基于人因工程学的自动售货机设计改进研究

俞 宁，梅 杰，陈 智

(重庆理工大学 机械工程学院，重庆 400054)

基于人因工程学的自动售货机设计改进研究

俞 宁，梅 杰，陈 智

(重庆理工大学 机械工程学院，重庆 400054)

为了改善自动售货机的界面清晰性、一致性和操作动作经济性等可用性指标，综合运用人因工程学的理论与方法，充分考虑人的生理及心理特点，针对自动售货机的显示屏、区域布置、取货方式等进行分析，改进设计了自动售货机的人机界面。运用关联矩阵法对改善前后的方案进行评价对比，发现改善后的方案优于改善前的方案，原有设计中的问题得到了解决，消费者的使用体验得到了提升，改善方案具有较强的可实施性。

自动售货机；人因工程；设计改进

随着商业自动化的发展，自动售货服务已成为人们快速生活中不可缺少的一种购买商品的渠道。自动售货机的无人售货系统不仅节省了人力、减少了商家的成本投入，而且提高了消费者的购物需求，为消费者提供了快速、便捷的服务。然而，目前市场上的大部分自动售货机在产品设计时并没有充分考虑人因工程系统因素，在实际使用中存在大量的人机交互问题，例如显示屏反光、支付区域高度不合适、取货口位置偏低等。这些问题会在很大程度上影响消费者的使用体验，不利于自动售货机的进一步推广。

为进一步提高自动售货机操作的舒适性和界面的美观性，本文利用人因工程学的理论和方法，对自动售货机的人机交互界面进行重点研究，将各区域的高度、尺寸、操作方式等进行合理改善，优化用户的操作体验，并使用关联矩阵法对改善前后的操作界面进行人因工程评价。

1 前期调研

本文选取重庆地区某地铁站内的一款自动售货机为研究对象。该款产品的人机交互界面由选货区、支付区、出货区等3个区域构成，其外形简图如图1所示。

① 货物显示屏；② 选货按键；③ 出货区；④ 指示显示屏；⑤ 纸币入口；⑥ 硬币入口；⑦ 退币手柄；⑧ 硬币出口

图1 自动售货机外形简图

Fig.1 Sketch of vending machine

图1中：选货区包括货物显示屏、选货按键；支付区包括指示显示屏、纸币入口、硬币入口、退币手柄、硬币出口。

1.1 自动售货机尺寸测量

通过实地测量，得到自动售货机的基本尺寸(单位为mm)，如图2所示。

图2 自动售货机尺寸

1.2 问卷调查分析

通过发放调查问卷的形式，针对该款自动售货机的用户使用体验进行调研，主要问题涉及自动售货机的界面设计、操作体验、外观设计等方面。此次问卷调查的调查对象为使用过该款自动售货机的消费者，接受调查的共50人，其中男性25人，女性25人。调查共发放问卷50份，收回50份，其中有效问卷为50份。

受访者对自动售货机的购物区、支付区、出货区3个区域进行评价。各区域的主要问题及反映该问题的人数占比统计如表1所示。

表1 自动售货机存在的主要问题及反映该问题的人数占比

2 选货区的现状分析与设计改进

2.1 货物显示屏反射眩光的分析与改进

为了方便顾客找到自动售货机的位置，商家一般选择将机器安放在光线较好的地方，但由于光线较强，货物显示屏上往往会出现反射眩光现象，使得屏幕显示内容的辨识度降低。根据图3、4，假设光源(自然光)位于消费者操作方位的左侧后方并在竖直方向上移动，那么反射光在竖直方向上将形成反射眩光区。连续的不舒适眩光容易造成视疲劳，导致视觉效率降低，注意力分散，进而影响到对目标的辨识能力[1]。

