基于用户体验的机床设备交互设计研究

杨丹凤，熊艳

（四川大学 机械工程学院，四川 成都 610065）

机床设备的发展总趋势从劳动密集型向技术密集型再向高技术密集型转变，相应的代表产品为普通机床、数控机床和柔性加工系统[1]。其中数控机床是现代先进制造技术中最重要的基础装备，是现今世界机床市场的主流产品，也是人机工程系统研究的重点对象。

随着人们情感需求的提高以及智能领域的不断完善，传统的设备装置制造观念已经不能适应新时代的要求。“中国制造2025”将智能制造作为制造业转型升级的主攻方向，提出智能制造不仅是技术问题，还需考虑产业融合、组织变革、消费体验等问题，其中用户体验是组织模式变革、发展共享经济的源动力，对推进智能制造有着必不可少的重要性[2]。用户体验可以获得用户在使用操作产品过程中的体验反馈与主观感受，让设计者理解用户如何体验机床产品，明确用户在体验过程中真实存在的问题，从用户角度解决产品痛点。由此可见基于用户体验对用户感知、心理、决策过程进行研究是非常有必要的。

本研究提出基于用户本能、行为、反思三个层次，结合用户感官、交互、情感三种体验，研究用户对机床交互设计的认知与反馈。通过用户在使用加香机床系统、产品时所产生的感知和反应，探讨基于用户真实操作体验，在降低认知负荷需求下，对机床造型、控制面板、机床色彩、文字等设计提出建议，有助于设计师在设计数控机床时参考用户需求分析以及用户体验应用，为设计更符合人机交互协作的机床产品提供参考。

1 理论背景

1.1 用户体验

用户体验（User Experience，UE）被认为是人对机器系统体验的全方面体验内容，包括图形、界面、物理交互等[3]。随着用户体验的不断发展，其定义也一直在更新完善。2017年中国用户体验行业白皮书对其定义为“用户对系统、产品或服务的使用和预期使用所产生的感知和反应”。该定义指出用户体验是用户与产品之间交互所形成的结果，包括用户的肢体感觉、心里感觉、以及用户体验结果，体验结果即用户的感知和反应，包括生理反应、情绪反应等[4]。有研究认为用户体验涉及用户、产品和交互环境三个方面，并以易用、好用、融合三个层次分析理解用户体验[5]。基于用户体验给用户研究开拓了新的思维方向，为产品设计的创新提供理论支持，并为交互设计提供可用性基础。

1.2 交互设计

交互设计是研究人造系统的行为，最早的交互设计是针对软件或程序的界面显示设计，通过显示器、鼠标、键盘等设备达到人与计算机信息输入输出交流的目的，研究以“人为中心”的人机交互技术[6]。目前，产品设计的设计重点由实体层面转向信息层面，设计师不仅关注于创造产品，更要创造信息交流方式，包括定义产品行为、创造产品形式、预测产品与用户关系，以及用户对产品的理解。交互设计实际是关于创建新的用户体验的问题[7]，它基于认知心理学、感性设计、人工智能等用户体验实践的基本原理，在设计过程中强调人、动作、目的、媒介、场景五要素，是复杂人造物与人之间以虚拟界面为载体的对话机制，其应用呈多样性，如虚拟显示交互、情感交互设计、触觉交互设计等[8]。交互设计已从简单的人-电脑的交互升级到通用型的人机交互，关注点从效率性变成可用性和用户体验，并进一步引入情感设计和服务设计。

2 基于用户需求层次的机床设备交互设计

诺曼将大脑对外界的反馈和认知分为三个层次：本能层次、行为层次、反思层次[3]。针对机床设备的交互过程，具体概括为：本能层次主要是指用户的感官体验，包括机床设备的整体外观造型、视觉上的色彩、文字、触觉上的控制按钮等。行为层次主要是指交互体验，本研究中主要是指机床结构造型设计、控制面板设计、按键设计、显示屏设计等。反思层次主要是指情感体验，主要考虑认知负荷、用户心理情绪以及加工环境舒适度三个方面，如图1所示。

