用户对数控机床急停键位置反应的眼动研究

胡廷杰,祁 娜

(西华大学 美术与设计学院,四川 成都 610000)

0 引言

数控机床作为制造产业中的关键一环,对其进行结构、功能、造型和人机工学上的分析和改进具有极其重要的意义[1]。按键是机床中重要的控制工具,操作者通过按键对车床进行直接操作,按键设计的不合理会导致操作者的工作效率低下。急停键的存在,更是直接关乎到操作者的生命安全,必须高度重视对其的合理设计。

研究发现,按键的合理性受形状、色彩、位置等各种因素的影响[2-3],甚至还受到其触觉特性的影响[4]。值得注意的是,急停键作为一种特殊按键,其形状和色彩差异性并不明显,但位置这一因素会直接影响用户的信息处理流程,若其能更加符合人眼睛的运动特征和机能特征[5],将有助于提升用户操作效率。因此,针对数控机床控制面板,急停键安置在怎样的位置更有效,是研究者关注的核心问题。

此前已有部分学者对急停键进行了研究,菀松松等[6]认为,急停键应放置于最显著的位置——面板的右下角,因为右手垂直方向的运动所需反应时间最少;朱毅然等[7]认为,急停键应和其他的功能键单独划分开来,使其十分醒目。鉴于目前研究仍缺乏详细的数据支持和实验测试,为进一步探究急停键位置对用户的操作影响,从人机工程学的角度出发[8],收集并分析了国内外30个品牌的数控机床控制面板上的急停键位置数据,并借助眼动仪对数据分析结果进行有效性评估[9],以被试者对急停键的视觉反应力作为生理层面的参考依据,更好地验证现有控制面板急停键位置的有效性。

1 数据收集分析

1.1 数据统计分析方法

利用互联网进行数据收集,内容包含某一品牌下的所有数控类机床(包括车床、铣床、镗床、钻床等),如国内知名机床制造企业沈阳机床的数控机床数据。研究发现:各类数控机床的面板特征几近相同(均为矩形面板),急停键特征也几近相同(均为红色、圆形),而急停键的位置却有不同,急停键在不同控制面板间是一个相对位置,即:虽然不同控制面板大小比例不同,但同处于面板左下角的急停键是同样的位置坐标。据此,采用如下数据统计分析方法:

1)采用互联网收集不同品牌下的数控机床图片,并对其进行筛选;

2)抽离出数控机床的控制面板,并标注面板轮廓和急停键位置;

3)采用数学工具对每个控制面板上的急停键进行位置表示,保证能有效地表明急停键在不同控制面板上的相对位置。如图1所示,以控制面板的中心为原点,建立平面直角坐标系,将控制面板分为4个象限(右上、左上、左下、右下);x轴和y轴分别等分成6个坐标点,并过每个坐标点作垂直于坐标轴的直线,使得每个象限形成3×3的网格分布,以此划分急停键在面板中的分布位置。该方法的优点在于能有效比较急停键在不同控制面板间的相对位置。

图1 控制面板坐标系

4)对所得的急停键位置数据进行统计,进行数据可视化的方法为:在某品牌的急停键位置数据中,将分布在面板不同位置的急停键数量进行对比,某位置所具有的急停键数量越多,则圆球的直径越大,以直观观测出该品牌侧重于将急停键布置在何种位置。

1.2 数据收集及分析

1)收集机床图片。在中国沈阳机床的官网,尽可能地收集其包含车床、铣床、镗床、钻床等机床在内的所有数控类机床图片,经过人工筛选,去除重复和模糊图片,得到中国沈阳机床的机床图片,如图2所示。

图2 中国沈阳机床的数控机床图片收集

2)抽取控制面板。在步骤1收集的机床图片中,定位到每个机床的控制面板,并分别用红色矩形和红色圆点来标注其面板轮廓及急停键位置,如图3所示。

图3 中国沈阳机床的数控机床控制面板抽取

3)急停键位置表示。将步骤2中标注的控制面板轮廓及急停键位置单独抽取出来,并依次放入控制面板坐标系(图1)中进行位置表示,以便后续数据统计。

4)急停键位置统计。将步骤3得到的所有急停键位置数据进行统计,并进行可视化呈现,以表现出中国沈阳机床在控制面板各位置的急停键放置数量对比,得到图4所示的中国沈阳机床急停键位置数据统计图。

