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重缺陷：設(shè)計中沒有深入研究過人機關(guān)系問題，致使多數(shù)數(shù)控機床人機界面的宜人性較差。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)有人機界面設(shè)計中存在的問題，運用人因工程學的相關(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行評價。

關(guān)鍵詞：數(shù)控機床；人機界面；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)控機床已經(jīng)發(fā)展成為現(xiàn)代機床產(chǎn)業(yè)的主流產(chǎn)品，它是現(xiàn)代先進制造技術(shù)中至關(guān)重要的基礎(chǔ)設(shè)施和裝備，也是機械設(shè)計制造和人因工程學等多個學科領(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重缺陷：目前大部分數(shù)控機床產(chǎn)品在設(shè)計和制造的過程中只運用了機械設(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關(guān)系問題[1]。這就導致了很多數(shù)控機床盡管加工性能優(yōu)良，但是其人機界面設(shè)計不合理，操作過程復雜繁瑣，宜人性較差，進而增加了工人錯誤操作的可能性，使得機械加工過程中的安全性和準確性得不到保障，甚至有可能造成嚴重的事故。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，首先運用人機工程學的相關(guān)知識和理論，對產(chǎn)品現(xiàn)有的人機界面進行改善設(shè)計，然后通過眼動實驗對改善的效果進行評價。

2 數(shù)控機床人機界面現(xiàn)狀及改善

2.1 SL30數(shù)控機床人機界面

圖1為SL30數(shù)控車床控制面板的人機界面，該款產(chǎn)品人機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界面存在以下問題：

（1）數(shù)控機床操作中至關(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）控制面板上大部分數(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，并且會嚴重影響數(shù)控機床的使用效率。

（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，嚴重影響了用戶在機床操作過程中的認知體驗，并且容易產(chǎn)生誤操作。

2.2 改善方案

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

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)律和大腦的認知習慣，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知習慣，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，以突出強制引導的作用。

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方法，最終繪制出改善后的數(shù)控機床控制面板設(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界面的改善效果進行評價，力求評價結(jié)果客觀準確。

3.1 實驗設(shè)計

根據(jù)測試任務要求，將數(shù)控機床的控制面板分成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都對應實際任務中的一個認知加工區(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。接下來對被試者進行眼動儀校準，校準完成后正式進入實驗。

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，并完成相應的任務，通過鼠標點擊切換圖片，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，對于任務設(shè)定的2個興趣區(qū)域，改善后人機界面的首次注視時間均遠小于改善前界面，說明改善后的控制面板人機界面能夠更快地引導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，對于任務設(shè)定的三個興趣區(qū)域，改善后人機界面的注視時間均小于改善前界面，說明改善后的人機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界面時的瞳孔直徑明顯大于看到改善前人機界面時的瞳孔直徑，這說明改善后的人機界面舒適性更強且能更多地激發(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分別給出了原機床人機界面和改善后的機床人機界面的熱點圖。

測試結(jié)果表明，原數(shù)控機床的人機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；而改善后的人機界面中的紅色熱點區(qū)基本都集中在指定的認知興趣區(qū)域內(nèi)。這說明原數(shù)控機床控制面板的人機界面設(shè)計不夠合理，導致被試者的關(guān)注點無法集中，從而降低了操作者的認知和操作速度。而改善后的數(shù)控機床人機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知興趣區(qū)域，從而加快了操作者的認知和操作速度。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的相關(guān)知識和理論，針對美國HAAS數(shù)控車床人機界面的不足之處進行改善，并繪制出改善方案，然后運用眼動實驗，分別從人機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，也可以將該方法應用到其他更為復雜的產(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

[1]董建.人機工程學在數(shù)控機床人性化設(shè)計中的應用[D].黑龍江：齊齊哈爾大學，2012.

[2]許曉云，史逸飛，王康威.淺析數(shù)控機床的人性化設(shè)計[J].設(shè)計藝術(shù)與理論，2016，（07）：104-105.

[3]陳博.基于人機工程學的數(shù)控車床人機界面的設(shè)計研究[D].西安：西安工程大學，2015.

[4]王振亞.基于感性工學的裝載機人機系統(tǒng)設(shè)計研究[D].山東：山東大學，2011.

[5]安璐，李子運.眼動儀在網(wǎng)頁優(yōu)化中的實驗研究[J].中國遠程教育，2012，（5）：87-91.

[6]謝偉，辛向陽，丁靜雯.基于眼動測試的產(chǎn)品人機界面交互設(shè)計研究[J].機械設(shè)計，2015，32（12）：110-115.