基于Kano-FAST-E的鞋面壓合機(jī)優(yōu)化設(shè)計(jì)

周紅宇，張林涵，劉津圻，姜雯馨，薛爽

【設(shè)計(jì)研討】

基于Kano-FAST-E的鞋面壓合機(jī)優(yōu)化設(shè)計(jì)

周紅宇，張林涵，劉津圻，姜雯馨，薛爽

（湖北工業(yè)大學(xué) 工業(yè)設(shè)計(jì)學(xué)院，武漢 430068）

降低鞋面壓合機(jī)設(shè)備作業(yè)過程中的失誤率、優(yōu)化人機(jī)交互體驗(yàn)?；贙ano模型調(diào)研分析作業(yè)人員與企業(yè)經(jīng)理對(duì)當(dāng)前設(shè)備的使用感受及需求；利用FAST理論重新定義設(shè)備的功能區(qū)域并指導(dǎo)設(shè)計(jì)展開；基于人機(jī)工程學(xué)理論（E），對(duì)設(shè)計(jì)方案的功能布局和結(jié)構(gòu)尺寸進(jìn)行優(yōu)化，提升人機(jī)操作效率；利用眼動(dòng)試驗(yàn)對(duì)改進(jìn)前后的功能布局進(jìn)行對(duì)比分析驗(yàn)證，并借助李克特量表對(duì)設(shè)計(jì)方案進(jìn)行用戶滿意度評(píng)價(jià)。完成鞋面壓合機(jī)的優(yōu)化設(shè)計(jì)實(shí)踐，提升了設(shè)備的人機(jī)性能和用戶滿意度，有效提高了作業(yè)人員認(rèn)讀效率、減少視覺疲勞和錯(cuò)誤操作。改進(jìn)后的鞋面壓合機(jī)賦予了工人更加安全、高效且人性化的操作模式，驗(yàn)證了Kano-FAST-E的設(shè)計(jì)策略對(duì)該設(shè)備的人機(jī)優(yōu)化設(shè)計(jì)具有指導(dǎo)意義，也為同類設(shè)備的開發(fā)實(shí)踐提供參考。

鞋面壓合機(jī)；Kano模型；FAST理論；人機(jī)工程；眼動(dòng)試驗(yàn)

壓合機(jī)（又稱壓力機(jī)、油壓機(jī)）是一種用途廣泛、生產(chǎn)效率高、利用加熱壓合的方式將材料加工貼合的設(shè)備。本研究中所描述的壓合機(jī)設(shè)備為制鞋工廠中用于加工鞋面的鞋面壓合機(jī)。壓合機(jī)工作頻率快，操作單一，作業(yè)人員重復(fù)地進(jìn)行上料、下料工作，易導(dǎo)致疲勞、肢體勞損，從而增加事故風(fēng)險(xiǎn)導(dǎo)致意外傷害，使部分工人喪失工作能力[1]。在壓合機(jī)產(chǎn)品設(shè)計(jì)初期，因缺乏對(duì)員工作業(yè)時(shí)的安全考量和人性化考量，導(dǎo)致工人滿意度較低等問題[2]。同時(shí)，在設(shè)備使用和維護(hù)過程中，不恰當(dāng)?shù)牟僮?、忽視操作?xì)節(jié)會(huì)影響工作效率[3]。因此，需要通過對(duì)壓合機(jī)進(jìn)行優(yōu)化與改進(jìn)設(shè)計(jì)，為作業(yè)人員提供更安全舒適的操作條件、提高操作效率。在壓合機(jī)的優(yōu)化研究方面，張宇寶[4]改進(jìn)了壓力機(jī)液壓過載裝置的機(jī)械結(jié)構(gòu)，解決壓力機(jī)過載現(xiàn)象；張傳錦等[5]為縮短機(jī)器故障處理時(shí)間、提高生產(chǎn)效率提出了一種壓力機(jī)故障自診斷方法；謝峰等[6]對(duì)C型壓力機(jī)的機(jī)身結(jié)構(gòu)進(jìn)行分析，獲得重量最輕的壓力機(jī)機(jī)身結(jié)構(gòu)。從上述文獻(xiàn)中可知，國內(nèi)對(duì)壓合機(jī)的優(yōu)化研究更多地注重機(jī)身結(jié)構(gòu)、故障診斷等，缺乏對(duì)用戶需求的挖掘和重視，對(duì)技術(shù)人員操作安全性、便捷性和人機(jī)關(guān)系尺度等問題的研究比較欠缺。在鞋面壓合機(jī)產(chǎn)品的設(shè)計(jì)實(shí)踐過程中既需要重視用戶需求，也需要考量產(chǎn)品設(shè)計(jì)的可行性，因此本研究從工業(yè)設(shè)計(jì)角度出發(fā)，將用戶期望因素和環(huán)境設(shè)計(jì)約束轉(zhuǎn)化成具體設(shè)計(jì)要素，融合Kano模型與FAST理論進(jìn)行用戶需求分析提取及設(shè)計(jì)需求求解，同時(shí)為充分考慮設(shè)計(jì)優(yōu)化的可行性，引入人機(jī)工程學(xué)理論（Ergonomics）對(duì)設(shè)計(jì)方案進(jìn)行尺寸修正后得到設(shè)計(jì)方案并驗(yàn)證，最終完成鞋面壓合機(jī)的優(yōu)化設(shè)計(jì)。

