（设计艺术学专业论文）产品硬件界面设计中的肤觉研究.pdf

摘要 摘要 产品硬件界面是产品设计中最基本的设计要素，大多数传统的产品都是通过硬件界 面完成物与人的交流。随着科学技术的发展，特别是交互技术的发展，新的人机交互的 方式得到了广泛的运用。从目前来看，这些新的界面方式的运用，在强调技术性的同时， 往往忽视了产品对使用者真实的感官刺激和人文关怀，人们渐渐失去了与组成产品构造 的各个机体之间的亲密接触。同时，随着时代的发展，硬件界面本身的视觉体验和听觉 体验已经大大不能满足用户的感受享受，使用者对于肤觉体验表现出新的需求。人的皮 肤是感觉器官中极其灵敏细腻的器官，肤觉体验的提升对于产品的使用性能、使用感受 和情感内涵都会提出新的要求。 本课题以人机工程学、认知心理学为基础，通过两方面来讨论硬件界面中的肤觉感 受。一方面是通过“人的角度，通过分析人的肤觉感知特征、肤觉信息的传递与处理 和肤觉的作用，提示在设计过程中，对于人本身研究的重要性，同时也根据人的肤觉特 点，指出了设计过程中度的把握，人的肤觉是细腻的，设计也需要细致的。另一方面是 通过“物 的角度，研究形态的肤觉感知、材料的特征、材料的感觉特征、材料的技术 发展及运用、肤觉反馈信息等方面的内容，分析和阐述了硬件界面中相关元素的设计与 肤觉感受的关系。 本课题的研究目的是为了提示或倡导在产品设计创新中，真正地关注人文因素，不 主张对于新技术的盲目崇拜，对于设计的切入点重新审视，为真正解决人的情感需求提 供设计方法与思路， 关键词：界面设计；肤觉；触觉设计 a b s t r a c t a b s t r a c t t h eh a r di n t e r f a c eo fp r o d u c ti sm eb a s i ce l e m e n ti np r o d u c td e s i 印a n dm o s to ft 1 1 e 仃a d i t i o np r o d u c t sa r et l l r o u g hh a r ei n t e r f a c et oi n t e r a c t 谢t l lu s e r s a st h ed e v e l o p m e n to f s c i e n c ea n dt e c h n o l o g y ，t h ec o n t e n t sa n dm e t h o d so fh c i ( h 啪a n - c o m p u t e ri n t e r a c t i o n la r e e 耐c h e dc o n t i n u a l l y o no n eh a n d ，t h e s en e wi n t e r a c t i v ew a y sw h i c ha d p l i e df o ri n t e r f i a c e d e s i g ns h o w e dt h ed e s i g n e r sc o n c e m so ft e c h n o l o g y o nt l l eo t h e rh a n d ，u s e rl o s tt h ei n t i m a t e c o n t a c ta n dc o m m u n i c a t i o nw i t hd r o d u c t 阿a d u a l l y ，b e c a u s eo ft h en e g l e c to ft h es e n s o r y e x p e r i e n c e sa n dh u m a n i s t i cc a r e a s 、v ek n o w ；t l l ee x p e r i e n c e so fv i s u a la n da u r a lw h i c h s u p p l i e db yh a r di n t e i f i a c ec a n n o tm e e tt h en e e d so fu s e r s o 、v en e e dm o i et a c t l l a le x p e r i e n c e s t h es k i ni se x t l e m e l ys e n s i t i v es e n s o r yo r g a n ，a n dm ee x p e r i e n c e st a c t u a lc a ne n h a n c et h e p e r f 0 n n a n c e ，t i l eu s eo ff e e l i n g sa n de m o t i o n a lc o n t e n t t h et o p i c sb a s e do ne r g o n o m i c sa n dc o 窖m i t i v ep s y c h o l o g y i 、杭l lt h r o u 霉血t l l e 铆o s u b i e c t st od i s c