自动沏茶机的易用性设计研究

机械设计第32卷第11期 * 收稿日期： 2015-06-28； 修订日期： 2015-08-21 自动沏茶机的易用性设计研究 * 史庆春，张帅，杨飞 （南京农业大学 工学院，江苏 南京210031） 摘要：易用性设计是评价产品好坏的一个重要参考标准。 以自动沏茶机为例，总结了基于自动沏茶机结构设计、人机 工程、逆向工程等约束条件的易用性造型设计方法，并对其取放口、开关按钮、上盖和底座进行易用性设计。 通过提示和简 化泡茶操作步骤、分区规划功能区域、增加视觉直观化等方法，使自动沏茶机的易用性更强。 提出产品易用性的设计方法， 为产品的易用性设计和验证提供较完整的指导步骤和方法。 关键词：工业设计；易用性设计；人机工程；3D扫描技术；眼动追踪技术 中图分类号：TB47文献标识码：A文章编号：1001-2354（2015）11-0114-05 Usability design of automatic teabrewing machine SHI Qing-chun，ZHANG Shuai，YANG Fei （College of Engineering，Nanjing Agricultural University，Nanjing 210031） Abstract：Usability design is an important reference standard to judge the quality of product The automatic tea-brewing machine was used as an example to summarize the usability design method from structure design，human-machine engineering， reverse engineering，etc The usability design on discharge port，switch button，lid and base of the tea brewing machine was carried out In order to increase the usability of the automatic tea brewing machine，some measures on prompt，simplifying the operation step，planning functional area and visual visualization were adopted The method of product usability design provided almost all instruction steps and method for usability design and verification Key words：industrial design；usability design；human-machine engineering；3D scan technology；eye tracking technology 产品的易用性设计要求以用户为研究对象， 设计 人性化的易用产品。设计师通过点、线、面等造型要素， 经过分割、 组合和过渡等方法， 结合产品的色彩和材 质，对造型进行合理的规划与设计1。 易用性设计的核 心是解决用户对产品的易操作性， 即基于功能对造型 进行视觉符号化设计。 新产品的操控方式如何第一时 间传递给用户是易用性设计的重点。 易操作性设计需 基于操作者可理解其传达操作的视觉语义进行设计， 其最终目标是不存在操作误区， 不因含糊语义产生困 惑而无法操作2。 产品的易用性设计是近年来产品设 计的研究重点。 如：徐成福3以汽车造型设计为例，研 究了易用性设计的主要内容和设计原则。 邓欣然4以 老年人健康产品为例， 研究了基于特定使用人群需求 的易用性设计方法。 