数控机床操控面板人机交互设计与眼动测试

彭玮航，徐华泽

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

0 引言

随着中国工业化的进一步发展，数控机床成为了典型的集高新技术于一体的机械加工设备，广泛应用于制造业的各领域。由于数控机床操控面板功能繁多，易给初学者带来不便，增大学习成本和误操作概率，影响机床操控过程的可靠性。复杂仪器仪表的可用性设计研究一直是计算机人机交互、工程心理学、人机工程等领域关注的焦点[1-3]。人-机之间存在一种闭合的信息环路关系，人与机器之间信息传递的正确性、交流方式的合理性是判断人机界面是否具有适用性和易用性的关键[4-6]。晏群等[7]运用人机工程理论改进了CK6150H 型数控机床的操作界面，解决了人机操控过程中的工效学问题，Masakazu 等[8]给出了机械系统中人机操作界面的改进分析方法，Nagamachi 等[9]将人机界面设计的相关知识用到了水电站的模拟装置的研发中，John[10]等从控制装置的材料挑选和材料的外层处理方面研究了数控机床的人机界面布局。近年来，眼动仪被广泛用于测定各类仪器仪表的人机工效，成为复杂操控界面人机交互设计与评价的有效手段。文中主要是从易用性的角度探讨用户在操控复杂仪器的认知负荷以及数控机床控制面板人机界面改善设计问题，通过眼动试验测定用户在操控数控机床过程中的视觉聚焦、眼动轨迹、注视时间等参数，为设计原则、设计规律和参数的制订提供必要的依据。

图1 操控过程的人-机系统模型Fig.1 Human-machine system model

1 复杂人机界面设计原则

一个新产品开发的全过程通常需要经过产品规划、方案设计、技术设计、施工设计等阶段。其中，产品规划和方案设计是整个设计的首要环节，是实现产品创新和品质飞跃的关键。控制面板人机界面的设计原则是可用性和易用性[11-15]，设计人员在设计研发时需要始终遵循。数控机床操控面板人机界面的设计原则包括以下方面：遵循功能要求、提高操控效率、减少误操作概率、增强容错性、充分考虑用户的生理感受[16-18]。具体到人机界面设计中，主要有：①功能区域的布局与划分；②按键、图标、色彩设计。设计中要借助认知心理学的相关知识来分析人的认知习惯和行为习惯[19]。操控过程的人-机系统模型如图1所示。

1.1 界面的功能布局与划分

国内已有学者对人机界面的布局与划分进行了初步的探索与研究，总结出了一些基本的分区方法，如矩形、F矩形、均方根矩形等方法。但这些方法只是基于图形排布上的划分，并没有充足的依据证明某种布局适用于哪种功能性的人机界面。此外，数控机床显示屏除了显示信息，同时还要具有操作的便利性。根据调研数据的统计，表明大多数操作者较习惯使用右手操作。因此，为减少手指移动的距离提高效率，显示屏按键控制区最适宜放置在下部或者右侧。图2 为常用的4 种布局形式。

图2 界面布局形式Fig.2 Interface layout

1.2 控制键设计

控制面板的控制键设计要基于用户的认知习惯，把不同功能的控制键进行分类，将同类功能的控制键设置在一个区域内。控制键的形状则要符合产品语义学原理，例如：方形和圆形的按钮键给人的直觉是要往下按来进行操作的；带手柄的控制键给人的直觉是要握住它来进行上下左右4个方向的操作；带旋钮的控制键给人的直觉是可进行旋转操作的。

1.3 图标设计

根据调研数据统计，合理的图标设计比文字标示更具有明确易懂的效果。在图标设计中，必须注意的是要站在操作者的角度来设想某个图标在实际操控时代表的意义，而不是画面的细节，一定要使人第一眼看到便心领神会。所以，要求在设计图标时要遵循以下几点：空心图标易产生歧义，尽量少用；图标的简洁化处理要适当，图标在遵循行业标准的基础上可进行简洁化处理，但要确保意义能够表达明确，不能过度追求简洁而忽视其作为识别性工具的功能[20-22]。

1.4 色彩设计

控制面板的色彩设计是影响数控机床操作者操作效率、正确率的重要因素之一，主要设计原则有：主色调的选择，面板背景色彩等。必须注意的是，面板表面层的材质绝对不能过于光滑容易造成镜面反光，对操作者施加干扰；颜色种类最好不超过5 种颜色，因为太复杂的色彩区域容易让人视觉疲劳，增加误操作的可能性；合理利用色彩的象征意义[23,24]，例如：急停按钮的颜色必须使用红色或黄色这类警示性颜色，再遇到突发状况或者机床故障时能具有强烈的识别性，让操作者在视域范围内以最快的时间找寻到此按键的位置[25,26]。

