彭瑋航，徐華澤

（1.南京理工大學(xué)，南京 210094；2.天津理工大學(xué)，天津 300384）

0 引言

隨著中國工業(yè)化的進(jìn)一步發(fā)展，數(shù)控機(jī)床成為了典型的集高新技術(shù)于一體的機(jī)械加工設(shè)備，廣泛應(yīng)用于制造業(yè)的各領(lǐng)域。由于數(shù)控機(jī)床操控面板功能繁多，易給初學(xué)者帶來不便，增大學(xué)習(xí)成本和誤操作概率，影響機(jī)床操控過程的可靠性。復(fù)雜儀器儀表的可用性設(shè)計(jì)研究一直是計(jì)算機(jī)人機(jī)交互、工程心理學(xué)、人機(jī)工程等領(lǐng)域關(guān)注的焦點(diǎn)[1-3]。人-機(jī)之間存在一種閉合的信息環(huán)路關(guān)系，人與機(jī)器之間信息傳遞的正確性、交流方式的合理性是判斷人機(jī)界面是否具有適用性和易用性的關(guān)鍵[4-6]。晏群等[7]運(yùn)用人機(jī)工程理論改進(jìn)了CK6150H 型數(shù)控機(jī)床的操作界面，解決了人機(jī)操控過程中的工效學(xué)問題，Masakazu 等[8]給出了機(jī)械系統(tǒng)中人機(jī)操作界面的改進(jìn)分析方法，Nagamachi 等[9]將人機(jī)界面設(shè)計(jì)的相關(guān)知識用到了水電站的模擬裝置的研發(fā)中，John[10]等從控制裝置的材料挑選和材料的外層處理方面研究了數(shù)控機(jī)床的人機(jī)界面布局。近年來，眼動(dòng)儀被廣泛用于測定各類儀器儀表的人機(jī)工效，成為復(fù)雜操控界面人機(jī)交互設(shè)計(jì)與評價(jià)的有效手段。文中主要是從易用性的角度探討用戶在操控復(fù)雜儀器的認(rèn)知負(fù)荷以及數(shù)控機(jī)床控制面板人機(jī)界面改善設(shè)計(jì)問題，通過眼動(dòng)試驗(yàn)測定用戶在操控?cái)?shù)控機(jī)床過程中的視覺聚焦、眼動(dòng)軌跡、注視時(shí)間等參數(shù)，為設(shè)計(jì)原則、設(shè)計(jì)規(guī)律和參數(shù)的制訂提供必要的依據(jù)。

圖1 操控過程的人-機(jī)系統(tǒng)模型Fig.1 Human-machine system model

1 復(fù)雜人機(jī)界面設(shè)計(jì)原則

一個(gè)新產(chǎn)品開發(fā)的全過程通常需要經(jīng)過產(chǎn)品規(guī)劃、方案設(shè)計(jì)、技術(shù)設(shè)計(jì)、施工設(shè)計(jì)等階段。其中，產(chǎn)品規(guī)劃和方案設(shè)計(jì)是整個(gè)設(shè)計(jì)的首要環(huán)節(jié)，是實(shí)現(xiàn)產(chǎn)品創(chuàng)新和品質(zhì)飛躍的關(guān)鍵?？刂泼姘迦藱C(jī)界面的設(shè)計(jì)原則是可用性和易用性[11-15]，設(shè)計(jì)人員在設(shè)計(jì)研發(fā)時(shí)需要始終遵循。數(shù)控機(jī)床操控面板人機(jī)界面的設(shè)計(jì)原則包括以下方面：遵循功能要求、提高操控效率、減少誤操作概率、增強(qiáng)容錯(cuò)性、充分考慮用戶的生理感受[16-18]。具體到人機(jī)界面設(shè)計(jì)中，主要有：①功能區(qū)域的布局與劃分；②按鍵、圖標(biāo)、色彩設(shè)計(jì)。設(shè)計(jì)中要借助認(rèn)知心理學(xué)的相關(guān)知識來分析人的認(rèn)知習(xí)慣和行為習(xí)慣[19]。操控過程的人-機(jī)系統(tǒng)模型如圖1所示。

1.1 界面的功能布局與劃分

國內(nèi)已有學(xué)者對人機(jī)界面的布局與劃分進(jìn)行了初步的探索與研究，總結(jié)出了一些基本的分區(qū)方法，如矩形、F矩形、均方根矩形等方法。但這些方法只是基于圖形排布上的劃分，并沒有充足的依據(jù)證明某種布局適用于哪種功能性的人機(jī)界面。此外，數(shù)控機(jī)床顯示屏除了顯示信息，同時(shí)還要具有操作的便利性。根據(jù)調(diào)研數(shù)據(jù)的統(tǒng)計(jì)，表明大多數(shù)操作者較習(xí)慣使用右手操作。因此，為減少手指移動(dòng)的距離提高效率，顯示屏按鍵控制區(qū)最適宜放置在下部或者右側(cè)。圖2 為常用的4 種布局形式。