图3 光源位置的眩光效应

图4 货物显示屏产生反射光的机理

为了解决这一问题，可在货物显示屏表面贴上磨砂贴膜，增加屏幕表面粗糙度，使光线发生漫反射，防止眩光的产生[2]。

2.2 选货按键区域高度的分析与改进

根据实地测量可知，选货按键区域最低处距地高度为710 mm。要确定选货按键区域的高度设计是否合理，则需要判断出此高度是否在人的视野下界限可以触及的范围内。

为了做出判断，需根据人的向下的视野的区域长度和站姿眼高的差值，确定站立时视线所能触及的最低点距地高度。

2.2.1 确定向下的视野的区域长度

根据人的视觉特性，人的视野下界限为70°[3]，故向下的视野的区域长度b1下与人体与自动售货机的操作距离X满足如图5所示的几何关系，为了求得向下的视野的区域长度b1下，需确定人体与自动售货机的操作距离X。

图5 向下的视野区域长度

根据人体测量数据的运用准则中的最大最小准则[4]，为了满足大部分用户的需求，选用最小人体参数，因受访者均为西南地区人，故取西南地区女性的前臂长度的均值为操作距离X的参考基准。

根据GB10000—88《中国成年人人体尺寸》的人体基础数据，推导出的我国成年女性人体尺寸与身高H女的关系，如图6所示。

由图6可知，女性前臂长度X女与身高H女的关系为

(1)

通过查阅GB10000—88 《中国成年人人体尺寸》可知，西南地区女性身高的均值为1 546 mm，由式(1)可得西南地区女性的前臂长度的均值为210.3 mm，即人体与自动售货机的操作距离X为210.3 mm。

由图5中的几何关系可知：

(2)

所以由式(2)可得人的向下的视野的区域长度为577.8 mm。

图6 我国成年女性人体尺寸的比例关系

2.2.2 确定站姿眼高

根据GB10000—88的人体基础数据，推导出的我国成年男性人体尺寸与身高H男的关系，可得男性眼高h男与身高H男的关系为

(3)

通过查阅GB10000—88 《中国成年人人体尺寸》可知，西南地区男性的身高的均值为1 647 mm，由式(3)可得男性眼高为1 538.3 mm。

女性眼高h女与身高H女的关系为

(4)

西南地区女性的身高的均值为1 546 mm，由式(4)可得女性眼高为1 431.6 mm。

根据人体测量数据的运用准则中的平均性原则，为了使设计更加合理，眼高的参考基准应取男女眼高的平均值，即眼高为1 485.0 mm。

由于GB10000—88《中国成年人人体尺寸》公布的人体数据是在裸体(或穿单薄内衣)、不穿鞋的条件下测得的，而设计中所涉及的人体尺寸是在穿衣服、穿鞋甚至戴帽条件下的人体尺寸，所以设计产品尺寸时应当适当考虑增加功能修正量。由表2可知:在考虑站姿眼高时，应当取鞋高(功能)修正量为36 mm，所以修正后的眼高为1 521.0 mm。

表2 穿鞋修正量

2.2.3 确定站立时视线所能触及的最低点距地高度

根据人的站姿眼高和向下的视野区域长度的差值，确定站立时人的视线所能触及的最低点距地高度为943.2 mm。而选货按键区最低处距地面的高度为710 mm，不在人的视野下界限内，这使得顾客在使用按键购物时需弯腰到一定程度才能辨别选货按键区最低处的商品内容。为了满足消费者对于选货按键的高度合理性的需求，需对选货按键区域进行改善设计。

在原设计中，该款机器的货物显示屏与选货按键区是分开的两个部分，在一定程度上存在着区域使用浪费。本文将原有的货物显示屏和选货按键区域进行合并设计。根据人的眼高1 521.0 mm，以及人在站立时向下的视野的区域长度577.8 mm,将选货区设计为一块纵向长度为560 mm、横向长度为590 mm的触摸显示屏，显示屏的最高边距地1 725 mm。消费者在自动售货机上购物时，可直接在新设计的触摸显示屏上完成货物查看和货物选取的操作，不仅解决了选货按键区高度不合理的问题，而且大大增强了界面设计的清晰性。