u s s 也et a c t l l a le x p e r i e n c e si nh a r d 、 ，a i ei n t e r f - a c ed e s i g n o no n eh a n d ，f o m m ep o i n to fv i e w ， “p e o p l e ”，i 铀1 a l y z e dt l l ep e r c e p t u a lc h 剐旧r c t e r i s t i c sa n di n f b m a t i o n t r a n s m i s s i o no ft a c t u a j ，i no r d e rt ot e l ld e s i 霉皿e r st l l ei m p o r t 副 1 c eo fr e s e 锄c ho np e o p l ei i lt l l e 、 血o l ed e s i g np i o c e s sa n dt l l e 、v a yt od e s i g nf 0 rp e o p l e st a c t l l a le x p e r i e n c e s o nt l l eo t h e r h a n d ，f 硒mt h ep o i n to fv i e w ，“p r o d u c t ”，ir e s e a r c h e dt l l ef o mo ft a c t u a lp e r c e p t i o n ，t l l e m a t e r i a lc h a r a c t e r i s t i c s ，t 1 1 em a t e r i a l st e c h n o l o g yd e v e l o p m e n ta n da p p l i c a t i o no fs k i nf e e l f e e d b a c k ，a n ds oo n ia n a l y z e da n de x p o u n d e dt l l ei e l a t i o n s h i pb e t 、v e e nt l l ed e s i g ne l e m e n t s i nh a r d w a r ei n t e r f a c et a c t u a le x p e r i e n c e s t h es u b j e c to fs t u d yi sd e s i g n e dt op r o m p to rp r o m o t ei n n o v a t i o ni np r o d u c td e s i g n ， m a d ed e s i g l l e rc o n c e ma b o u th u m a l lf a c t o r s ，a j l dd on o ta d v o c a t ef o rt h eb l i n dw o r s h i po f n e wt e c h n o l o g y 1h o p et l l i sr e s e a r c hc a nh e l pd e s i g n e r st os o l v et l l ep e o p l e se m o t i o n a l n e e d sa n dd e s i g nm e t h o d si d e a s ， k e yw b r d s ：i n t e r f i a c ed e s i g n ，t a c t l l a l ，t a c t u a l ld e s i g i l 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是拳人在导师指导下进行的研究工作及取 得的研究成果尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文 中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含本人为获得江南 大学或其它教育机构的学位或证书而使用过的材料与我一同工作的同志 对本研究所做的任何贡献均已在论文中作了明确的说明并表示谢意。 签名：日 期：矽修矿g 乡 关于论文使用授权的说明 本学位论文作者完全了解江南大学有关保留、使用学位论文的规定： 江南大学有权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘，允 许论文被查阅和借阅，可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库 进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编学位论文， 并且本人电子文档的内容和纸质论文的内容相一致。 保密的学位论文在解密后也遵守此规定。 签名：导师签名： 第一章绪论 第一章绪论 “感觉世界是由我们四周不断变化着的事件或刺激以及所有生命对此做出反应这 两方面所构成的。