图1 机床设备设计因素用户需求层次结构模型

具体来说，对机床的用户需求主要考虑：

（1）用户本能需求层次：在机床整体外观造型上，满足用户能识别并使用机床，且能够给用户足够安全感，解决对机床设备操作的恐惧心理。对整体色彩设计，做到统一且有序。

（2）用户行为需求层次：无论是对机床结构造型的设计还是对控制面板的设计都需要考虑人机交互问题，人与机器的交互以人为主，设计符合操作便利、操作效率高。

（3）用户反思需求层次：用户认知负荷以及心理情绪带给加工进度的影响较大，故而在设计时需考虑设计认知负荷低，给用户带来轻松愉悦加工环境的产品。例如由于加工时间长，用户对控制面板认知能力较低，在设计控制面板按键排布顺序时，需要降低用户记忆难度，减少控制面板交互界面复杂性。

2.1 基于本能和行为需求层次的机床设备交互设计

机床外形多设计为大型、有厚重感的垂直和水平直线造型，以斜面或弧面过渡。外观上具有厚重、有力量感。线性带来精致、规则、有序、合理的感觉，适合加工中心的特点：高精度、高速度、高效率。部分机床在大方形的基础上增加一些曲面造型，用大圆角的光滑连接形成大包络面，给人的印象圆润、造型均匀、线条柔和、光滑感。外盖和门通常为大圆弧曲面，曲面与垂直面的过渡采用大倒角，观察窗采用大圆角方形造型或线性造型，把手是弯曲的，以适应门的曲面。

以德国、美国、日本作为三大机床技术强国，其三者生产出的机床为例，可以看出，无论是造型还是工艺、加工性能、材质、色彩、人机交互界面等领域都是顶尖存在，总结如下：

（1）机床外观整体性观念很强，不同于以往现在越来越多公司将机床的整体造型往一个大方形靠拢，例如德国的达创DATRON（图2a）其设计强调机床整体性，减少传统的手柄、外置开关等器件，尽量将元器件设置在机床内部或者控制面板上，无多余设计。

（2）机身大多以灰色调为主，灰色与白色、米白色等浅色系组合，以工业蓝为装饰色调如德国的德玛吉DMU50（图2b），这种色彩搭配在满足用户心理安全性需求的前提下，又能显得机床大气美观，稳重的色调能满足操作者安全保护效果。

（3）在满足色彩、材质等设计要求下，设计符合人视觉可视范围内的可视窗，以及符合人机工程学的操作面板。一方面可视窗方便观察机床内部加工情况，另一方面可视窗以及操作面板的设计对外观造型上提供更多可能性，提升用户体验，例如美国HASS机床（图2c），在操作面板的设计上提出圆柱形设计，其外观在众多机床中出类拔萃。

（4）针对小型机床设计，不易单独设计操作面板，应考虑整体化设计，尽可能将所有功能都设计在机床面板上，保持小型机床“小”的特点，如日本兄弟机床R450X2（图2d）。

图2 典型机床的造型

操作面板按键排布逻辑关系应考虑根据用户最熟悉功能进行分类，将相同功能的划分为一组；根据用户使用频率进行分类，将使用最频繁的元器件设计在最醒目的位置；根据用户操作过程中重要性进行分类，将最重要的元器件放置在一起；根据机器加工时间先后顺序进行分类，将元器件按从左到右或从上到下的时间顺序进行分组分类。

文字设计符合目标用户的认知特性以及心理需求，采用简洁、清晰、硬朗的字体，其次需要考虑操作员方便检查等因素。在界面选择文字输入时，为减少用户的紧张心理，在输入处可设计引导性文字，帮助用户快速找到输入窗口。

