用戶對數(shù)控機床急停鍵位置反應的眼動研究

胡廷杰,祁 娜

(西華大學 美術(shù)與設計學院,四川 成都 610000)

0 引言

數(shù)控機床作為制造產(chǎn)業(yè)中的關(guān)鍵一環(huán),對其進行結(jié)構(gòu)、功能、造型和人機工學上的分析和改進具有極其重要的意義[1]。按鍵是機床中重要的控制工具,操作者通過按鍵對車床進行直接操作,按鍵設計的不合理會導致操作者的工作效率低下。急停鍵的存在,更是直接關(guān)乎到操作者的生命安全,必須高度重視對其的合理設計。

研究發(fā)現(xiàn),按鍵的合理性受形狀、色彩、位置等各種因素的影響[2-3],甚至還受到其觸覺特性的影響[4]。值得注意的是,急停鍵作為一種特殊按鍵,其形狀和色彩差異性并不明顯,但位置這一因素會直接影響用戶的信息處理流程,若其能更加符合人眼睛的運動特征和機能特征[5],將有助于提升用戶操作效率。因此,針對數(shù)控機床控制面板,急停鍵安置在怎樣的位置更有效,是研究者關(guān)注的核心問題。

此前已有部分學者對急停鍵進行了研究,菀松松等[6]認為,急停鍵應放置于最顯著的位置——面板的右下角,因為右手垂直方向的運動所需反應時間最少;朱毅然等[7]認為,急停鍵應和其他的功能鍵單獨劃分開來,使其十分醒目。鑒于目前研究仍缺乏詳細的數(shù)據(jù)支持和實驗測試,為進一步探究急停鍵位置對用戶的操作影響,從人機工程學的角度出發(fā)[8],收集并分析了國內(nèi)外30個品牌的數(shù)控機床控制面板上的急停鍵位置數(shù)據(jù),并借助眼動儀對數(shù)據(jù)分析結(jié)果進行有效性評估[9],以被試者對急停鍵的視覺反應力作為生理層面的參考依據(jù),更好地驗證現(xiàn)有控制面板急停鍵位置的有效性。

1 數(shù)據(jù)收集分析

1.1 數(shù)據(jù)統(tǒng)計分析方法

利用互聯(lián)網(wǎng)進行數(shù)據(jù)收集,內(nèi)容包含某一品牌下的所有數(shù)控類機床(包括車床、銑床、鏜床、鉆床等),如國內(nèi)知名機床制造企業(yè)沈陽機床的數(shù)控機床數(shù)據(jù)。研究發(fā)現(xiàn):各類數(shù)控機床的面板特征幾近相同(均為矩形面板),急停鍵特征也幾近相同(均為紅色、圓形),而急停鍵的位置卻有不同,急停鍵在不同控制面板間是一個相對位置,即:雖然不同控制面板大小比例不同,但同處于面板左下角的急停鍵是同樣的位置坐標。據(jù)此,采用如下數(shù)據(jù)統(tǒng)計分析方法:

1)采用互聯(lián)網(wǎng)收集不同品牌下的數(shù)控機床圖片,并對其進行篩選;

2)抽離出數(shù)控機床的控制面板,并標注面板輪廓和急停鍵位置;

3)采用數(shù)學工具對每個控制面板上的急停鍵進行位置表示,保證能有效地表明急停鍵在不同控制面板上的相對位置。如圖1所示,以控制面板的中心為原點,建立平面直角坐標系,將控制面板分為4個象限(右上、左上、左下、右下);x軸和y軸分別等分成6個坐標點,并過每個坐標點作垂直于坐標軸的直線,使得每個象限形成3×3的網(wǎng)格分布,以此劃分急停鍵在面板中的分布位置。該方法的優(yōu)點在于能有效比較急停鍵在不同控制面板間的相對位置。

圖1 控制面板坐標系

4)對所得的急停鍵位置數(shù)據(jù)進行統(tǒng)計,進行數(shù)據(jù)可視化的方法為:在某品牌的急停鍵位置數(shù)據(jù)中,將分布在面板不同位置的急停鍵數(shù)量進行對比,某位置所具有的急停鍵數(shù)量越多,則圓球的直徑越大,以直觀觀測出該品牌側(cè)重于將急停鍵布置在何種位置。

