楊丹鳳，熊艷

（四川大學(xué) 機(jī)械工程學(xué)院，四川 成都 610065）

機(jī)床設(shè)備的發(fā)展總趨勢從勞動密集型向技術(shù)密集型再向高技術(shù)密集型轉(zhuǎn)變，相應(yīng)的代表產(chǎn)品為普通機(jī)床、數(shù)控機(jī)床和柔性加工系統(tǒng)[1]。其中數(shù)控機(jī)床是現(xiàn)代先進(jìn)制造技術(shù)中最重要的基礎(chǔ)裝備，是現(xiàn)今世界機(jī)床市場的主流產(chǎn)品，也是人機(jī)工程系統(tǒng)研究的重點對象。

隨著人們情感需求的提高以及智能領(lǐng)域的不斷完善，傳統(tǒng)的設(shè)備裝置制造觀念已經(jīng)不能適應(yīng)新時代的要求?！爸袊圃?025”將智能制造作為制造業(yè)轉(zhuǎn)型升級的主攻方向，提出智能制造不僅是技術(shù)問題，還需考慮產(chǎn)業(yè)融合、組織變革、消費(fèi)體驗等問題，其中用戶體驗是組織模式變革、發(fā)展共享經(jīng)濟(jì)的源動力，對推進(jìn)智能制造有著必不可少的重要性[2]。用戶體驗可以獲得用戶在使用操作產(chǎn)品過程中的體驗反饋與主觀感受，讓設(shè)計者理解用戶如何體驗機(jī)床產(chǎn)品，明確用戶在體驗過程中真實存在的問題，從用戶角度解決產(chǎn)品痛點。由此可見基于用戶體驗對用戶感知、心理、決策過程進(jìn)行研究是非常有必要的。

本研究提出基于用戶本能、行為、反思三個層次，結(jié)合用戶感官、交互、情感三種體驗，研究用戶對機(jī)床交互設(shè)計的認(rèn)知與反饋。通過用戶在使用加香機(jī)床系統(tǒng)、產(chǎn)品時所產(chǎn)生的感知和反應(yīng)，探討基于用戶真實操作體驗，在降低認(rèn)知負(fù)荷需求下，對機(jī)床造型、控制面板、機(jī)床色彩、文字等設(shè)計提出建議，有助于設(shè)計師在設(shè)計數(shù)控機(jī)床時參考用戶需求分析以及用戶體驗應(yīng)用，為設(shè)計更符合人機(jī)交互協(xié)作的機(jī)床產(chǎn)品提供參考。

1 理論背景

1.1 用戶體驗

用戶體驗（User Experience，UE）被認(rèn)為是人對機(jī)器系統(tǒng)體驗的全方面體驗內(nèi)容，包括圖形、界面、物理交互等[3]。隨著用戶體驗的不斷發(fā)展，其定義也一直在更新完善。2017年中國用戶體驗行業(yè)白皮書對其定義為“用戶對系統(tǒng)、產(chǎn)品或服務(wù)的使用和預(yù)期使用所產(chǎn)生的感知和反應(yīng)”。該定義指出用戶體驗是用戶與產(chǎn)品之間交互所形成的結(jié)果，包括用戶的肢體感覺、心里感覺、以及用戶體驗結(jié)果，體驗結(jié)果即用戶的感知和反應(yīng)，包括生理反應(yīng)、情緒反應(yīng)等[4]。有研究認(rèn)為用戶體驗涉及用戶、產(chǎn)品和交互環(huán)境三個方面，并以易用、好用、融合三個層次分析理解用戶體驗[5]?；谟脩趔w驗給用戶研究開拓了新的思維方向，為產(chǎn)品設(shè)計的創(chuàng)新提供理論支持，并為交互設(shè)計提供可用性基礎(chǔ)。

