器人放板機(jī)界面上存在的問題進(jìn)行分類并分析說明產(chǎn)生問題的原因。結(jié)論工業(yè)機(jī)器人放板機(jī)操作界面存在著若干影響操作者使用體驗(yàn)的問題，這些問題造成不同程度的干擾、困惑或誤解，對這些問題進(jìn)行界面的改良可以極大地減少操作上的誤判并能提高其易用性。

關(guān)鍵詞：工業(yè)機(jī)器人 人機(jī)工程學(xué) 界面設(shè)計(jì) 服務(wù)化思維

中圖分類號：TB472 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A

文章編號：1003-0069（2017）04-0136-03

引言

改革開放以來，依靠人口紅利的優(yōu)勢使國家經(jīng)濟(jì)快速崛起，但隨著人口紅利優(yōu)勢漸漸失去，各生產(chǎn)要素成本的不斷攀升。為促進(jìn)傳統(tǒng)制造業(yè)發(fā)展，由國務(wù)院頒發(fā)推行實(shí)施的制造強(qiáng)國戰(zhàn)略文件——《中國制造2025》，其最重要的一項(xiàng)便是發(fā)展機(jī)器代人。工業(yè)機(jī)器人面對日益精進(jìn)的市場環(huán)境，縱觀其操作界面的研究卻依舊卻步于產(chǎn)品功能性為主導(dǎo)的設(shè)計(jì)，缺少以用戶為中心的服務(wù)思維導(dǎo)入。操作界面所存在的問題會直接影響操作者的判斷，在一個復(fù)雜的生產(chǎn)加工環(huán)境中，一個簡單的失誤都有可能會產(chǎn)生嚴(yán)重的后果。

一、工業(yè)機(jī)器人研究背景

如今大量的企業(yè)開始籌劃轉(zhuǎn)型升級，希望通過轉(zhuǎn)型升級來避免招工問題及提升企業(yè)競爭力。但事實(shí)上，招工難的問題不單單是低級技工上，從楊宜勇一文中提及2014-2015中國就業(yè)形勢，從文中了解，全國制造業(yè)對各階段技師、技能人員的需求不斷上升，且在數(shù)量只占全國就業(yè)人員總量的19%左右，高級技能人才的數(shù)量更只占5%，技能勞動者總量嚴(yán)重不足。實(shí)際上中國所推行的制造強(qiáng)國戰(zhàn)略正需要這群技能型的勞動者，受產(chǎn)業(yè)需求變化和勞動力供給變化的共同影響下，中國的勞動力市場是無法滿足需求轉(zhuǎn)型的企業(yè)。

2013年是中國工業(yè)機(jī)器人發(fā)展的元年，其購買量占全球的20%，成為全世界最大的機(jī)器人市場。在巨大的市場背后，中國自生產(chǎn)的工業(yè)機(jī)器人在國內(nèi)機(jī)器人市場的份額只有13%，然而在其中的高端工業(yè)機(jī)器人市場份額僅僅占4%。這就意味著中國自生產(chǎn)的工業(yè)機(jī)器人從市場份額上看是發(fā)展不均勻且缺乏競爭力的。

本小節(jié)在于分析工業(yè)機(jī)器人的社會需求，若能提高操作界面的易用性，則對于高級技能人員需求便能大大減少，工人更容易學(xué)會操作工業(yè)機(jī)器人；若能提高操作系統(tǒng)的易用性，則能形成自身的競爭優(yōu)勢，以促進(jìn)國內(nèi)工業(yè)機(jī)器人的發(fā)展，在緩解招工難問題的同時，提升國產(chǎn)工業(yè)機(jī)器人操作系統(tǒng)的競爭力。

二、工業(yè)機(jī)器人復(fù)雜的系統(tǒng)