感觉世界是永远变动着的一系列的光、色、形、声、嗅、味和触。它 是我们每天生存的世界，我们成长在这个世界中。一 美 托马斯l 贝纳特 o 1 研究背景 o 1 1 世界正在多元化 随着信息时代、知识经济时代的来临，人们的生活观念、消费观念都发生了巨大的 变化，整个世界日趋向多元化。人们生活水平的提高和生活品位的上升，产品对于人们 来讲，已经不简单是个具有功能性的物品了，人们对产品的需求慢慢从“量的满足 转 向“质的追求 ，甚至是“情感的交流”，这也使产品设计向多元化、个性化的纵深方向 发展。 o 1 2 科学技术的日新月异 人类进入2 1 世纪以来，科学技术的发展呈现了迅猛的趋势，特别是信息技术、生 物技术和新材料技术发展最为迅速 信息技术的发展超出了几乎所有人的想象，“后p c 时代正在到来。这是计算机技 术发展第三次浪潮的核心，要把普通的计算技术运用到各种日常的器具之中，并使它具 有联网功能和高度智能化。同时，信息技术的重点正在由技术转向信息，即转向对信息 处理、信息的有效利用和信息的快速获取，这对于整个经济结构都将产生至关重要的影 响。 新材料技术产业是本世纪初发展最快的新技术产业，是当今科技发展最为活跃的领 域之一。新材料技术的每一次变革都会给人们的生产生活带来巨大的影响。信息材料、 新能源材料、纳米材料、高性能结构材料等新型材料技术的广泛应用，给设计创新也带 来了新的机会。 o 1 3 设计以人为本 产品设计不仅设计了产品本身，而且设计了人与人之间、人与产品之间的关系，也 设计了人的生活方式。人性化的设计观是工业设计经导入期、发展期、成长期发展到现 在的成熟期以后而出现的一种新的设计哲学。它反对像过去那样，设计师只重视产品的 功能与造型，而是要求设计帅积极考虑经过设计的产品将在人们生活过程中发生什么样 江南大学硕士学位论文 的作用，以及对周围各种环境的影响程度。因此，设计应充分的尊重人、理解人的特点， 以人为基本出发点，用主动、积极的方式去研究人的需求，探索各种潜在的愿望，用一 种系统的、整体的观念，把需求、人机工程学、美学及环境因素等有机地融合，进行综 合分析，以此确立产品设计的目标。 o 2 研究的意义 随着科学技术的发展，新的人机交互的方式越来越得到广泛的使用，特别是在许多 电子消费产品的界面设计中，触屏技术和软体界面渐渐成为设计师的新宠，更多的人机 互动会通过软件的技术达到丰富绚丽，吸引眼球。所以我们看到往往在这些产品的界面 设计中渐渐忽视了人与产品肤觉接触，产品的本体构造，物质形态渐渐隐退到软体界面 的光环背后，成为所谓的落后技术产物。然而，目前软体界面的互动，还只能停留在视 觉感受和听觉感受上，肤觉感知与真实的反馈还具有一定的差距。使用者在满足了视觉 听觉享受的同时，也承受着失去肤觉感受对产品使用所带来的不便性和频繁出现的误操 作性。所以笔者认为至少在目前阶段，软体界面还是需要硬件界面做支撑与协助，弥补 其弱势的方面，所以在硬件界面的研究上，我们还是需要做更加深入的研究，以适应和 配合目前软体界面的快速发展。 同时，产品硬件界面目前仍然是大多数产品所具有的完成物与人之间沟通的桥梁。 硬件与人的沟通手段除了视听觉以外，触觉是很重要的一块，也是目前越来越被重视的 一块。肤觉感受的研究，是对于人们感知事物，与产品进行交流的各种感官研究的重要 补充。当今的时代，人们的消费观念，生活观念的日趋多元化，对于产品设计的要求也 提出的更高的要求。消费者在选择商品时，已经不在满足视觉感官上的要求，而需要与 产品进行再进一步的交流，要用自己所有的信息接收器去涉取对自己有所帮助的信息和 判断该产品优劣的重要资料。因此这一阶段是产品跟人的实质性接触。这一过程中，设 计师应该研究如何让人的感觉器官做积极的工作。 对好的产品的评价，是使用者在使用过程中慢慢体验出来的感受，在这过程中，肤 觉体验往往是起着关键的作用。重视肤觉的研究，可以帮助设计师更好的了解肤觉感受， 洞察设计中的关注点，以科学的理论和经验去探索设计中人文关怀，提升产品的使用性 能、使用感受和情感内涵，真正做到产品设计不只是好看的设计。 0 3 国内外研究的现状 目前在设计中对于肤觉的研究，一般隶属于不同研究理论、研究学科进行深入的， 一般在人机工程学、产品语意学、认知心理学、感性工程学中都所有涉及。在国外对于 这些设计学科的研究都在不断发展中。人机工程学是本2 0 世纪5 0 年代发展起来的一门 学科，是研究产品设计中如何正确处理人、机器及其工作环境之间的相互作用的科学。 在国外人机工程学在二战时期获得了突破性的进展，从此也奠定了人机工程学被视为成 熟的现代学科的地位，在世界范围受到重视并被视为工业的推动力之一。从信息技术的 发展来看，本世纪技术人性化的最大体现将在于计算机虚拟现实技术的实用化。彼尔 第章绪论 盖茨的未来之路和尼葛洛庞帝的数字化生存都向公众介绍过虚拟现实的有关概 念和前景，从人机工程学的角度柬说，虚拟现实技术把人类的空间感、行走等感觉和行 为功能纳入到人机交互之中，使得人与信息的交流变得更加自然和没有阻碍。