1 Kano-FAST-E方法綜述與流程構(gòu)建

在設(shè)計(jì)研究中，Kano模型是可以通過定性、定量的方式為用戶需求進(jìn)行分類和排序[7]。FAST理論通過邏輯結(jié)構(gòu)關(guān)系圖將總功能需求逐層分解，有效實(shí)現(xiàn)設(shè)計(jì)目標(biāo)[8]。人機(jī)工程學(xué)以人的生理、心理特性為依據(jù)，研究人、產(chǎn)品、環(huán)境之間的相互作用，使人機(jī)操作簡便省力、安全、舒適，達(dá)到最佳狀態(tài)。周祺等[9]提出了構(gòu)建基于模糊Kano與情景FBS模型的創(chuàng)新設(shè)計(jì)方法，旨在解決情景化玩具創(chuàng)新性不足的問題；劉付勤等[10]提出了通過KJ-Kano-FAST設(shè)計(jì)方法來提高概念設(shè)計(jì)的完整性和準(zhǔn)確性；劉小雯等[11]采用FAST理論和試驗(yàn)法研究自閉癥兒童的基本騎行能力和行為特征；劉李明等[12]基于人機(jī)交互原理進(jìn)行蠶蛹分揀機(jī)設(shè)計(jì)，在提高人機(jī)工效的同時(shí)，確保分揀員操作的安全性、舒適性。

由上述文獻(xiàn)可知，現(xiàn)有研究在應(yīng)用Kano、FAST進(jìn)行產(chǎn)品優(yōu)化創(chuàng)新設(shè)計(jì)時(shí)，未能有效驗(yàn)證設(shè)計(jì)要素的可行性、有效性及人機(jī)關(guān)系，不能真正覆蓋設(shè)計(jì)的全流程。針對(duì)上述缺陷，本研究將人機(jī)工程學(xué)理論融入Kano-FAST模型中，通過對(duì)關(guān)鍵用戶進(jìn)行調(diào)研獲取目標(biāo)用戶需求，利用Kano模型對(duì)關(guān)鍵需求統(tǒng)籌排序；建立黑箱模型，將模糊的用戶需求轉(zhuǎn)化為具體的產(chǎn)品功能描述，并構(gòu)建完整的產(chǎn)品功能體系，輸出產(chǎn)品結(jié)構(gòu)功能劃分圖；引入人機(jī)工程學(xué)原理優(yōu)化各部件的布局及尺寸，提高人機(jī)操作效率，輸出完整的設(shè)計(jì)方案。完成設(shè)計(jì)后對(duì)功能區(qū)域進(jìn)行眼動(dòng)試驗(yàn)對(duì)比驗(yàn)證與用戶滿意度評(píng)價(jià)。將三種方法結(jié)合使用指導(dǎo)產(chǎn)品設(shè)計(jì)方案產(chǎn)出，從而提升設(shè)計(jì)過程的可行性與科學(xué)性，鞋面壓合機(jī)設(shè)計(jì)流程架構(gòu)見圖1。

