用戶對數控機床急停鍵位置反應的眼動研究

胡廷杰,祁 娜

(西華大學 美術與設計學院,四川 成都 610000)

0 引言

數控機床作為制造產業中的關鍵一環,對其進行結構、功能、造型和人機工學上的分析和改進具有極其重要的意義[1]。按鍵是機床中重要的控制工具,操作者通過按鍵對車床進行直接操作,按鍵設計的不合理會導致操作者的工作效率低下。急停鍵的存在,更是直接關乎到操作者的生命安全,必須高度重視對其的合理設計。

研究發現,按鍵的合理性受形狀、色彩、位置等各種因素的影響[2-3],甚至還受到其觸覺特性的影響[4]。值得注意的是,急停鍵作為一種特殊按鍵,其形狀和色彩差異性并不明顯,但位置這一因素會直接影響用戶的信息處理流程,若其能更加符合人眼睛的運動特征和機能特征[5],將有助于提升用戶操作效率。因此,針對數控機床控制面板,急停鍵安置在怎樣的位置更有效,是研究者關注的核心問題。

此前已有部分學者對急停鍵進行了研究,菀松松等[6]認為,急停鍵應放置于最顯著的位置——面板的右下角,因為右手垂直方向的運動所需反應時間最少;朱毅然等[7]認為,急停鍵應和其他的功能鍵單獨劃分開來,使其十分醒目。鑒于目前研究仍缺乏詳細的數據支持和實驗測試,為進一步探究急停鍵位置對用戶的操作影響,從人機工程學的角度出發[8],收集并分析了國內外30個品牌的數控機床控制面板上的急停鍵位置數據,并借助眼動儀對數據分析結果進行有效性評估[9],以被試者對急停鍵的視覺反應力作為生理層面的參考依據,更好地驗證現有控制面板急停鍵位置的有效性。

1 數據收集分析

1.1 數據統計分析方法

利用互聯網進行數據收集,內容包含某一品牌下的所有數控類機床(包括車床、銑床、鏜床、鉆床等),如國內知名機床制造企業沈陽機床的數控機床數據。研究發現:各類數控機床的面板特征幾近相同(均為矩形面板),急停鍵特征也幾近相同(均為紅色、圓形),而急停鍵的位置卻有不同,急停鍵在不同控制面板間是一個相對位置,即:雖然不同控制面板大小比例不同,但同處于面板左下角的急停鍵是同樣的位置坐標。據此,采用如下數據統計分析方法:

1)采用互聯網收集不同品牌下的數控機床圖片,并對其進行篩選;

2)抽離出數控機床的控制面板,并標注面板輪廓和急停鍵位置;

3)采用數學工具對每個控制面板上的急停鍵進行位置表示,保證能有效地表明急停鍵在不同控制面板上的相對位置。如圖1所示,以控制面板的中心為原點,建立平面直角坐標系,將控制面板分為4個象限(右上、左上、左下、右下);x軸和y軸分別等分成6個坐標點,并過每個坐標點作垂直于坐標軸的直線,使得每個象限形成3×3的網格分布,以此劃分急停鍵在面板中的分布位置。該方法的優點在于能有效比較急停鍵在不同控制面板間的相對位置。

圖1 控制面板坐標系

4)對所得的急停鍵位置數據進行統計,進行數據可視化的方法為:在某品牌的急停鍵位置數據中,將分布在面板不同位置的急停鍵數量進行對比,某位置所具有的急停鍵數量越多,則圓球的直徑越大,以直觀觀測出該品牌側重于將急停鍵布置在何種位置。

1.2 數據收集及分析

1)收集機床圖片。在中國沈陽機床的官網,盡可能地收集其包含車床、銑床、鏜床、鉆床等機床在內的所有數控類機床圖片,經過人工篩選,去除重復和模糊圖片,得到中國沈陽機床的機床圖片,如圖2所示。

圖2 中國沈陽機床的數控機床圖片收集

2)抽取控制面板。在步驟1收集的機床圖片中,定位到每個機床的控制面板,并分別用紅色矩形和紅色圓點來標注其面板輪廓及急停鍵位置,如圖3所示。

圖3 中國沈陽機床的數控機床控制面板抽取

3)急停鍵位置表示。將步驟2中標注的控制面板輪廓及急停鍵位置單獨抽取出來,并依次放入控制面板坐標系(圖1)中進行位置表示,以便后續數據統計。

4)急停鍵位置統計。將步驟3得到的所有急停鍵位置數據進行統計,并進行可視化呈現,以表現出中國沈陽機床在控制面板各位置的急停鍵放置數量對比,得到圖4所示的中國沈陽機床急停鍵位置數據統計圖。