图4 中国沈阳机床急停键位置数据统计图

由图4可以看出,沈阳机床的急停键大多分布在面板左下侧,而仅有个例急停键零散分布在面板其他位置。为了减少数据的偶然性和增加其准确性,又搜集了其他不同国家不同品牌的共30个机床制造企业的急停键位置数据,并依据上述数据统计分析方法依次对其进行分析,得到各机床制造企业的急停键位置数据统计表,如表1所示。

表1 国内外30所机床制造企业的急停键位置数据统计表

由表1可知,不同品牌的面板急停键位置都有所侧重。为了确切了解急停键的主要排布位置,将各品牌的急停键位置数据图进行整合,参照笛卡尔热力图的表现形式,用颜色深浅程度来表示急停键在某位置出现的频次,频次越高则颜色越深,最终得到图5所示的急停键位置排布热力图。

图5 急停键位置排布热力图

数据显示,在30多个品牌机床中,急停键主要分布在坐标(-3,-3),(-3,-2),(-3,-1),(-3,1),(-3,2),(-3,3),(-2,-2),(2,-3),(3,-3),(3,-2),(3,3)等11个位置,依次以L1,L2,L3,L4,L5,L6,L7,L8,L9,L10,L11命名。接下来,借助眼动实验对这11个急停键位置进行有效性验证,探究其对用户的识别效率有何具体影响。

2 眼动实验测试

2.1 研究方法与实验设计

采用眼动实验,对急停键的位置有效性进行分析,将被试者注意到急停键的眼动轨迹数据作为操作者对急停键作出快速反应的视觉数据。借鉴李宝珠等[10]使用的实验设计方法来减少图片出现顺序对实验造成的干扰,在眼动测试中向被试展示顺序被打乱的的图片材料。

2.1.1实验说明

本次实验分为实验a和实验b。共招募13名被试者,依次对实验a和实验b的几组面板进行眼动测试。

实验a是准备一套含有以上11个急停键排布位置的数控面板图片(图6),保留数控面板的原始色彩,对其进行眼动实验,目的是观测眼动数据是否具有差异性。

图6 实验a眼动材料

若实验a的眼动数据显示被试者对急停键位置的反应有明显差异性,则展开实验b。实验b是对3套含有以上11个急停键排布位置进行技术处理后的数控面板图片进行眼动测试,3套控制面板分别见图7、图8、图9所示,测试的目的是采用控制变量法,排除急停键颜色和控制面板风格的干扰,观察11个急停键位置对被试者的反应速度各有什么影响。

图7 实验b的第1套控制面板(去除原色彩)

图9 实验b的第3套控制面板(去除原色彩)

2.1.2实验程序

在保证所有被试者都十分了解眼动实验的要求和流程后,展开具体实验:对被试进行眼睛校准,达到“非常好”校准提示;初步测试5张图片后,研究者核查初步的测试结果,以确保该被试者进行的眼动测试合格。每位被试者完成眼动测试后,研究者会询问被试者的测试满意度,以判定该被试者是否需要进行二次测试。

2.1.3实验设备及材料

实验设备为西华大学的桌面式眼动仪,主要包括主试机和被试机两大硬件。被试机用作眼动测试材料的展示,其显示器的屏幕采样率为1000 Hz,分辦率为1 024×768像素;主试机可以量测眼动数据,其刷新频率是140 Hz。实验于西华大学七教眼动实验室进行,具备实验所需的抗干扰和隔音要求。实验进行中,被试者在进行双眼校准后将不再移动,被试者专心注视屏幕,与屏幕的水平距离约为65 cm。

实验所需的刺激物全部由专业平面设计师制作而成。选取3种不同风格的控制面板,按照11个急停键排布位置,设计出3套不同的控制面板图片。根据实验a和实验b的需要,获得共4组计44张图片,将各组图片均进行顺序打乱。

2.1.4实验被试者情况

通过校园网络平台(微信、QQ等) 和黑板宣传栏募集眼动被试者[11],最终选定15名四川省某大学的研究生参与统一的眼动测试。核查结果时,有2名被试者数据存在异常,判定其数据无效。剩余13名被试者平均年龄为22岁,最小者21岁,最大者25岁。其中女生占53.84%,男生占46.15%。眼动测试时,被试者的矫正视力均达到1.0,不存在色弱、色盲等眼部疾病。每位被试者的实验过程中均未受到噪音、温度等因素干扰。