2 鞋面壓合機(jī)設(shè)計(jì)實(shí)例

2.1 鞋面壓合機(jī)結(jié)構(gòu)分析

鞋面壓合機(jī)初始樣機(jī)如圖2所示，樣機(jī)為某制鞋企業(yè)鞋面加工生產(chǎn)線中的液壓式壓合設(shè)備。該樣機(jī)在高溫高壓條件下工作，對(duì)材料加熱、加壓，使其膠合成型，主要由機(jī)械系統(tǒng)、動(dòng)力系統(tǒng)及控制系統(tǒng)組成，可以細(xì)分為液壓缸、立柱、數(shù)控面板、油箱、高壓泵、內(nèi)置液壓站等結(jié)構(gòu)。

2.2 基于Kano模型的壓合機(jī)關(guān)鍵需求獲取

2.2.1 用戶需求要素劃分

Kano模型通過獲取用戶滿意度對(duì)需求進(jìn)行排序[13]。為獲取用戶需求集合，對(duì)壓合機(jī)現(xiàn)狀進(jìn)行相關(guān)文獻(xiàn)研究、市場(chǎng)調(diào)研，總結(jié)分析后對(duì)某企業(yè)實(shí)際及企業(yè)經(jīng)理進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)訪談。以“使用設(shè)備過程中影響操作感受與工作效率的因素有哪些”為中心，對(duì)作業(yè)人員進(jìn)行訪談并記錄。以“考量設(shè)備的市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)力”為中心，對(duì)企業(yè)經(jīng)理進(jìn)行訪談并記錄。整理分析兩類人員的問題描述，得到用戶需求描述集合如表1所示。

將現(xiàn)場(chǎng)訪談獲取的需求描述1-8利用KJ法進(jìn)行整理和擴(kuò)展，把原始的描述性語言轉(zhuǎn)化為功能性語言后得出若干具體需求，將需求分類歸納為功能要素1、安全性要素2、美學(xué)要素3，作為鞋面壓合機(jī)的一級(jí)用戶需求。4～18為二級(jí)用戶需求。構(gòu)建的鞋面壓合機(jī)用戶需求指標(biāo)體系見圖3。

表1 用戶需求描述集合

Tab.1 Collection of user need description

圖3 用戶需求指標(biāo)體系

2.2.2 基于Kano模型的用戶需求權(quán)重分析

Kano模型通過二維非線性方法識(shí)別用戶需求所屬的類別[14]，本次問卷調(diào)研工作在該企業(yè)內(nèi)部完成，問卷發(fā)放數(shù)量根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)走訪的不同崗位人數(shù)而定。調(diào)研對(duì)象分別為該企業(yè)設(shè)備作業(yè)人員28名，企業(yè)經(jīng)理及領(lǐng)導(dǎo)7名，技術(shù)工程師4名，相關(guān)產(chǎn)品專家4名，相關(guān)專業(yè)學(xué)生8名，共計(jì)51人。為檢驗(yàn)問卷的合理性，結(jié)合相關(guān)論文與專家意見來擬定問卷。結(jié)合問卷結(jié)果與Kano評(píng)估表對(duì)用戶需求的屬性進(jìn)行分析，對(duì)每項(xiàng)需求的Kano屬性進(jìn)行區(qū)分。

為確定需求要素的屬性和權(quán)重，運(yùn)用Better- Worse系數(shù)分析法[15]，通過式（1）～（2）確定用戶滿意度提升率T、滿意度下降率P，通過式（3）確定用戶需求要素的初始權(quán)重ω。

將每項(xiàng)需求要素獲得的、、、評(píng)價(jià)個(gè)數(shù)分別記為、、、。

計(jì)算第個(gè)需求要素對(duì)于用戶滿意度的上升率i：

計(jì)算第個(gè)需求要素對(duì)于用戶滿意度的下降率P：

計(jì)算第個(gè)需求要素的影響力權(quán)重ω：

由于無差異性需求（）、反向型需求（）對(duì)提升用戶滿意度無法產(chǎn)生影響，本文將主要從魅力型需求（）、期望型需求（）及必備型需求（）進(jìn)行計(jì)算。將需求進(jìn)行匯集并按照需求影響力順序排列，各需求優(yōu)先級(jí)排序見表2。