“感性工 学”是同本设计学界于2 0 世纪8 0 年代后期开始，尤其是9 0 年代所致力开拓的设计新 方向、新学科之一。它将过去定为难以量化、只能定性的、非理性无逻辑可言的感性反 应，运用现代计算机技术加以量化，籍以发展新一代的设计技术和产品。感性工学是一 种新兴的、以顾客需求为导向、依据人机工程学和计算机科学进行的新产品t 1 = 发的技术。 其发展尚处于初期阶段，从感性的复杂性而言，目前的感性工学所涉及的层面还十分单 一，其方法也同样如此，与人类复杂、多元的感性存在而苦，其努力只能| 兑刚刚开始， 感性工学还有许多问题有待解决。在产品开发中，单独针对肤觉的研究，在国外也渐渐 重视，主要集中在一些复杂的产品系统上。比如，作为全球顶级高档汽车品牌的奥迪， 于1 9 9 5 年专门成立了“触觉团队”，研究如何在设计上昂大程度地满足客户对车辆各个 角度的触觉要求。对奥迪公司而言，触觉学涉及的东西远不止是让奥迪车手感舒适，更 包括生物工程学、操作逻辑学、轻触式控制器、设备外观、按钮，以及人在车内进行的 备种推、拉、换档、转向、感觉和触摸等动作。 幽1 】奥迪的“触觉团队”在测试汽车内室的占操作感受及误筹 在国内，基j 。人机工程学、认知心理学、产品语意学的研究起步相对鞍早，国内有 关的设计院校和教育机构已经丌设专门的谋程进行研究。感性工学的研究也已经起步， 2 0 0 3 年起，中h 韩j 同设计学界已， ：始联手进行相关课题研究。在企业与设计机构，专 门对于人的感知方面的设计研究并不是很多。就肤觉研究而言，大多数还停f i ! 在人机工 程学、心理学的理沦研究基础上，在产品开发的设计实践过程中，还没有相关的部门或 团队去单独的、系统的去做肤觉感受与其产品有关的设计研究。 第二章相关理论综述 第二章相关理论综述 2 1 人机界面设计 2 1 1 人机界面设计的定义 人机界面是人与机器之间传递和交换信息的媒介，包括硬件界面和软件界面，是计 算机科学与心理学、设计艺术学、认知科学和人机工程学的交叉研究领域。近年来，随 着信息技术与计算机技术的迅速发展，网络技术的突飞猛进，人机界面设计和开发已成 为国际计算机界和设计界最为活跃的研究方向。 1 、狭义的人机界面 狭义的人机界面是指计算机系统中的人机界面，是计算机科学与心理学、图形艺术、 认知科学和人机工程学的交叉研究领域，是人与计算机之间传递和交换信息的媒介，是 计算机系统向用户提供的综合操作环境，是计算机系统的重要组成部分。 计算机系统是由计算机硬件、软件和使用者共同构成的人机系统，人与硬件、软件 结合而构成了人机界面，“其工作过程是：人一机界面为用户提供感官形象，支持用户应 用知识、经验、感知和思维等获取界面信息，并使用交互设备完成人机交互，如向系统 输入命令、参数等，计算机将处理所接受的信息，通过人一机界面向用户回送响应信息 或运行结果。”1 图2 一1 人一计算机系统的组成示意图 2 、广义的人机界面设计 广义产品的界面是指人和产品、环境之间传达信息的部分，可以用简单的图式来表 不： 1 罗仕鉴，朱上上，孙守迁人机界面设计 m 北京：机械下业出版社，2 0 0 6 5 江南大学硕士学位论文 图2 2 人与产品之间的信息传达 通过这个图式，我们可以明白界面所传递的是信息。界面是在人和产品( 环境) 之 间搭起的“信息桥梁 。这种“桥梁”可以是多种形式，例如，用文字可以记载信息， 也可以用声音来记录信息，可以用数字、图象来做信息的载体，也可以用触觉、气味、 电磁、光学等手段来作为载体。可以是有形的，也可以是无形的。界面绝不是指一种屏 幕上所呈现的虚拟存在，它是一种信息系统与另外一种信息系统的信息交流中介，它可 以包括物理存在和非物理存在形式。广义的人机界面是指人与机之间存在一个相互作用 的媒介，人通过视觉和听觉等感官接受来自机器的信息，经过脑的加工、决策，然后做 出反应，实现人一机的信息传递。我们可以把人机界面看作一个有着交互的系统，在分 析人机界面系统模型时，建立并分析人的行为模型，从而建立并设计人机界面。 2 1 2 人机界面的研究内容 从广义的范围来讲，人机界面包括下列研究内容。 1 、认知心理学 认知心理学是二十世纪5 0 年代中期在西方兴起的一种心理学思潮，二十世纪7 0 年 代开始其成为西方心理学的一个主要研究方向。它研究人的高级心理过程，主要是认知 过程，如注意、知觉、表象、记忆、思维和语言等。以信息加工观点研究认知过程是现 代认知心理学的主流，可以说认知心理学相当于信息加工心理学。它将人看作是一个信 息加工的系统，认为认知就是信息加工，包括感觉输入的变换、简约、加工、存储和使 用的全过程。按照这一观点，认知可以分解为一系列阶段，每个阶段是一个对输入的信 息进行某些特定操作的单元，而反应则是这一系列阶段和操作的产物。信息加工系统的 各个组成部分之间都以某种方式相互联系着。 2 、人机工程学 人机工程学是运用生理学、心理学和医学等有关科学知识，研究组成人机系统的机 器和人的相互关系，以提高整个系统工效的新兴边缘科学。人机工程学研究在设计人机 系统时如何考虑人的特性和能力，以及人受机器、作业和环境条件的限制。人机工程学 还研究人的训练，人机系统设计和开发，以及同人机系统有关的生物学或医学问题。 