單兵光電類手持設備的人機工程學應用研究

姜云娜,張曉亮,石 彰

(中國電子科技集團公司第十一研究所,北京 100015)

1 引 言

單兵光電類手持設備作為常用的軍用武器裝備,具備跟蹤、搜索、瞄準、態勢感知等功能,對保護人員及裝備安全,獲取敵方信息有重要意義,在國防建設和軍事發展中發揮著重要作用。現代戰爭中,隨著戰場環境越來越復雜,人員和設備的良好配合至關重要。優秀的裝備不僅應具有高精尖的技術性能,也應注重“人的因素”,以獲得優良的人-機-環系統性能。

當前,國內的手持設備研發更多地注重技術功能的實現,對作戰環境下用戶的使用效率、舒適度、安全性關注較少,缺少系統的分析。人作為產品的使用者,人機是否合理將直接影響產品的易用性及功效的發揮,如何提高產品與環境的適應性,提升設備的友好程度是設計師應關注的問題[1]。

本文以人機工程學為指導,對單兵光電類手持設備進行設計研究,基于人機工程學原理提出了具體有效的設計原則,并在此基礎上以手持熱像儀為例進行人機優化設計。該門學科的應用對于提升產品可用性、使用效率及用戶體驗有很大意義,將促進設備發揮最佳軍事效能。

2 人機工程學在單兵光電類手持設備中的應用研究

人機工程學作為一門研究人、機、環及其相互關系的學科,在設計中注重對“人的因素”加以應用與研究,以安全、高效、舒適等為指標,對產品設計中如何實現用戶、機器與環境整個系統的最優性能有很大指導意義。[2]在軍用設備的設計中,軍隊人員、裝備與戰場環境組成了一個特殊的系統,如何在復雜、嚴峻的環境中保證人員的安全與使用效率,不僅要求工程技術的可靠性,也對設備的人機性能提出了更高的要求。

對于單兵光電類手持設備而言,通過對其設計元素分析,如圖1所示,進而總結該類設備的人機關系設計要點,基于人機工程學原理對其進行設計指導。

圖1 設計元素總結

該類設備主要由物鏡、目鏡、操作界面、手持部位等組成。其中操作界面包括硬界面與軟界面,附件包括防滑手腕帶、鏡頭防護蓋等。人機工程學原理主要應用于目鏡、操作界面及手持部位的設計中,該類設備的人機關系主要體現于以下幾點:(1)手部與設備握持部位的配合舒適度。該類設備由手掌與手指周向抓握,握持部位應與手有良好的人機關系；(2)手腕、手臂軸線與設備握持方向一致[3]。設計時應盡量保證手腕處于順直狀態,減輕長時間使用設備的疲勞度；(3)設備硬界面設計布局與指端操作空間相適應。設備應使手指方便操作,相應功能操作在手指的最佳活動范圍內即可完成。(4)雙目鏡設備目鏡間距與瞳距相匹配。(5)目鏡軟界面的設計以用戶的使用習慣及操作頻率等為依據。合理的軟界面設計將很大程度上提高設備的可用性及使用效率。

因此,該類設備的人機工程學應用主要從人體測量學數據、人機界面設計和造型設計等方面展開如下設計研究。

2.1 人體測量學數據在單兵光電類手持設備中的應用

該類設備的直接接觸部位為手部和眼部,因而主要以該兩部分數據為設計依據。

2.1.1 手部人機尺寸的應用研究

長時間使用形狀和尺寸不合理的手持設備極易使人產生疲勞感。在設計實踐中應根據設備類型及使用群體確定設備關鍵尺寸,選取手部適當百分位數據(如圖2)為參考,并在此基礎上確定功能修正量與心理修正量。軍用設備應遵循通用性設計原則以滿足軍隊大多數人使用,確保設備的普適性。

圖2 不同百分位手部關鍵尺寸[4]

按照國標GB/T12985—1991的取值原則,該類設備屬于一般工業產品,應選用男性P99、P95或P90作為尺寸的上限值依據,選用女性P1、P5或P10為下限值依據。手長、手寬、食指長等作為關鍵數據決定了手持部位的長度、厚度及按鍵的尺寸與位置。

(1)手持部位長度:應略寬于手寬,以成年男性P95和女性P5手寬為參考,手持處長度一般設計為100～125 mm。在此基礎上考慮功能修正量,當戴手套操作時最小取值為114 mm。[4]

