基于用戶體驗的機床設備交互設計研究

楊丹鳳，熊艷

（四川大學 機械工程學院，四川 成都 610065）

機床設備的發展總趨勢從勞動密集型向技術密集型再向高技術密集型轉變，相應的代表產品為普通機床、數控機床和柔性加工系統[1]。其中數控機床是現代先進制造技術中最重要的基礎裝備，是現今世界機床市場的主流產品，也是人機工程系統研究的重點對象。

隨著人們情感需求的提高以及智能領域的不斷完善，傳統的設備裝置制造觀念已經不能適應新時代的要求。“中國制造2025”將智能制造作為制造業轉型升級的主攻方向，提出智能制造不僅是技術問題，還需考慮產業融合、組織變革、消費體驗等問題，其中用戶體驗是組織模式變革、發展共享經濟的源動力，對推進智能制造有著必不可少的重要性[2]。用戶體驗可以獲得用戶在使用操作產品過程中的體驗反饋與主觀感受，讓設計者理解用戶如何體驗機床產品，明確用戶在體驗過程中真實存在的問題，從用戶角度解決產品痛點。由此可見基于用戶體驗對用戶感知、心理、決策過程進行研究是非常有必要的。

本研究提出基于用戶本能、行為、反思三個層次，結合用戶感官、交互、情感三種體驗，研究用戶對機床交互設計的認知與反饋。通過用戶在使用加香機床系統、產品時所產生的感知和反應，探討基于用戶真實操作體驗，在降低認知負荷需求下，對機床造型、控制面板、機床色彩、文字等設計提出建議，有助于設計師在設計數控機床時參考用戶需求分析以及用戶體驗應用，為設計更符合人機交互協作的機床產品提供參考。

1 理論背景

1.1 用戶體驗

用戶體驗（User Experience，UE）被認為是人對機器系統體驗的全方面體驗內容，包括圖形、界面、物理交互等[3]。隨著用戶體驗的不斷發展，其定義也一直在更新完善。2017年中國用戶體驗行業白皮書對其定義為“用戶對系統、產品或服務的使用和預期使用所產生的感知和反應”。該定義指出用戶體驗是用戶與產品之間交互所形成的結果，包括用戶的肢體感覺、心里感覺、以及用戶體驗結果，體驗結果即用戶的感知和反應，包括生理反應、情緒反應等[4]。有研究認為用戶體驗涉及用戶、產品和交互環境三個方面，并以易用、好用、融合三個層次分析理解用戶體驗[5]。基于用戶體驗給用戶研究開拓了新的思維方向，為產品設計的創新提供理論支持，并為交互設計提供可用性基礎。

1.2 交互設計

交互設計是研究人造系統的行為，最早的交互設計是針對軟件或程序的界面顯示設計，通過顯示器、鼠標、鍵盤等設備達到人與計算機信息輸入輸出交流的目的，研究以“人為中心”的人機交互技術[6]。目前，產品設計的設計重點由實體層面轉向信息層面，設計師不僅關注于創造產品，更要創造信息交流方式，包括定義產品行為、創造產品形式、預測產品與用戶關系，以及用戶對產品的理解。交互設計實際是關于創建新的用戶體驗的問題[7]，它基于認知心理學、感性設計、人工智能等用戶體驗實踐的基本原理，在設計過程中強調人、動作、目的、媒介、場景五要素，是復雜人造物與人之間以虛擬界面為載體的對話機制，其應用呈多樣性，如虛擬顯示交互、情感交互設計、觸覺交互設計等[8]。交互設計已從簡單的人-電腦的交互升級到通用型的人機交互，關注點從效率性變成可用性和用戶體驗，并進一步引入情感設計和服務設計。

2 基于用戶需求層次的機床設備交互設計

諾曼將大腦對外界的反饋和認知分為三個層次：本能層次、行為層次、反思層次[3]。針對機床設備的交互過程，具體概括為：本能層次主要是指用戶的感官體驗，包括機床設備的整體外觀造型、視覺上的色彩、文字、觸覺上的控制按鈕等。行為層次主要是指交互體驗，本研究中主要是指機床結構造型設計、控制面板設計、按鍵設計、顯示屏設計等。反思層次主要是指情感體驗，主要考慮認知負荷、用戶心理情緒以及加工環境舒適度三個方面，如圖1所示。