1.2 交互設(shè)計

交互設(shè)計是研究人造系統(tǒng)的行為，最早的交互設(shè)計是針對軟件或程序的界面顯示設(shè)計，通過顯示器、鼠標(biāo)、鍵盤等設(shè)備達(dá)到人與計算機(jī)信息輸入輸出交流的目的，研究以“人為中心”的人機(jī)交互技術(shù)[6]。目前，產(chǎn)品設(shè)計的設(shè)計重點由實體層面轉(zhuǎn)向信息層面，設(shè)計師不僅關(guān)注于創(chuàng)造產(chǎn)品，更要創(chuàng)造信息交流方式，包括定義產(chǎn)品行為、創(chuàng)造產(chǎn)品形式、預(yù)測產(chǎn)品與用戶關(guān)系，以及用戶對產(chǎn)品的理解。交互設(shè)計實際是關(guān)于創(chuàng)建新的用戶體驗的問題[7]，它基于認(rèn)知心理學(xué)、感性設(shè)計、人工智能等用戶體驗實踐的基本原理，在設(shè)計過程中強(qiáng)調(diào)人、動作、目的、媒介、場景五要素，是復(fù)雜人造物與人之間以虛擬界面為載體的對話機(jī)制，其應(yīng)用呈多樣性，如虛擬顯示交互、情感交互設(shè)計、觸覺交互設(shè)計等[8]。交互設(shè)計已從簡單的人-電腦的交互升級到通用型的人機(jī)交互，關(guān)注點從效率性變成可用性和用戶體驗，并進(jìn)一步引入情感設(shè)計和服務(wù)設(shè)計。

2 基于用戶需求層次的機(jī)床設(shè)備交互設(shè)計

諾曼將大腦對外界的反饋和認(rèn)知分為三個層次：本能層次、行為層次、反思層次[3]。針對機(jī)床設(shè)備的交互過程，具體概括為：本能層次主要是指用戶的感官體驗，包括機(jī)床設(shè)備的整體外觀造型、視覺上的色彩、文字、觸覺上的控制按鈕等。行為層次主要是指交互體驗，本研究中主要是指機(jī)床結(jié)構(gòu)造型設(shè)計、控制面板設(shè)計、按鍵設(shè)計、顯示屏設(shè)計等。反思層次主要是指情感體驗，主要考慮認(rèn)知負(fù)荷、用戶心理情緒以及加工環(huán)境舒適度三個方面，如圖1所示。

圖1 機(jī)床設(shè)備設(shè)計因素用戶需求層次結(jié)構(gòu)模型

具體來說，對機(jī)床的用戶需求主要考慮：

（1）用戶本能需求層次：在機(jī)床整體外觀造型上，滿足用戶能識別并使用機(jī)床，且能夠給用戶足夠安全感，解決對機(jī)床設(shè)備操作的恐懼心理。對整體色彩設(shè)計，做到統(tǒng)一且有序。

（2）用戶行為需求層次：無論是對機(jī)床結(jié)構(gòu)造型的設(shè)計還是對控制面板的設(shè)計都需要考慮人機(jī)交互問題，人與機(jī)器的交互以人為主，設(shè)計符合操作便利、操作效率高。

（3）用戶反思需求層次：用戶認(rèn)知負(fù)荷以及心理情緒帶給加工進(jìn)度的影響較大，故而在設(shè)計時需考慮設(shè)計認(rèn)知負(fù)荷低，給用戶帶來輕松愉悅加工環(huán)境的產(chǎn)品。例如由于加工時間長，用戶對控制面板認(rèn)知能力較低，在設(shè)計控制面板按鍵排布順序時，需要降低用戶記憶難度，減少控制面板交互界面復(fù)雜性。

