天津大學 碩士學位論文 基于公理設計理念的軟袋包裝機械操作顯示界面的研究與設計 姓名 翁云云 申請學位級別 碩士 專業 工業設計 指導教師 謝慶森 20090601 中文摘要 人機操作界面屬于人機交互科學 是工業設計研究的重點 我國對于人機操 作界面的設計則剛剛從過去的程序設計和圖形設計的認識逐步發展到以用戶研 究為核心的設計開發思路 然而這種研究大多集中于日常的消費品 在大型機械 設備的研究與應用中仍屬空白 目前 人機界面的優化設計在中國工業設備領域 已成為一種趨勢 本論文將從公理設計的觀點出發 即采用理性精確分析人機交互設計的所有 層次和人機操作界面元素 來解決包裝設備及生產流水線設計中尚存在的設計師 以感性方式解決問題的現象 而導致人機操作界面設計不精確 不能彌補操作人 員的失誤問題 使得設計條理化 嚴謹化 定量化 從而以理性和邏輯的思維探 索人機交互界面所存在的問題 來指導設計的完成 比如 建立用戶模型 操作 失誤的研究 界面易操作性分析 從而提高人機界面的操作可靠性和安全性 并 以設計心理學 人機工學 產品語義學為設計指導思想 對包裝機械的操作界面 如何更好的符合用戶 以人為中心做設計 建立一個良好的人機系統 文中公理設計分析所得的設計原理和方法對今后的包裝設備以及所有機械 的人機操作界面設計將有所幫助 有利于最大程度的實現包裝機械的操作使用目 標 充分發揮包裝機械在現代化生產及制造中的重要作用 關鍵詞 公理設計操作界面軟袋包裝機械用戶研究界面設計 A B S T R A C T M a n m a c h i n eo p e r a t i n gi n t e r f a c e f a l l i n gw i t h i no fc a t e g o r yo fh u m a n c o m p u t e r i n t e r a c t i o ns c i e n c e i st h ek e yr o l ei ni n d u s t r i a ld e s i g n T h ed o m e s t i cr e s r a r c ha b o u tt h e m a n m a c h i n ei n t e r f a c ed e s i g nd e v e l o p m e n tf o c u s e s0 1 1t h eu s e r H o w e v e r t h i sk i n do f d e s i g nm a i n l yc o n c e n t r a t e s0 1 1t h ed a i l yc o m m o d i t i e s T h er e s e a r c ha n da p p l i c a t i o ni n m e c h a n i c a le q u i p m e n ti ss t i l lav i r g i ng r o u n di nO U I c o u n t r y I ti sat r e n dt oo p t i m i z e t h eh u n m a n c o m p u t e ri n t e r f a c ed e s i g ni ni n d u s t r i a le q u i p m e n ti nC h i n a I nt h ev i e wo fA x i o m a t i cD e s i g n i na l ll e v e l so fh u m a n c o m p u t e ri n t e r f a c e d e s i g no fp a c k a g i n gl i n ee q u i p m e n t d e s i g n e r ss t i l ls o l v ep r o b l e m sw i t he m o t i o n w h i c hc o u l dr e s u l ti n i n a c c u r a c ya n dm o r ee r r o r si np r a c t i c a lo p e r a t i o n T h e p h i l o s o p h yo fA x i o m a t i cD e s i g n i st h a ts y s t e m a t i c r i g o r o u sa n dq u a n t i t a t i v e r a t i o n a l a n dl o g i c a lt h i n k i n g S o w ec a ns t u d yt h ec a s eo fi n t e r f a c ed e e p l ya n de f f e c t i v e l y I n t h ei s s u eo fi n t e r f a c e w es h o u l ds o l v ep r o b l e mw i t hl o g i ct h i n k i n g d od e s i g no nb a s i s o fA x i o m a t i cD e s i g n S Oa sp r e d e s i g n i n gw