1.2 數(shù)據(jù)收集及分析

1)收集機床圖片。在中國沈陽機床的官網(wǎng),盡可能地收集其包含車床、銑床、鏜床、鉆床等機床在內(nèi)的所有數(shù)控類機床圖片,經(jīng)過人工篩選,去除重復和模糊圖片,得到中國沈陽機床的機床圖片,如圖2所示。

圖2 中國沈陽機床的數(shù)控機床圖片收集

2)抽取控制面板。在步驟1收集的機床圖片中,定位到每個機床的控制面板,并分別用紅色矩形和紅色圓點來標注其面板輪廓及急停鍵位置,如圖3所示。

圖3 中國沈陽機床的數(shù)控機床控制面板抽取

3)急停鍵位置表示。將步驟2中標注的控制面板輪廓及急停鍵位置單獨抽取出來,并依次放入控制面板坐標系(圖1)中進行位置表示,以便后續(xù)數(shù)據(jù)統(tǒng)計。

4)急停鍵位置統(tǒng)計。將步驟3得到的所有急停鍵位置數(shù)據(jù)進行統(tǒng)計,并進行可視化呈現(xiàn),以表現(xiàn)出中國沈陽機床在控制面板各位置的急停鍵放置數(shù)量對比,得到圖4所示的中國沈陽機床急停鍵位置數(shù)據(jù)統(tǒng)計圖。

圖4 中國沈陽機床急停鍵位置數(shù)據(jù)統(tǒng)計圖

由圖4可以看出,沈陽機床的急停鍵大多分布在面板左下側(cè),而僅有個例急停鍵零散分布在面板其他位置。為了減少數(shù)據(jù)的偶然性和增加其準確性,又搜集了其他不同國家不同品牌的共30個機床制造企業(yè)的急停鍵位置數(shù)據(jù),并依據(jù)上述數(shù)據(jù)統(tǒng)計分析方法依次對其進行分析,得到各機床制造企業(yè)的急停鍵位置數(shù)據(jù)統(tǒng)計表,如表1所示。

表1 國內(nèi)外30所機床制造企業(yè)的急停鍵位置數(shù)據(jù)統(tǒng)計表

由表1可知,不同品牌的面板急停鍵位置都有所側(cè)重。為了確切了解急停鍵的主要排布位置,將各品牌的急停鍵位置數(shù)據(jù)圖進行整合,參照笛卡爾熱力圖的表現(xiàn)形式,用顏色深淺程度來表示急停鍵在某位置出現(xiàn)的頻次,頻次越高則顏色越深,最終得到圖5所示的急停鍵位置排布熱力圖。

圖5 急停鍵位置排布熱力圖

數(shù)據(jù)顯示,在30多個品牌機床中,急停鍵主要分布在坐標(-3,-3),(-3,-2),(-3,-1),(-3,1),(-3,2),(-3,3),(-2,-2),(2,-3),(3,-3),(3,-2),(3,3)等11個位置,依次以L1,L2,L3,L4,L5,L6,L7,L8,L9,L10,L11命名。接下來,借助眼動實驗對這11個急停鍵位置進行有效性驗證,探究其對用戶的識別效率有何具體影響。

2 眼動實驗測試

2.1 研究方法與實驗設計

采用眼動實驗,對急停鍵的位置有效性進行分析,將被試者注意到急停鍵的眼動軌跡數(shù)據(jù)作為操作者對急停鍵作出快速反應的視覺數(shù)據(jù)。借鑒李寶珠等[10]使用的實驗設計方法來減少圖片出現(xiàn)順序?qū)嶒炘斐傻母蓴_,在眼動測試中向被試展示順序被打亂的的圖片材料。

2.1.1實驗說明

本次實驗分為實驗a和實驗b。共招募13名被試者,依次對實驗a和實驗b的幾組面板進行眼動測試。

實驗a是準備一套含有以上11個急停鍵排布位置的數(shù)控面板圖片(圖6),保留數(shù)控面板的原始色彩,對其進行眼動實驗,目的是觀測眼動數(shù)據(jù)是否具有差異性。