圖1 機床設備設計因素用戶需求層次結構模型

具體來說，對機床的用戶需求主要考慮：

（1）用戶本能需求層次：在機床整體外觀造型上，滿足用戶能識別并使用機床，且能夠給用戶足夠安全感，解決對機床設備操作的恐懼心理。對整體色彩設計，做到統一且有序。

（2）用戶行為需求層次：無論是對機床結構造型的設計還是對控制面板的設計都需要考慮人機交互問題，人與機器的交互以人為主，設計符合操作便利、操作效率高。

（3）用戶反思需求層次：用戶認知負荷以及心理情緒帶給加工進度的影響較大，故而在設計時需考慮設計認知負荷低，給用戶帶來輕松愉悅加工環境的產品。例如由于加工時間長，用戶對控制面板認知能力較低，在設計控制面板按鍵排布順序時，需要降低用戶記憶難度，減少控制面板交互界面復雜性。

2.1 基于本能和行為需求層次的機床設備交互設計

機床外形多設計為大型、有厚重感的垂直和水平直線造型，以斜面或弧面過渡。外觀上具有厚重、有力量感。線性帶來精致、規則、有序、合理的感覺，適合加工中心的特點：高精度、高速度、高效率。部分機床在大方形的基礎上增加一些曲面造型，用大圓角的光滑連接形成大包絡面，給人的印象圓潤、造型均勻、線條柔和、光滑感。外蓋和門通常為大圓弧曲面，曲面與垂直面的過渡采用大倒角，觀察窗采用大圓角方形造型或線性造型，把手是彎曲的，以適應門的曲面。

以德國、美國、日本作為三大機床技術強國，其三者生產出的機床為例，可以看出，無論是造型還是工藝、加工性能、材質、色彩、人機交互界面等領域都是頂尖存在，總結如下：

（1）機床外觀整體性觀念很強，不同于以往現在越來越多公司將機床的整體造型往一個大方形靠攏，例如德國的達創DATRON（圖2a）其設計強調機床整體性，減少傳統的手柄、外置開關等器件，盡量將元器件設置在機床內部或者控制面板上，無多余設計。

（2）機身大多以灰色調為主，灰色與白色、米白色等淺色系組合，以工業藍為裝飾色調如德國的德瑪吉DMU50（圖2b），這種色彩搭配在滿足用戶心理安全性需求的前提下，又能顯得機床大氣美觀，穩重的色調能滿足操作者安全保護效果。

（3）在滿足色彩、材質等設計要求下，設計符合人視覺可視范圍內的可視窗，以及符合人機工程學的操作面板。一方面可視窗方便觀察機床內部加工情況，另一方面可視窗以及操作面板的設計對外觀造型上提供更多可能性，提升用戶體驗，例如美國HASS機床（圖2c），在操作面板的設計上提出圓柱形設計，其外觀在眾多機床中出類拔萃。

（4）針對小型機床設計，不易單獨設計操作面板，應考慮整體化設計，盡可能將所有功能都設計在機床面板上，保持小型機床“小”的特點，如日本兄弟機床R450X2（圖2d）。

圖2 典型機床的造型

操作面板按鍵排布邏輯關系應考慮根據用戶最熟悉功能進行分類，將相同功能的劃分為一組；根據用戶使用頻率進行分類，將使用最頻繁的元器件設計在最醒目的位置；根據用戶操作過程中重要性進行分類，將最重要的元器件放置在一起；根據機器加工時間先后順序進行分類，將元器件按從左到右或從上到下的時間順序進行分組分類。

文字設計符合目標用戶的認知特性以及心理需求，采用簡潔、清晰、硬朗的字體，其次需要考慮操作員方便檢查等因素。在界面選擇文字輸入時，為減少用戶的緊張心理，在輸入處可設計引導性文字，幫助用戶快速找到輸入窗口。