2.1 基于本能和行為需求層次的機(jī)床設(shè)備交互設(shè)計

機(jī)床外形多設(shè)計為大型、有厚重感的垂直和水平直線造型，以斜面或弧面過渡。外觀上具有厚重、有力量感。線性帶來精致、規(guī)則、有序、合理的感覺，適合加工中心的特點：高精度、高速度、高效率。部分機(jī)床在大方形的基礎(chǔ)上增加一些曲面造型，用大圓角的光滑連接形成大包絡(luò)面，給人的印象圓潤、造型均勻、線條柔和、光滑感。外蓋和門通常為大圓弧曲面，曲面與垂直面的過渡采用大倒角，觀察窗采用大圓角方形造型或線性造型，把手是彎曲的，以適應(yīng)門的曲面。

以德國、美國、日本作為三大機(jī)床技術(shù)強(qiáng)國，其三者生產(chǎn)出的機(jī)床為例，可以看出，無論是造型還是工藝、加工性能、材質(zhì)、色彩、人機(jī)交互界面等領(lǐng)域都是頂尖存在，總結(jié)如下：

（1）機(jī)床外觀整體性觀念很強(qiáng)，不同于以往現(xiàn)在越來越多公司將機(jī)床的整體造型往一個大方形靠攏，例如德國的達(dá)創(chuàng)DATRON（圖2a）其設(shè)計強(qiáng)調(diào)機(jī)床整體性，減少傳統(tǒng)的手柄、外置開關(guān)等器件，盡量將元器件設(shè)置在機(jī)床內(nèi)部或者控制面板上，無多余設(shè)計。

（2）機(jī)身大多以灰色調(diào)為主，灰色與白色、米白色等淺色系組合，以工業(yè)藍(lán)為裝飾色調(diào)如德國的德瑪吉DMU50（圖2b），這種色彩搭配在滿足用戶心理安全性需求的前提下，又能顯得機(jī)床大氣美觀，穩(wěn)重的色調(diào)能滿足操作者安全保護(hù)效果。

（3）在滿足色彩、材質(zhì)等設(shè)計要求下，設(shè)計符合人視覺可視范圍內(nèi)的可視窗，以及符合人機(jī)工程學(xué)的操作面板。一方面可視窗方便觀察機(jī)床內(nèi)部加工情況，另一方面可視窗以及操作面板的設(shè)計對外觀造型上提供更多可能性，提升用戶體驗，例如美國HASS機(jī)床（圖2c），在操作面板的設(shè)計上提出圓柱形設(shè)計，其外觀在眾多機(jī)床中出類拔萃。

（4）針對小型機(jī)床設(shè)計，不易單獨設(shè)計操作面板，應(yīng)考慮整體化設(shè)計，盡可能將所有功能都設(shè)計在機(jī)床面板上，保持小型機(jī)床“小”的特點，如日本兄弟機(jī)床R450X2（圖2d）。

圖2 典型機(jī)床的造型

操作面板按鍵排布邏輯關(guān)系應(yīng)考慮根據(jù)用戶最熟悉功能進(jìn)行分類，將相同功能的劃分為一組；根據(jù)用戶使用頻率進(jìn)行分類，將使用最頻繁的元器件設(shè)計在最醒目的位置；根據(jù)用戶操作過程中重要性進(jìn)行分類，將最重要的元器件放置在一起；根據(jù)機(jī)器加工時間先后順序進(jìn)行分類，將元器件按從左到右或從上到下的時間順序進(jìn)行分組分類。

文字設(shè)計符合目標(biāo)用戶的認(rèn)知特性以及心理需求，采用簡潔、清晰、硬朗的字體，其次需要考慮操作員方便檢查等因素。在界面選擇文字輸入時，為減少用戶的緊張心理，在輸入處可設(shè)計引導(dǎo)性文字，幫助用戶快速找到輸入窗口。