陈鹏里5以鼠标为例，研究了基于 认知心理学、 产品语义学和人机工程学的易用性设计 和评价方法。然而，以上研究都着重于对易用性设计的 理论进行探究，对易用性设计过程中的具体设计流程、 造型手法和易用性评估方法研究较少。 文中以自动沏 茶机的易用性设计为例， 探讨易用性造型设计方法和 评估方法。 1易用性设计方法研究 11易用性设计的造型方法 易用性产品主要从视觉和触觉两个方面进行设 计。 视觉方面的易用性设计主要体现为视觉直观化和 减少功能干扰。 主要设计方法有：（1）减少与操作无关 的装饰设计（即减法设计），使功能按键明显化6；（2） 合理归纳功能区域，相似功能集中化7；（3）巧妙利用 图形设计，使重要的功能按键直观化；（4）合理利用标 准件，增加设计的通用性。触觉方面的易用性设计基于 人机工程学，以增加产品功能区域的操作触感为目的， 第 32 卷第 11 期 2015 年 11 月 Vol.32 No.11 Nov.2015 机械设计 JOURNAL OF MACHINE DESIGN DOI:10.13841/ki.jxsj.2015.11.024 2015年11月史庆春，等：自动沏茶机的易用性设计研究 提示相应的操作方式，如：对于按键，设计成下凹造型， 以提示“按”的操作动作。 12易用性设计的限制因素 在产品设计流程中， 易用性设计受诸多因素的限 制，其中结构设计对其影响最大。产品的开发设计和改 进设计， 首先考虑结构与外观设计的契合度和功能的 合理分配。功能区域的规划需满足其结构参数，主要包 括零部件尺寸大小的合理性、结构的安装尺寸等，整个 结构设计的合理性关系到其易用性指标的完成程度。 易用性产品设计的另一个制约因素是人机工程相 关尺寸的约束， 主要包括用户操作的舒适性、 误操作 率、操作熟练程度等。 2自动沏茶机设计实例分析 自动沏茶机操作步骤较复杂， 符合易用性产品的 重点研究范畴。以某企业自动沏茶机为例，从易用性产 品的造型方法和限制因素着手，完成其外观设计、功能 规划和易用性评估， 并重点对功能集中区域进行易用 性分析。通过对自动沏茶机的易用性设计，详细说明在 产品设计中易用性设计和评估的具体方法及步骤，为 产品的易用性设计提供参考。 21人机工程学限制 常用件和标准件因其常用性可增加视觉熟悉感和 操作便利性，常被应用于产品设计中，增大产品的易学 性、高效性和易操作性，其中包括开关、显示、指针等。 在人机工程学中，开关按钮的尺寸、颜色和图标设计等都 有相应的规定可直接应用， 如：“关” 常设置为向下或向 左，若有拨动角度，30为最佳，具体参数如图1所示8。 根据用户需求调研和类似产品的分析可知， 自动 沏茶机的开关按钮应选用圆形拨动开关按钮。 食指操 作居多，且偶尔有拇指操作。 根据表1，选直径18 mm 的通用件拨动开关为最适宜。 22易用性造型 根据用户调研分析和易用性产品设计方法得到自 动沏茶机误操作原因及相应的设计方法，见表2。 总结 表2可得到重点设计区域（即用户经常操作区域）为： 茶壶取放口、加热凸台、电源开关、上盖、沏茶区域、注 水区域。 根据易用性产品设计方法并应用装饰线、分形、切 割、倒角等方法，对自动沏茶机的整体和重点部位进行 设计，得到初步方案，如图2所示。 23结构限制 自动沏茶机的现有结构主要分为泡茶区、加热 区、取茶区3个区域，如图3所示。 图1开关最佳尺寸说明 红色 关开 关 开 3.2 6.438 1932 25.464 30 表1圆形按钮的人机学参数 按钮操作方式直径/mm操纵力/N工作行程/mm 食指操作151846 拇指操作183083538 手掌操作501050510 表2自动沏茶机误操作及设计方法 误操作原因设计方法 整体造型零碎统一造型元素 重要功能区域不醒目标准件 装饰太多，功能混淆减法设计 功能杂乱规划功能区域 图2初步设计方案图 图3自动沏茶机结构示意图 上盖 水箱 沏茶区域 茶壶区域 电源开关 加热控件 115 机械设计第32卷第11期 泡茶区组件有：水箱、泡茶漏斗、过滤网、滴漏装 置；加热区有：加热控件、进/出水导管；取茶区有：茶 壶。 