另外还包括计算机语言学、设计艺术学、人工智能研究、社会学与人类学等等。 第二章相关理论综述 2 2 硬件人机界面 2 2 1 硬件人机界面的定义 广义的人机界面与狭义的人机界面都包括硬件人机界面。硬件人机界面是指人机交 互过程中硬件产品的构成，是与人直接接触的物质形态构成。比如，在计算机系统中， 人们所使用的鼠标、机箱、键盘等输入输出设备。 硬件人机界面在某一程度也具有广义与狭义之分。广义的硬件人机界面是指人机交 互中的产品硬件，通常是指产品本身，所以所有具有交互性的产品，都可以定义为硬件 人机界面，比如与人直接接触的家具、工具等等。狭义的硬件人机界面是指在人机交互 中与具有显示、输入输出信息的硬件部分，可以是产品本身，也可以是产品的一部分。 如：手机是一个典型的整体人机界面产品，除屏幕显示的软件界面以外，整个产品就是 一个硬件人机界面。而工厂里的数控加工设备，其硬件人机界面部分就只局限于其显示 面板与操控部分。 本文所涉及的硬件人机界面，笔者将其归属为狭义的硬件人机界面范畴。 2 2 2 当今硬件人机界面设计的特点 当今硬件界面设计主要具有以下特点： 1 、典型的人机互动性 随着社会的发展，人们需求的不断提高，各种各样的信息产品进入人们的日常生活， 个人信息助理，电子报纸，手机，电脑等，以其优越的灵活性与便利性取代了以往熟悉 的工具并创造了新的生活方式，许多新型产品出现在我们生活的周围，这些产品往往揉 入信息技术，机器的功能和特性使用者都可以按需编制，人与产品之间的信息互动更加 任意自由，人们对产品的使用也更加方便和快捷。 2 、实现人机交流的手段的多样性 当今的世界，技术发展日新月异，人机交流的手段同时呈现出多样性，人们可以通 过视、听、嗅、味、触来使用各种感知能力来和产品进行信息交流。技术让这些手段成 为可能。人可以通过按钮、按键、显示屏、鼠标、键盘来控制机器，甚至可以通过手势、 声音等最新的科技来实现人机的交互。 3 、更加注重情感特性 在信息时代里，人与机器之间的关系从人机界面的角度正在发生着根本的改变，人 和机器( 产品、环境) 之问的信息交流不仅仅由理性的角度而且更重要是由感性的角度 出发来进行。人对于产品的信息的接受不仅要清楚、明了。而且还要有趣，有个性。注 重界面的情感特征，逐渐被设计师所重视，产品的界面起着传递产品和人之间的信息的 桥梁的作用，要取得人的感情共鸣，那么这种界面就应该具有丰富的感性内涵。 7 江南大学硕士学位论文 2 2 3 硬件人机界面设计的发展趋势 硬件人机界面的发展，其实是跟工业设计的发展息息相关。 1 8 世纪末的工业革命，机器生产逐渐取代了手工生产，也改变了人们的生产、设计 方式。最初的硬件人机界面，还是满足于基本的生产活动的需求，但随着各种设计思潮 的出现，如工艺美术运动、新艺术运动、风格派、包豪斯、流线型风格等等，硬件人机 界面也慢慢出现对于美观装饰及工作效率等方面的思考。 2 0 世纪4 0 年代末晶体管的发明，电子技术的出现，使得电子装置的小型化成为可能。 机器化大生产逐步向小型化、电子化的方向发展；同时也为二战后在自动化生产和信息 处理中起关键作用的计算机的广泛使用开辟了道路。此时，也出现了大量的设计风格与 流派，硬件界面设计也开始结合了越来越多的工程技术、社会学、心理学、人机工程学 等多学科知识。 2 0 世纪8 0 年代以来，人类进入了信息时代，计算机技术的快速发展和普及，网络技 术迅猛发展。信息技术与因特网络很大程度上改变了整个工业的格局，工业设计也由传 统的工业产品转向新兴的计算机产品、信息产品、网络产品等等，人机界面设计也开创 了发展的新纪元，硬件人机界面更着眼与新技术、新材料的运用、更加关注人的因素， 体现人性化情感化的设计理念。 随着信息社会的发展，使用者对于产品的使用要求越来越高，对于人机交互界面的 关注也越来越频繁。硬件人机界面的发展主要有以下几个方面： l 、科学技术的广泛运用 信息技术的革命，也带来了计算机业的革命，计算机系统的组成越来越丰富有效， 比如输入设备，原有的键盘鼠标都发生了改良，无线技术的运用，方便了使用者的操作。 轨迹球、触摸板、光笔、语音输入等设备，大大丰富了交互的方式。这些全新的交互技 术与设备也给其他的产品带来了形态与使用方式的革新。同时，新材料和新的表面处理 工艺，给硬件界面的设计也带来了新的生机，提供了更多的产品感官体验的方式。 2 、交互方式的自然化 早期的硬件人机界面方式比较简单，大多使用“键入命令 的方式，这种方式虽然 直接，但过于单调，随着人们对产品设计的要求的进一步提高，人们不仅仅满足通过屏 幕与按键输入输出信息，还希望通过视觉、听觉、嗅觉和触觉，以及形体、手势等自然 的方式，形成人机对话，获得“身临其境”的感觉。 3 、交互界面的人性化 现代设计已经从单纯的功能主义走向了多元化和人性化。今天的消费者要求表现自 我意识、个人风格和审美情趣，反映在设计上也要求产品越来越丰富、细化，更多的体 现人情味和个性。 第二章相关理论综述 2 2 4 硬件人机界面与人机工程学 人机工程学是研究人与系统中其他因素之间的相互作用，以及应用相关理论、原理、 数据和方法来设计以达到优化人类和系统效能的学科。