(2)手持部位厚度:合理的厚度可提升抓握舒適度,當厚度過大時,易產生難以抓握感,掌部組織受力過大,降低了操作靈活性；當厚度過小時,掌部貼合不緊易導致指端疲勞。此外,現有研究表明手指處于約150°的自然延伸狀態而非懸空態時最為舒適。

(3)按鍵、旋鈕的位置(以手持熱像儀為例):旋鈕、按鍵等控制器通常位于設備頂部及目鏡端,設計時應保證當手指自然延伸時,食指、中指、無名指指腹可恰好可觸及按鍵,如圖3所示。

圖3 握持部位設計

2.1.2 手的解剖學因素在手持設備設計中的應用

腕關節的動作狀態如圖4所示,若使用設備時引起尺偏和腕外轉將增加腱鞘炎出現的機會,過度橈偏易引起網球肘。[4]因而設備應保證用戶使用時手腕處于順直態,使腕關節在水平、豎直兩個方向均為正中態,保證設備的握持方向平行于前臂的軸線。

圖4 腕關節動作狀態及活動范圍

2.1.3 眼部人機尺寸分析

雙目鏡設備應以眼睛瞳距為設計依據,中國成年人男性瞳距一般為60～73 mm,女性為53～68 mm,在設計時兩目鏡距離一般取值為65 mm。如圖5所示。

圖5 目鏡尺寸

2.2 人機界面設計在單兵光電類手持設備中的應用

該類設備的軟界面即目鏡顯示界面,硬界面即除此之外的操控接觸面,包括旋鈕、按鍵等控制器。

2.2.1 硬界面的設計

(1)語義傳達:按鍵、旋鈕等作為整個設備的控制器,應語義清晰,其自身形態、文字符號應明確傳達出操作方式及功能信息。

(2)形狀與尺寸:小尺寸旋鈕一般由拇指和食指操作,鈕帽部分通常為增大摩擦力設計有凸棱。參考圖6旋鈕的操縱力與尺寸關系,操縱阻力為1.5～10 N的旋鈕直徑宜為8～10 mm如圖5(a)；操縱阻力為2～20 N的直徑宜為15～20 mm如圖5(b)。其中圓形按鈕直徑一般設計為8～18 mm,矩形按鈕宜設計為10 mm×10 mm、10 mm×15 mm或15 mm×20 mm。

(3)布局:操控區域的布局安排不僅應滿足視覺平衡、不過于擁擠,且應以操作的習慣、順序及頻率進行排列。根據GB/T14775標準要求的控制器間距,當僅為單指操作時,最小間隔為12 mm,一般為50 mm；當各手指均需操作時,最小間隔為6 mm,一般取值12～13 mm,手持熱像儀作為多指操作設備,按鍵間距應按該標準執行。如圖7所示。此外,當按鈕較多時,可對不同功能區加以編組,利用線條、色塊進行區域劃分。

圖6 旋鈕的操縱力與尺寸關系

圖7 控制器的適宜尺寸及布局

(4)操作反饋:控制器應通過操作反饋使用戶明確當前操作已完成,可通過指示燈、按鍵的觸感以及轉動或按動時發出的聲音實現。[3]

(5)容錯設計:通過設計應降低和避免不必要及錯誤的操作,以提升使用效率及安全性。

2.2.2 軟界面的設計

光電類手持設備的軟界面作為一切操作的集成,其可用性與交互性至關重要。良好的界面設計有利于用戶準確有效地操作設備,在設計目鏡界面時,應使其符合人機交流的規律與特性,滿足以下原則:

(1)簡潔明了、便于認知:設計良好的系統應具備簡潔明了、邏輯清晰的界面,減少用戶學習和記憶的負擔。

(2)高效:應盡量減少操作的步驟且符合人的慣性思維,提高使用效率。

(3)美學要求:美學因素是影響用戶心理感受的重要因素,是界面設計的基本要求,應合理進行色彩設計并按調和對比等形式美法則完成GUI設計。

2.3 基于人機工程學的單兵光電類手持設備造型設計

手持設備的造型直觀展現了產品的風格,不僅影響了產品的美學功能也直接決定了設備的舒適度與可用性。設計時應準確把握產品的定位,運用清晰的線條、適宜的比例、協調的布局表現產品,使設備表達出恰當的風格。

此外,手處于半握拳時為最自然狀態,握持部位應盡量貼和該形態,握持最高點應位于掌心處,貼和掌弓并使拇指、小指兩個主肌肉群不受壓迫。在防滑設計上,小凸起的大小、高度與密度應適宜,為防止手指局部應力集中應盡量避免凹槽設計。