其中与造型设计相关的结构有水箱、过滤网卡槽、 加热底座、上盖连接方式、底盖装配方式、进出水导管 安装约束、开关安装约束等。 三维扫描技术是逆向工程中实现产品快速制造的 有效技术手段9。 采用三维扫描的方法获取自动沏茶 机现有结构部件的三维数据， 将获得的三维数据导入 CAD软件，再与初步造型设计方案的模型进行虚拟装 配， 校核其整体、 局部的造型是否满足结构装配的需 求。经过多次外形修改，使造型设计更契合结构部件的 装配要求，如图4所示。 经过结构校核，自动沏茶机的最终尺寸为：长187 mm，宽155 mm，高285 mm。 结构设计具体方法如下： 通过旋转轴和上盖前端的卡扣结构完成上盖的卡接。 旋转轴下端壳体内壁局部加厚并设计卡槽与滴漏装 置装配。 拆修底盖利用唇的咬合先将底座和机身放置 于互不活动的区域，再用螺栓紧固。 加热控件的装配 考虑加热时对塑料的融化性，需在加热控件上端用橡 皮圈隔开与塑料的直接接触， 其下端用螺栓紧固咬 合。 壳体与螺栓联结区域，应当考虑支柱对于螺栓安 装的承受力，设计加强筋。 散热孔设计在底座加热控 件的正下方，利于散热。 自动沏茶机的结构爆炸图如 图5所示。 24自动沏茶机的视觉易用性分析 由初步设计方案草图及结构和人机限制因素得到 自动沏茶机的基本造型。 针对该造型对其进行易用性 分析，得到不易操作的几个设计缺点：（1）整体造型笨 重，不能体现自动沏茶机的轻便感；（2）每个操作区域 零散，不易连贯操作；（3）局部存在取放口包裹太多、不 易找到上盖打开区域、开关体积较小不易发现等。对其 进行易用性改进设计后，如图6所示。 充分考虑到自动沏茶机造型的美观性， 通过进一 步改进，得到造型的优化方案，如图7所示。 其整体造型为直线与曲线的结合，简洁又不生硬。 细节处理沿用整体的造型手法， 并利用斜切角、 分型 线、引导线等提示主要功能。 此外，相似形态的反复使 用一方面可增加美观性，另一方面增强产品的辨识度。 为使自动沏茶机视觉上轻便化，外边缘角多用弧线（或 圆角）、切角的处理方式进行细节的易用性设计，方法 如下： （1）主要操作区域的易用性设计。取放口周围是用 户操作最多的区域。 通过分析用户的取放动作和取放 舒适度，得到两大区域需进行易用性设计，一是取放口 本身的造型，二是取放口下方凸台的造型。 取放口的造型方法为切割， 切割后形成类似于 茶壶的圆台虚空间，作用为暗示功能。 取放口上下顶 图43D扫描示意图 图5自动沏茶机结构爆炸图 橡胶圈 加热控件 安装底盖 开关按钮 机身 漏斗 上盖 滴漏装置 图6自动沏茶机易用性设计前后对照图 优化区域设计前设计后设计说明 茶壶摆放区 上盖打开区 电源开关 增大取放口切角 增加开合位置标示 增加视觉引导线 图7自动沏茶机效果图 116 2015年11月 面互相平行， 限制取放动作为紧贴顶面和底面，前 后取放。 四周切斜角增大取放区域，方便取放操作， 如图8a所示。 凸台下方的弧线指引核心功能。 前视 为略向上的弧线，侧视为向上的直线趋势，引导视 线向取放口移动，其目的是利用造型手段加强取放 口的视觉语义，使用户理解其核心功能区域，如图8b 所示。 （2）其他操作区域的易用性设计。 除取放口外， 操作集中区域还包括开关和上盖。对于开关按钮的易 用性设计， 一方面通过应用通用件增加用户的熟悉 感，另一方面采用装饰线引导开关的位置，如图9a所 示。 上盖的易用性体现为打开口符号的应用，引导操 作动作，如图9b所示。 3自动沏茶机易用性评估方法 人眼对视觉符号的感知是其行为结果判断的首个 参考条件10，因此，运用眼动追踪试验可获取用户的操 作意图。根据具体的眼动参数，分析易用性产品的设计 合理性， 评估易用性设计方法的正确性和造型手法的 合理性。 运用3D打印设备将自动沏茶机打印为11的实 物模型，并应用Dlab头戴式眼动仪，评估自动沏茶机 的操作易用性。 