圖6 實驗a眼動材料

若實驗a的眼動數(shù)據(jù)顯示被試者對急停鍵位置的反應有明顯差異性,則展開實驗b。實驗b是對3套含有以上11個急停鍵排布位置進行技術(shù)處理后的數(shù)控面板圖片進行眼動測試,3套控制面板分別見圖7、圖8、圖9所示,測試的目的是采用控制變量法,排除急停鍵顏色和控制面板風格的干擾,觀察11個急停鍵位置對被試者的反應速度各有什么影響。

圖7 實驗b的第1套控制面板(去除原色彩)

圖9 實驗b的第3套控制面板(去除原色彩)

2.1.2實驗程序

在保證所有被試者都十分了解眼動實驗的要求和流程后,展開具體實驗:對被試進行眼睛校準,達到“非常好”校準提示;初步測試5張圖片后,研究者核查初步的測試結(jié)果,以確保該被試者進行的眼動測試合格。每位被試者完成眼動測試后,研究者會詢問被試者的測試滿意度,以判定該被試者是否需要進行二次測試。

2.1.3實驗設備及材料

實驗設備為西華大學的桌面式眼動儀,主要包括主試機和被試機兩大硬件。被試機用作眼動測試材料的展示,其顯示器的屏幕采樣率為1000 Hz,分辦率為1 024×768像素;主試機可以量測眼動數(shù)據(jù),其刷新頻率是140 Hz。實驗于西華大學七教眼動實驗室進行,具備實驗所需的抗干擾和隔音要求。實驗進行中,被試者在進行雙眼校準后將不再移動,被試者專心注視屏幕,與屏幕的水平距離約為65 cm。

實驗所需的刺激物全部由專業(yè)平面設計師制作而成。選取3種不同風格的控制面板,按照11個急停鍵排布位置,設計出3套不同的控制面板圖片。根據(jù)實驗a和實驗b的需要,獲得共4組計44張圖片,將各組圖片均進行順序打亂。

2.1.4實驗被試者情況

通過校園網(wǎng)絡平臺(微信、QQ等) 和黑板宣傳欄募集眼動被試者[11],最終選定15名四川省某大學的研究生參與統(tǒng)一的眼動測試。核查結(jié)果時,有2名被試者數(shù)據(jù)存在異常,判定其數(shù)據(jù)無效。剩余13名被試者平均年齡為22歲,最小者21歲,最大者25歲。其中女生占53.84%,男生占46.15%。眼動測試時,被試者的矯正視力均達到1.0,不存在色弱、色盲等眼部疾病。每位被試者的實驗過程中均未受到噪音、溫度等因素干擾。

2.2 數(shù)據(jù)處理

參照13位被試者在每張數(shù)控面板圖中的眼動軌跡,記錄每位被試者眼球找到急停鍵時的軌跡編號數(shù)據(jù),由此,每個急停鍵位置會有13個軌跡編號數(shù)據(jù),為防止誤差,去掉最小和最大的兩個數(shù)據(jù),取剩余11個數(shù)據(jù)的平均值,作為被試者對該急停鍵位置的反應指標,數(shù)據(jù)平均值越大,則被試找到該急停鍵時越慢。

2.2.1實驗a數(shù)據(jù)處理

數(shù)據(jù)記錄:按照前述的數(shù)據(jù)處理方法,記錄每個急停鍵位置的軌跡平均編號數(shù)據(jù),如表2所示。

表2 實驗a各急停鍵的眼動軌跡編號數(shù)據(jù)

由表2可知,不同急停鍵的排布位置對被試者的視覺反應有較大差異性。為此,展開實驗b來探究急停鍵位置對被試者視覺反應的確切影響。

2.2.2實驗b數(shù)據(jù)處理

數(shù)據(jù)記錄:按照前述的數(shù)據(jù)處理方法,分別記錄3套控制面板上急停鍵位置的軌跡編號均值,并進行均值計算,作為最終的軌跡編號數(shù)據(jù),以增強實驗的準確性。數(shù)據(jù)記錄如表3所示。

表3 實驗b各急停鍵的眼動軌跡編號數(shù)據(jù)

