基于眼动实验的数控机床人机界面改善研究(全文)

基于眼动实验的数控机床人机界面改善研究
1 引言
随着数控技术的高速进展，数控机床已经进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。

m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峻缺陷：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。

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，甚至有可能造成严峻的事故。

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HS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数控车床操纵面板的人机界面，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，该款数控车床操纵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操纵面板的左侧，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）操纵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，并且会严峻影响数控机床的使用效率。

（3）操纵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楚，提示性不够明确，严峻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，针对上述操纵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，将操纵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。

另外，急停键以及启动停止键均布置于操纵面板的右侧区域，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
操纵面板整体背景采纳浅灰色，各个功能区域模块背景采纳深灰色，以增强对比性，使操XX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纳黑色，这种颜色搭配清楚醒目，可以增强易读性。

而操纵面板上的重要按键则采纳醒目的红色和绿色，以突出强制引导的作用。

2.2.3 按键设计
常见的按键有一般按键和液膜按键，其中液膜按键外观轻巧、便于安装且经济耐用。

因此，在本次改善中，所有的数控按键均采纳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操纵面板设计方案，如图2所示。

3 眼动实验
本文采纳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，将数控机床的操纵面板分成2个兴趣区
域（re of Interest，OI），分别为：OI_1（EMERGENCY STOP）和OI_2（数字键“0”），每个OI都对应实际任务中的一个认知加工区域。

实验中要求被试者扫瞄操纵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，其余参数均采纳默认设置。

该款眼动仪采纳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操纵面板，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。