（一）工業(yè)機(jī)器人相關(guān)概念闡述

“工業(yè)機(jī)器人”一詞由美國機(jī)器人協(xié)會于1960年提出，其定義為“用于進(jìn)行搬運(yùn)機(jī)械部件或工件的、可編程序的多功能操作器，或通過改變程序可以完成各種工作的特殊機(jī)械裝置。先進(jìn)的工業(yè)機(jī)器人被稱為“當(dāng)代最高意義的自動化”。工業(yè)機(jī)器人的出現(xiàn)，目的并不是為了完全代替勞動力，而是將人從繁雜、危險(xiǎn)的工作中解放，人和機(jī)器都有著在工業(yè)裝備生產(chǎn)中各自領(lǐng)先的優(yōu)勢，機(jī)器人在于重復(fù)性的工作上，而人類則是能夠快速應(yīng)對新環(huán)境及能動地解決新問題。

（見圖1）工業(yè)機(jī)器人主要包括3大部分6個子系統(tǒng)組成，3大部分指機(jī)械部分、控制部分和傳感部分。6個子系統(tǒng)可分為驅(qū)動系統(tǒng)和機(jī)械結(jié)構(gòu)系統(tǒng)（機(jī)械部分）、人機(jī)交互系統(tǒng)和控制系統(tǒng)（控制部分）、機(jī)器人-人機(jī)環(huán)境交互系統(tǒng)和感受系統(tǒng)（傳感部分）。本文研究內(nèi)容是控制部分下屬的人機(jī)交互系統(tǒng)的軟件操作界面。

人機(jī)交互系統(tǒng)是指人與計(jì)算機(jī)之間通過某種互相識別的“語言”或者溝通技巧，來完成人向計(jì)算機(jī)傳達(dá)指令，或者計(jì)算機(jī)將運(yùn)算結(jié)果反饋給人的交互方式，使實(shí)現(xiàn)人與計(jì)算機(jī)之間溝通的一種信息交互方式。人機(jī)交互系統(tǒng)的研究受到用戶認(rèn)知、用戶需求；工作環(huán)境布局、采光、溫濕度；設(shè)備操作高度、人的合適操作高度、國家安全規(guī)范等因素的影響。

（二）人機(jī)界面與工業(yè)機(jī)器人

人機(jī)界面的理解可以分為廣義人機(jī)界面和狹義的AM界面：

（見圖2）廣義人機(jī)界面是指在人機(jī)系統(tǒng)模型中，人與機(jī)器之間交流與反饋、操作與執(zhí)行都需要有一個相互理解的載體，如一個按鍵或一個提示聲，通過人按下，機(jī)器開始執(zhí)行程序，而機(jī)器執(zhí)行時發(fā)出的聲音，又在反饋給人。而這就是一個簡單的閉環(huán)人機(jī)系統(tǒng)。

狹義的人機(jī)界面則專指計(jì)算機(jī)系統(tǒng)中的人機(jī)界面（Human-Computer Interface，HCI），是研究人與計(jì)算機(jī)之間傳遞和交互信息的媒介，它結(jié)合了人機(jī)工程學(xué)、心理學(xué)、圖形藝術(shù)和認(rèn)知科學(xué)等交叉領(lǐng)域。

人機(jī)界面在早期是研究計(jì)算器輔助方面，后來逐漸運(yùn)用到硬件人機(jī)系統(tǒng)中。（見圖3、4）在走訪上海凱思爾電子有限公司（系統(tǒng)集成商）時了解到，該企業(yè)所設(shè)計(jì)的放板機(jī)器人操作界面并沒有針對操作者認(rèn)知程度來進(jìn)行設(shè)計(jì)，而是通過開發(fā)人員自身的認(rèn)知而設(shè)計(jì)出來。在資源相對匱乏的年代，沒有必要將用戶為中心的思想放置在產(chǎn)品設(shè)計(jì)中。至今，市場已經(jīng)證明這樣生產(chǎn)的產(chǎn)品必然失去競爭力，只有將服務(wù)化思維貫徹而終才能使企業(yè)利于不敗之地。