3 支付区的现状分析与设计改进

支付区是自动售货机非常重要的组成部分，支付的方便与否会直接影响用户的使用体验，是决定交易能否正常进行的关键因素。

该款自动售货机的支付区主要由指示显示屏、纸币入口、硬币入口、退币手柄、硬币出口5个部分组成。针对消费者反映的问题，结合实际测量数据，主要针对支付区的硬币出口和整个区域的位置布置进行分析与改进。

3.1 硬币出口尺寸的分析与改进

当前硬币出口的宽度为85 mm，高度为70 mm，深度为80 mm，给手较大的消费者的取币操作造成了困扰。因此，将对硬币出口进行扩宽、加深处理。

根据人体测量数据的运用准则中的最大最小准则，为尽可能使所有用户取币操作方便，选用最大人体参数，取男性手宽的第99百分位数作为硬币出口的宽度和高度的设计基准。通过查阅GB10000—88《中国成年人人体尺寸》可知，男性手宽的第99百分位数为91 mm，加上适当的修正量，将硬币出口的宽度和高度均扩大为100 mm。

同理，为了保证部分手指短的用户能顺利取币，选用最小人体参数，取女性食指长度的第5百分位数作为硬币出口深度的设计基准。通过查阅GB10000—88《中国成年人人体尺寸》可知，女性食指长度的第5百分位数为60 mm，所以，将硬币出口的深度缩短为60 mm。

3.2 支付区的区域布置的分析与改进

原设计的支付区各个组成部分分布较为分散，造成了操作不便，因此在改进设计时，将支付区的各个部分集中安排到一个范围内，便于操作。

由于支付操作是人眼和手共同配合完成的，所以在改善设计时，需要兼顾人体视野范围、人的眼高和人的立姿作业范围。

3.2.1 根据人体视野范围确定支付区的大小

由于支付操作需要一定的注意力以及需要识别文字，所以支付区的横向最大长度以双眼字识别视区为基础来设计。

由图7可知，人在水平面内的字识别视区大约在10°～20°。由几何关系可知，支付区的横向最大长度a与人体与自动售货机的操作距离X1的关系为

a=2·X1·tan20°

(5)

人体与自动售货机的操作距离X1为210.3 mm，所以由式(5)可得支付区的横向最大长度为153.1 mm。

① 字识别；② 字母识别；③ 颜色识别；④ 双眼视区；⑤ 右眼视野界限；⑥ 左眼视野界限；⑦ 单眼视区

图7 人眼在水平面的视区

Fig.7 Visual area of human eye in horizontal plane

根据人的视觉特性，人在垂直平面的视野内，以标准视线水平为0°基准，则最大视区为视平线上50°和视平线下70°，最佳眼睛转动区域为视平线上25°和视平线下30°。

以人眼垂直平面最大视区和人眼最佳转动区域为支付区的纵向最大长度的设计基础，且应尽量将支付区设计在最佳转动区域内。

由几何关系可知：最大视区的纵向最大长度b1与人体与自动售货机的操作距离X1的关系为

(6)

由式(6)可得最大视区的纵向最大长度为828.4 mm。

由几何关系可知：人眼最佳转动区域的纵向最大长度b2与自动售货机的操作距离X1的关系为

(7)

由式(7)可得人眼最佳转动区域的纵向最大长度b2为219.5 mm。

综上所述，根据人体视野范围确定的支付区的可视范围为153.1 mm×828.4 mm，最佳范围为153.1 mm×219.5 mm。

3.2.2 根据人的眼高确定支付区的中心距地高度

为了保证人在进行支付操作时，能清楚地看到支付区的各个部分，可将人的眼高作为支付区的中心距地高度的设计基准。由本文已得到的结果可知：人的站姿眼高为1521.0 mm，由此确定的支付区的中心距地高度为1 521.0 mm。

