基于人機(jī)交互的數(shù)控機(jī)床外觀設(shè)計(jì)研究

田歡

摘 要：本文旨在對(duì)國(guó)內(nèi)數(shù)控機(jī)床外觀設(shè)計(jì)美觀性、功能分區(qū)合理性和操作人機(jī)性進(jìn)行研究。在信息時(shí)代下，數(shù)控機(jī)床行業(yè)快速發(fā)展，與之不相匹配的外觀、人機(jī)交互、產(chǎn)品情感化已經(jīng)不能滿足市場(chǎng)的需求。本文采用功能分析、用戶觀察、焦點(diǎn)小組訪談、產(chǎn)品概念評(píng)估、競(jìng)品分析等方法對(duì)市場(chǎng)上現(xiàn)有品牌的數(shù)控機(jī)床以及機(jī)床使用者進(jìn)行調(diào)研，分析其外觀造型特點(diǎn)、CMF、操作流程，并總結(jié)其中存在的問(wèn)題，確定了改善工藝結(jié)構(gòu)與用戶操作的方向，協(xié)調(diào)產(chǎn)品內(nèi)部結(jié)構(gòu)原理與外觀以達(dá)到降低產(chǎn)品維修、制造以及運(yùn)輸成本的目的，最大限度滿足產(chǎn)品用戶的需求，提高產(chǎn)品的市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)力與品牌影響力。

關(guān)鍵詞：人機(jī)交互；數(shù)控機(jī)床；人機(jī)工程學(xué)；情感化

自20世紀(jì)90年代以來(lái)，計(jì)算機(jī)技術(shù)的高速發(fā)展帶動(dòng)了數(shù)控機(jī)床行業(yè)的更新迭代。數(shù)控機(jī)床的應(yīng)用，加速了各行各業(yè)的發(fā)展，提高了企業(yè)的效率，從而提升了人民的生活水平。在信息時(shí)代下，雖然計(jì)算機(jī)、云端等技術(shù)在不斷發(fā)展，但是它們與機(jī)床的結(jié)合度不高，機(jī)床發(fā)展存在問(wèn)題，比如：機(jī)床造型色彩單調(diào)，搭配不當(dāng)；整體笨重，體積較大，外部輪廓線條生硬；操作臺(tái)面布局混亂，不便于操作；顯示區(qū)域觀察不便。一些機(jī)床產(chǎn)品因?yàn)檩p視造型設(shè)計(jì)而失去與國(guó)外產(chǎn)品相同的市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)力，數(shù)控機(jī)床的外觀質(zhì)量低下，使其整體質(zhì)量大打折扣。[1]除此之外，隨著數(shù)控機(jī)床技術(shù)的發(fā)展，在滿足功能需求的前提下，用戶對(duì)機(jī)床外觀質(zhì)量要求顯著提高。

一、數(shù)控機(jī)床外觀分析

產(chǎn)品造型風(fēng)格特征有顯性和隱性之分。形態(tài)、色彩、材質(zhì)、部件及其構(gòu)成法則等是顯性的，可以通過(guò)設(shè)計(jì)的方法加以表述；意象感知、情感體驗(yàn)、品牌內(nèi)涵等則是隱性的，是人們對(duì)產(chǎn)品的綜合感性認(rèn)知。[2]

（一）數(shù)控機(jī)床造型特點(diǎn)

在各大機(jī)床品牌中，整體造型外觀主要分為直面形、直面結(jié)合斜面形、直面結(jié)合圓角過(guò)渡形、直面結(jié)合曲面形。從形態(tài)風(fēng)格方向分析，在機(jī)床品牌中，哈斯機(jī)床的風(fēng)格特征最為明顯，所有的機(jī)床產(chǎn)品都是以直線構(gòu)成，造型精簡(jiǎn)明了，與其他品牌相比，形態(tài)風(fēng)格更為統(tǒng)一。其他機(jī)床產(chǎn)品大多結(jié)合了斜面形、曲面形、圓角過(guò)渡形，屬于多形態(tài)的機(jī)床風(fēng)格。其中德瑪吉機(jī)床與其他企業(yè)的機(jī)床產(chǎn)品相比，在形態(tài)特征上有很強(qiáng)的識(shí)別性，它既不像哈斯機(jī)床風(fēng)格純粹，又區(qū)別于其他企業(yè)產(chǎn)品，德瑪吉大圓角及純曲面的運(yùn)用使其形態(tài)特征變得尤為獨(dú)特。

