基于眼动实验的数控机床人机界面改善研究

王晓婷+张新敏

摘 要：随着数控技术的不断发展，各类数控机床产品的加工效率和自动化程度等均有大幅度提高，且各项加工性能也都逐渐趋于完善。但数控机床在给生产加工带来极大便利的同时也暴露出了自身的严重缺陷：设计中没有深入研究过人机关系问题，致使多数数控机床人机界面的宜人性较差。为了研究上述问题，本文以美国HAAS数控车床为研究对象，找出其现有人机界面设计中存在的问题，运用人因工程学的相关知识和理论对其加以改善，并通过眼动实验对上述改善效果进行评价。

关键词：数控机床；人机界面；眼动实验；效果评价

1 引言

随着数控技术的高速发展，数控机床已经发展成为现代机床产业的主流产品，它是现代先进制造技术中至关重要的基础设施和装备，也是机械设计制造和人因工程学等多个学科领域的重点研究对象，并已经逐渐成为装备制造业的核心，受到了国内外诸多制造企业的高度重视。

雖然目前的数控机床产品在各个加工领域都发挥了重要作用，也给工业生产带来了极大便利，但是其在使用过程中也暴露出了其自身的严重缺陷：目前大部分数控机床产品在设计和制造的过程中只运用了机械设计等领域的相关知识和理论，而并没有非常深入地研究过人机关系问题[1]。这就导致了很多数控机床尽管加工性能优良，但是其人机界面设计不合理，操作过程复杂繁琐，宜人性较差，进而增加了工人错误操作的可能性，使得机械加工过程中的安全性和准确性得不到保障，甚至有可能造成严重的事故。另外，作业姿势和作业环境的不合理也会导致各种职业病的发生。

本文以美国HAAS品牌 SL30数控车床为研究对象，首先运用人机工程学的相关知识和理论，对产品现有的人机界面进行改善设计，然后通过眼动实验对改善的效果进行评价。

2 数控机床人机界面现状及改善

2.1 SL30数控机床人机界面

图1为SL30数控车床控制面板的人机界面，该款产品人机界面的布局以及色彩搭配不够合理，界面宜人性较差，因而在高端数控机床市场中缺乏核心竞争力。

通过调研分析，该款数控车床控制装置的人机界面存在以下问题：

（1）数控机床操作中至关重要的急停键以及启动停止键均位于控制面板的左侧，这与人的右手操作习惯相违背，不符合右手最快出击的原则。

（2）控制面板上大部分数控按键的背景色为深灰色或者浅灰色，但按键上的数字和字母却为黑色，两者之间的对比度较弱，容易造成操作人员的视觉疲劳以及误操作，并且会严重影响数控机床的使用效率。

（3）控制面板的结构和布局不够合理，各个功能区域的按键布置比较杂乱且界限不清晰，提示性不够明确，严重影响了用户在机床操作过程中的认知体验，并且容易产生误操作。

2.2 改善方案

本文运用人机工程学的相关知识和理论，针对上述控制面板人机界面中存在的问题进行改善。

2.2.1 界面布局设计

改善过程中，将控制面板上功能相近或相关的按键划分成相应的“功能组”，各个“功能组”的布置与功能按键的排列必须考虑人眼的运动规律和大脑的认知习惯，以及不同“功能组”之间的逻辑关系[2] 。另外，急停键以及启动停止键均布置于控制面板的右侧区域，符合右手最快出击原则，保证了机床操作过程中的安全性。

2.2.2 色彩设计

控制面板整体背景采用浅灰色，各个功能区域模块背景采用深灰色，以增强对比性，使操作者可以快速找到各个功能区域；另外在实际工作中，白色背景和黑色字符的误读率最低，且符合一般人的阅读和认知习惯，因此这里将白色作为数控按键的背景色，而按键上的文字颜色采用黑色，这种颜色搭配清晰醒目，可以增强易读性。而控制面板上的重要按键则采用醒目的红色和绿色，以突出强制引导的作用。

2.2.3 按键设计

常见的按键有普通按键和液膜按键，其中液膜按键外观轻巧、便于安装且经济耐用[3]。因此，在本次改善中，所有的数控按键均采用表面粗糙的四方形液膜按键。

综合以上各方面的改进方法，最终绘制出改善后的数控机床控制面板设计方案，如图2所示。

3 眼动实验

本文采用眼动追踪法来对此次人机界面的改善效果进行评价，力求评价结果客观准确。

3.1 实验设计

根据测试任务要求，将数控机床的控制面板分成2个兴趣区域（Area of Interest，AOI），分别为：AOI_1（EMERGENCY STOP）和AOI_2（数字键“0”），每个AOI都对应实际任务中的一个认知加工区域。实验中要求被试者浏览控制面板整体界面并依次找到上述2个兴趣区域。