3.2.3 根据人的肩高确定支付区的中心距地高度

为了保证用户的支付操作顺利进行，必须将支付区设计在用户可以轻松触及的地方。因此还需根据人的肩高确定支付区的中心距地高度。

根据GB10000—88的人体基础数据推导出的我国成年男性人体尺寸与身高H男的关系可知：男性肩高L男与身高H男的关系为

(8)

西南地区男性身高的均值为1 647 mm，所以由式(8)可得男性肩高为1 342.3 mm。

女性肩高L女与身高H女的关系为

(9)

西南地区女性身高的均值为1 546 mm，所以由式(9)可得女性肩高为1 252.3 mm。

根据人体测量数据的运用准则中的平均性原则，为了使设计更加合理，肩高的参考基准应取男女肩高平均值，所以肩高的取值为1 297.3 mm。

取鞋高(功能)修正量为36 mm，所以修正后的肩高为1 333.3 mm，即根据人的肩高确定的支付区的中心距地高度为1 333.3 mm。

3.2.4 根据人的立姿作业范围确定支付区的距地高度范围

如图8所示，人体立姿的舒适作业范围[4]是半径为300 mm左右的圆弧。以人的肩高确定的支付区的中心距地高度为1 333.3 mm，所以根据人的立姿作业范围确定的支付区的距地高度范围为1 033.3～1 633.3 mm。

3.2.5 支付区的最终布置

根据支付区的各组成部分的尺寸，并在之间留出适当的间隙(10 mm)，得到新的布置图，如图9所示。

由此确定出支付区的尺寸为140 mm×455 mm。将支付区的最高处安排在人眼最佳转动区域最高处，同时也可保证整个支付区处于人的立姿作业范围内，确定出支付区最高处距地高度为1 619.1 mm。

① 最大可抓取作业范围；② 最大可及范围；③ 身体前倾作业范围；④ 正常作业范围

图8 人的立姿作业范围

Fig.8 The standing operating range of human

图9 支付区各个组成部分的布置

4 出货区的现状分析与设计改进

原有出货区的主要问题在于高度和取货方式设计的不合理。

原有出货区最低处距地高度为230 mm，根据90%的男、女性髋高，确定新的出货区最低处的距地高度为750 mm。

为了符合动作经济原则中的减少动作数量、双手同时作业、缩短动作距离、轻松作业4项基本原则[5]，从操作自动售货机的角度出发进行动作经济原则的分析：

1) 鉴于自动售货机不需要长时间的精确操作，因此无需双手操作。

2) 自动售货机应尽量操作简单、方便，流程上应当顺畅，尽可能减少动作数量。

3) 应该避免用户全身性动作，减小动作距离。

对在原设计自动售货机上购物的动素分析如表3所示。

表3 针对原设计的动素分析

通过表3可以看出：在原设计自动售货机上购物时存在不必要的双手作业，对翻盖的操作不符合动作经济的操作简单、方便的原则，所以翻盖设计对于自动售货机不合理。

翻盖的作用是防止出货时商品掉出取货槽。而通过更换出货口滑板的材料、增加摩擦因数、降低出货时商品的速度可以达到同样的效果。因此，解决方案确定为：去掉翻盖，选用摩擦因数较大的塑胶作为出货口滑板的材料，并将滑板表面设计成凹凸不平的形状以达到缓冲的效果。

改进设计的动素分析如表4所示。从表4可以看出：操作动作数量减少了，而且操作更加简单、方便，只需单手便可轻松完成购物。

5 方案评价

根据对自动售货机选货区、支付区、出货区的分析与改善，确定最终尺寸与相关位置，画出改善后的自动售货机的操作界面的简图(单位为mm)，如图10所示。

表4 改进设计的动素分析

图10 改善后的自动售货机的操作界面

现对自动售货机改善前后做评价分析，以此来确定设计改善是否成功。为了使方案评价的结果更加科学可靠，本文采用关联矩阵法对改善前后的设计方案进行评价分析。

关联矩阵法是对针对多目标评价决策问题从多个因素出发综合评定优劣程度的方法，是一种定量与定性相结合的评价方法。此方法用矩阵形式来表示各替代方案有关评价指标的数据值，然后计算各方案评价值的加权和，再通过分析比较确定出评价值加权和最大的方案，即为最优方案[6]。此方法的关键要素包括各评价指标的权重和评价尺度。