o r k s u c ha s t h ee s t a b l i s h m e n to ft h eu s e r m o d e l o p e r a t i o no ft h eq u a n t i z a t i o ne r r o r si nr e s e a r c h p r o d u c to fr e l i a b l ea n a l y s i s a n a l y s i so f p r o d u c t se a s e T h e n w ew i l lm a k et h er e s e a r c hm o r er e l i a b i l i t y m a k et h e o p e r a t i n gi n t e r f a c eo fp a c k a g i n ge q u i p m e n tb e t t e rt om e e tt h eu s e r s d e m a n d st oe r e a t au s e rm o d e li no r d e rt ot h ee s t a b l i s h m e n to fag o o dh u m a n m a c h i n es y s t e m T h eg u i d e l i n e sf r o mA x i o m a t i cD e s i g nf o rt h ed e s i g no ft h ep a c k a g i n ge q u i p m e n t a sw e l la sa l lt h em e c h a n i c a lh u m a n m a c h i n ei n t e r f a c ew i l lh e l pt om a x i m i z et h e r e a l i z a t i o no ft h eo p e r a t i n g A n dp a c k a g i n ge q u i p m e n tw i l ld ow e l la sa ni m p o r t a n t r o l ei nm o d e r n i z a t i o no fp r o d u c t i o na n dm a n u f a c t u r e K E YW O R D S A x i o m a t i cD e s i g n T h eO p e r a t i n gI n t e r f a c e S o f t b a gP a c k a g i n g E q u i p m e n t U s e rR e s e a r c h I n t e r f a c eD e s i g n 獨創性聲明 本人聲明所呈交的學位論文是本人在導師指導下進行的研究工作和取得的 研究成果 除了文中特別加以標注和致謝之處外 論文中不包含其他人已經發表 或撰寫過的研究成果 也不包含為獲得鑫注盤堂或其他教育機構的學位或證 書而使用過的材料 與我一同工作的同志對本研究所做的任何貢獻均己在論文中 作了明確的說明并表示了謝意 魏篇以一飆1 年 日 學位論文版權使用授權書 本學位論文作者完全了解墨盜盤堂有關保留 使用學位論文的規定 特授權墨鲞盤堂可以將學位論文的全部或部分內容編入有關數據庫進行檢 索 并采用影印 縮印或掃描等復制手段保存 匯編以供查閱和借閱 同意學校 向國家有關部門或機構送交論文的復印件和磁盤 保密的學位論文在解密后適用本授權說明 學位論文作者簽名 么 導師簽名 學位論文作者簽名 相礦縱 導師簽名 簽字日期 卵 年6 月 日 鉚肌嚴鈿 日 鋤 天津大學碩士學位論文 第一章緒論 第一章緒論 1 1 課題的研究背景和研究意義 1 1 1 課題的研究背景 科學技術一次次的進步推動著社會不斷地前進和發展 人類的生活質量也得 到了空前的提高 在人類社會文明的發展過程中 工業設計伴隨著大工業生產技 術 藝術和經濟的發展而產生 1 1 在工業設計的發展史中層出不窮的設計運動和 設計風格 無不包含著對人類需求的不同程度的理解和滿足 每一種新的設計運 動的出現 都是對人的關注提升到了一個新的高度 這也正是設計的發展趨勢 2 機械化生產是工業革命的產物 它是時代經濟 技術和文化的內在反映 隨 著計算機時代的到來 高信息密集度的科技化的生活 使得人與物 人與人 人 與環境之間的關系變得越來越疏遠 乏味和冷漠 人們的情感 精神不能隨著科 技的發展而得到相應的滿足 科學技術日益膨脹 通訊設備日益快捷 機械自動 化加工日益快速 信息多層面傳遞的加速 讓我們節省了很多的時間和空間 但 是其背后的人本價值 包括文化 傳統 習俗 歷史經驗 回憶以及一些自然屬 性 都在逐漸喪失 因此 追求一種科技與情感的平衡成為必然 技術的特質奇 跡和人性的精神需要平衡起來 實現從強迫性技術向高技術和高情感相平衡轉 變 這也是反映了 為人而設計 的設計本質 機械設備作為社會的一部分 絕不是工業經濟時代所扮演的無情 冰冷的物 理功能角色 應針對人的本質 自然的屬性 演繹情感化設計 綜上所述 我們 設計的最終目標 在于以系統觀 全局觀出發 綜合考慮人 物 自然的相互關 系及其發展趨向 更好地解決人類深層次的需求問題 