（二）數(shù)控機(jī)床色彩應(yīng)用

人們?cè)谟^察產(chǎn)品的外觀質(zhì)量時(shí)，首先感受到的是色彩，約占8成；其次是造型，約占2成；最后是材質(zhì)。[3]色彩是刺激用戶視覺最為直觀且能快速識(shí)別的因素。用戶對(duì)產(chǎn)品外觀的感受是最為直接明了的。調(diào)研發(fā)現(xiàn)，在數(shù)控機(jī)床的顏色選擇上，特別是對(duì)主色調(diào)的應(yīng)用上，九成左右的機(jī)床企業(yè)都會(huì)采用沉穩(wěn)大氣的黑色、灰色、白色等色調(diào)作為主色調(diào)，再輔以2至3種亮色系顏色作為點(diǎn)綴，在整體穩(wěn)重、大方的氛圍中跳脫出幾分亮色，使整個(gè)機(jī)床色彩氛圍更為靈動(dòng)，從而讓機(jī)床顏色的整體層次感更為豐富。在整體造型的顏色分布上基本選擇上明下暗、上半部分輕快下半部分穩(wěn)重、中部和兩側(cè)有節(jié)奏感的設(shè)計(jì)。在亮色的選擇上也是根據(jù)企業(yè)的標(biāo)志以及與企業(yè)文化背景有關(guān)的色彩進(jìn)行搭配，在品牌的整體辨識(shí)度上達(dá)到統(tǒng)一，形成完整的色彩視覺語(yǔ)言，最后達(dá)到提升品牌辨識(shí)度的目的。

二、情感化的表現(xiàn)

（一）產(chǎn)品形態(tài)

產(chǎn)品的不同形態(tài)蘊(yùn)含了不同的情感關(guān)鍵詞，在不同的使用環(huán)境下，使用相適應(yīng)的情感化形態(tài)語(yǔ)言，會(huì)提升用戶對(duì)產(chǎn)品的好感度，同時(shí)利用產(chǎn)品特有的形態(tài)來(lái)表達(dá)產(chǎn)品的不同美學(xué)特征及價(jià)值取向，會(huì)提升產(chǎn)品的外在魅力，還可以最快傳遞視覺方面的各種信息。

（二）產(chǎn)品特質(zhì)

真正的設(shè)計(jì)是能夠直擊心靈的，能夠在用戶的心中產(chǎn)生共鳴。產(chǎn)品設(shè)計(jì)是在產(chǎn)品、用戶之間建立起情感紐帶，通過(guò)人機(jī)之間的互動(dòng)影響用戶對(duì)產(chǎn)品的印象、使用感受和對(duì)產(chǎn)品品牌的認(rèn)可程度等，既而在不斷的信息交流中，用戶逐漸形成了對(duì)品牌的認(rèn)知，增強(qiáng)了對(duì)品牌的忠誠(chéng)度，這在很大程度上擴(kuò)大了品牌的影響力。

（三）操作

在用戶使用的過(guò)程中，產(chǎn)品的不同操作方式會(huì)給用戶帶來(lái)不同程度的影響。例如旋蓋式牙膏和按壓式牙膏對(duì)不同的適用人群會(huì)有不同的影響。對(duì)早上需要早起的上班族來(lái)講，按壓式的牙膏蓋較受用戶喜愛，其產(chǎn)生的愉快情緒會(huì)伴隨著一天的工作生活，從而間接提升了用戶的工作效率。數(shù)控機(jī)床的設(shè)計(jì)應(yīng)考慮到這一點(diǎn)。

三、人機(jī)工程學(xué)