2.3 基于FAST理論的系統(tǒng)功能建立

FSAT理論是一種自頂向下的功能分析系統(tǒng)技術(shù)方法[16]。在確定用戶需求要素后，先按照輸入—運(yùn)行—輸出的模式將需求項(xiàng)轉(zhuǎn)化為功能項(xiàng)，進(jìn)行分解與拓展后按照優(yōu)先級(jí)排序并建立產(chǎn)品功能樹，最終得到完整的層級(jí)邏輯關(guān)系。

黑箱原理將設(shè)備運(yùn)行的條件分為能量、物質(zhì)、信息三個(gè)方面，并將關(guān)鍵需求高度抽象概括為設(shè)備運(yùn)行時(shí)所需的技術(shù)問題，為鞋面壓合機(jī)創(chuàng)建一個(gè)輸入與輸出類型的模型。鞋面壓合機(jī)的運(yùn)行需要電、手、結(jié)構(gòu)部件、工件等要素進(jìn)行相互傳遞和轉(zhuǎn)換。機(jī)器運(yùn)行所需的能量轉(zhuǎn)換即電能轉(zhuǎn)換為動(dòng)能；物質(zhì)轉(zhuǎn)換即作業(yè)人員、結(jié)構(gòu)零件、工件等要素轉(zhuǎn)換為加工完成后的材料；信息轉(zhuǎn)換即調(diào)研得到的問題通過模型轉(zhuǎn)換為所期望的功能。將Kano模型得到的用戶需求代入，通過黑箱模型轉(zhuǎn)化得出用戶所期望的功能和技術(shù)，如防止工人受傷的需求通過模型轉(zhuǎn)化為安全監(jiān)測(cè)功能，見圖4。

表2 Kano需求屬性分析及影響力結(jié)果

Tab.2 Kano need attribute analysis and impact results

圖4 鞋面壓合機(jī)黑箱模型

根據(jù)黑箱模型得到的產(chǎn)品功能和技術(shù)需求展開功能分析。從需求目的出發(fā)，由左向右延伸確定下一級(jí)子功能，直至確定最終手段。通過表3的需求影響力來排序，根據(jù)重要程度對(duì)黑箱模型輸出的各功能技術(shù)進(jìn)行排序、延展與劃分。

首先明確鞋面壓合機(jī)產(chǎn)品的總需求，通過子功能來實(shí)現(xiàn)上一級(jí)需求，如實(shí)現(xiàn)作業(yè)人員安全防護(hù)為總需求，對(duì)作業(yè)人員動(dòng)作進(jìn)行監(jiān)測(cè)是實(shí)現(xiàn)總需求的手段，設(shè)置防夾預(yù)警是實(shí)現(xiàn)作業(yè)人員檢測(cè)這一需求的手段，建立紅外線對(duì)射系統(tǒng)又是實(shí)現(xiàn)防夾預(yù)警這一需求的手段，從左向右逐級(jí)分解，子功能為上一級(jí)的手段，上一級(jí)是子功能的目的，從上至下重要性遞減，見圖5。

2.4 結(jié)構(gòu)布局設(shè)計(jì)考量

根據(jù)鞋面壓合機(jī)FAST功能樹，從人-機(jī)-環(huán)境的角度作為切入點(diǎn)展開優(yōu)化設(shè)計(jì)，從而得到設(shè)備結(jié)構(gòu)功能劃分圖（見圖6）。

1）安全考量：為提高工作人員安全意識(shí)，根據(jù)人眼視覺習(xí)慣增加警示面板區(qū)域；為防止作業(yè)人員上下料時(shí)手部受傷，工作臺(tái)面增加紅外線對(duì)射系統(tǒng)；在設(shè)備下方增加維修窗口，方便檢查維修。