圖2 界面布局形式Fig.2 Interface layout

1.2 控制鍵設(shè)計(jì)

控制面板的控制鍵設(shè)計(jì)要基于用戶的認(rèn)知習(xí)慣，把不同功能的控制鍵進(jìn)行分類，將同類功能的控制鍵設(shè)置在一個(gè)區(qū)域內(nèi)?？刂奇I的形狀則要符合產(chǎn)品語義學(xué)原理，例如：方形和圓形的按鈕鍵給人的直覺是要往下按來進(jìn)行操作的；帶手柄的控制鍵給人的直覺是要握住它來進(jìn)行上下左右4個(gè)方向的操作；帶旋鈕的控制鍵給人的直覺是可進(jìn)行旋轉(zhuǎn)操作的。

1.3 圖標(biāo)設(shè)計(jì)

根據(jù)調(diào)研數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)，合理的圖標(biāo)設(shè)計(jì)比文字標(biāo)示更具有明確易懂的效果。在圖標(biāo)設(shè)計(jì)中，必須注意的是要站在操作者的角度來設(shè)想某個(gè)圖標(biāo)在實(shí)際操控時(shí)代表的意義，而不是畫面的細(xì)節(jié)，一定要使人第一眼看到便心領(lǐng)神會(huì)。所以，要求在設(shè)計(jì)圖標(biāo)時(shí)要遵循以下幾點(diǎn)：空心圖標(biāo)易產(chǎn)生歧義，盡量少用；圖標(biāo)的簡潔化處理要適當(dāng)，圖標(biāo)在遵循行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)的基礎(chǔ)上可進(jìn)行簡潔化處理，但要確保意義能夠表達(dá)明確，不能過度追求簡潔而忽視其作為識別性工具的功能[20-22]。

1.4 色彩設(shè)計(jì)

控制面板的色彩設(shè)計(jì)是影響數(shù)控機(jī)床操作者操作效率、正確率的重要因素之一，主要設(shè)計(jì)原則有：主色調(diào)的選擇，面板背景色彩等。必須注意的是，面板表面層的材質(zhì)絕對不能過于光滑容易造成鏡面反光，對操作者施加干擾；顏色種類最好不超過5 種顏色，因?yàn)樘珡?fù)雜的色彩區(qū)域容易讓人視覺疲勞，增加誤操作的可能性；合理利用色彩的象征意義[23,24]，例如：急停按鈕的顏色必須使用紅色或黃色這類警示性顏色，再遇到突發(fā)狀況或者機(jī)床故障時(shí)能具有強(qiáng)烈的識別性，讓操作者在視域范圍內(nèi)以最快的時(shí)間找尋到此按鍵的位置[25,26]。

圖3 原型機(jī)操作面板Fig.3 Prototype operator panel

2 方案設(shè)計(jì)

文中在法那克機(jī)床面板（見圖3）的基礎(chǔ)上進(jìn)行改進(jìn)設(shè)計(jì)。在對原型機(jī)分析的基礎(chǔ)上，針對整體功能布局、按鍵的形狀、大小，旋鈕的大小、擺放位置等存在的不合理的問題，設(shè)計(jì)了3 種數(shù)控機(jī)床控制面板的人機(jī)界面方案，利用CAD 軟件繪制出效果圖，如圖4 所示。

原型機(jī)和設(shè)計(jì)方案作為試驗(yàn)素材進(jìn)行眼動(dòng)試驗(yàn)。

3 眼動(dòng)測試

使用津發(fā)Tobi IT X300 眼動(dòng)儀進(jìn)行眼動(dòng)試驗(yàn)。招募5名被試人員，平均年齡為20 歲，大學(xué)本科學(xué)歷，矯正視力正常，無操作數(shù)控機(jī)床的經(jīng)歷。雖然小樣本測試可能會(huì)存在一些偏差的情況，但可用性工程中，5 個(gè)用戶的樣本數(shù)據(jù)可用來說明設(shè)計(jì)的是否合理。

測試分兩部分：第1 部分為原型機(jī)測試，需被試者佩戴移動(dòng)式眼動(dòng)儀，站在數(shù)控機(jī)床前根據(jù)任務(wù)指令進(jìn)行操作，眼動(dòng)儀自動(dòng)記錄被試者的眼動(dòng)軌跡、眼球停留時(shí)長、首次注視時(shí)間等參數(shù)；第2 部分為素材（設(shè)計(jì)方案）測試，需將測試素材置于桌面式眼動(dòng)儀設(shè)備中，被試者坐在屏幕前方，按照任務(wù)要求，通過點(diǎn)擊鼠標(biāo)并在找到目標(biāo)按鍵時(shí)點(diǎn)擊相應(yīng)的按鍵位置。試驗(yàn)環(huán)境如圖5 所示。