2.4 單兵光電類手持設備設計材料與色彩研究

材料選擇應避免因內部電路板等元器件發熱而影響使用體驗。與手直接接觸部位表面溫度宜控制為11°～36°,因而應保證材料具有導熱系數低、不導電、不滲透的特性。同時,握持部位材料應具有適宜的摩擦系數及彈性,通常由橡膠等軟材料包覆。[5]

該類設備的主色調應滿足軍用需求,以黑、軍綠、沙漠黃、叢林迷彩、沙漠迷彩為主色,按鍵文字及關鍵部位的色彩則應加以區分,以起到提示、警示作用。此外,為避免因出汗等因素導致的浸漬,手持部位最好采用低明度色彩,以起到耐臟及耐舊的作用。

3 手持熱像儀優化設計

基于以上對人機工程學的應用研究,以手持熱像儀為例進行人機優化并進行設計驗證,優化前后對比如圖8所示。

圖8 優化前后對比

設備原方案采用直線型居多,前高后低的造型不易于手部施力抓握,且按鍵位置較靠后,抓握時不能合理施力于設備重心處,長時間使用易導致疲勞感。

對整體造型、手持部位、按鍵布局等進行優化,于手持部位增加防滑橡膠墊,增大握持摩擦力的同時減輕對手部的壓迫感,整體對比分析見圖9。

圖9 優化后整體效果

此外,使用手持熱像儀的握姿一般為直接握持及托舉式握持,大拇指及其肌肉群受力較大。如圖10所示。為增大受力面積,減少壓迫感,于熱像儀底端增加凹陷特征以貼和拇指處生理特征,如圖10～12所示。同時調整設備原有直線型外輪廓及前高后低的特征,側面采用弧狀線型使造型更貼合手型。

圖10 手部持握示意圖

圖11 手持部位長度說明

圖12 優化前后對比

據現有研究,手指處于150°時最為自然,因而握持部位的設計應盡量貼和該形態。基于虎口神經分布較少,設計時增大設備與虎口處的接觸面積可有效提升使用舒適度,如圖13所示。握持部位長度設計為115 mm,可滿足大多數人使用,具有普適性。

圖13 手持部位設計說明

將按鈕整體前移并調整布局,使握持部位靠近設備重心以省力操作；延伸中指操作空間,使中指與食指指腹可恰好觸及按鈕,并將按鈕間距由15 mm調整為12.5 mm,人機關系更合理；調整按鈕指示文字位置由按鈕同側至兩側,避免引起誤解造成誤操作。如圖14所示。

圖14 按鈕布局設計說明

此外,為適應不同作戰環境,增強隱蔽性能,對手持熱像儀進行配色設計如圖15所示。握持部位保留黑色特征以增強設備的耐臟、耐舊性能。

圖15 配色方案

通過3D打印優化后模型與原有設備進行對比,完成設計驗證。設計評價表明使用優化后設備時貼合虎口,大拇指位可舒適持握,且手指自然延伸,食指與中指指腹恰好觸及按鈕,可有效避免誤操作,人機友好程度有很大提升。如圖16所示。[6]

圖16 3D打印模型

4 單兵光電類手持設備設計原則總結

本文從工業設計的角度對單兵光電類手持設備的人機工程學進行設計研究,對今后手持設備設計具有很大指導意義,對設計原則總結如下:

(1)滿足手部舒適握持要求:握持部位尺寸及造型合理,使用戶有適宜的操作空間,同時應使手腕處于順直狀態、避免掌部和手指產生應力集中。

(2)界面設計合理:人機交互友好、高效,不僅應合理設計布局按鍵等控制器,也應保證軟硬界面的良好配合、邏輯清晰,符合用戶的認知習慣。[7]

(3)造型的美學要求:優秀的產品不僅技術功能優越也應具備美學功能,考慮美學的造型語言可彰顯產品風格,傳達企業DNA,帶給用戶不一樣的心理感受。在實踐中應具備系統性設計思維,對情感因素加以考慮,合理運用形式美法則。

(4)安全設計:應滿足作戰使用需求,使設備不易滑脫,達到容錯設計要求。

5 結 語

優秀的產品不僅需要技術精進,也應關注用戶需求,只有將技術與情感相結合才能打造出人性化的產品。人機工程學作為以“人”為中心的學科,將其應用于單兵光電類手持設備等軍品的設計中對于提升設備的舒適性、易用性、安全性、人機友好性具有重要意義,尤其在長時間使用設備的作戰環境中,可有效降低人員的疲勞度,最大限度地發揮設備的軍事效能。人機工程學的應用將是戰士們的戰力倍增器,也是軍品進一步發展的需要！