2.2 基于反思需求層次的的機床設備交互設計

2.2.1 用戶認知負荷

認知負荷是人機交互研究和實踐中最廣泛使用的概念之一，其理論基礎主要是資源有限理論和圖式理論[9]，主要分為內在認知負荷、外在認知負荷以及關聯認知負荷三種類型[10]。基于該理論，機床設備交互設計中內在認知負荷主要是指機床功能內在特性以及用戶的專業知識，與機床功能、加工性能等有關，較難改變；外在負荷指由刺激材料呈現方式或學習者活動引起的工作記憶負荷，普遍指由外在操作如機床控制按鈕識別，以及操作使用控制面板和加工工件流程等一系列工作記憶負荷；而關聯負荷是指將零散的信息關聯、打包、模式化、自動化，如操作面板根據功能等原則模塊化分區域，通過增加關聯負荷將信息打包關聯，做到視覺一致性以及交互一致性。認知負荷形成因素如圖3所示。

圖3 用戶認知負荷形成因素

依據認知負荷理論[11]，為促進有效學習，應盡可能減少外部認知負荷，增加關聯認知負荷，使總的認知負荷不超出學習者個體能承受的認知負荷。在機床設計中可以通過改變控制面板的呈現形式以及優化操作者操作流程的方式，限制外在負荷的數量，從而降低認知負荷，提高工作效率。本文總結了以下降低用戶認知負荷的設計需求：

（1）易學習性：相較于純文字類的信息展示，圖形更容易學習理解，在界面信息展示中，為降低用戶的認知負荷，通常使用圖文結合的形式。

（2）易記憶性：對于控制按鍵排布，遵循時間順序、功能順序、使用頻率、重要性以及運動方向性原則等邏輯關系進行設計，通過強烈的邏輯關系降低用戶學習以及記憶難度，從而降低用戶認知負荷。

（3）易操作性：考慮視覺一致、交互一致的原則，對于不同系列的產品設計做到視覺統一性，增加用戶辨認度。

產品的信息要素做到同種風格，并保持操作行為、用戶反饋、用戶心智模型的一致性，如界面任務信息的組織和呈現方式等，也可通過觸屏在顯示屏上點擊、雙擊、滑動、按壓、拖動等動作手勢進行信息交互，并針對性展示給操作者必要的信息，如項目代碼、組件名稱或維護和維修程序的說明等。隨著技術發展，借助AR技術動態展示加工物品信息，在真實工廠環境之上提供一種視覺信息層，可以實現虛擬信息與所處實景巧妙融合，增強產品信息展示和現實感知，實現各個角度使用場景下對產品的準確認知，以降低用戶認知負荷。

2.2.2 用戶心理愉悅性

用戶在操作機床過程中會受到機床外部因素如機床色彩、造型風格、加工環境、操作難易程度等元素的影響，產生各種心理情緒。這些情緒伴隨著加工進程，影響用戶操控行為，以及對控制面板的識別、認知以及反應能力，從而影響加工進程。機床外部因素與用戶心理情緒關系如圖4所示。

圖4 機床外部因素對用戶心理情緒的關系

合理的色彩搭配設計有助于用戶在認識、記憶、操作機床過程中有愉悅的心理情緒，并在加工過程中保持輕松、愉悅、較自由的工作狀態。環境燈光設計有利于提高愉悅性，如在夜間作業時，保證充足的光照，從而消除用戶在心理上的煩躁情緒，提升用戶體驗。在可視化設計方面，將機床門、加工耗材位置、液體原料存放位置等部位部分可視，用戶能實時觀察加工進程、耗材情況等，也能在心理上給足用戶安全感。

3 示例

加香機床是煙草加工中心對香煙加上不同味道環節中最重要的加工機器，通過該機器加工，普通香煙加工成帶有香橙等不同果味的香煙。其原理是棉線通過加香機器加工之后附著上香液，帶有果味香液的棉線再被輸送到濾嘴卷紙機器中，加工成帶有香味的濾嘴。該機床設備較為簡陋，在市面上應用不廣泛，對其關注及研究較少。本文用戶體驗以加香機床的人機交互行為為例，以用戶體驗為基礎，記錄、分析研究不同用戶在操作控制機床時的反應與感受，探究認知負荷對交互設計的影響。