2.2 基于反思需求層次的的機(jī)床設(shè)備交互設(shè)計

2.2.1 用戶認(rèn)知負(fù)荷

認(rèn)知負(fù)荷是人機(jī)交互研究和實踐中最廣泛使用的概念之一，其理論基礎(chǔ)主要是資源有限理論和圖式理論[9]，主要分為內(nèi)在認(rèn)知負(fù)荷、外在認(rèn)知負(fù)荷以及關(guān)聯(lián)認(rèn)知負(fù)荷三種類型[10]。基于該理論，機(jī)床設(shè)備交互設(shè)計中內(nèi)在認(rèn)知負(fù)荷主要是指機(jī)床功能內(nèi)在特性以及用戶的專業(yè)知識，與機(jī)床功能、加工性能等有關(guān)，較難改變；外在負(fù)荷指由刺激材料呈現(xiàn)方式或?qū)W習(xí)者活動引起的工作記憶負(fù)荷，普遍指由外在操作如機(jī)床控制按鈕識別，以及操作使用控制面板和加工工件流程等一系列工作記憶負(fù)荷；而關(guān)聯(lián)負(fù)荷是指將零散的信息關(guān)聯(lián)、打包、模式化、自動化，如操作面板根據(jù)功能等原則模塊化分區(qū)域，通過增加關(guān)聯(lián)負(fù)荷將信息打包關(guān)聯(lián)，做到視覺一致性以及交互一致性。認(rèn)知負(fù)荷形成因素如圖3所示。

圖3 用戶認(rèn)知負(fù)荷形成因素

依據(jù)認(rèn)知負(fù)荷理論[11]，為促進(jìn)有效學(xué)習(xí)，應(yīng)盡可能減少外部認(rèn)知負(fù)荷，增加關(guān)聯(lián)認(rèn)知負(fù)荷，使總的認(rèn)知負(fù)荷不超出學(xué)習(xí)者個體能承受的認(rèn)知負(fù)荷。在機(jī)床設(shè)計中可以通過改變控制面板的呈現(xiàn)形式以及優(yōu)化操作者操作流程的方式，限制外在負(fù)荷的數(shù)量，從而降低認(rèn)知負(fù)荷，提高工作效率。本文總結(jié)了以下降低用戶認(rèn)知負(fù)荷的設(shè)計需求：

（1）易學(xué)習(xí)性：相較于純文字類的信息展示，圖形更容易學(xué)習(xí)理解，在界面信息展示中，為降低用戶的認(rèn)知負(fù)荷，通常使用圖文結(jié)合的形式。

（2）易記憶性：對于控制按鍵排布，遵循時間順序、功能順序、使用頻率、重要性以及運(yùn)動方向性原則等邏輯關(guān)系進(jìn)行設(shè)計，通過強(qiáng)烈的邏輯關(guān)系降低用戶學(xué)習(xí)以及記憶難度，從而降低用戶認(rèn)知負(fù)荷。

（3）易操作性：考慮視覺一致、交互一致的原則，對于不同系列的產(chǎn)品設(shè)計做到視覺統(tǒng)一性，增加用戶辨認(rèn)度。

產(chǎn)品的信息要素做到同種風(fēng)格，并保持操作行為、用戶反饋、用戶心智模型的一致性，如界面任務(wù)信息的組織和呈現(xiàn)方式等，也可通過觸屏在顯示屏上點擊、雙擊、滑動、按壓、拖動等動作手勢進(jìn)行信息交互，并針對性展示給操作者必要的信息，如項目代碼、組件名稱或維護(hù)和維修程序的說明等。隨著技術(shù)發(fā)展，借助AR技術(shù)動態(tài)展示加工物品信息，在真實工廠環(huán)境之上提供一種視覺信息層，可以實現(xiàn)虛擬信息與所處實景巧妙融合，增強(qiáng)產(chǎn)品信息展示和現(xiàn)實感知，實現(xiàn)各個角度使用場景下對產(chǎn)品的準(zhǔn)確認(rèn)知，以降低用戶認(rèn)知負(fù)荷。

2.2.2 用戶心理愉悅性

用戶在操作機(jī)床過程中會受到機(jī)床外部因素如機(jī)床色彩、造型風(fēng)格、加工環(huán)境、操作難易程度等元素的影響，產(chǎn)生各種心理情緒。這些情緒伴隨著加工進(jìn)程，影響用戶操控行為，以及對控制面板的識別、認(rèn)知以及反應(yīng)能力，從而影響加工進(jìn)程。機(jī)床外部因素與用戶心理情緒關(guān)系如圖4所示。