人机工程学是硬件人机界面研究 的主要内容，并对硬件人机界面的发展产生了很大的影响。 人机工程学对硬件人机界面设计的作用主要包括以下方面： 1 、为硬件人机界面设计中关于人的因素提供人体尺度参数 人机工程学应用人体力学、人力测量学、生理学、心理学等学科的研究方法，对人 体结构特征和机能特征进行研究，提供了人体大量的尺寸参数以及人的活动活动可及范 围参数，提供了人体各部分的发力范围、活动范围、动作频率、重心变化及动作惯性等 动态参数，分析人的视觉、听觉、嗅觉以及躯体感觉的机能特征等等，还包括了人在工 作过程中的心理因素对工作行为的影响，为硬件界面设计中考虑人的因素提供了大量的 参数依据。 2 、为硬件人机界面设计中产品的功能合理性提供科学依据 硬件人机界面设计中产品界面的功能的合理性，是体现在产品与人的生理和心理的 协调性上的，要优化产品界面，如硬件界面设计中的信息显示装置、操控装置的布局、 形态、尺度、色彩等等，都必须严格遵循人机工程学中对人体研究的大量生理、心理参 数及方式方法。 3 、为硬件界面设计中考虑环境因素提供设计准则 人机工程学通过研究人体对环境中各种物理因素的反应和适应能力，分析声音、光、 热、振动等环境因素对人体的生理、心理以及工作效率的影响，确定人在生产生活活动 中所处的各种环境的舒适范围和安全限度，以保证人体的健康、安全、舒适和高效。 2 2 5 基于人机工程学的硬件人机界面的研究内容 基于人机工程学的硬件人机界面设计的研究内容主要包括显示界面设计与控制界 面设计。 1 、显示界面设计 显示界面是将产品的信息传递给使用者，使之能够做出正确的判断和决策，进行合 理操作的界面装置。使用者根据显示信息了解和掌握产品的使用状况，从而控制和操作 产品的正确使用。它的特征是能够把产品的有关信息以使用者能够接收的形式显示给对 方，所以显示界面的设计必须符合人的感觉通道传递信息的特点，以保证使用者利用显 示装置迅速而准确地获得所需要的信息。 显示界面设计除了要准确反映产品的状况外，还应该根据人的感觉器官的生理特征 来确定其结构，使人与显示界面之间能充分协调。 根据人接受信息的感觉器官不同，可将显示界面分为视觉显示、听觉传递界面和触 觉传递界面。其中，触觉传递界面是利用人的皮肤受到的触压刺激后产生产生感觉而向 人传递信息的一种方式。也是本文着重研究的一个方面。 9 江南大学硕士学位论文 2 、控制界面设计 控制界面是将人的信息输送给产品，用以调整、改变使用状态的界面装置，控制界 面将使用者的输出信号转换成产品的输入信号。 在一般的人机交往中，操作者对机器的控制大多是通过肢体活动来实现或声音来实 现，因此，控制界面设计要充分考虑操作者的体形、生理、心理等因素，控制装置的大 小、形态等要适应人的肢体的运动特征，重要的或使用频率较高的控制装置应布置在使 用者反应最灵敏、操作最方面、肢体所能达到的空间范围内。另外还需要考虑耐用性、 灵敏性、舒适性、可识别性。控制界面一般包括各种旋钮、按钮、手柄、操控杆等等， 这些硬件界面的设计元素除了要考虑形态编码以外，还需要考虑其材料编码、位置编码、 色彩编码和标注编码等等。 2 3 感性工学 感性工学是感性与工学相结合的技术，主要通过分析人的感性来设计产品，依据人 的喜好来制造产品，是界于设计学、工学及其他学科之间的一门综合性交叉学科。日本 筑波大学研究生院感性认知与神经科学部主席、艺术设计学院教授原田昭认为，这种综 合与交叉涉及艺术科学、心理学、残疾研究、基础医学、运动生理学等人文科学和自然 科学的诸多领域。 感性工学的学科结构及基本的研究领域为： 1 、感觉分子生理学。 主要研究人类感性的源头，脑的构造和机能。从人脑的构筑、机能分布、神经细胞 和神经传达、脑的感觉处理，到视觉与感性、听觉与感性、嗅觉与感性、触觉与感性等 方面的联系，偏重生理角度的研究。并通过感性的计测检验，运用统计学的方法和实验 手段，对人类的感性进行评估。 2 、感性信息学。 主要对人类感性心理的各种复杂多样的信息作系统处理，包括收集和处理输入数 据，以计算机为基础建立人类感性信息处理系统，对数据进行分类、排序、变换、运算 和分析，将其转换为决策者所需的信息，并建立信息输出的完整机制，然后进行感性量 和物理量之间的转译，再以适当的形式传输、发布，提供给设计者和制造者。 3 、感性创造工学。 主要是为达到符合使用者欲求的产品而作设计和制造方面的研究。从简便、快适、 无公害、个性化、趣味性等方面研究感性与形态、感性与材料、感性与色彩、感性与工 艺、感性与设计方法、感性与制造学之间的关系。 由此可见，感性工学的研究模式是一个综合性的研究模式，汲及领域广泛，是多学 科的交叉整合。近年来感性工学的研究内容也在不断扩大。不仅从有形产品的研究领域 第二章相关理论综述 扩展到人机交互界面，机器人工学的研究，也从工学应用的层面扩展到从人的脑机能， 知觉认知等方面研究使人产生直觉感受( 包括快感，感情等) 的生理机能。这样的发展 趋势，就必然造就了感性科学和认知科学不可分割的联姻。 