2.2 基于反思需求层次的的机床设备交互设计

2.2.1 用户认知负荷

认知负荷是人机交互研究和实践中最广泛使用的概念之一，其理论基础主要是资源有限理论和图式理论[9]，主要分为内在认知负荷、外在认知负荷以及关联认知负荷三种类型[10]。基于该理论，机床设备交互设计中内在认知负荷主要是指机床功能内在特性以及用户的专业知识，与机床功能、加工性能等有关，较难改变；外在负荷指由刺激材料呈现方式或学习者活动引起的工作记忆负荷，普遍指由外在操作如机床控制按钮识别，以及操作使用控制面板和加工工件流程等一系列工作记忆负荷；而关联负荷是指将零散的信息关联、打包、模式化、自动化，如操作面板根据功能等原则模块化分区域，通过增加关联负荷将信息打包关联，做到视觉一致性以及交互一致性。认知负荷形成因素如图3所示。

图3 用户认知负荷形成因素

依据认知负荷理论[11]，为促进有效学习，应尽可能减少外部认知负荷，增加关联认知负荷，使总的认知负荷不超出学习者个体能承受的认知负荷。在机床设计中可以通过改变控制面板的呈现形式以及优化操作者操作流程的方式，限制外在负荷的数量，从而降低认知负荷，提高工作效率。本文总结了以下降低用户认知负荷的设计需求：

（1）易学习性：相较于纯文字类的信息展示，图形更容易学习理解，在界面信息展示中，为降低用户的认知负荷，通常使用图文结合的形式。

（2）易记忆性：对于控制按键排布，遵循时间顺序、功能顺序、使用频率、重要性以及运动方向性原则等逻辑关系进行设计，通过强烈的逻辑关系降低用户学习以及记忆难度，从而降低用户认知负荷。

（3）易操作性：考虑视觉一致、交互一致的原则，对于不同系列的产品设计做到视觉统一性，增加用户辨认度。

产品的信息要素做到同种风格，并保持操作行为、用户反馈、用户心智模型的一致性，如界面任务信息的组织和呈现方式等，也可通过触屏在显示屏上点击、双击、滑动、按压、拖动等动作手势进行信息交互，并针对性展示给操作者必要的信息，如项目代码、组件名称或维护和维修程序的说明等。随着技术发展，借助AR技术动态展示加工物品信息，在真实工厂环境之上提供一种视觉信息层，可以实现虚拟信息与所处实景巧妙融合，增强产品信息展示和现实感知，实现各个角度使用场景下对产品的准确认知，以降低用户认知负荷。

2.2.2 用户心理愉悦性

用户在操作机床过程中会受到机床外部因素如机床色彩、造型风格、加工环境、操作难易程度等元素的影响，产生各种心理情绪。这些情绪伴随着加工进程，影响用户操控行为，以及对控制面板的识别、认知以及反应能力，从而影响加工进程。机床外部因素与用户心理情绪关系如图4所示。

图4 机床外部因素对用户心理情绪的关系

合理的色彩搭配设计有助于用户在认识、记忆、操作机床过程中有愉悦的心理情绪，并在加工过程中保持轻松、愉悦、较自由的工作状态。环境灯光设计有利于提高愉悦性，如在夜间作业时，保证充足的光照，从而消除用户在心理上的烦躁情绪，提升用户体验。在可视化设计方面，将机床门、加工耗材位置、液体原料存放位置等部位部分可视，用户能实时观察加工进程、耗材情况等，也能在心理上给足用户安全感。

3 示例

加香机床是烟草加工中心对香烟加上不同味道环节中最重要的加工机器，通过该机器加工，普通香烟加工成带有香橙等不同果味的香烟。其原理是棉线通过加香机器加工之后附着上香液，带有果味香液的棉线再被输送到滤嘴卷纸机器中，加工成带有香味的滤嘴。该机床设备较为简陋，在市面上应用不广泛，对其关注及研究较少。本文用户体验以加香机床的人机交互行为为例，以用户体验为基础，记录、分析研究不同用户在操作控制机床时的反应与感受，探究认知负荷对交互设计的影响。