2）提升人機(jī)操作效率：為提高工人識(shí)別效率，將雜亂的操作區(qū)域細(xì)化。按照人眼的閱讀邏輯和使用頻率分別設(shè)立學(xué)習(xí)面板、功能區(qū)域、數(shù)顯預(yù)設(shè)面板等功能分區(qū)，將學(xué)習(xí)與警示面板設(shè)于左側(cè)，功能區(qū)域與數(shù)顯面板設(shè)于右側(cè)；數(shù)顯預(yù)設(shè)功能使用頻率較低，將該功能設(shè)計(jì)為半回收模塊，回收后整體操作面板更清晰，減少誤觸率。

圖5 鞋面壓合機(jī)功能樹

圖6 結(jié)構(gòu)區(qū)域?qū)Ρ葓D

表3 初始樣機(jī)尺寸

Tab.3 Dimension of the initial prototype

3）保證人機(jī)交互的舒適性：散熱區(qū)域較高的溫度會(huì)燙傷皮膚，將樣機(jī)大面積的散熱區(qū)域改為底部散熱及背部散熱，同時(shí)可以保證多組聯(lián)排使用時(shí)設(shè)備能夠正常散熱。

2.5 鞋面壓合機(jī)的人機(jī)設(shè)計(jì)優(yōu)化

人機(jī)工程學(xué)根據(jù)人體結(jié)構(gòu)和技能特點(diǎn)統(tǒng)一考慮工作效率、安全、舒適等要素，以提升產(chǎn)品用戶體驗(yàn)，使整個(gè)系統(tǒng)效率達(dá)到最優(yōu)[17]。根據(jù)人機(jī)工程學(xué)理論，在壓合機(jī)優(yōu)化設(shè)計(jì)時(shí)，應(yīng)符合人體生理尺寸限制、人體感知與信息處理、人的心理與行為特征、人機(jī)的信息界面設(shè)計(jì)、作業(yè)崗位與空間設(shè)計(jì)等要求，使方案更符合人的視覺、行為邏輯，為工人提供安全舒適的作業(yè)環(huán)境[18]。經(jīng)測(cè)量，初始樣機(jī)設(shè)備關(guān)鍵尺寸數(shù)值參考如表3所示。現(xiàn)場(chǎng)調(diào)研發(fā)現(xiàn)，作業(yè)方式以坐姿為主，作業(yè)人員的動(dòng)作主要有設(shè)置溫度及壓力數(shù)值、放置工件、啟動(dòng)設(shè)備、取出工件。

參考顏聲遠(yuǎn)編著的《人機(jī)工程與產(chǎn)品設(shè)計(jì)》，本研究選用P50百分位男性和女性的身體數(shù)據(jù)作為產(chǎn)品尺寸設(shè)計(jì)的依據(jù)[19]。為了還原作業(yè)人員放松狀態(tài)下的姿勢(shì)，需要依情況增加衣褲修正量6 mm、增加或減去姿勢(shì)修正量44 mm。

對(duì)于數(shù)顯操作區(qū)域高度設(shè)置，取P50男女坐姿眼高平均數(shù)1 211 mm、1 121 mm分別增加衣褲修正量減去姿勢(shì)修正量，即1 083～1 173 mm為參考尺寸范圍。經(jīng)測(cè)量數(shù)顯操作區(qū)域的高度不符合要求范圍。數(shù)顯操作區(qū)域及加工區(qū)域的深度取P50女性上肢前伸長平均數(shù)764 mm以內(nèi)即可，經(jīng)測(cè)量其尺寸在合理范圍內(nèi)。

對(duì)于操作臺(tái)功能鍵高度設(shè)置，取P50男女坐姿肘高平均數(shù)633 mm、676 mm分別增加衣褲修正量減去姿勢(shì)修正量，增加小臂圍65 mm，即參考尺寸區(qū)間為660～703 mm，經(jīng)測(cè)量操作臺(tái)功能鍵高度不符合最佳高度。操作臺(tái)功能鍵需雙手操作，以P50男女性坐姿兩肘間寬平均數(shù)為參考，增加衣褲修正量與姿勢(shì)修正量，即454～472 mm為長度范圍。經(jīng)測(cè)量操作臺(tái)功能鍵符合最佳長度。為避免胸腹及肘部誤觸功能按鍵，操作面與水平夾角不超過15°[20]。經(jīng)測(cè)量操作臺(tái)與水平夾角為47°，不符合最佳角度。此外，各功能鍵尺寸不能小于P50男女食指近位指關(guān)節(jié)寬平均數(shù)17～19 mm。