圖4 機(jī)床外部因素對用戶心理情緒的關(guān)系

合理的色彩搭配設(shè)計有助于用戶在認(rèn)識、記憶、操作機(jī)床過程中有愉悅的心理情緒，并在加工過程中保持輕松、愉悅、較自由的工作狀態(tài)。環(huán)境燈光設(shè)計有利于提高愉悅性，如在夜間作業(yè)時，保證充足的光照，從而消除用戶在心理上的煩躁情緒，提升用戶體驗。在可視化設(shè)計方面，將機(jī)床門、加工耗材位置、液體原料存放位置等部位部分可視，用戶能實時觀察加工進(jìn)程、耗材情況等，也能在心理上給足用戶安全感。

3 示例

加香機(jī)床是煙草加工中心對香煙加上不同味道環(huán)節(jié)中最重要的加工機(jī)器，通過該機(jī)器加工，普通香煙加工成帶有香橙等不同果味的香煙。其原理是棉線通過加香機(jī)器加工之后附著上香液，帶有果味香液的棉線再被輸送到濾嘴卷紙機(jī)器中，加工成帶有香味的濾嘴。該機(jī)床設(shè)備較為簡陋，在市面上應(yīng)用不廣泛，對其關(guān)注及研究較少。本文用戶體驗以加香機(jī)床的人機(jī)交互行為為例，以用戶體驗為基礎(chǔ)，記錄、分析研究不同用戶在操作控制機(jī)床時的反應(yīng)與感受，探究認(rèn)知負(fù)荷對交互設(shè)計的影響。

3.1 用戶操作流程分析

通常加香機(jī)床用戶操作機(jī)床時共分為四個操作步驟，其基本流程如圖5所示。

圖5 用戶操作要素流程圖

3.2 人機(jī)交互行為的優(yōu)化

根據(jù)用戶對產(chǎn)品的熟悉程度、了解程度、專業(yè)程度不同，導(dǎo)致用戶能承受的認(rèn)知負(fù)荷不同，分析不同認(rèn)知負(fù)荷的用戶在相同交互操作任務(wù)情境下使用機(jī)床的操作反應(yīng)，探索降低用戶認(rèn)知負(fù)荷的思路，實現(xiàn)更好的機(jī)床交互設(shè)計。在加香機(jī)床的用戶體驗實驗中，召集加工廠里不同工作年限的用戶，根據(jù)用戶的工作時間、專業(yè)背景、機(jī)床熟悉程度分為三類用戶：新手用戶、熟知型用戶和專家型用戶。通過觀察法及訪談法，記錄三類用戶操作機(jī)床時整個過程，分析不同用戶在操作加香機(jī)床典型動作要素，進(jìn)行人機(jī)交互行為優(yōu)化。

3.2.1 新手型用戶

（1）香線機(jī)床設(shè)備在使用前需要較多檢查流程（操作1），新手用戶容易遺忘，在操作過程中容易緊張，擔(dān)心出錯?？梢栽跈C(jī)床上張貼使用流程，或者在顯示屏上針對性展示必要的操作信息；

（2）在操作1第4個環(huán)節(jié)中，對管道連接擰緊的力度把握經(jīng)驗不足，容易造成管道連接漏液的誤操作，可以考慮設(shè)計感應(yīng)器感應(yīng)連接情況，再反饋到顯示屏中顯示；