情感需求 個人價值實現 等等 為人創造合理 健康 自然的生存方式和生存環境 1 1 2 研究意義 在目前 我國大部分企業實力還并不強大 人機界面設計開發失利承受力還 不很強的情況下 如何系統地 有條理地 有根據地認識和評價設計 使其符合 操作規律和市場需求 就需要對設計再認識 對用戶進行研究 使設計分析條理 化 理性化 避免將人作為 生物人 的片面評價和走出籠統地說 人機界面設 天津大學碩士學位論文 第一章緒論 計 科學技術 藝術 的簡單誤區 本課題的研究意義在于 在大量的人機界面設計文獻研究的基礎上 結合包 裝機械的界面特點和以往機械設備人機界面設計的經驗 以公理設計的分析方 法 從理性思維出發 歸納出包裝設備的人機界面設計的設計原則 以對今后的 包裝設備以及所有機械的人機操作界面設計有所幫助 再者 一個良好的機器操 作界面不僅有利于用戶的學習 操作 降低出錯率 而且在一定程度上有利于操 作者的身心健康 更重要的是 最大程度的實現包裝機械的操作使用目標 充分 發揮包裝機械在現代化生產及制造中的重要作用 1 2 課題的主要內容和創新點 1 2 1 課題的來源 本課題依據江陰市納爾捷機器人有限公司的包裝機械設備的設計項目為具 體案例 為研究提供了有利的條件和支持 方便從生產現場發現問題 總結問題 進行觀察 分析和研究 1 2 2 課題的研究內容 本課題的研究對象是軟袋裝箱機 屬于包裝機械設備 是不同于日常生活中 所用的工業產品 是工業設備中較為典型的一類 尤其在自動化技術發達的今天 工業設備和流水線作業當中出現了許多新的人機問題 如 操作的反饋 如何避 免誤操作和操作的直觀性 操作顯示界面的布局和視覺效果等 本課題將基于公理設計的優化設計方法 從人機工學 情感化設計的觀點出 發 以包裝機械設備及生產流水線的設計為例 使得設計條理化 嚴謹化 定量 化 以理性和邏輯的思維探索人機交互界面所存在的問題 對包裝機械的控制單 元的位置 角度 操作與顯示的相合性 操作鍵的形狀 布局及軟件的界面進行 分析 提出目前設計中尚存在的問題 為下一步的設計提出依據 創建用戶模型 以人為中心做設計 建立一個良好的人機系統 1 2 3 課題的創新點 長期以來 我國的機械設備的界面設計只是單純地滿足功能特性 而忽略人 天津大學碩士學位論文 第一章緒論 的特性 人的認知過程以及色彩對于人的影響等等 甚者 有些機械設備的人機 界面設計還沿用上世紀8 0 年代初的設計 缺乏 人性 的界面設計 使用過程 中事故的發生 一次又一次引起了我們對于人機界面設計的思考 而就包裝設備 及生產流水線的設計中來說尚存在設計師以感性方式來解決問題的現象 從而導 致在人機操作界面設計的不精確 不能彌補操作人員的失誤問題 本文在設計界感性思維風行的背景下 進一步探討人機界面的設計方法 強 調人與機械之間的互動 提出在人機界面設計中著重理性分析的新方法與理念 填補了機械設備類操作界面設計中的不足 1 3 公理設計理論的發展和應用 1 3 1 公理設計簡介 公理設計理論 A x i o m a t i cD e s i g n T h e o r y A D r 是美國麻省理工大學 M I T 機械工程系N a mP S u h 教授提出的 公理設計旨在為設計建立一個科學依據 為 設計師提供一個基于邏輯和理性思維過程及工具的設計理論 改進設計師傳統的 感性思維習慣和行為習慣 通過為設計領域創造一個科學的基礎 使人類設計師 更有創造性 使隨機搜索過程減少 使迭代試錯過程減少 使迭代試錯過程最短 在提交的諸多設計中 確定最佳設計方案 并賦予計算機創造力 3 由于設計通常是與智力活動和創造聯系在一起 以及它的復雜性和不可捉摸 性 人們往往認為它是依靠人的直覺 天賦和經驗 但是設計必須發展它的科學 基礎 這就是設計理論 在設計學中存在若干如力學中的牛頓定律一樣的公理 它們控制著設計活動的諸多方面而沒有例外 遵循這些公理和由之而產生的定理 和推理 在設計中就可以理性地分析并導向正確的結果而不必通過失敗后反復修 正或在設計中留下不可挽回的后遺癥 較之已有理論僅僅停留在物理的和技術的 層面 公理設計觸及設計活動更深層次的規律 即功能域和信息含量 從而可以 控制更大范圍的設計過程 S u h 教授提出的公理化設計A D A x i o m a t i cD e s i g n 理論的出發點 4 是將 傳統的以經驗為基礎的設計活動轉變為以科學公理 法則為基礎的設計公理體 系 公理化設計理論認為 在設計過程中設計問題可分為四個域 即 用戶域 C u s t o m e rD o m a m 功能域 F u n c t i o n a lD o m a m 物理域 P h y s i c a lD o m a m 和過程域 P r o c e s sD o m a m 每個域中有各自的元素 即用戶需求 C u s t o m N e e d s 功能要求 F u n c t i o nR e q u i r e m e n t s 設計參數 D e s i g nP a r a m e t e r s 和 天津大學碩t 學位論文第一章緒論 丁藝變量 P r o c e s sV a r i a b l e s 整個設計過程實際就是四個域之間的映射過程 見 圖j 1 公理化設計提出了兩個重要的設計公理 