人機(jī)工程學(xué)是研究人、機(jī)、環(huán)境之間的關(guān)系以及相互之間作用的學(xué)科，也是由不同的學(xué)科相互滲透、相互補(bǔ)充所形成的一門復(fù)合型學(xué)科。人機(jī)工程學(xué)通過(guò)對(duì)人生理、心理以及身體數(shù)據(jù)的研究，使機(jī)械系統(tǒng)或者人機(jī)環(huán)境系統(tǒng)能夠在最大程度上符合人類的生理形態(tài)以及心理的特點(diǎn)，保證人們可以安全使用機(jī)械設(shè)備，同時(shí)讓活動(dòng)舒適并且高效地進(jìn)行。[4]人機(jī)工程學(xué)在工業(yè)產(chǎn)品設(shè)計(jì)過(guò)程中有著舉足輕重的作用，它分析研究人與產(chǎn)品、人與環(huán)境以及產(chǎn)品與環(huán)境之間的相互作用，找到兩者之間的和諧統(tǒng)一性，從而便于設(shè)計(jì)師設(shè)計(jì)出操作簡(jiǎn)便、省力、安全的產(chǎn)品，致力于達(dá)到人—機(jī)—環(huán)境和諧統(tǒng)一的最佳狀態(tài)。

在設(shè)計(jì)中要充分考慮人的因素，依據(jù)人體尺度參數(shù)，結(jié)合產(chǎn)品的參數(shù)，規(guī)劃出合理的操作范圍，以達(dá)到操作最優(yōu)解，同時(shí)留有一定的容錯(cuò)空間，避免因?yàn)槌叽绲瓤煽匾蛩卦斐刹槐匾e(cuò)誤。

四、功能分析法

由瑞士天文學(xué)家F．茨維克提出的功能分析法，是以系統(tǒng)論的思維方式為基本原理，把產(chǎn)品所需要具備的主要功能拆解成各個(gè)子功能元素，然后單獨(dú)對(duì)每個(gè)獨(dú)立的要素做出相應(yīng)的解決方案，再用圖解法將這些解決方案進(jìn)行排列組合，通過(guò)對(duì)各個(gè)組合的分析與評(píng)價(jià)進(jìn)而從這些排列的組合方案中找到最合適的最優(yōu)解，即為實(shí)現(xiàn)產(chǎn)品功能的最佳設(shè)計(jì)方案。[5]

分析目標(biāo)產(chǎn)品的主要功能，提煉出主要的幾個(gè)功能，劃分成單元區(qū)，對(duì)應(yīng)市面上已有產(chǎn)品的單元，剔除掉不可改變的單元位置，在其他可變的單元區(qū)中變化組合，形成新的排列組合。在新組合的產(chǎn)品方案中，通過(guò)對(duì)成本、效率、運(yùn)輸、制造等影響因素的分析，選擇出最佳方案。這種初步方案——評(píng)估——再調(diào)整的方式，減少了不必要的損失，也避免了一些基本的錯(cuò)誤。

五、數(shù)控機(jī)床中人機(jī)交互應(yīng)用

（一）操控面板

人的手部主要分為手腕、手掌、手指，可以完成的指令有拍、握、按、捏、滑、點(diǎn)、扣、壓、扭等動(dòng)作。其中在操控面板上手指完成的按、點(diǎn)、扭等指令最多，所以可以以指尖為主要的研究對(duì)象，根據(jù)人體手指指尖的人機(jī)參量對(duì)操控面板的各按鍵尺寸大小、形狀、材質(zhì)以及之間的距離做相適應(yīng)的設(shè)計(jì)調(diào)整。設(shè)計(jì)時(shí)要充分考慮手指操作到按鍵的距離以及在按壓、旋轉(zhuǎn)過(guò)程中所需要的壓力大小，在不同情況下，能保證人體接收到機(jī)器的反饋信息，保證人—機(jī)之間的信息交流。按鍵在屏幕上的排布位置和距離要根據(jù)手指操作范圍的閾值，保持合理的距離，防止不必要的誤觸。操作的按鍵根據(jù)功能劃分好區(qū)域，按鍵顏色要選用戶認(rèn)知度高的顏色且符合常規(guī)工業(yè)用色，如紅色的急停鍵、綠色的開關(guān)鍵等。按鍵設(shè)計(jì)要按照人的視覺特性規(guī)劃排列，例如要區(qū)分好常用操作鍵和輸入的字母鍵以及調(diào)整鍵的排布。操作面板的整體大小尺寸高度要符合常人的身體高度、視覺高度、抬手位置等。操作面板在整個(gè)機(jī)床中的擺放位置要參考人體的視覺高度和抬手高度，在眼睛以下手肘以上的位置為佳，同時(shí)在操控面板上的按鍵也要符合手肘的抬升位置，避免因?yàn)槲恢眠^(guò)高或者過(guò)低導(dǎo)致不適感。