圖4 中國沈陽機床急停鍵位置數據統計圖

由圖4可以看出,沈陽機床的急停鍵大多分布在面板左下側,而僅有個例急停鍵零散分布在面板其他位置。為了減少數據的偶然性和增加其準確性,又搜集了其他不同國家不同品牌的共30個機床制造企業的急停鍵位置數據,并依據上述數據統計分析方法依次對其進行分析,得到各機床制造企業的急停鍵位置數據統計表,如表1所示。

表1 國內外30所機床制造企業的急停鍵位置數據統計表

由表1可知,不同品牌的面板急停鍵位置都有所側重。為了確切了解急停鍵的主要排布位置,將各品牌的急停鍵位置數據圖進行整合,參照笛卡爾熱力圖的表現形式,用顏色深淺程度來表示急停鍵在某位置出現的頻次,頻次越高則顏色越深,最終得到圖5所示的急停鍵位置排布熱力圖。

圖5 急停鍵位置排布熱力圖

數據顯示,在30多個品牌機床中,急停鍵主要分布在坐標(-3,-3),(-3,-2),(-3,-1),(-3,1),(-3,2),(-3,3),(-2,-2),(2,-3),(3,-3),(3,-2),(3,3)等11個位置,依次以L1,L2,L3,L4,L5,L6,L7,L8,L9,L10,L11命名。接下來,借助眼動實驗對這11個急停鍵位置進行有效性驗證,探究其對用戶的識別效率有何具體影響。

2 眼動實驗測試

2.1 研究方法與實驗設計

采用眼動實驗,對急停鍵的位置有效性進行分析,將被試者注意到急停鍵的眼動軌跡數據作為操作者對急停鍵作出快速反應的視覺數據。借鑒李寶珠等[10]使用的實驗設計方法來減少圖片出現順序對實驗造成的干擾,在眼動測試中向被試展示順序被打亂的的圖片材料。

2.1.1實驗說明

本次實驗分為實驗a和實驗b。共招募13名被試者,依次對實驗a和實驗b的幾組面板進行眼動測試。

實驗a是準備一套含有以上11個急停鍵排布位置的數控面板圖片(圖6),保留數控面板的原始色彩,對其進行眼動實驗,目的是觀測眼動數據是否具有差異性。

圖6 實驗a眼動材料

若實驗a的眼動數據顯示被試者對急停鍵位置的反應有明顯差異性,則展開實驗b。實驗b是對3套含有以上11個急停鍵排布位置進行技術處理后的數控面板圖片進行眼動測試,3套控制面板分別見圖7、圖8、圖9所示,測試的目的是采用控制變量法,排除急停鍵顏色和控制面板風格的干擾,觀察11個急停鍵位置對被試者的反應速度各有什么影響。

圖7 實驗b的第1套控制面板(去除原色彩)

圖9 實驗b的第3套控制面板(去除原色彩)

2.1.2實驗程序

在保證所有被試者都十分了解眼動實驗的要求和流程后,展開具體實驗:對被試進行眼睛校準,達到“非常好”校準提示;初步測試5張圖片后,研究者核查初步的測試結果,以確保該被試者進行的眼動測試合格。每位被試者完成眼動測試后,研究者會詢問被試者的測試滿意度,以判定該被試者是否需要進行二次測試。

2.1.3實驗設備及材料

實驗設備為西華大學的桌面式眼動儀,主要包括主試機和被試機兩大硬件。被試機用作眼動測試材料的展示,其顯示器的屏幕采樣率為1000 Hz,分辦率為1 024×768像素;主試機可以量測眼動數據,其刷新頻率是140 Hz。實驗于西華大學七教眼動實驗室進行,具備實驗所需的抗干擾和隔音要求。實驗進行中,被試者在進行雙眼校準后將不再移動,被試者專心注視屏幕,與屏幕的水平距離約為65 cm。

實驗所需的刺激物全部由專業平面設計師制作而成。選取3種不同風格的控制面板,按照11個急停鍵排布位置,設計出3套不同的控制面板圖片。根據實驗a和實驗b的需要,獲得共4組計44張圖片,將各組圖片均進行順序打亂。

2.1.4實驗被試者情況

通過校園網絡平臺(微信、QQ等) 和黑板宣傳欄募集眼動被試者[11],最終選定15名四川省某大學的研究生參與統一的眼動測試。核查結果時,有2名被試者數據存在異常,判定其數據無效。剩余13名被試者平均年齡為22歲,最小者21歲,最大者25歲。其中女生占53.84%,男生占46.15%。眼動測試時,被試者的矯正視力均達到1.0,不存在色弱、色盲等眼部疾病。每位被試者的實驗過程中均未受到噪音、溫度等因素干擾。