3.1 用户操作流程分析

通常加香机床用户操作机床时共分为四个操作步骤，其基本流程如图5所示。

图5 用户操作要素流程图

3.2 人机交互行为的优化

根据用户对产品的熟悉程度、了解程度、专业程度不同，导致用户能承受的认知负荷不同，分析不同认知负荷的用户在相同交互操作任务情境下使用机床的操作反应，探索降低用户认知负荷的思路，实现更好的机床交互设计。在加香机床的用户体验实验中，召集加工厂里不同工作年限的用户，根据用户的工作时间、专业背景、机床熟悉程度分为三类用户：新手用户、熟知型用户和专家型用户。通过观察法及访谈法，记录三类用户操作机床时整个过程，分析不同用户在操作加香机床典型动作要素，进行人机交互行为优化。

3.2.1 新手型用户

（1）香线机床设备在使用前需要较多检查流程（操作1），新手用户容易遗忘，在操作过程中容易紧张，担心出错。可以在机床上张贴使用流程，或者在显示屏上针对性展示必要的操作信息；

（2）在操作1第4个环节中，对管道连接拧紧的力度把握经验不足，容易造成管道连接漏液的误操作，可以考虑设计感应器感应连接情况，再反馈到显示屏中显示；

（3）在操作2中，新手难以手动连接控制，考虑设计机器自动连接装置，克服新手连接棉线时由于手抖紧张，产生连接误差；

（4）在操作3、操作4中，新手用户对于时间和量的把握不准，需要提醒，渴望设计控制面板，期望能在以往按键交互的基础上做到触屏交互。

3.2.2 熟知型用户

（1）在操作2中，对接口手动对接容易造成失误，对接口可考虑在技术允许的情况下，设计较短的圆柱形自动校准对接口，减少误操作率；

（2）操作3中对于棉线更换时间与经验把控有较大误差，采用自动定时功能，在更换棉线之前及时发出警报声提醒操作员；

（3）熟知用户期望对重要键位设计采用不同颜色，方便区分，避免出错；

（4）加液口松紧操作费力且较难，可考虑采用抽屉的造型加液。

3.2.3 专家型用户

（1）专家型用户对控制面板的功能实现关注度、需求更高，期望能通过控制面板显示屏监控机床内加工数据信息，例如浸香液剩余量准确数值、棉线断线警报、加工速度等，均可在控制面板上实现；

（2）机床设备零部件位置较低，需要长期弯腰进行检查等操作，工作年限长的用户表示容易造成腰肌疲劳，考虑设计合理人机尺寸设备；

（3）现有产品对接口较长，容易让浸染上的液体在空气中挥发掉，故而考虑到浸香的质量，可减短对接口的设计。

3.3 认知负荷与交互设计

通过分析对比三种用户在操作使用机床时不同的用户体验反馈可知，新手用户和熟知型用户存在的问题基本都与加工操作有关，而专家型用户更多关注在加工环境等外部因素。新手型用户对加香机床专业知识少、对机床操作熟悉程度低，当用户所能承受的认知负荷总量超过其工作记忆内容，从而容易表现出紧张、慌张、操作失误等情况。而专家性用户无论其资历上、专业程度、还是对机床熟悉程度都已经非常成熟，用户在操作加香机床时可同时兼顾多条线加工以及讲解等内容，其能接受的认知负荷量相较于新手型用户大大不同。由此可见，用户体验中用户认知负荷与其专业知识、工作经验以及任务的简易程度有关。在设计中为使所有用户能轻松上手机床产品，在交互设计过程中需要针对性的考虑不同用户的认知特点，从降低专业知识、简化操作难度、强化交互语义等出发，尽可能减少内部以及外部认知负荷，增加关联认知负荷，设计具有易学习性、易记忆性、易操作性的交互产品。

4 结语

近年来，越来越多企业在设计生产机床设备时强调以人为本，以用户体验为基础，研究用户体验与交互设计的关系，更多考虑人机协调关系、人机交互关系，在人机交互方式上尝试更多新的方法。在满足各项交互规则的前提下，站在用户角度，以用户为中心，追求设计出有效提高工作效率的同时还能让操作者使用感到舒适的机床产品。