31试验对象 受测试对象共15人，其中，男生7人，女生8人。 其中4人为工业设计硕士研究生，3人为工业设计专 业教师，8人为工业设计专业本科生。 受测试对象眼睛 均无色盲和色弱，视力或矫正视力在10以上。 32试验过程 每个受测试者试验用时约10 min左右，其中校对 瞳孔和视觉坐标需5 min。 试验前向受试者介绍试验 流程和注意事项。 第1阶段，安排受测试者自由观 察15 s，以观察其感兴趣区域和产品细节；第2阶段， 要求受测试者寻找5个功能区域，分别为：茶壶摆放区、 电源开关、上盖打开触碰区域、泡茶区域和注水区域，每 个功能区域观察5 s，提醒受试者寻找相应的功能区域， 并保持眼睛凝视该区域，以便后期统计有效试验数据。 33试验数据分析 试验目的为测试用户是否能够在短时间且无说明 书的情况下，掌握自动沏茶机的操作步骤。 对自由观察的试验数据划分兴趣区域， 导出试验 数据，得到注视时间、注视率（单个兴趣区域的注视时 间占自由观察的总时间的百分比）、注视次数及注视次 数比4个参数，并对其排序得到前4个兴趣区域参数， 如表3所示。 测试结果热点图如图10所示。 根据分布情况可 知， 测试者的重点观察区域在该自动沏茶机的易用性 设计区域，且观察路线为该自动沏茶机的操作步骤： 第1步为放置茶壶； 第2步为打开上盖并放置茶叶； 第3步为拨动电源开关。 试验第2阶段功能区域的注视时间和首次注 （a）取放口（b）下凸台 图8取放口和下凸台易用性造型 图9开关和上盖易用性示意图 （a）开关按钮（b）上盖打开口 表3自动沏茶机形态眼动参数表 区域名称注视时间/s注视率/注视次数注视次数比/排序 茶壶摆放区5836854261 上盖打开区1811632573 电源开关053521274 标识3318532852 图10自动沏茶机眼动试验热点分布图 史庆春，等：自动沏茶机的易用性设计研究117 机械设计第32卷第11期 2015 年全国工业设计教育研讨会暨第 11 届世界华人设计论坛在湖南大学举行 2015年11月6日8日，由湖南省科技厅、湖南省经信委等单位指导，教育部高等学校工业设计专业教学指导分委员 会、中国机械工业教育协会工业设计学科教学委员会主办，湖南大学、明志科技大学、中意设计创新中心承办的“全国工业设 计教育研讨会暨第十一届世界华人设计论坛”在湖南大学国家超级计算长沙中心隆重举行。300余位海内外设计学术界和 产业界的专家、学者出席。湖南大学党委副书记栾永玉、湖南大学设计艺术学院院长何人可在开幕式上分别致辞。论坛以“变 革与交汇新设计的文艺复兴”为主题，以设计教育作为出发点，从设计的本源、理念、工具和方法等层面展开全方位交流 与研讨。 论坛中，世界华人设计论坛发起人、台北科技大学设计学院院长梁又照，北京工业设计促进中心主任陈冬亮，台湾实践 大学副校长官政能，同济大学设计创意学院院长娄永琪、江南大学设计学院院长辛向阳、湖南大学设计艺术学院赵江洪等专 家发表了精彩学术演讲。 论坛结束后，6场设计与创新专题研讨会在湖南省科技厅如期举行。 天津市设计学学会 视时间是评估产品易学性和低错性的重要指标。 注 视时间越长、首次注视时间越短说明该功能区域越 容易找到，其易用性设计越成功，具体参数如表4 所示。 综合分析眼动试验数据可知， 自动沏茶机的功能 区域皆可被测试者注视，且其注视时间先后依次为：茶 壶摆放区、电源开关、上盖打开区、泡茶区和注水区，与 自动沏茶机的易用性设计相符。 4结论 （1）提出易用性设计方法的具体步骤，为相关产 品的易用性设计提供指导。 （2）在产品易用性设计中应用眼动追踪技术进行 评估，并详述了具体的评估步骤，为产品易用性设计的 合理性提供新的评估方法。 （3）触觉方面的造型方法对易用性产品的设计也 有一定的影响， 触觉和视觉共同作用下的产品易用性 造型设计方法还有待进一步研究。 参考文献 1唐纳德A 诺曼好用型设计M北京：中信出版社，2007 2陈朝杰产品设计表达中的视