回顧到移動設(shè)備上來看，移動端上的界面設(shè)計(jì)研究的程度比任何一種設(shè)備都要深入和成熟，而且觸屏移動設(shè)備的出現(xiàn)才短短的幾年時間。當(dāng)然移動設(shè)備飛速的發(fā)展是與銷售市場脫離不了干系的。實(shí)際上兩者之間具有一定的相似性，移動設(shè)備上的單線程交互方式非常符合工業(yè)機(jī)器人的軟件操作界面的使用。

（三）定制的工業(yè)機(jī)器人產(chǎn)品

上海凱思爾電子有限公司主要業(yè)務(wù)為線路板鉆孔，成型、線路板生產(chǎn)設(shè)備及零部件的研發(fā)與制造，隨著工業(yè)機(jī)器人爆發(fā)式增長以來，該企業(yè)專門成立工業(yè)機(jī)器人系統(tǒng)集成部門，以適應(yīng)新的市場環(huán)境。也就是“系統(tǒng)集成商”，這是一種類似中介性質(zhì)的行業(yè)，通過從各大工業(yè)機(jī)器人生產(chǎn)企業(yè)中購買機(jī)器人，然后根據(jù)制造企業(yè)的條件和需求，量身定做相適應(yīng)的工業(yè)機(jī)器人，所有的環(huán)境測量與分析，零部件生產(chǎn)、加工、裝配和集成，系統(tǒng)軟件開發(fā)與調(diào)試等的工作都是由系統(tǒng)集成商完成。endprint

企業(yè)主要整合工業(yè)機(jī)器人放板機(jī)，其主要的工作內(nèi)容是搬運(yùn)電子線路板。線路板的生產(chǎn)過程中會因?yàn)楦鞣N因素導(dǎo)致電路板報(bào)廢，由于線路板不同的尺寸、結(jié)構(gòu)或運(yùn)輸?shù)鹊囊蛩兀辜庸み^程中產(chǎn)生5%-10%左右的報(bào)廢率，而導(dǎo)致報(bào)廢率大的其中一個環(huán)節(jié)就是在搬運(yùn)過程上。通過人手去搬運(yùn)一整塊未經(jīng)切割的電路板，細(xì)小的裂痕、汗?jié)n或變形都會導(dǎo)致電路板報(bào)廢，而這正是該環(huán)節(jié)產(chǎn)生高成本的主要原因。

工業(yè)機(jī)器人是不能直接購買使用，是需要系統(tǒng)集成商集成系統(tǒng)后才能使用。涉及到工業(yè)機(jī)器人系統(tǒng)的開發(fā)復(fù)雜。從時間上計(jì)算，從客戶下訂單開始，不包含前后期的評估與測量，集成商也需要60天到90天的時間才能完成一臺工業(yè)機(jī)器人的生產(chǎn)。（見圖5）項(xiàng)目開發(fā)流程分為3個部分，分別是售前、售中和售后。售前主要是客戶需求確認(rèn)及客戶工廠勘測等問題；售中為項(xiàng)目各零部件制造與組裝，系統(tǒng)開發(fā)與測試；售后則更多是關(guān)于產(chǎn)品維修等的服務(wù)。

工業(yè)機(jī)器人產(chǎn)品的功能因顧客不同的使用而有所不同，但其具有一定的共性。放板機(jī)會用于電子線路板的搬運(yùn)，但會因加工環(huán)境、加工流程、企業(yè)的需求等的不同而有所改變?；谶@樣的背景下，工業(yè)機(jī)器人操作界面的研究就具有共性與特性的區(qū)別。以服務(wù)思維貫穿整個產(chǎn)品服務(wù)體系中，能夠促使系統(tǒng)集成商所整合的產(chǎn)品更容易被市場認(rèn)可。