為更加直觀地觀測數(shù)據(jù),對比不同急停鍵位置對用戶反應速度的影響,將數(shù)據(jù)放在柱狀圖中顯示,如圖10所示。

圖10 實驗b各急停鍵位置的眼動軌跡編號柱狀圖

需要注意的是:被試者的反應速度與眼動軌跡編號成反比,即,眼動軌跡編號越大,表明被試者在此處反應速度越慢。觀測圖10,按照被試者的反應速度,將急停鍵的位置進行排序為:L6>L1>L7>L9>L3>L2>L10>L4>L11>L8>L5,并據(jù)此以被試者對各急停鍵位置由快到慢的反應速度,對急停鍵的排布位置進行優(yōu)先級排序,得到圖11所示的控制面板上急停鍵的排布位置優(yōu)先級排序圖(圓球的直徑越大,表示該處急停鍵位置越容易被操作者感知,越推薦將急停鍵布置在此處)。

圖11 控制面板上急停鍵的排布位置優(yōu)先級排序圖

2.3 實驗小結(jié)

本實驗在數(shù)據(jù)收集分析的基礎上,對急停鍵11個位置的有效性展開測試,實驗包含兩個部分:實驗a為保留原始色彩的數(shù)控面板,發(fā)現(xiàn)急停鍵位置對操作者反應速度的影響有較大差異;實驗b探究急停鍵何種位置排列更有助于被操作者快速找到。通過眼動數(shù)據(jù)處理,最終得到數(shù)控面板上急停鍵的排布位置優(yōu)先級排序圖。

3 結(jié)論與展望

3.1 研究結(jié)論與意義

對國內(nèi)外數(shù)控面板急停鍵位置進行數(shù)據(jù)分析,借助消費者的生理層面特征——眼動數(shù)據(jù),通過控制數(shù)控面板樣式、急停鍵位置等因素,深入研究了數(shù)控面板的急停健位置對操作者反應速度的影響,得出以下結(jié)論:

1)在數(shù)據(jù)收集期間發(fā)現(xiàn),國內(nèi)外數(shù)控機床制造企業(yè)的急停鍵排布位置大有不同。相較于國內(nèi),國外急停鍵的排布位置更具有統(tǒng)一性,即同一家企業(yè)的不同類型的數(shù)控面板上,急停鍵更傾向于處在同一位置,這有利于提升其品牌形象。因此,對于國內(nèi)企業(yè)而言,應在確保急停鍵處在較優(yōu)位置的前提下,盡量使企業(yè)內(nèi)同類產(chǎn)品的急停鍵位置具有一致性,進而提升購買者對品牌形象的認知。

2)在數(shù)據(jù)實驗之后發(fā)現(xiàn),急停鍵的排布位置對操作者的反應速度有較大影響。其中,對用戶眼動數(shù)據(jù)(眼動軌跡圖)的分析得出,急停鍵位于左上方時最易被操作者找到,左下次之,再次為右下,位于右上時識別效率最低。因此,企業(yè)在設計急停鍵時,針對一般性數(shù)控面板,應盡量將急停鍵置于左上、左下、右下方,如若沒有其他必須要求,應盡量不將急停鍵放置于面板右上位置。

3.2 研究局限

存在的局限以及展望:1)眼動測試的被試者多為在校學生,未來研究可以通過測試專業(yè)操作人員,使得結(jié)論更加精準;2)用于實驗測試的數(shù)控面板版式均為矩形,未來研究可以拓展到其他面板版式;3)僅探討了急停鍵位置對操作者反應速度的影響,而未確切地考慮其他元素如急停鍵的形狀、大小、色彩等,未來研究可以將這些因素進行綜合考慮,拓展急停鍵研究領域;4)作為眼動材料的面板均為靜止圖片,忽略了真實操作下的工況影響,未來研究可以在真實工況下,展開急停鍵的位置探究,以提升研究結(jié)果的可用性;5)僅對被試者進行了視覺層面的眼動實驗,盡管視覺是首先被感知到的,但下一步的手動操作仍會有急停鍵位置對操作人員的影響(比如,手臂移動速度、周邊按鍵干擾等),未來研究可以將視覺測試與手動操作結(jié)合起來,探究急停鍵排布位置對操作者的反應速度影響。