通过使用关联矩阵法，可以将复杂系统问题的评价思维过程数学化,使评价过程简化、清晰。

针对自动售货机的使用特点，结合认知心理学、动作经济原则以及美学的相关知识确定了评价指标[7-9]，包括：① 清晰性：界面设计简单清晰，无不必要的复杂细节，重要信息醒目易见；② 一致性：界面中的操作模式、位置的组合等具有固定的表示方式，用户的原有操作经验和习惯得以延续，避免重新学习；③ 易学性：界面设计易于学习、掌握，对于用户文化水平、注意力集中程度等无过高要求，减少用户记忆负担；④ 动作经济性：操作过程中动作数量较少，动作平衡，动作移动距离较短，动作节奏轻松自然；⑤ 美观性：符合美学设计原则，具有视觉吸引力，能使用户产生愉悦的感觉。

对前期参与“自动售货机使用情况”问卷调查的50名受访者进行回访调查，根据调查结果确定各项指标的相对重要度，运用两两比较法计算出各项评价指标的权值，结果如表5所示。

表5 各项评价指标的权值

为了使改善前后两个方案的各项评价指标的评价结果更加直观、清楚，本文将定性问题转化为定量分析，采用5档打分制，分别用“极差”、“较差”、“一般”、“较好”、“极好”代表“1～5分”这5个档次，由同样的50名受访者做出评价，评价结果如表6所示。

表6 评价结果

评价方案的综合评价值计算公式为

(10)

式中：aj是评价指标的权重；dij是该种方案在评价指标下的评分值。

由式(10)求得的自动售货机改善前后综合评分，如表7所示。

表7 综合评分

Table 7 Comprehensive score

方案清晰性一致性易学性动作经济性美观性0.40.00.20.30.1综合评价值排序A343232.72B544544.71

经过上述计算，得出改善前方案A的得分为2.7，改善后方案B的得分为4.7，方案B的得分高于方案A。

通过评分结果可知：改进后的设计方案优于改进前的设计，故本次针对自动售货机的改善成功，其人机交互过程更加合理。

6 结束语

为了实现人、机、环境之间的最佳匹配，人因工程学将人的工作优化问题作为追求的重要目标。随着技术进步和社会的发展，系统设计中越来越重视人的因素，人因工程学的应用领域也越来越广，利用人因工程学原理来增强产品的设计是发展的必然[10]。

本文运用问卷调查和实地测量等科学手段，发现了现有的自动售货机存在显示屏眩光、操作不便、高度不合理等问题，这些问题在一定程度上影响了消费者的使用体验。

为了解决这些问题，让自动售货机的人机交互界面更加合理，本文将自动售货机分为购物区、支付区、取货区等3个区域，根据各个区域的功能需求和操作特点，详细分析了导致消费者操作体验不佳的原因，并且综合利用人因工程学知识，结合人体数据，通过改变显示屏材料、调整区域布局、改变取货方式等有效手段，提出了合理的改善设计方案。

通过运用层次分析法对改善后的设计方案进行客观评价，发现改善后的设计方案明显优于原有设计方案，有效地提高了自动售货机操作的舒适性和界面的美观性，优化了用户的操作体验，有利于产品进一步推广，使经销商获益，具有一定的理论与实际意义。

[1] 项震.照明眩光及眩光后视觉恢复特性[J].照明工程学报，2002，13(2)：1-4.

XIANG Zhen.Glare of lighting and recovery time of human vision over glare[J].China Illuminating Engineering Journal,2002,13(2):1-4.