1 獨立性公理 T h eI n d e p e n d e n c e A x i o m 保持功能要求的獨立性 2 信息公理 T h e I n f o r m a t i o n A x i o m 力求使設計的信息量最少 獨立公理說明功能需求 F R s 必須保持獨立 此處的F R s 被定義為表征設 計目標的獨立需求的最小集合 信息公理說明 在那些滿足獨立公理的設計中 具有最小信息量的的設計就是最好的設計 當信息含量有限的時候 必須通過用 戶研究或其他途徑為設計提供信息 公理設計除咀上2 個公理外 并有推理8 個 一般的設計定理2 6 個 與大系統的設計和分解有關的定理9 個 設計和運行大 型組織機構的定理3 個 與軟件設計有關的定理2 個 公理化設計的兩個設計公理可以在設計過程中幫助設計者判斷設計的合理 性 但是如果旋現設計不滿足設計公理的要求 設計者只能憑經驗去修改 公理 設計的應用會提高創造力 它要求通過建立功能需求和約束來清楚的形成設計目 標 它提供好和壞的設計的判g 準則 幫助盡可能地消滅壞的想法 使設計師集 中精力于有指望的設計 同時公理設計形成分解過程 使得從概念到設計形成一 個系統的流程 c A L 竺 型 F R jL 竺墅J D P 世 P v 圉 I 公理設計的四個域 1 3 2 國內外公理設計的應用和研究現狀 歷史上 希臘人最先使用公理 最早應用公理的例子也許是歐式 E u c l i d 幾何 這些公理曾對制造業 航海業和幾乎所有科學技術領域 現代數學基礎的 誕生起過程大的作用 公理是不能推導出來的 也沒有反證和例證外的事實 許多科學技術領域把 天津大學碩士學位論文 第一章緒論 它們的進步歸功于公理的存在和發展 它們已經經歷了從基于經驗的實踐向采用 基于公理的科學理論和方法并應用的過渡 在這種意義上 公理設計實際上是追 隨著科學技術發展的歷史趨勢的 公理設計理論在產品設計領域有重要的影響 目前有代表性的應用主要集中 在機械產品設計方面 實際上 公理化設計適用于所有設計 如產品 過程 系 統 軟件 組織 材料和商業計劃等 是其它設計理論和設計方法的基礎 5 在國外 公理化設計方面的研究主要有 6 N a mE S u h 給出了公理化設計的 基本原理 設計框架 設計的一般過程以及簡單的應用實例 D L i n d h o l m 等人將 公理化設計理論應用于設計過程的決策問題 根據設計分解的過程進行推理 得 到設計決策樹 M a t sN o r d l u n d 等研究了公理化設計理論在商業上的應用前景和應 用實踐 V i g a i nH a r u t u n i a n 等研究了基于公理化設計理論的產品設計的決策系統 及其開發輔助公理化設計軟件的內容和意義 J a s o nD H i n t e r s t e i n c r 等研究了將公 理化設計用于控制系統 建立了系統構模型和系統控制模型 并研究了公理化設 計軟件的設計過程 S C Y L u 等建立了協同設計過程模型 用社會技術框架解決 協同設計中的沖突問題 N i c o l aC a p p e t t i 研究了機動車上電池支撐板模糊設計的 公理化決策方法 將公理化設計方法用于設計方案的選擇 國內對公理化設計的研究才剛剛起步 主要是應用公理化設計的思想和理論 在產品設計上的應用 主要研究的內容有 楊培林等利用公理化設計的基本思想 對產品并行設計過程進行分析和描述 提出了產品并行設計策略 陳永亮等根據 公理化設計理論 對模塊化柔性生產線方案的設計過程進行分析 張瑞紅等將公 理化設計用于系統設計 將兩條設計公理作為系統設計的指導思想 對產品進行 穩健優化設計 陳小川等運用公理化設計理論對優化設計 可靠性設計和D F X 方法進行集成研究 并建立了面向成本設計的成本估算框架 吳斌等以公理化設 計為基礎 對需求產品進行定義 建立了需求產品的模型 唐敦兵等將公理化設 計的 之 字形映射方法應用于并行設計的研究 宋慧軍等提出了域結構模板的 概念 對公理化設計進行了擴展 1 4 人機界面的現狀與發展 1 4 1 人機界面簡介 狹隘的人機界面是指計算機系統中的人機界面 H u m a n C o m p u t e rI n t e r f a c e H C I 又稱人機接口 用戶界面 U s e rI n t e r f a c e 它是計算機系統中最年輕的 天津大學碩士學位論文第一章緒論 分支 人機界面學是 I 關于設計和評估以計算機為基礎的系統并使這些系統能 夠最容易地為人類所使用的學科 圖1 2 經過多年的發展 人機界面學正由一 門僅針對從事人機交互方面工作的專業人員的單純學科 逐漸演變成 f 廣泛適 用于各類計算機及產品界面設計人員和高級設計工程的應用學科 7 1 環 境 l 信息儲存 稿八轍比 信息儲存 入 l 信息儲存 機 7 人 界 i 機 信息儲存 面 I 信息儲存 輸出 瓤入 信息儲存 圖1 2 入機系統的組成部分 圖1 3 人機界面的組成 環 境 一般來說 人機界面是由人 硬件 軟件三者相結合而構成的 圖1 3 缺 一不可 人機界面介于機器系統和用戶之間 是機器和人之間傳遞 交換信息的 媒介 是用戶使用機器系統的綜合操作環境 剮 人機界面的核心內容包括顯示風 格和用戶操作方式 