為防止作業(yè)人員腿部皮膚被熱風(fēng)燙傷，確保腿部有足夠的活動(dòng)空間，將舊設(shè)備大面積正面散熱改為底部及背部散熱。散熱孔的深度取P50男性坐姿臀膝距平均數(shù)554 mm，增加衣褲修正量和姿勢(shì)修正量，增加活動(dòng)空間及防燙空間50 mm，即最佳尺寸為566 mm。經(jīng)測(cè)量散熱孔深度不符合最佳標(biāo)準(zhǔn)。

結(jié)合人體生理尺寸、人體視覺特征和行為特征、作業(yè)崗位空間等要求，改進(jìn)后的鞋面壓合機(jī)尺寸見表4。改進(jìn)前后的鞋面壓合機(jī)尺寸對(duì)比見圖7。

表4 鞋面壓合機(jī)優(yōu)化后尺寸

Tab.4 Dimension of upper pressing machine after optimization

圖7 鞋面壓合機(jī)尺寸對(duì)比（單位/mm）

2.6 鞋面壓合機(jī)設(shè)計(jì)方案

從用戶需求出發(fā)，通過Kano、FAST集成方法，獲取關(guān)鍵需求、調(diào)整設(shè)備初始結(jié)構(gòu)布局。以人機(jī)工程學(xué)理論為基礎(chǔ)優(yōu)化人機(jī)尺寸、提升交互體驗(yàn)。綜上所述，鞋面壓合機(jī)設(shè)計(jì)人機(jī)優(yōu)化細(xì)則如表5所示。

根據(jù)前期用戶需求分析、功能系統(tǒng)分析得出的結(jié)構(gòu)區(qū)域劃分結(jié)果和人機(jī)標(biāo)準(zhǔn)約束，對(duì)鞋面壓合機(jī)設(shè)備進(jìn)行設(shè)計(jì)方案輸出，優(yōu)化設(shè)計(jì)方案見圖8。

表5 鞋面壓合機(jī)人機(jī)優(yōu)化細(xì)則

圖8 鞋面壓合機(jī)設(shè)計(jì)方案

3 設(shè)計(jì)驗(yàn)證

3.1 眼動(dòng)試驗(yàn)

相關(guān)研究發(fā)現(xiàn)，人的心理認(rèn)知情況可通過分析眼動(dòng)數(shù)據(jù)來研究[21]。通過記錄被試者的各項(xiàng)眼動(dòng)指標(biāo)來探究其認(rèn)知流程、心理活動(dòng)和操作習(xí)慣。該技術(shù)現(xiàn)已應(yīng)用在產(chǎn)品可用性測(cè)試、網(wǎng)頁測(cè)試、動(dòng)態(tài)分析、人機(jī)交互等多個(gè)領(lǐng)域[22]。

3.1.1 試驗(yàn)準(zhǔn)備與過程

試驗(yàn)?zāi)康氖菧y(cè)試設(shè)計(jì)方案的功能布局是否能夠提升信息識(shí)別效率、減輕認(rèn)知負(fù)荷。試驗(yàn)以鞋面壓合機(jī)功能區(qū)域?yàn)樵O(shè)計(jì)對(duì)象，分別模擬正常工作狀態(tài)下、緊急情況狀態(tài)下的各項(xiàng)眼動(dòng)指標(biāo)。

試驗(yàn)設(shè)備為tobii pro x3-120屏幕式眼動(dòng)儀。試驗(yàn)樣本為某制鞋企業(yè)現(xiàn)有樣機(jī)正視圖（樣本1）、改進(jìn)后的設(shè)計(jì)方案正視圖（樣本2），數(shù)顯面板打開時(shí)的正視圖（樣本3）。因設(shè)備尺寸較大，將數(shù)顯功能區(qū)域作為試驗(yàn)重點(diǎn)，在顯示器中等比放大數(shù)顯區(qū)域圖片。試驗(yàn)對(duì)象選取相關(guān)專業(yè)研究生與制鞋企業(yè)流水線員工共10名，男女比例1∶1。其中6名為研究生，4名為作業(yè)人員。試驗(yàn)獲得8組有效數(shù)據(jù)，2組數(shù)據(jù)因記錄不全為無效數(shù)據(jù)。參與試驗(yàn)的所有人員慣用手均為右手，且視力正常。