三、放板機(jī)器人操作軟界面分析

（一）界面視覺干擾

界面設(shè)計(jì)中最常見的一種問題就是視覺的干擾，它涵蓋面很廣，從色彩到排版，這些問題都會產(chǎn)生不同程度的干擾，會影響使用者對信息的正確判斷，以工業(yè)機(jī)器人為例，若出現(xiàn)了錯誤的判斷很容易讓操作者作出緊急制動的操作，每一次的緊急制動會暫停加工線的生產(chǎn)，從而導(dǎo)致企業(yè)生產(chǎn)效率低等問題。然而，由錯誤判斷產(chǎn)生的緊急制動所連帶的問題都只是生產(chǎn)效率上的問題，若出現(xiàn)突發(fā)事故，而反饋信息受到干擾，導(dǎo)致緊急制動操作被忽視，或許就會引起大的問題。所以，視覺上的干擾是顯示界面中直接影響設(shè)備安全性的最大問題之一。

（圖6-10）為放板機(jī)操作系統(tǒng)界面設(shè)計(jì)（圖7、8）為眼動實(shí)驗(yàn)的結(jié)果，測試時間為3秒）。（見圖6）右上為系統(tǒng)啟動界面，右下為警報(bào)歷史記錄，左圖為手動模式一機(jī)器人操作界面，整個界面采用了7種顏色，分別是大紅、翠綠、藍(lán)綠、天藍(lán)、橘黃、淡黃和土黃，和2種無色系，為淺灰和黑色。7種顏色中大紅和翠綠這兩種顏色的純度最高，也是最為吸引人注意的地方。界面中出現(xiàn)純度高且面積較大的色塊時，人的視覺中心就會聚焦于此，所以純度高的顏色更多地使用在警告或短時間的提示頁面中。而該界面中大面積采用純色，為引起操作者的注意，在所有重要的地方都使用了純色。這樣設(shè)計(jì)的初衷是為了提醒，但反而會引起視覺干擾，警告色的使用應(yīng)符合規(guī)定的基礎(chǔ)上合理地分配，而不是常駐提示。

（圖7）顯示的內(nèi)容為警報(bào)的歷史記錄界面，通過眼動實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，初期操作者的目光會被大面積的純色塊吸引，但隨之注意力便開始飄浮于各種不同的顏色或者符號上。這種設(shè)計(jì)會導(dǎo)致無法迅速地傳達(dá)信息，而使操作者作出錯誤判斷或忽視重要的信息。合理地使用色彩可以提高界面的易用性，能幫助用戶以最快的速度理解設(shè)計(jì)人員想要傳達(dá)的信息，同時色彩可以使界面更加生動，富有藝術(shù)性。

視覺干擾除了色彩上的影響外，還有由于版面布局及信息反饋不清晰所導(dǎo)致的視覺干擾。（見圖8）被試者產(chǎn)生“跳躍分散式”的視覺軌跡，證明其視覺焦點(diǎn)正在飄浮不定，原因便是界面中存在過多的相似點(diǎn)及信息歸類編排上存在誤點(diǎn)。從左圖視線軌跡可以看出，被試者在界面上無規(guī)律的掃視，界面缺少引導(dǎo)性的功能。

（二）界面層級、信息反饋不清晰

界面層級不清晰導(dǎo)致最直接的問題便是操作者會忘記當(dāng)前頁面地址，會開始思考自己的操作是否有問題，優(yōu)秀的界面設(shè)計(jì)應(yīng)當(dāng)是無需思考的，或者按照常識就能分辨出。而信息反饋不清晰則會導(dǎo)致操作者困惑，使其產(chǎn)生一些多余的操作及不好的體驗(yàn)。（圖9）為手動模式中外部設(shè)備控制界面，圖中通過兩種顏色標(biāo)記了相應(yīng)的問題，如橙色框標(biāo)記了層級反饋問題，操作者無法分清是屬于哪一個頁面，操作者要通過過多的操作來實(shí)現(xiàn)位置定位。而藍(lán)色框內(nèi)顯示的是信息反饋不清晰的問題，按鍵按下后，信息反饋不明顯令操作者不知道功能是否被激活。