它集中體現了機器系統的輸入 輸出功能 以及用戶對系統 的各部件進行操作的控制能力 界面所包含的因素是極為廣泛的 但在運用中卻 天津大學碩士學位論文 第一章緒論 只能有側重 有強調的把握 設計因素雖多 但它仍是一個不可分割的整體 新時期的人機界面將更加強調 以人為本 自然和諧 的交互方式 以此 為宗旨實現人機的高效合作 新一代的人機交互技術將朝著集成化 網絡化 智 能化 標準化發展 1 4 2 人機界面的現狀與所存在的問題 現代生活正走向信息化 產品的發展也反映了生活方式的變化 當我們使用 各種信息產品的時候 必然會接觸到這些產品的外觀與數字化的操作界面 界面 是人與機器交流的中介 工業設計是將高科技技術轉化成可以為人所使用的產品 的關鍵 并傳達出功能信息和文化信息 人機操作界面包括硬件界面和軟件界面 近年來隨著計算機科學的蓬勃發展 人機操作界面的問題已然成為國際設計界最 為活躍的研究方向 目前 人機界面正朝著 軟 界面發展 對于 操作界面 合理性 方便性 和精確性要求信息傳輸展示的界面更加人性化1 9 傳統的設計主要從人機 硬 界面 技術基礎 功能分析 結構分析 技術工藝 的角度對產品界面進行設計 而信息設計則更多的關注 軟 界面結構 輸入輸出方式 界面顯示及控制元 素 交互方式 功能分布 信息界面的設計 硬 界面和 軟 界面相結合 深入人機界面的設計和開發 也有利于產品真正塑造 以人為本 的形象 l o 設 計應當以用戶為中心 以用戶的需求和利益為基礎 用戶界面是產品的靈魂 直 覺的邏輯菜單結構 易讀的字體 藝術的圖形和有趣的動畫對友好的用戶界面都 是有益的 目前 人機界面的主要系統和編程軟件主要有P L C 驅動器 M i c r o s o f t W m d o w sX P 和M i c r o s o f tW m d o W SC E 以及L i n u x 在通訊領域最近較多使用的技 術包括串行通訊技術 專有網絡和O P C 技術 然而對于在應用和軟件支持方面 預警和圖像動畫占據了前兩位 還包括多國語言支持 多編程語言支持 W e b 瀏 覽器和低配置客戶端 1 1 1 據C o n t r o lE n g i n e e r i n g 和R e e dR e s e a r e hG r o u p 在2 0 0 8 年 底的研究表明入機界面市場發展迅速并具有美好的前景 人機界面的產品也是以幾近無限的型式 形狀 尺寸 顏色和特性出現 它 們迅速普及 在工廠車間被廣泛的使用 其附加的特性和功能提高了工作效率和 精度 圖l 4 圖1 5 近幾年 隨著計算機技術的迅速發展 機械設備領域也受到其深刻影響 機 械設備的新原理 新工藝和新技術不斷涌現 使得機械設備在大型 復雜 高精 度 多功能等方面出現一次又一次的飛躍 技術的發展使得人們對于機械設備操 天津大學碩士學位論文第一章緒論 作人員的要求也越來越高 如何設計更加人性化的界面 使得界面更加友好也越 來越受到人們的關注 陶 5 A u t o m a t i o nD i r e e l 公司的Cm o r e M i c r o O r a p h i c 面板產品線包括高對比度面板 價格 1 3 9 起 3I 英寸的組件具有觸摸式和非觸摸式兩種版本 i 4 3 人機操作界面的理論研究現狀 1 4 3 1 認知心理學與人機界面 S t a u f e r 1 9 8 7 通過研究發現 人眼觀測屏幕的時候 視知覺注意并不均勻 如圖1 6 所示 往往對左上角比較敏感 占4 0 右下角雖不敏感 只占1 5 這兩者相差兩倍之多 這意味著對于重要的信息和按鍵要放置于左上角 在顯示界面設汁中有一些突出的信息 如主菜單和經常要查詢的信息以及重 要信息都要放在左上角 機械設備的操作顯示界面是通過視覺元素的引人注目而 實現其信息內容的傳達 為了使操作者更有效率地操作 使得包裝機械的功能得 天津大學碩士學位論文 第一章緒論 到更大發揮 顯示界面的設計必須適應人們視覺流向的心理特征和生理特征 1 3 1 由此來確定各種視覺元素的秩序 4 0 2 0 2 5 1 5 圖1 6 視覺在屏面上的分布 用戶注視的對象反映他們意圖方向 在用戶操作中 眼的掃描表現了人的行 動特性和認知過程 眼的瀏覽路徑主要有兩種運動形式組成 凝視和掃視 1 4 見 圖1 7 按照行動的心理特征 用戶首先建立一個行動目的 確定了行動目標 以目標指導眼掃視 也就是說 在掃視之前已經計劃了掃視的方向和距離 掃視 主要用于搜索視野 把選擇的目標圖像置于視網膜的中央凹 這個部位的敏銳度 最高 看得最清楚 行動計劃中包含了眼的運動 還包括控制頭和人體一些部位 的運動 使他們符合或者彌補眼的運動 在搜索一個目標時 如果用戶是經過許 多掃視和凝視之后才找到目標 表明他經過了許多嘗試之后才發現目標 這意味 著 如果信息設計不當或人機界面設計的不好 會錯誤地引導用戶 分散注意力 造成工作效率的降低 圖1 7 凝視與掃視 天津大學碩士學位論文第一章緒論 瀏覽顯示界面時 如果圖標分組和布局設計得很好 按功能或概念分組 用戶就能很快發現目標 形成直接快速的搜索路線方式 而隨意排布的圖標會誤 導用戶 導致盲目的搜索行為 把圖標按功能分組可以減少瀏覽路徑和搜尋面積 范圍 而設計不好的人機界面導致搜尋的方向性差 較多掃視和凝視 搜尋效率 