3.1 用戶操作流程分析

通常加香機床用戶操作機床時共分為四個操作步驟，其基本流程如圖5所示。

圖5 用戶操作要素流程圖

3.2 人機交互行為的優化

根據用戶對產品的熟悉程度、了解程度、專業程度不同，導致用戶能承受的認知負荷不同，分析不同認知負荷的用戶在相同交互操作任務情境下使用機床的操作反應，探索降低用戶認知負荷的思路，實現更好的機床交互設計。在加香機床的用戶體驗實驗中，召集加工廠里不同工作年限的用戶，根據用戶的工作時間、專業背景、機床熟悉程度分為三類用戶：新手用戶、熟知型用戶和專家型用戶。通過觀察法及訪談法，記錄三類用戶操作機床時整個過程，分析不同用戶在操作加香機床典型動作要素，進行人機交互行為優化。

3.2.1 新手型用戶

（1）香線機床設備在使用前需要較多檢查流程（操作1），新手用戶容易遺忘，在操作過程中容易緊張，擔心出錯。可以在機床上張貼使用流程，或者在顯示屏上針對性展示必要的操作信息；

（2）在操作1第4個環節中，對管道連接擰緊的力度把握經驗不足，容易造成管道連接漏液的誤操作，可以考慮設計感應器感應連接情況，再反饋到顯示屏中顯示；

（3）在操作2中，新手難以手動連接控制，考慮設計機器自動連接裝置，克服新手連接棉線時由于手抖緊張，產生連接誤差；

（4）在操作3、操作4中，新手用戶對于時間和量的把握不準，需要提醒，渴望設計控制面板，期望能在以往按鍵交互的基礎上做到觸屏交互。

3.2.2 熟知型用戶

（1）在操作2中，對接口手動對接容易造成失誤，對接口可考慮在技術允許的情況下，設計較短的圓柱形自動校準對接口，減少誤操作率；

（2）操作3中對于棉線更換時間與經驗把控有較大誤差，采用自動定時功能，在更換棉線之前及時發出警報聲提醒操作員；

（3）熟知用戶期望對重要鍵位設計采用不同顏色，方便區分，避免出錯；

（4）加液口松緊操作費力且較難，可考慮采用抽屜的造型加液。

3.2.3 專家型用戶

（1）專家型用戶對控制面板的功能實現關注度、需求更高，期望能通過控制面板顯示屏監控機床內加工數據信息，例如浸香液剩余量準確數值、棉線斷線警報、加工速度等，均可在控制面板上實現；

（2）機床設備零部件位置較低，需要長期彎腰進行檢查等操作，工作年限長的用戶表示容易造成腰肌疲勞，考慮設計合理人機尺寸設備；

（3）現有產品對接口較長，容易讓浸染上的液體在空氣中揮發掉，故而考慮到浸香的質量，可減短對接口的設計。

3.3 認知負荷與交互設計

通過分析對比三種用戶在操作使用機床時不同的用戶體驗反饋可知，新手用戶和熟知型用戶存在的問題基本都與加工操作有關，而專家型用戶更多關注在加工環境等外部因素。新手型用戶對加香機床專業知識少、對機床操作熟悉程度低，當用戶所能承受的認知負荷總量超過其工作記憶內容，從而容易表現出緊張、慌張、操作失誤等情況。而專家性用戶無論其資歷上、專業程度、還是對機床熟悉程度都已經非常成熟，用戶在操作加香機床時可同時兼顧多條線加工以及講解等內容，其能接受的認知負荷量相較于新手型用戶大大不同。由此可見，用戶體驗中用戶認知負荷與其專業知識、工作經驗以及任務的簡易程度有關。在設計中為使所有用戶能輕松上手機床產品，在交互設計過程中需要針對性的考慮不同用戶的認知特點，從降低專業知識、簡化操作難度、強化交互語義等出發，盡可能減少內部以及外部認知負荷，增加關聯認知負荷，設計具有易學習性、易記憶性、易操作性的交互產品。

4 結語

近年來，越來越多企業在設計生產機床設備時強調以人為本，以用戶體驗為基礎，研究用戶體驗與交互設計的關系，更多考慮人機協調關系、人機交互關系，在人機交互方式上嘗試更多新的方法。在滿足各項交互規則的前提下，站在用戶角度，以用戶為中心，追求設計出有效提高工作效率的同時還能讓操作者使用感到舒適的機床產品。