1）試驗(yàn)開始前，試驗(yàn)人員向被試者簡單介紹該設(shè)備的工作流程。

2）被試者保持坐姿并與顯示屏平視，進(jìn)行眼動(dòng)儀校準(zhǔn)。

3）開始試驗(yàn)1，模擬正常工作狀態(tài)，被試者觀察樣本1、2各30 min并記錄數(shù)據(jù)。

4）開始試驗(yàn)2，向被試者講解設(shè)備工作步驟與應(yīng)急機(jī)制，觀察樣本1～3各10 s后，模擬緊急狀況，被試者作出眼動(dòng)反應(yīng)、識(shí)別急停鍵（識(shí)別時(shí)間超過500 ms即找到急停鍵）記錄數(shù)據(jù)。

5）眼動(dòng)儀自動(dòng)記錄并保存所有試驗(yàn)數(shù)據(jù)。完成后記錄被試者在試驗(yàn)過程中的感受。

3.1.2 試驗(yàn)數(shù)據(jù)處理及分析

1）分析試驗(yàn)1得出的眼動(dòng)指標(biāo)數(shù)據(jù)與熱點(diǎn)圖。試驗(yàn)1中8名被試者對(duì)樣本1、樣本2的評(píng)估指標(biāo)數(shù)據(jù)如表6所示，6名以上被試者對(duì)樣本1的功能區(qū)域注視時(shí)間、注視點(diǎn)個(gè)數(shù)、總眼跳時(shí)間、眼跳次數(shù)、平均瞳孔直徑共5項(xiàng)指標(biāo)的數(shù)據(jù)高于樣本2。由圖9可知，樣本1的注視熱點(diǎn)分散在功能區(qū)域各處，無法快速識(shí)別關(guān)鍵信息，識(shí)別困難大；樣本2的注視熱點(diǎn)較為集中在功能區(qū)域和急停鍵，次要功能學(xué)習(xí)面板區(qū)域較少。

表6 眼動(dòng)指標(biāo)數(shù)據(jù)

Tab.6 Eye tracking metric data

2）對(duì)比試驗(yàn)2中樣本1～3掃視路徑圖，見圖10～12。將8名被試者樣本1的掃視路徑圖進(jìn)行比較，發(fā)現(xiàn)6名以上被試者的掃視路徑如圖10所示，軌跡交叉隨意性較強(qiáng)、反復(fù)游離，無法第一時(shí)間識(shí)別急停鍵；6名以上被試者對(duì)樣本2的掃視路徑如圖11所示，掃視軌跡清晰明確，能夠快速捕捉急停鍵位置；6名以上被試者對(duì)樣本3的掃視路徑如圖12所示，軌跡交叉較少、眼跳距離縮短，數(shù)顯面板打開狀態(tài)下也能夠快速找到功能區(qū)域，經(jīng)過短暫搜索后找到急停鍵。

綜上所述，試驗(yàn)1結(jié)果表明現(xiàn)有樣機(jī)的信息識(shí)別難度大、效率低、搜索任務(wù)疲勞，設(shè)計(jì)方案識(shí)別難度小、效率高，可迅速捕捉關(guān)鍵功能鍵。試驗(yàn)2結(jié)果表明設(shè)計(jì)方案的功能布局減少了搜索信息的反應(yīng)時(shí)間，模擬緊急情況時(shí)被試者可以快速識(shí)別急停鍵，有效提升識(shí)別效率。

3.2 用戶滿意度評(píng)價(jià)