图3 原型机操作面板Fig.3 Prototype operator panel

2 方案设计

文中在法那克机床面板（见图3）的基础上进行改进设计。在对原型机分析的基础上，针对整体功能布局、按键的形状、大小，旋钮的大小、摆放位置等存在的不合理的问题，设计了3 种数控机床控制面板的人机界面方案，利用CAD 软件绘制出效果图，如图4 所示。

原型机和设计方案作为试验素材进行眼动试验。

3 眼动测试

使用津发Tobi IT X300 眼动仪进行眼动试验。招募5名被试人员，平均年龄为20 岁，大学本科学历，矫正视力正常，无操作数控机床的经历。虽然小样本测试可能会存在一些偏差的情况，但可用性工程中，5 个用户的样本数据可用来说明设计的是否合理。

测试分两部分：第1 部分为原型机测试，需被试者佩戴移动式眼动仪，站在数控机床前根据任务指令进行操作，眼动仪自动记录被试者的眼动轨迹、眼球停留时长、首次注视时间等参数；第2 部分为素材（设计方案）测试，需将测试素材置于桌面式眼动仪设备中，被试者坐在屏幕前方，按照任务要求，通过点击鼠标并在找到目标按键时点击相应的按键位置。试验环境如图5 所示。

首先进行预试验，预试验结束后进入正式试验。由主试人员进行任务宣读，下达命令，被试人员根据指令进行操作，完成任务。

每个任务按键的首次注视时间是任务设计效率的一个重要参考指标。以紧急停止、原点复位、自动执行、主轴转百分比4 个功能为例，这4 个键是常用于不同的功能分区。

图4 设计方案Fig.4 Design

当一个任务完成后，主试人员会下达下一个任务指令，被试人员根据指令完成下一个任务，直到完成与4 个功能键相关的所有任务。眼动仪记录了被试者分别操控原型机和3 种设计方案中这4 个按键的首次注视时间，见表1 ～表4。

表1 原型机功能按键的首次注视时间Table 1 First fixation time of prototype function keys

表2 方案1 功能按键的首次注视时间Table 2 First fixation time of program 1 function key

表3 方案2 功能按键的首次注视时间Table 3 First fixation time of program 2 function keys

表4 方案3 功能按键的首次注视时间Table 4 First fixation time of program 3 function keys

4 结果分析

基于描述性统计，将4 个被测试对象的4 个功能按键的第1 次固定点的总时间进行相互比较。第1 个注视点的4 个被测试对象的总时间有一些差异。查看对象1、对象2、对象3、对象4 的功能键所花费的时间是不同的，因为测试方案的功能按键设计是多样的，导致各个方案功能按键第一注视时间的差异。

图5 试验环境Fig.5 Test environment

图6 各方案平均首次注视时间对比Fig.6 Comparison of average first fixation time of each scheme

从图6 中可清晰比较原型机和3 个设计方案中各功能按键的第一注视时间，方案1 中的主轴转速百分比功能按键，原点复位功能按键和自动执行功能按键比方案3 的首次注视时间要短，说明方案1 在主轴转速百分比功能按键、原点复位功能按键和自动执行功能按键的设计要优于方案2 和方案3。方案1 用旋钮来转换模式的功能比按键更为高效和便捷。

试验结果表明，数控机床操作面板的方案1 具有更好的用户体验，所以其可用性最佳。数控机床操作面板的方案2 和3 的操作效率低，用户体验较差。原型机的各个功能按键的第一注视时间都比各个优化方案长，原型机上寻找功能按键的效率是非常低的。结果表明，数控机床控制面板的界面布局和按钮形状对用户的操作效率和体验有重要影响。设计人员可改进设计方案并迭代优化数控机床控制面板的界面设计。

5 结论

眼动测试分析方法在人机界面的设计和开发过程中具有广泛的应用前景。文中运用数据分析对人机界面的改善方案进行评价，利用眼动仪对被试人员进行了眼动试验，并获得了相对应的眼动试验数据，对眼动试验数据进行了分析和处理，从而从客观的角度对本次改善的效果进行分析和评价。结果表明，改善后的数控机床人机界面在各个方面均优于改善前的数控车床人机界面，并优选出最佳方案，验证了该试验方法的有效性。