（三）界面操作邏輯的統(tǒng)一性

界面中存在操作邏輯不一致的交互，同一功能的操作方式不應(yīng)該出現(xiàn)兩種或以上的操作方式，特別是在一個嚴(yán)謹(jǐn)?shù)墓ぷ鳝h(huán)境中，環(huán)境的特殊性要求在這樣的一個工作環(huán)境中操作的方式應(yīng)盡量統(tǒng)一。（見圖10右），為一般功能按鍵的操作方式，類似于按鍵的觸屏點(diǎn)擊，而左圖中“掉板檢測功能”、“序列放板功能”及“出板控制”這3個功能從視覺上，根本無法辨識出，其激活的方式就是點(diǎn)擊選擇。

操作者使用產(chǎn)品的預(yù)期與機(jī)器反饋信息內(nèi)容轉(zhuǎn)換不當(dāng)，會形成用戶認(rèn)知偏差，操作邏輯是操作者學(xué)習(xí)使用界面時首先學(xué)會的內(nèi)容，習(xí)慣了的操作邏輯會成為一種無意識行為，界面設(shè)計(jì)應(yīng)盡量使用統(tǒng)一的操作邏輯，以減少用戶使用的困惑。

（四）功能可識別性Afrordance

功能可識別性（Afrordance）是由知覺心理學(xué)家J.J.Gibson創(chuàng)造出來的詞匯，以描述當(dāng)一位行為者（一個人或者動物）和外界相互作用時的行為屬性。簡言之，減少用戶對于功能按鍵或操作上的誤判斷或達(dá)到一眼就能了解其相關(guān)信息。功能可識別性應(yīng)用的領(lǐng)域廣泛，大到整個交通運(yùn)輸系統(tǒng)，小到水杯、茶壺。一個好的設(shè)計(jì)具備自我解釋（self-explanatory）的功能。如在商場中見到的各種標(biāo)識，廁所標(biāo)識，收銀標(biāo)識，咨詢標(biāo)識等，盡管從沒有了解過該商場的平面結(jié)構(gòu)，標(biāo)識上也沒有任何的文字說明，但是依然能在最快的速度找到目標(biāo)的位置。自解釋圖形的運(yùn)用能大大提高界面的可用性，減少界面的學(xué)習(xí)成本。

（五）服務(wù)附加功能

為提高系統(tǒng)的可用性，（見圖11）可以嘗試在界面上添加一些管理者需求的功能，圖中的功能為協(xié)助企業(yè)計(jì)算生產(chǎn)線產(chǎn)量及當(dāng)班產(chǎn)量，類似這種附加的功能對于企業(yè)的管理而言是非常便利的，服務(wù)化思維的導(dǎo)入應(yīng)不單單在于提高產(chǎn)品的單體性能，而是在使用體驗(yàn)的整個過程。新的功能可通過用戶研究分析電子加工企業(yè)的共性需求及個性需求，將功能設(shè)置成模塊化的形式，以供企業(yè)選擇添加。

結(jié)語

隨著《中國制造2025》政策的進(jìn)一步深化，工業(yè)機(jī)器人將會迎來大面積的使用，面對競爭日益激烈的銷售市場，只有將服務(wù)化思維貫徹到產(chǎn)品服務(wù)的整個過程中，才能使生產(chǎn)商立足于市場。放板機(jī)器人使用的環(huán)境不允許存在任何讓操作者產(chǎn)生困惑或錯誤的操作，一個簡單的失誤或許會導(dǎo)致嚴(yán)重的后果，這便要求人機(jī)交互界面足夠合理、易用、安全。將界面設(shè)計(jì)相關(guān)理論引入到操作界面中，不但能提高易用性，更能提高生產(chǎn)效率，節(jié)約成本。endprint