為驗(yàn)證設(shè)計(jì)方案生產(chǎn)可行性，文文以5階Linker度量表進(jìn)行設(shè)計(jì)方案驗(yàn)證，首先設(shè)置專家評(píng)語等級(jí)與對(duì)應(yīng)標(biāo)準(zhǔn)：={1,2,3,4,5}={很滿意、滿意、一般、較差、非常差}，計(jì)算分值設(shè)定分別為1、2、3、4、5分，5分代表很滿意，1分代表非常差。邀請(qǐng)最初用戶調(diào)研的51名企業(yè)負(fù)責(zé)人、設(shè)備作業(yè)人員及工業(yè)設(shè)計(jì)人員進(jìn)行評(píng)價(jià)，依據(jù)圖3用戶需求指標(biāo)體系中的各個(gè)需求指標(biāo)進(jìn)行評(píng)價(jià)。經(jīng)過計(jì)算后該設(shè)計(jì)方案的平均得分為4.52分，處于滿意與非常滿意之間，表明設(shè)計(jì)方案具有可行性。

圖9 功能區(qū)域熱點(diǎn)圖對(duì)比

圖10 樣本1掃視路徑

Fig.10 Saccade path of Sample 1

圖11 樣本2掃視路徑

Fig.11 Saccade path of Sample 2

圖12 樣本3掃視路徑

4 結(jié)語

現(xiàn)有壓合機(jī)產(chǎn)品在設(shè)計(jì)初期以結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和結(jié)構(gòu)優(yōu)化為主，忽略了對(duì)用戶需求的重視，缺乏對(duì)安全性、人機(jī)交互、滿意度的考量，導(dǎo)致使用體驗(yàn)較差。本研究針對(duì)這一問題進(jìn)行分析，提出基于Kano-FAST與人機(jī)工程學(xué)理念相結(jié)合的產(chǎn)品設(shè)計(jì)策略。在設(shè)計(jì)初期分析量化用戶需求，設(shè)計(jì)中期優(yōu)化功能結(jié)構(gòu)布局，利用人機(jī)工程學(xué)理論對(duì)設(shè)備進(jìn)行優(yōu)化及修正，使方案更符合人的視覺邏輯、行為邏輯。經(jīng)過眼動(dòng)試驗(yàn)及評(píng)價(jià)，證明設(shè)計(jì)方案有效提高功能面板的識(shí)別效率、減輕認(rèn)知負(fù)荷，為作業(yè)人員提供了更安全高效的作業(yè)環(huán)境，優(yōu)化人機(jī)交互體驗(yàn)。后續(xù)研究會(huì)繼續(xù)進(jìn)行跟蹤試驗(yàn)，確保方案的科學(xué)性，同時(shí)及時(shí)地吸取專家和市場(chǎng)的反饋意見，將產(chǎn)品的裝配工藝、技術(shù)實(shí)現(xiàn)作為重點(diǎn)。

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Optimized Design of Upper Pressing Machine Based on Kano-FAST-E

ZHOU Hongyu, ZHANG Linhan, LIU Jinqi, JIANG Wenxin, XUE Shuang

(School of Industrial Design, Hubei University of Technology, Wuhan 430068, China)

The work aims to reduce the error rate in the operation process of the upper pressing machine and optimize the man-machine interaction experience. Based on the Kano model, the experience and needs of operators and enterprise managers in using the current equipment were analyzed. FAST theory was used to redefine the functional area of the equipment and guide the design development. Based on ergonomic theory (E), the functional layout and structural dimensions of the design scheme were optimized to improve the efficiency of man-machine operation. The eye tracking test was used to compare and verify the functional layout before and after improvement, and the user satisfaction evaluation of the design scheme was carried out with the help of Likert scale. The design practice of the upper pressing machine was completed, which improved the man-machine performance, effectively increased the reading efficiency of operators, and reduced visual fatigue and incorrect operation. The improved upper pressing machine gives workers a safer and more efficient and humanized operation mode, which verifies that the design strategy of Kano-FAST-E has guiding significance for the man-machine optimization design of the equipment, and also provides a reference for the development practice of similar equipment.

upper pressing machine; Kano model; FAST theory; ergonomics; eye tracking test

TB472

A

1001-3563(2024)08-0308-10

10.19554/j.cnki.1001-3563.2024.08.033

2023-12-22

國家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃子課題資助項(xiàng)目（2018YFD0301303-4）；湖北省教育廳教學(xué)研究項(xiàng)目（2021309）；國家級(jí)大學(xué)生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)訓(xùn)練計(jì)劃（202110500018）