2 4 认知心理学 2 4 1 认知心理学的定义 认知心理学是二十世纪5 0 年代中期在西方兴起的一种心理学思潮，二十世纪7 0 年 代开始其成为西方心理学的一个主要研究方向。“认知心理学研究人们如何获取外界的 信息，这种信息又是如何表征并转化为知识，信息如何储存，知识又是如何来知道人们 的注意与行为。它涉及了心理过程的全部范围，从感觉到知觉、模式识别、注意、学习、 记忆、概念的形成、思维、表象、回忆、语言、情绪和发展过程，而且还贯穿于行为的 各个领域。 2 以信息加工观点研究认知过程是现代认知心理学的主流，可以说认知心理学相当于 信息加工心理学。它将人看作是一个信息加工的系统，认为认知就是信息加工，包括感 觉输入的变换、简约、加工、存储和使用的全过程。按照这一观点，认知可以分解为一 系列阶段，每个阶段是一个对输入的信息进行某些特定操作的单元，而反应则是这一系 列阶段和操作的产物。信息加工系统的各个组成部分之间都以某种方式相互联系着。 认知心理学对于人机界面的设计起了非常重要的指导作用，在硬件界面设计中充分 了解人的感觉器官是如何接受信息，也要了解人是如何理解、处理信息，如何学习记忆 行为过程的，让界面更加符合人的自然特征，更加突显人性化。 2 4 2 人的感知特征 我们知道，人体按功能可划分为呼吸、消化、运动、泌尿、生殖、内分泌、感觉和 神经九个系统，每个系统都有许多器官组成。我们在硬件界面设计中，从人机工程学的 角度考虑，人与产品、环境直接发生联系的主要有三个系统：感觉、神经和运动系统， 其他的人体系统则认为是人体完成各种功能活动的辅助系统。外界刺激作用于人的感 官，经神经中枢后作出反应。 圈_ 回圈_ 匝丑 图2 3 人对于外界刺激的反应过程 2 罗仕鉴，朱上上，孙守迁人机界面设计 m 北京：机械工业出版社，2 0 0 6 l l 江南大学硕士学位论文 “感觉是人们对客观事物个别属性的反映，是客观事物个别属性作用于感官，引起 感受器活动而产生的最原始的主观映像；另一方面，感觉是主体对客体个别属性的觉察， 且常受主体高层次心理活动的制约，如注意、知觉、情绪、心境等，均对人们的感觉发 生主要影响。”3 客观事物具有着各不相同的颜色、声音、味道、气味、温度等各种属性。当客观事 物直接作用于感受器，各种感受器能够区别出适宜的刺激，从而使大脑产生了对这些事 物个别属性的反映，这种反映就是感觉。通过感觉使我们获得了关于事物颜色、声音、 味道、气味、冷热、粗糙、光滑等感觉信息。 人的感觉器官主要有眼、耳、鼻、舌和皮肤，产生视、听、嗅、味和触觉等感觉， 另外还有运动、平衡、内脏等感觉系统，各种感觉系统都有自己特定的感官或感受小体， 把刺激属性和强度转化为生物化学和生物电学信号，经感觉神经传入神经中枢，完成相 应的感觉过程。人的各种感受器是在漫长的进化过程中发展而成的，各种感受器分别反 映事物的不同属性。但是客观事物必须直接作用于感受器，影响人脑，才能产生感受， 一旦客观事物停止作用于感受器，感觉便不再产生。 感觉离不开直接作用于感受器的客体的个别属性，离不开接受刺激的感受器以及最 终形成感觉的神经系统和脑的活动。感觉是一种比较简单的心理过程。 知觉同感觉一样，也是人脑对直接作用于感受器的客观事物的反映，但不是事物个 别属性的反映，而是对事物整体的反映。 感觉是构成知觉的基础，没有感觉就不可能有知觉。可是知觉比感觉复杂得多，不 能把知觉归结为感觉的机械总合，各种感觉一经构成知觉，便有机地发生联系。知觉除 反映事物个别属性外，还反映事物个别属性之间的联系和关系，个别属性之间的关系和 联系在知觉过程中具有重要意义。我们常常把感觉和知觉合称为感知觉。 2 5 肤觉 2 5 1 肤觉的定义 肤觉是属于躯体感觉中的浅感觉层次，是由物质的物理或化学作用到皮肤表面引起 的，主要分为触压觉、痛觉、温度觉、振动觉等。除了视觉、听觉以外，皮肤是人体最 大的感官，人们很多时候联系外界都是靠肤觉，特别是对于聋、哑者来讲，肤觉可在一 定程度上取代视觉和听觉的功能。 触觉是皮肤表面受到机械刺激而引起的感觉，可以分为触压觉和触摸觉。刺激物轻 微触及皮肤表面，即能引起神经反应而产生接触感。加强刺激物的作用使皮肤变形，人 就会产生压迫感觉，这种压迫感觉就称为触压觉，也称为被动触觉。触觉感受器分布于 真皮之中，是迈期纳触觉小体和巴西尼氏环层小体。触觉传导通路由三级神经元组成。 触觉感受器发出的神经纤维进入到脊髓后柱的薄束和楔状束；由薄束和楔状束再发出纤 维到丘脑腹侧核；再由丘脑腹侧核发生纤维至皮层中央后回。身体不同部位的触压觉 3 沈政，林庶芝生理心理学 m 北京：北京大学f j 版社，2 0 0 7 年3 月第2 版 第二章相关理论综述 感受性相差很大，一般以活动性高的部位感受性高。额头、眼皮、舌尖、指尖等的感受 性高，躯干、胸腹部感受性低。一般来讲触压觉的适应性相当迅速。触摸觉靠肌肉的主 动运动与皮肤的联合感觉，又称为主动触觉。在利用触觉来感知物体的形态大小等特征 时，主动触觉往往是优于被动触觉的。 痛觉是皮肤受到伤害性刺激所产生的感觉。是有机体内部的警戒系统，能引起防御 性反应，具有保护作用。痛觉达到一定程度，通常可伴有某种生理变化和不愉快的情绪 反应。