[2] 冯俊元，万珍平，汤勇.液晶显示屏防眩光结构的研究现状与展望[J].中国表面工程，2015，28(4)：14-25.

FENG Junyuan,WAN Zhenping,TANG Yong.Status and prospect on anti-glare structure of liquid crystal display screen[J].China Surface Engineering,2015,28(4):14-25.

[3] 丁玉兰.人机工程学[M].北京：北京理工大学出版社，2005.

DING Yulan.Ergonomics[M].Beijing:Beijing Institute of Technology Press,2005.

[4] 郭伏，钱省三.人因工程学[M].北京：机械工业出版社，2007.

GUO Fu,QIAN Shengsan.Human Factors Engineering[M].Beijing:China Machine Press,2007.

[5] 易树平，郭伏.基础工业工程[M].北京：机械工业出版社，2007.

YI Shuping,GUO Fu.Fundament of Industrial Engineering[M].Beijing:China Machine Press,2007.

[6] 张晓东.系统工程[M].北京：科学出版社，2010.

ZHANG Xiaodong.System Engineering[M].Beijing:Science Press,2010.

[7] 夏敏燕，汤雪华.基于认知心理学的机电产品人机界面设计原则[J].机械设计与制造，2010(1)：183-185.

XIA Minyan,TANG Xuehua.Human-machine interface design rules of electromechanical product based on knowledge of cognitive psychology[J].Machinery Design & Manufacture,2010(1):183-185.

[8] 何红，李宏汀，葛列众.交互式产品美学特征研究进展[J].人类工效学，2011，17(1)：83-87.

HE Hong,LI Hongting,GE Liezhong.Research progress on aesthetic characteristics of interactive products[J].Chinese Journal of Ergonomics,2011,17(1):83-87.

[9] 赵国杰，马雪纯．基于正交实验与人因工程的生产改进应用[J].重庆理工大学学报(自然科学)，2015(3):110-114．

ZHAO Guojie，MA Xuechun． Application of Production Improvement on Orthogonal Experiment and Human Factors Engineering[J].Journal of Chongqing University of Technology(Natural Science)，2015(3):110-114．

[10]马广韬，郑世明.浅谈人因工程学在产品设计中的作用[J].设计，2014(7)：157-158.

MA Guangtao,ZHENG Shiming.Discuss the role in the product design of human factors engineering[J].SHEJI,2014(7):157-158.

(责任编辑 刘 舸)

Research on Design Improvement of Automatic Vending Machine Based on Human Factors Engineering

YU Ning，MEI Jie，CHEN Zhi

(College of Mechanical Engineering, Chongqing University of Technology, Chongqing 400054, China)

To improve the usability index of the vending machine operation, such as interface clarity, consistency, operation of the action economy, the theory and method of human factors engineering were used, fully considering the physiological and psychological characteristics. This design of vending machine’s man-machine interface was re-improved, and the comparison and analysis of the schemes before and after the improvement were carried out by using the correlation matrix method. The results showed the improvement of the vending machine’s display screen, the regional arrangement and the picking method. The scheme is superior to the scheme before improvement, and the problems in the original design are solved, and the experience of the consumers is improved, and the improvement scheme has strong practicability.

vending machine; human factor engineering; design improvement

2016-12-09 作者简介：俞宁(1974—)，女，浙江金华人，博士研究生，副教授，主要从事产品设计评价、人因工程研究。

俞宁,梅杰，陈智.基于人因工程学的自动售货机设计改进研究[J].重庆理工大学学报(自然科学)，2017(3):43-51.

format：YU Ning，MEI Jie，CHEN Zhi.Research on Design Improvement of Automatic Vending Machine Based on Human Factors Engineering[J].Journal of Chongqing University of Technology(Natural Science)，2017(3):43-51.

10.3969/j.issn.1674-8425(z).2017.03.006

TH122

A

1674-8425(2017)03-0043-09