2.2 數據處理

參照13位被試者在每張數控面板圖中的眼動軌跡,記錄每位被試者眼球找到急停鍵時的軌跡編號數據,由此,每個急停鍵位置會有13個軌跡編號數據,為防止誤差,去掉最小和最大的兩個數據,取剩余11個數據的平均值,作為被試者對該急停鍵位置的反應指標,數據平均值越大,則被試找到該急停鍵時越慢。

2.2.1實驗a數據處理

數據記錄:按照前述的數據處理方法,記錄每個急停鍵位置的軌跡平均編號數據,如表2所示。

表2 實驗a各急停鍵的眼動軌跡編號數據

由表2可知,不同急停鍵的排布位置對被試者的視覺反應有較大差異性。為此,展開實驗b來探究急停鍵位置對被試者視覺反應的確切影響。

2.2.2實驗b數據處理

數據記錄:按照前述的數據處理方法,分別記錄3套控制面板上急停鍵位置的軌跡編號均值,并進行均值計算,作為最終的軌跡編號數據,以增強實驗的準確性。數據記錄如表3所示。

表3 實驗b各急停鍵的眼動軌跡編號數據

為更加直觀地觀測數據,對比不同急停鍵位置對用戶反應速度的影響,將數據放在柱狀圖中顯示,如圖10所示。

圖10 實驗b各急停鍵位置的眼動軌跡編號柱狀圖

需要注意的是:被試者的反應速度與眼動軌跡編號成反比,即,眼動軌跡編號越大,表明被試者在此處反應速度越慢。觀測圖10,按照被試者的反應速度,將急停鍵的位置進行排序為:L6>L1>L7>L9>L3>L2>L10>L4>L11>L8>L5,并據此以被試者對各急停鍵位置由快到慢的反應速度,對急停鍵的排布位置進行優先級排序,得到圖11所示的控制面板上急停鍵的排布位置優先級排序圖(圓球的直徑越大,表示該處急停鍵位置越容易被操作者感知,越推薦將急停鍵布置在此處)。

圖11 控制面板上急停鍵的排布位置優先級排序圖

2.3 實驗小結

本實驗在數據收集分析的基礎上,對急停鍵11個位置的有效性展開測試,實驗包含兩個部分:實驗a為保留原始色彩的數控面板,發現急停鍵位置對操作者反應速度的影響有較大差異;實驗b探究急停鍵何種位置排列更有助于被操作者快速找到。通過眼動數據處理,最終得到數控面板上急停鍵的排布位置優先級排序圖。

3 結論與展望

3.1 研究結論與意義

對國內外數控面板急停鍵位置進行數據分析,借助消費者的生理層面特征——眼動數據,通過控制數控面板樣式、急停鍵位置等因素,深入研究了數控面板的急停健位置對操作者反應速度的影響,得出以下結論:

1)在數據收集期間發現,國內外數控機床制造企業的急停鍵排布位置大有不同。相較于國內,國外急停鍵的排布位置更具有統一性,即同一家企業的不同類型的數控面板上,急停鍵更傾向于處在同一位置,這有利于提升其品牌形象。因此,對于國內企業而言,應在確保急停鍵處在較優位置的前提下,盡量使企業內同類產品的急停鍵位置具有一致性,進而提升購買者對品牌形象的認知。

2)在數據實驗之后發現,急停鍵的排布位置對操作者的反應速度有較大影響。其中,對用戶眼動數據(眼動軌跡圖)的分析得出,急停鍵位于左上方時最易被操作者找到,左下次之,再次為右下,位于右上時識別效率最低。因此,企業在設計急停鍵時,針對一般性數控面板,應盡量將急停鍵置于左上、左下、右下方,如若沒有其他必須要求,應盡量不將急停鍵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)眼動測試的被試者多為在校學生,未來研究可以通過測試專業操作人員,使得結論更加精準;2)用于實驗測試的數控面板版式均為矩形,未來研究可以拓展到其他面板版式;3)僅探討了急停鍵位置對操作者反應速度的影響,而未確切地考慮其他元素如急停鍵的形狀、大小、色彩等,未來研究可以將這些因素進行綜合考慮,拓展急停鍵研究領域;4)作為眼動材料的面板均為靜止圖片,忽略了真實操作下的工況影響,未來研究可以在真實工況下,展開急停鍵的位置探究,以提升研究結果的可用性;5)僅對被試者進行了視覺層面的眼動實驗,盡管視覺是首先被感知到的,但下一步的手動操作仍會有急停鍵位置對操作人員的影響(比如,手臂移動速度、周邊按鍵干擾等),未來研究可以將視覺測試與手動操作結合起來,探究急停鍵排布位置對操作者的反應速度影響。