首先進(jìn)行預(yù)試驗(yàn)，預(yù)試驗(yàn)結(jié)束后進(jìn)入正式試驗(yàn)。由主試人員進(jìn)行任務(wù)宣讀，下達(dá)命令，被試人員根據(jù)指令進(jìn)行操作，完成任務(wù)。

每個(gè)任務(wù)按鍵的首次注視時(shí)間是任務(wù)設(shè)計(jì)效率的一個(gè)重要參考指標(biāo)。以緊急停止、原點(diǎn)復(fù)位、自動(dòng)執(zhí)行、主軸轉(zhuǎn)百分比4 個(gè)功能為例，這4 個(gè)鍵是常用于不同的功能分區(qū)。

圖4 設(shè)計(jì)方案Fig.4 Design

當(dāng)一個(gè)任務(wù)完成后，主試人員會(huì)下達(dá)下一個(gè)任務(wù)指令，被試人員根據(jù)指令完成下一個(gè)任務(wù)，直到完成與4 個(gè)功能鍵相關(guān)的所有任務(wù)。眼動(dòng)儀記錄了被試者分別操控原型機(jī)和3 種設(shè)計(jì)方案中這4 個(gè)按鍵的首次注視時(shí)間，見表1 ～表4。

表1 原型機(jī)功能按鍵的首次注視時(shí)間Table 1 First fixation time of prototype function keys

表2 方案1 功能按鍵的首次注視時(shí)間Table 2 First fixation time of program 1 function key

表3 方案2 功能按鍵的首次注視時(shí)間Table 3 First fixation time of program 2 function keys

表4 方案3 功能按鍵的首次注視時(shí)間Table 4 First fixation time of program 3 function keys

4 結(jié)果分析

基于描述性統(tǒng)計(jì)，將4 個(gè)被測試對象的4 個(gè)功能按鍵的第1 次固定點(diǎn)的總時(shí)間進(jìn)行相互比較。第1 個(gè)注視點(diǎn)的4 個(gè)被測試對象的總時(shí)間有一些差異。查看對象1、對象2、對象3、對象4 的功能鍵所花費(fèi)的時(shí)間是不同的，因?yàn)闇y試方案的功能按鍵設(shè)計(jì)是多樣的，導(dǎo)致各個(gè)方案功能按鍵第一注視時(shí)間的差異。

圖5 試驗(yàn)環(huán)境Fig.5 Test environment

圖6 各方案平均首次注視時(shí)間對比Fig.6 Comparison of average first fixation time of each scheme

從圖6 中可清晰比較原型機(jī)和3 個(gè)設(shè)計(jì)方案中各功能按鍵的第一注視時(shí)間，方案1 中的主軸轉(zhuǎn)速百分比功能按鍵，原點(diǎn)復(fù)位功能按鍵和自動(dòng)執(zhí)行功能按鍵比方案3 的首次注視時(shí)間要短，說明方案1 在主軸轉(zhuǎn)速百分比功能按鍵、原點(diǎn)復(fù)位功能按鍵和自動(dòng)執(zhí)行功能按鍵的設(shè)計(jì)要優(yōu)于方案2 和方案3。方案1 用旋鈕來轉(zhuǎn)換模式的功能比按鍵更為高效和便捷。

試驗(yàn)結(jié)果表明，數(shù)控機(jī)床操作面板的方案1 具有更好的用戶體驗(yàn)，所以其可用性最佳。數(shù)控機(jī)床操作面板的方案2 和3 的操作效率低，用戶體驗(yàn)較差。原型機(jī)的各個(gè)功能按鍵的第一注視時(shí)間都比各個(gè)優(yōu)化方案長，原型機(jī)上尋找功能按鍵的效率是非常低的。結(jié)果表明，數(shù)控機(jī)床控制面板的界面布局和按鈕形狀對用戶的操作效率和體驗(yàn)有重要影響。設(shè)計(jì)人員可改進(jìn)設(shè)計(jì)方案并迭代優(yōu)化數(shù)控機(jī)床控制面板的界面設(shè)計(jì)。

5 結(jié)論

眼動(dòng)測試分析方法在人機(jī)界面的設(shè)計(jì)和開發(fā)過程中具有廣泛的應(yīng)用前景。文中運(yùn)用數(shù)據(jù)分析對人機(jī)界面的改善方案進(jìn)行評價(jià)，利用眼動(dòng)儀對被試人員進(jìn)行了眼動(dòng)試驗(yàn)，并獲得了相對應(yīng)的眼動(dòng)試驗(yàn)數(shù)據(jù)，對眼動(dòng)試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行了分析和處理，從而從客觀的角度對本次改善的效果進(jìn)行分析和評價(jià)。結(jié)果表明，改善后的數(shù)控機(jī)床人機(jī)界面在各個(gè)方面均優(yōu)于改善前的數(shù)控車床人機(jī)界面，并優(yōu)選出最佳方案，驗(yàn)證了該試驗(yàn)方法的有效性。