2.2 数据处理

参照13位被试者在每张数控面板图中的眼动轨迹,记录每位被试者眼球找到急停键时的轨迹编号数据,由此,每个急停键位置会有13个轨迹编号数据,为防止误差,去掉最小和最大的两个数据,取剩余11个数据的平均值,作为被试者对该急停键位置的反应指标,数据平均值越大,则被试找到该急停键时越慢。

2.2.1实验a数据处理

数据记录:按照前述的数据处理方法,记录每个急停键位置的轨迹平均编号数据,如表2所示。

表2 实验a各急停键的眼动轨迹编号数据

由表2可知,不同急停键的排布位置对被试者的视觉反应有较大差异性。为此,展开实验b来探究急停键位置对被试者视觉反应的确切影响。

2.2.2实验b数据处理

数据记录:按照前述的数据处理方法,分别记录3套控制面板上急停键位置的轨迹编号均值,并进行均值计算,作为最终的轨迹编号数据,以增强实验的准确性。数据记录如表3所示。

表3 实验b各急停键的眼动轨迹编号数据

为更加直观地观测数据,对比不同急停键位置对用户反应速度的影响,将数据放在柱状图中显示,如图10所示。

图10 实验b各急停键位置的眼动轨迹编号柱状图

需要注意的是:被试者的反应速度与眼动轨迹编号成反比,即,眼动轨迹编号越大,表明被试者在此处反应速度越慢。观测图10,按照被试者的反应速度,将急停键的位置进行排序为:L6>L1>L7>L9>L3>L2>L10>L4>L11>L8>L5,并据此以被试者对各急停键位置由快到慢的反应速度,对急停键的排布位置进行优先级排序,得到图11所示的控制面板上急停键的排布位置优先级排序图(圆球的直径越大,表示该处急停键位置越容易被操作者感知,越推荐将急停键布置在此处)。

图11 控制面板上急停键的排布位置优先级排序图

2.3 实验小结

本实验在数据收集分析的基础上,对急停键11个位置的有效性展开测试,实验包含两个部分:实验a为保留原始色彩的数控面板,发现急停键位置对操作者反应速度的影响有较大差异;实验b探究急停键何种位置排列更有助于被操作者快速找到。通过眼动数据处理,最终得到数控面板上急停键的排布位置优先级排序图。

3 结论与展望

3.1 研究结论与意义

对国内外数控面板急停键位置进行数据分析,借助消费者的生理层面特征——眼动数据,通过控制数控面板样式、急停键位置等因素,深入研究了数控面板的急停健位置对操作者反应速度的影响,得出以下结论:

1)在数据收集期间发现,国内外数控机床制造企业的急停键排布位置大有不同。相较于国内,国外急停键的排布位置更具有统一性,即同一家企业的不同类型的数控面板上,急停键更倾向于处在同一位置,这有利于提升其品牌形象。因此,对于国内企业而言,应在确保急停键处在较优位置的前提下,尽量使企业内同类产品的急停键位置具有一致性,进而提升购买者对品牌形象的认知。

2)在数据实验之后发现,急停键的排布位置对操作者的反应速度有较大影响。其中,对用户眼动数据(眼动轨迹图)的分析得出,急停键位于左上方时最易被操作者找到,左下次之,再次为右下,位于右上时识别效率最低。因此,企业在设计急停键时,针对一般性数控面板,应尽量将急停键置于左上、左下、右下方,如若没有其他必须要求,应尽量不将急停键放置于面板右上位置。

3.2 研究局限

存在的局限以及展望:1)眼动测试的被试者多为在校学生,未来研究可以通过测试专业操作人员,使得结论更加精准;2)用于实验测试的数控面板版式均为矩形,未来研究可以拓展到其他面板版式;3)仅探讨了急停键位置对操作者反应速度的影响,而未确切地考虑其他元素如急停键的形状、大小、色彩等,未来研究可以将这些因素进行综合考虑,拓展急停键研究领域;4)作为眼动材料的面板均为静止图片,忽略了真实操作下的工况影响,未来研究可以在真实工况下,展开急停键的位置探究,以提升研究结果的可用性;5)仅对被试者进行了视觉层面的眼动实验,尽管视觉是首先被感知到的,但下一步的手动操作仍会有急停键位置对操作人员的影响(比如,手臂移动速度、周边按键干扰等),未来研究可以将视觉测试与手动操作结合起来,探究急停键排布位置对操作者的反应速度影响。