（二）視窗以及維修口

機(jī)床視窗門的大小、位置、造型以及打開方式必須考慮到機(jī)床工作臺(tái)的工作大小范圍、運(yùn)動(dòng)方式、進(jìn)料大小以及操作者對(duì)于工作視窗的需求度、配合產(chǎn)品線的整體視覺語(yǔ)言。如圖1 VTC40D，內(nèi)部操作臺(tái)有x、y軸方向的運(yùn)動(dòng)，所以在視窗大小規(guī)劃上要根據(jù)內(nèi)部結(jié)構(gòu)運(yùn)動(dòng)的范圍調(diào)整，40D的視窗會(huì)比同系列的加工中心大。與此同時(shí)，40D加工中心存在大型材料的加工，進(jìn)料方式也與其他產(chǎn)品不同，因?yàn)椴牧线^(guò)大，需利用外部工具將材料吊起從頂部加入，所以在40D的頂部必須留有進(jìn)料的操作窗口，以保證不同的材料方便投入。但是因?yàn)榇笮筒牧系募庸ゎl率遠(yuǎn)低于普通材料的加工頻率，所以在頂部的開口不必和前面視窗做成一樣，可以以低頻率打開的方式設(shè)計(jì)。

對(duì)維修口的設(shè)計(jì)同是如此。以圖2為例，左側(cè)的刀庫(kù)位置屬于高頻率檢查更換位置，且需要及時(shí)觀察到里面刀庫(kù)的狀態(tài)，所以在設(shè)計(jì)時(shí)，左側(cè)的維修口設(shè)計(jì)成易打開的活動(dòng)門形式，其他維修口則為不常用維修口，外殼直接分割，采用螺絲固定，保證外殼的整體性。左側(cè)維修口對(duì)觀察性有要求，需將維修門上的鈑金材質(zhì)換成可視化的透明玻璃材質(zhì)，同前部視窗一樣。

（三）把手

把手在整個(gè)可視區(qū)域中對(duì)人機(jī)的要求是更多的，人機(jī)交互對(duì)把手的長(zhǎng)度、寬度、厚度、高度都有細(xì)微的要求。如圖3，把手的人機(jī)尺寸直接影響到把手使用時(shí)的舒適度，從而影響到操作時(shí)的流暢度和工作效率。機(jī)床的操作者大多數(shù)為男性，所以在設(shè)計(jì)的時(shí)候以男性手掌大小為基準(zhǔn)，在長(zhǎng)寬尺寸上參考男性手掌大小。因?yàn)樗O(shè)計(jì)的三款機(jī)床屬于中小型磨床，操作視窗的門屬于較輕的小型門窗，所以在把手的設(shè)計(jì)上直徑較小。對(duì)雙開門視窗的把手，因把手直徑較小，在設(shè)計(jì)上取雙“C”形設(shè)計(jì)對(duì)稱處理。把手的邊角方圓結(jié)合很好地解決了防滑的問(wèn)題。把手位置在手肘活動(dòng)的舒適范圍之內(nèi)，設(shè)計(jì)較長(zhǎng)的把手，在位置上限制性因素較少，可根據(jù)視覺的美觀性將門把手安置于協(xié)調(diào)的位置。