本次实验共选取30位被试者，所有被试者视力或矫正视力正常，没有色盲或色弱等眼疾，均自愿参加实验，且以往没有使用过该款数控机床，也没有参加过类似实验。

本次实验使用的主要仪器包括：Tobii X2-60型号眼动仪一台、惠普笔记本电脑一台、索尼显示器一台。采样频率为60Hz，其余参数均采用默认设置。该款眼动仪采用的是非接触式视线追踪系统，实验过程中无需佩戴眼镜或头戴装置，被试者可以在自然放松的状态下完成实验。

3.2 实验过程

实验前，被试者要先仔细观察改善前后的数控车床控制面板，然后由主测试者介绍实验基本要求，并告知被试者需要完成的任务。接下来对被试者进行眼动仪校准，校准完成后正式进入实验。

实验时，将测试用的图片投放到显示器上，被试者在精力集中的状态下观看显示器上的图片，并完成相应的任务，通过鼠标点击切换图片，直至结束，设备自动记录眼动行为及各项数据。

3.3 实验结果

本文将从被测者在人机界面改善前后的信息提取速度、信息加工难易程度以及界面舒适性这三方面对本次改善的效果进行评价。

（1）信息提取速度

首次注视时间反映了不同设计要素捕获注意的难易程度，即被试者对某一信息的提取速度[4]。由表1可知，对于任务设定的2个兴趣区域，改善后人机界面的首次注视时间均远小于改善前界面，说明改善后的控制面板人机界面能够更快地引导操作者找到各个功能区域的按键，因而工作效率更高。

（2）信息加工难易程度

注视时间反映的是设计界面中信息加工的难易程度，注视时间越长，则表示界面中信息越难加工。由表2可知，对于任务设定的三个兴趣区域，改善后人机界面的注视时间均小于改善前界面，说明改善后的人机界面更有利于操作者提取和加工信息，更方便操作。

（3）界面舒适性

人在看到感兴趣的物体时瞳孔会增大，而看到厌恶的物体时瞳孔则会缩小[5]。由表3可知，被试者在看到改善后人机界面时的瞳孔直径明显大于看到改善前人机界面时的瞳孔直径，这说明改善后的人机界面舒适性更强且能更多地激发被试者的积极情绪。

（4）眼动热点图

眼动热点图是用不同的颜色来表示被试者的视线停留在某一区域的时间，视线停留时间最长的区域用红色表示，注视时间较短的区域则用绿色表示。被试者的认知加工方式可以通过眼动热点图被直观地表现出来，主试者可以以此判断界面的设计是否合理[6]。图4和图5分别给出了原机床人机界面和改善后的机床人机界面的热点图。

测试结果表明，原数控机床的人机界面中有多个不集中在指定兴趣区域的红色热点，且分布杂乱无章；而改善后的人机界面中的红色热点区基本都集中在指定的认知兴趣区域内。这说明原数控机床控制面板的人机界面设计不够合理，导致被试者的关注点无法集中，从而降低了操作者的认知和操作速度。而改善后的數控机床人机界面由于界面布局以及色彩搭配都比较合理，因而被试者的关注点可以很好地集中在各个认知兴趣区域，从而加快了操作者的认知和操作速度。因此可以说明此次改善具有一定的效果。

4.结论

本文首先运用人因工程学的相关知识和理论，针对美国HAAS数控车床人机界面的不足之处进行改善，并绘制出改善方案，然后运用眼动实验，分别从人机界面的信息提取速度、信息加工难易程度以及界面舒适性这三个方面对改善效果进行定量分析和评价，并给出改善前后的眼动热点图。综合以上各方面结果，确定本次改善具有较好的效果。且本文使用的眼动评价方法具有一定的通用性和适用性，也可以将该方法应用到其他更为复杂的产品界面设计中，为今后界面设计的分析和评价提供一定的参考和借鉴。

参考文献

[1]董建.人机工程学在数控机床人性化设计中的应用[D].黑龙江：齐齐哈尔大学，2012.

[2]许晓云，史逸飞，王康威.浅析数控机床的人性化设计[J].设计艺术与理论，2016，（07）：104-105.

[3]陈博.基于人机工程学的数控车床人机界面的设计研究[D].西安：西安工程大学，2015.

[4]王振亚.基于感性工学的装载机人机系统设计研究[D].山东：山东大学，2011.

[5]安璐，李子运.眼动仪在网页优化中的实验研究[J].中国远程教育，2012，（5）：87-91.

[6]谢伟，辛向阳，丁静雯.基于眼动测试的产品人机界面交互设计研究[J].机械设计，2015，32（12）：110-115.