（3）在操作2中，新手難以手動連接控制，考慮設(shè)計機(jī)器自動連接裝置，克服新手連接棉線時由于手抖緊張，產(chǎn)生連接誤差；

（4）在操作3、操作4中，新手用戶對于時間和量的把握不準(zhǔn)，需要提醒，渴望設(shè)計控制面板，期望能在以往按鍵交互的基礎(chǔ)上做到觸屏交互。

3.2.2 熟知型用戶

（1）在操作2中，對接口手動對接容易造成失誤，對接口可考慮在技術(shù)允許的情況下，設(shè)計較短的圓柱形自動校準(zhǔn)對接口，減少誤操作率；

（2）操作3中對于棉線更換時間與經(jīng)驗把控有較大誤差，采用自動定時功能，在更換棉線之前及時發(fā)出警報聲提醒操作員；

（3）熟知用戶期望對重要鍵位設(shè)計采用不同顏色，方便區(qū)分，避免出錯；

（4）加液口松緊操作費(fèi)力且較難，可考慮采用抽屜的造型加液。

3.2.3 專家型用戶

（1）專家型用戶對控制面板的功能實現(xiàn)關(guān)注度、需求更高，期望能通過控制面板顯示屏監(jiān)控機(jī)床內(nèi)加工數(shù)據(jù)信息，例如浸香液剩余量準(zhǔn)確數(shù)值、棉線斷線警報、加工速度等，均可在控制面板上實現(xiàn)；

（2）機(jī)床設(shè)備零部件位置較低，需要長期彎腰進(jìn)行檢查等操作，工作年限長的用戶表示容易造成腰肌疲勞，考慮設(shè)計合理人機(jī)尺寸設(shè)備；

（3）現(xiàn)有產(chǎn)品對接口較長，容易讓浸染上的液體在空氣中揮發(fā)掉，故而考慮到浸香的質(zhì)量，可減短對接口的設(shè)計。

3.3 認(rèn)知負(fù)荷與交互設(shè)計

通過分析對比三種用戶在操作使用機(jī)床時不同的用戶體驗反饋可知，新手用戶和熟知型用戶存在的問題基本都與加工操作有關(guān)，而專家型用戶更多關(guān)注在加工環(huán)境等外部因素。新手型用戶對加香機(jī)床專業(yè)知識少、對機(jī)床操作熟悉程度低，當(dāng)用戶所能承受的認(rèn)知負(fù)荷總量超過其工作記憶內(nèi)容，從而容易表現(xiàn)出緊張、慌張、操作失誤等情況。而專家性用戶無論其資歷上、專業(yè)程度、還是對機(jī)床熟悉程度都已經(jīng)非常成熟，用戶在操作加香機(jī)床時可同時兼顧多條線加工以及講解等內(nèi)容，其能接受的認(rèn)知負(fù)荷量相較于新手型用戶大大不同。由此可見，用戶體驗中用戶認(rèn)知負(fù)荷與其專業(yè)知識、工作經(jīng)驗以及任務(wù)的簡易程度有關(guān)。在設(shè)計中為使所有用戶能輕松上手機(jī)床產(chǎn)品，在交互設(shè)計過程中需要針對性的考慮不同用戶的認(rèn)知特點，從降低專業(yè)知識、簡化操作難度、強(qiáng)化交互語義等出發(fā)，盡可能減少內(nèi)部以及外部認(rèn)知負(fù)荷，增加關(guān)聯(lián)認(rèn)知負(fù)荷，設(shè)計具有易學(xué)習(xí)性、易記憶性、易操作性的交互產(chǎn)品。

4 結(jié)語

近年來，越來越多企業(yè)在設(shè)計生產(chǎn)機(jī)床設(shè)備時強(qiáng)調(diào)以人為本，以用戶體驗為基礎(chǔ)，研究用戶體驗與交互設(shè)計的關(guān)系，更多考慮人機(jī)協(xié)調(diào)關(guān)系、人機(jī)交互關(guān)系，在人機(jī)交互方式上嘗試更多新的方法。在滿足各項交互規(guī)則的前提下，站在用戶角度，以用戶為中心，追求設(shè)計出有效提高工作效率的同時還能讓操作者使用感到舒適的機(jī)床產(chǎn)品。