低下等 用戶的凝視涉及到信息的復雜性 用戶對信息的知覺處理過程以及認知處理 過程 包括 視覺發現 區分 識別 記憶和認知方面的回憶 含義理解 記憶 等方面 記憶主要有兩種表現形式 回憶和識別 l5 1 大多數的操作界面都會為使用者 提供大量的信息 因此減少用戶學習記憶操作 是機械設備操作界面設計的一個 重要思想 個良好的界面應該減輕用戶對操作的記憶 在人機界面中要盡量減少必須 學習的信息總量 當學習無法避免時 應該用記憶線來幫助回憶 因此 界面設 計應當提供記憶輔助工具 如何利用人的記憶特點 減輕人的記憶負擔是設計人 機界面需要重點解決的問題之一 英國心理學家M a r kL a n s d a l e 對信息檢索問題所 作的多年的研究可用于文件的搜索 他建議把信息檢索分成兩個過程 先是定向 記憶 后是掃描識別 l6 前一個過程指的是使記憶中的信息盡可能貼切地描述所 需檢索的信息 如定向記憶失敗 無法獲取所需信息 則進入下一個過程 即瀏 覽各個文件目錄 根據這一理論 一個良好設計的人機界面應允許用戶使用自己 的記憶來盡可能的縮小搜尋空間 并在界面上顯示這個區間 這樣能夠有效地幫 助用戶查找所需的內容 l 孔 對于操作界面一些術語用戶往往根據自己的專業知識來推測其含義 1 8 如果 界面使得用戶感覺生疏 這就勢必要求用戶在操作機械之前擁有一定的專業知 識 相應的 在設計中 界面的文字設計要符合通用的專業詞匯標準 不該用生 僻的詞匯 在菲茨 F i t t sP o s n e r 1 9 6 7 理論的基礎上 安德森 A n d e r s o n 1 9 8 3 提 出獲取認知技能的3 個階段 他認為學習的過程要經歷 認知 聯想 自主三個 過程 1 9 1 按照這個理論框架 我們可以解釋用戶學習操作包裝機械設備的基本過 程 1 認知階段 又可稱之為陳述性知識學習階段 操作者要逐條學習相關概念和操作規則 然后把這些操作規則看作各種簡單任務情境下的運用 把各種操作規則和情境任 務看作為一組事實 經常復述 反復練習這些事實 被保留在活躍的工作記憶 短 時記憶 中 在學習操作過程中 記憶每個命令最常用的一種操作和一個參數 天津大學碩士學位論文 第一章緒論 這樣可以促進他們的學習和記憶 因為在大腦中 陳述性知識和過程性知識都被 融入 各種相關的概念和過程被聯系在一起 有利于向第二階段轉化 2 聯想階段 當用戶基本能夠完成各種操作過程后 進入聯想階段 這時 他們逐漸發現 并減少了最初理解的錯誤 各種概念和操作之間的聯系被逐漸加強 死記硬背的 陳述性知識逐漸轉換成操作方式 成為一套操作技能 人們知道怎樣去完成各種 任務 從而形成比較熟練的過程性知識 3 自主階段 當人的操作技能越來越熟練 操作速度越來越快 逐漸變成自動化的過程 技能的獲取便達到了自主階段 由于技能變得熟練 操作過程逐步適合人具體特 征 這一特性稱之為操作的 協調 其主要標志是 很少出現偶發性錯誤 可 以并行進行兩件事情 1 4 3 2 人機工程學與人機界面 當機械大工業迅速發展 如何有效操縱和控制機械的問題導致了人機工程 學 二戰后 隨著體力的簡單勞動轉向腦力的復雜勞動 人機工學也進一步地擴 大到人的思維能力的設計方面 捌 使設計能夠支持 解放 擴展人的腦力勞動 人機工學的發展給社會尤其是機械工業帶來了革命 它在一定程度上減少了 職業病和事故的發生 讓工作和生活環境的設計適合人的生理心理特點 使得人 能夠在舒適和便捷的條件下工作和生活 人機工程學就是為了解決這樣的問題而 產生的一門工程化的科學 現在 人機工程學已發展為一門多學科交叉的工業設 計學科 研究的核心問題是不同的作業中人 機器及環境三者間的協調 研究方 法和評價手段涉及心理學 生理學 醫學 人體測量學 美學和工程技術的多個 領域 研究的目的則是通過各學科知識的應用 來指導工作器具 工作方式和工 作環境的設計和改造 使得作業在效率 安全 健康 舒適等幾個方面的特性得 以提高 人類工效學的研究和人機關系是這個學科的核心內容 在本課題的設計 中 人機工程學的相關知識也是很重要的方面 在人機操作中人機工學的主要應用點為 l 人體工作行為 解剖學和人體測量 工作事故 健康與安全 2 認知工效學和復雜任務 環境人機工程 3 計算機人機工程 顯示與控制布局設計 人機界面設計與評價 4 工業設計應用 包括 操作舒適性研究 工作負荷分析 5 工作程序 人機實踐規則 手工操作負荷 天津大學碩士學位論文第一章緒論 1 4 4 公理設計分析與人機界面 設計的公理法是強大的 由于公理的可歸納性 它可以推出一些推理和定理 這些定理和推理也都可以用來指導設計 并精確地預測它們的有效性邊界 由于 在人機界面的設計中依舊存在以感性的方式解決問題的現象 從而導致操作人員 的失誤問題和界面指示性不明 反饋不當 公理設計的方法可以運用到人機操作 界面的設計分析中來 由于公理法建立在對好的設計決策和過程抽象的基礎上 因此 公理設計將會在人機界面的設計中扮演一個重要的角色 將會為人機操作 顯示界面的設計提供一個良好的分析 決策平臺 天津大學碩士學位論文第二章軟袋包裝機械操作顯示界面的公理設計特征 第二章軟袋包裝機械操作顯示界面的公理設計特征 2 1 包裝機械操作設計分析 人機操作界面的設計 核心是設計分析 經過分析 設計師有了明確的概念 與目標 