（四）面板支撐

面板支撐在整個(gè)外觀造型中起著調(diào)節(jié)視覺美觀性的作用，面板支撐的高度配合操控面板，操控面板走線隱藏于支撐里面，很好地與內(nèi)部主要工作軸的走線位置區(qū)分開，防止線路雜糅在一起，提高線路檢修的效率。面板支撐的造型與數(shù)控機(jī)床的整體外觀的結(jié)合，打破了方正機(jī)床外觀的單調(diào)性，在外觀視覺語(yǔ)言上達(dá)到系列化、同一性的效果。在上輕下重的顏色中，面板支撐中和了顏色差異，使之在整體上達(dá)到和諧統(tǒng)一，體塊的穿插在視覺上也豐富了外觀細(xì)節(jié)。

圖1

圖2

圖3

六、數(shù)控機(jī)床設(shè)計(jì)總結(jié)

（一）人機(jī)工程學(xué)的結(jié)合

在數(shù)控機(jī)床外觀設(shè)計(jì)中，人機(jī)工程學(xué)的應(yīng)用，對(duì)外觀細(xì)節(jié)的合理性、操作的科學(xué)性、整體的和諧性有著錦上添花的作用。它的應(yīng)用不僅為企業(yè)提高了效率，而且在操作的過(guò)程中以最舒適的操作方法、動(dòng)作、角度為使用者的身體關(guān)節(jié)等提供了有效保護(hù)。

（二）情感化的應(yīng)用

情感化操作方法在操控面板上的應(yīng)用，不僅為用戶在數(shù)控機(jī)床這種無(wú)聊、煩悶的機(jī)器操作過(guò)程中提供了巧妙的操作方式，而且還會(huì)讓用戶體驗(yàn)到愉悅感，間接提高使用者的積極性。另外，情感化的操作在用戶使用過(guò)程中還作為監(jiān)督者，減少了操作的失誤。

（三）方案可用性的落實(shí)

三款機(jī)床的方案如圖4、圖5、圖6，在通過(guò)前期設(shè)計(jì)者的研究討論后，再由企業(yè)對(duì)方案評(píng)估、建議、再調(diào)整，提高了產(chǎn)品的落地性。對(duì)方案模型進(jìn)行反復(fù)修改，不斷優(yōu)化產(chǎn)品的各部分細(xì)節(jié)，是產(chǎn)品設(shè)計(jì)者應(yīng)該秉持的設(shè)計(jì)態(tài)度。

圖5圖6

七、結(jié) 語(yǔ)

數(shù)控機(jī)床的質(zhì)量是衡量一個(gè)國(guó)家制造業(yè)發(fā)展的標(biāo)準(zhǔn)，同時(shí)數(shù)控機(jī)床的高效性、精準(zhǔn)性、智能化直接影響國(guó)內(nèi)生產(chǎn)的效率和質(zhì)量。在國(guó)家政策的支持下，現(xiàn)階段國(guó)內(nèi)的數(shù)控機(jī)床不僅要在技術(shù)上提高水平，還要在設(shè)計(jì)的外觀質(zhì)量上緊跟時(shí)代的步伐。對(duì)機(jī)床操控面板的界面設(shè)計(jì)，不但要考慮人機(jī)因素、情感化、提升用戶體驗(yàn)、提高效率等方面，而且應(yīng)以人機(jī)工程學(xué)的數(shù)據(jù)理論為支撐，使數(shù)控機(jī)床更易操作，保證用戶自身的安全與舒適體驗(yàn)。操控面板的人機(jī)交互設(shè)計(jì)，將按鍵與屏幕操作方式相結(jié)合，提高了用戶的體驗(yàn)感，在色彩和協(xié)調(diào)度上潛移默化提升了用戶對(duì)產(chǎn)品的好感度。一個(gè)好的產(chǎn)品是有細(xì)節(jié)的，數(shù)據(jù)理論的支撐使產(chǎn)品的設(shè)計(jì)更具有說(shuō)服力，同時(shí)最重要的是設(shè)計(jì)產(chǎn)品時(shí)要以用戶為中心，充分考慮用戶的使用習(xí)慣，為用戶打造安全、舒適又美觀的產(chǎn)品。

（西安美術(shù)學(xué)院）

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