并隨信息的交互產生了創造力 另一方面 設計師自身對社會環境也要 進行深入的認識與考察 對設計的作品取向有明晰的認識 是否符合人們的操作 預期 是否能感受到人們的審美知覺 日本設計師佐野邦雄先生曾作一圖一生 活的變遷與設計師的課題 將日本及世界上某些非常有影響性的事件 如技術的 進步 企業的發展等等都進行了歸納 進而對設計有了深入的認識與感悟 9 J 所 以 要運用好設計的界面 理性的認識是首要的 其次就是創造性的 而且是有 實效性地分析 處理信息 2 1 1 軟袋包裝機械的簡介 根據中國包裝網數據顯示 2 0 0 5 年我國包裝機械產量增加到6 7 萬臺 套 到2 0 1 0 年將增至9 3 萬臺 快速發展的食品加工業 需要大量高品質的包裝機械 和食品加工機械 這給包裝機械制造行業帶來了商機 目前 我國食品加工能力 還遠不能滿足需求 因此在提高農副產品深加工能力的同時 食品機械和包裝設 備的需求就必然加大 據有關方面統計 到2 0 0 8 年國內市場食品機械和包裝設 備的總需求為8 5 0 億元左右 即每年保持1 2 以上的增長率才能滿足市場需求 強勁的市場需求帶動了包裝機械行業的迅速發展 尤其是近幾年來 我國的包裝 機械行業通過引進國外先進技術 促進了該行業的發展 2 u 同時 國內的包裝機 械行業在技術方面有了長足的進步 特別是在一些關鍵技術領域 已經取得了驕 人的成績 可以與世界領先水平相媲美 技術上的差距 將隨著我國自主研發能 力的提高而逐步被消滅 縱觀近年來我國包裝機械行業的發展 雖然銷售額呈快速增長的趨勢 但與 發達國家的產品相比較 仍然存在較大的差距 這里的差距主要體現在 硬 技 術和 軟 技術兩方面 首先是 硬 技術 主要表現在生產能力和控制 在線 監測以及能耗 穩定性等方面 而所謂的 軟 技術 也就是區分于技術而言 它 主要是從操作工人出發所考慮的 2 2 在外觀 操作和操作顯示界面等方面的提高 天津大學碩士學位論文第二章軟袋包裝機械操作顯示界面的公理醍計特征 與改進 對操作顯示界面進行研究就是本文所要解決的問題 包裝機械按功能可分為單功能包裝機和多功能包裝機口M 按使用目的可分為 內包裝機和外包裝機 按包裝品種義可分為專j j 包裝機和通用包裝機 按自動化 水平分為半自動機和全自動機等 按產品狀態分 有液體 塊狀 散粒體包裝機 按包裝行業分 有食品 臼用化工 紡織品等包裝機 按包裝工位分 有單工位 多工位包裝機等 從國際上包裝機械總的情況來看 比較科學的分類方法是按其 主要功能進行分類 它能抓住事物的本質 本課鹿所研究的載體為軟袋裝箱機 軟袋包裝是指采用柔性包裝材料制成的 包裝袋 并充填流動性與半流動性物料的包裝形式 按其組成材料可分為塑料薄 膜 紙質 金屬薄膜及復合材料等 按其外觀形式又可分為枕型袋 平型袋和直 立袋等 軟袋包裝廣泛應用于食品 化工 調味品 飼料添加劑 醫藥等 其包 裝形式深受用戶喜愛 因其柔性包裝袋的特殊性 其裝箱形式主要有收縮皮帶式 圖2 1 機器人式與機器人工輔助式 圖2 2 在使用過程中 軟袋在紙箱 中如何擺放整齊 除與軟袋裝箱機功能與結構相關外 還與軟袋在裝箱機前端輸 送姿態有關 圖2 1 江粥納爾捷機器人有限公司生產的包裝機械 天津大學碩士學位論文第二章軟袋包裝機械操作顯示界面的公理設計特征 圖2 3 軟袋裝箱機結構簡囪 1 袋輸送機構 2 B 袋收集機構 3 A 面紙墊板輸送機構 4 紙箱輸送機構 5 B 面紙墊板輸送機構 B 操作面板 7 一機械手 天律大學碩士學位論文第二章軟袋包裝機械操作顯示界面的公理設計特征 圖2 4 裝箱機系統組成簡圖 1 9 9 9 年 國際著名機器人制造商A B B 公司推出了I R B3 4 0F l e x P i c k e r D e l t a 機 器人 并配置了計算機視覺系統 用于食品 醫藥和電子行業 加速度可達 1 0 0 m s e c 2 但由于D e l t a 機構的三對稱結構布局使其不具備優勢作業方向 故不 太適合于在僅需機械手在一個平面內完成高速運動 而在其正交方向做長 短 距步進或緩進運動的工業場合 為此 天津大學的黃田教授利用平行四邊形性質 提出了一種稱之為D i a m o n d 的全鉸接二平動自由度平面并聯機構怛4 1 如圖2 5 井將其與一單自由度進給機構串接構成一三平動自由度混聯機械手 該機械手在 一個平面內加速度可達到1 2 0m s e e 2 圖2 5D i a m o n d 并聯機械手 架n 自臂 i 女 自 n 自 天津大學碩士學位論文 第二章軟袋包裝機械操作顯示界面的公理設計特征 2 1 2 包裝機械的操作分析 包裝機械屬于工業設備類產品 是一種專用性產品 它具有以下幾個特點 l 安全性 安全是工業設備類最為重要的一點 也是機械自動化設備本身的一 個特點 重中之重便是要保障操作者及相關操作人的安全與健康 我們在這 里所說的安全與健康包括生理和心理的健康 2 操作的復雜性問題 隨著科學技術的發展和自動化技術的進步 包裝機械更 新換代的速度也在加快 功能較為復雜 操作復雜化 操作者需要花更多的 時間和精力來學習 增加了操作者的負擔 3 專用性的問題 設備的功能朝著兩個方面發展 一是功能多樣化 比如一體 機的發展 二是功能目標單一化 比如封口機的目標就是完成封口 噴碼機 的目標就是噴碼等等 對多功能設備來說 在一定程度上其操作的復雜性會 遠超過單功能設備 2 1 2 1 包裝機械的操作空間分析 在操作中我們要注意安全性問題之外 也要看重操作的環境和作業的空間 操作的環境和作業空間在一定程度上影響了操作的安全性 當然 這與機械設備 的整體外觀設計和結構設計有很大的關聯 在此 我們簡單討論一下有關操作空 間的問題 由于考慮包裝機械設備的整體工作環境 采用站姿操作E 2 5 1 以便操作者自由 移動身體 圖2 6 為站姿活動空間 其中粗實線為手操作的最大范圍 虛線為手 操作的最適宜范圍 細實線為手可達的范圍 陰影區表示最有利的抓握范圍 圖2 6 站姿活動空間 一1 7 天津大學碩士學位論文 第二章軟袋包裝機械操作顯示界面的公理設計特征 當采用站姿作業時 上肢在水平面移動時形成的軌跡就是水平面作業范圍 圖2 7 中點劃線是以肘為軸心的小臂回轉區域 是水平作業的正常范圍 由于作 業者操作時手肘也是移動的 實際上的水平面作業范圍是圖中粗實線的范圍 水 平作業與垂直面作業相結合就是空間作業范圍 如圖2 8 所示的最小的區域是正 常空間作業范圍也是最舒適的作業區域 在此空間作業不易產生疲勞 黛太 圖2 7 水平作業范圍 圖2 8 空間作業范圍 天津大學碩士學位論文第二章軟袋包裝機械操作顯示界面的公理設計特征 2 1 2 2 包裝機械的操作分析 安全性問題除了操作空間的因素 良好的環境可以減少出錯率 提高安全性 在操作中 操作人員的出錯和失誤和安全問題息息相關 如何有效地減少出錯和 失誤 是我們要努力解決的問題之一 在生活中 我們總是在試圖理解周圍的一切 在面對操作面板和操作界面 我們也總是在努力理解各種按鍵和指示燈的作用 最令人沮喪的是 在面對著一 系列五花八門的按鍵和顯示屏 我們無法理解 我們費力地尋找其使用方法 想 要明白其操作方法 我們必須知道機器工作原理的概念模型 更糟糕的是 我們 一旦不明白 就容易出錯 2 6 一旦出錯安全就沒有保障 差錯有幾種形式 其中最基本的兩種類型是失誤和錯誤 失誤是習慣行為引 起的 本來想做某件事 用于實現目標的下意識行為卻在中途出了問題 失誤是 下意識的行為 錯誤則產生于意識行為中 意識行為讓我們具有創造力和洞察力 能從表面上毫不相關的事物中看出他們的聯系 但是這一過程同樣可以導致差 錯 面對新情況時 我們能從少量信息中歸納出結論 這一能力至關重要 錯誤 的歸納很難被發現 更不用說去消除了 N o r m a 1 9 8 1 1 9 8 8 和R e a s o n 1 9 9 0 1 9 9 7 提出了相關的用戶出錯框架 2 7 具體如圖2 9 所示 錯誤 知 l 刺激證據H 理解情景評價H 計劃行為意圖H 行為實施 廣 記憶遺漏和模式失鬯 圖2 9 用戶出錯的信息加工 一些失誤是由動作之間的相似性造成的 有時是因為外界發生的某件事自動 引發了一個動作 而有些時候 是我們腦中所想的 手中所作的觸發了我們原本 無意去做的動作 失誤可以分成六類 擷取性失誤 描述性失誤 數據干擾失誤 聯想失誤 忘記動作目的造成的失誤和功能狀態失誤 2 8 1 擷取性失誤是指某個經常的動作突然取代了想要做的動作 天津大學碩士學位論文第二章軟袋包裝機械操作顯示界面的公理設計特征 2 描述性失誤是一種普遍現象 假設本來預定要做的動作和其他動作很相似 如果預定動作在人們的頭腦中有著完整精確的描述 人們就不會失誤 否則人們 就會把他們與其他動作相混淆 把外形相同的開關排列在一起為描述性失誤創造 了最佳條件 本來想按某一開關 卻把另一個相似的按下去 這種失誤在機器操 作上經常發生 3 數據干擾失誤 人們很多動作都是無意識的 外界無關信息會影響我們的動 作 4 聯想失誤 如果外界信息引發了某種動作 那么內在的思維和聯想同樣能夠 做到這一點 由于一些觀念和想法產生的聯想也會產生失誤 5 忘記了本來要做的事是一種較常見的失誤 但有時我們只忘記了某一個部分 6 功能狀態失誤 經常出現在多功能物件中 物品的操作方法多于控制器的數 目時 比如有些控制器有雙重功能 這種失誤就容易發生 當錯誤發生 一旦意識到 采取措施 防止事故發生 失誤發生后 要能夠 覺察到問題所在并加以糾正 從中吸取經驗教訓在今后的操作 工作中多注意防 止此類差錯再發生 發生差錯真正的罪魁禍首還是設計上的問題 2 9 使操作人員容易調錯機器的 工作模式 讀錯儀表上顯示的數字或者是對情況的判斷出現偏差 減少差錯最好 的辦法是讓產品不具備其它的功能 界面上不顯示與當前操作無關的信息 限制 用戶的選擇范圍 優秀的設計總是突出正確的操作方法 同時將不正確的操作匿 藏在用戶的視線之外 設計拙劣的物品往往使用起來很難 讓用戶感到沮喪 他 們在操作線索上不提供任何線索或者提供了錯誤的線索 讓操作人員陷入困境 破壞了正常的理解和解釋過程 這個時候操作者也許要察看說明書或者反復試驗 才可以得到正確的結果 優秀的設計是設計人員和用戶之間的交流 只不過 我們交流的結果要靠產 品體現 產品本身要能說明問題 顯示操作的結果也是設計的一個重要方面 假 設 沒有反饋 用戶會琢磨自己的操作是否產生了預定的效果 3 0 或許按鍵時用 的力量不夠 或許機械停止運轉 或許出現了操作失誤 因為沒有反饋 用戶會 在不恰當的時間關閉或者重新啟動機器 從而丟失剛剛完成的工作 或者是重復 指令 造成不良后