人的痛觉或痛反应有较大的个别差异。有人痛感受性低，有人则高。痛觉较大的 个别差异与产生痛觉的心理因素有很大关系。影响痛觉的心理因素主要是注意力、态度、 意志、个人经验、情绪等。痛觉有不同于其它感觉的特点，不论机械的、化学的、电的 等等刺激，只要达到一定的强度，即产生痛觉。它没有一定的适宜的刺激，也正是由于 这一点它才能对有机体起保护作用。痛觉的感受性在身体上的各个部位各不相同，背 部和面颊感受性最高，手的感受性较差。痛觉常常不能精确定位，痛觉的适应也很差。 关于痛觉的产生机制，较有影响的是痛觉的阀门说。痛觉阀门说由罗纳德梅扎克 ( r o n a l dm e z a c k ) 和帕瑞克活尔( p q t r i c kw a l l ) 于1 9 6 5 年提出。据此理论，小的 感觉纤维传递痛觉，并能使处在脊髓中的t 细胞兴奋，t 细胞传递的冲动在皮层被感觉 为痛；但大的感觉纤维抑制t 细胞的活动。当小纤维的的冲动微弱而大纤维的冲动强时， 则t 细胞被抑制。反之，当小纤维的冲动强时，t 细胞则被兴奋，冲动则可通过t 细胞 传向中枢，从而产生痛觉。这个学说可以解释幻肢痛觉。 温度觉是由冷觉与热觉两种感受不同温度范围的感受器感受外界环境中的温度变 化所引起的感觉。对热刺激敏感的叫热感受器；对冷刺激敏感的叫冷感受器。低于皮肤 温度即生理零度的温度刺激作用于皮肤即产生冷觉，高于生理零度的温度刺激作用于皮 肤即产生热觉。与生理零度相同的温度刺激皮肤不产温度觉。温度觉的强度取决于温度 刺激强度和被刺激的部位。温度感受器为罗佛尼氏小体一热感受器和克劳斯氏球冷感 受器。它们在受机体内部热量作用时，也同时受到环境温度的刺激。身体的不同部位， 温度觉的感受性不同。如用热水先脸时，手试水温合适的，但洗到脸上时却觉得烫。一般 面部皮肤感受性高，下肢皮肤感受性低。 振动觉是当音叉或其他振动物体与皮肤接触时所引起的感受，一般认为振动觉没有 独立的外周感受器，它是皮肤反复受压力刺激而引起的感觉。引起振动觉的刺激频率为 1 5 1 0 0 0 赫，其中人对2 0 0 赫左右的振动频率最为敏感。 2 5 2 肤觉信息的传递与处理 信息是人们认识世界的基础，信息本身不是物质，也不是能量，而是在物质相互作 用中表现出来的一种物质的普遍属性。在人机工程学认为，在人与机器发生关系和相互 作用过程中，最本质的联系是信息交换。人在人机系统的作用，在某种程度上讲是做信 息的传递与加工，了解人和提高人的信息传递能力，对人机系统设计是非常重要的。 人的肤觉信息主要指皮肤所接受的感觉刺激，包括触觉感受、压感、痛感、冷热感 等等，它们都是外界的物理或化学物质对皮肤及皮下组织的作用产生的。人对肤觉信息 江南大学硕士学位论文 的处理也是通过人体信息处理系统，皮肤接受到外界条件的刺激以后，会把所受刺激通 过神经系统，经过肤觉的感觉通路，将感觉信息从初级中枢传递到大脑皮层中的高级中 枢没，完成肤觉的感觉过程。大脑进行分析、判断和决策，会发出相应的指令，通过输 出神经纤维的神经末梢，传递给运动器官，转化为操作者的行为，这样就完成了人们对 肤觉信息处理的整个过程。 信息处理的核心在于判断。人对信息的判断水平，除了跟已有的自身的知识经验以 外，还跟自身感觉器官的技能状态有关。我们知道人具有多种感受信息的感觉通道。所 谓感觉通道，是指个体接受刺激和传入信息形成感觉经验的通道，负责接收或输入信息。 根据感官及其经验的不同可分为视觉通道、听觉通道、嗅觉通道、味觉通道、温度觉通 道、触压觉通道、振动觉通道和运动觉通道。它们都有专门化的感受器，每一种感受器 通常只对一种能量形式的刺激特别敏感。这种刺激就是该通道的适宜刺激或适宜信号。 除适宜刺激外，各感觉通道对其他能量形式的刺激不能或不易传送。如视觉通道可顺利 地传送可见光信号，但不能传送声音信号；听觉通道可顺利地传送声音信号，但不能传 送光学信号。通道对传送刺激信号的能量形式、能量品质和能量大小都有严格的要 求。每一种感觉通道传递信息的能力都有一定的限度，当超出这个限度的时候，感觉 系统就会出错。如图，我们可以了解肤觉的感觉通道的机能特征。 视觉听觉嗅觉肤觉味觉 刺激种类光声音气味触、压、温度物质刺激 反应时间o 1 8 8 0 2 0 6o 1 1 5 0 1 8 2 o 2 0 0 o 3 7 0 0 1 1 7 一o 2 0 lo 3 0 8 一1 0 8 2 ( s ) 刺激情况 瞬间瞬问一定时间瞬间一定时间 感知范围有局限性无局限性空气流动影响无局限性无局限性 感知灵敏度高很高高一般低 作用 鉴别报警、联络报警 鉴别、报警报警 图2 4 感觉通道的机能比较 2 5 3 肤觉的功能 皮肤是人体最的感觉器官。我们每个人都有通过皮肤感知外界环境的冷热；对也能 感知作用于人的物体的温度。肤觉中的触觉( 包括振动觉) ，对人具有特殊重要性。肤 觉中的触摸觉是触觉与肌肉运动觉的结合，主要是指人手的触摸觉，它不但能感知客体 表面的光滑、粗糙，还能感知物体的长短、大小，以及物体的形状。所以人手是通过长 期进化而形成的人的重要的认识器官，也是可操纵各种工具进行劳动的器官。在人的生 活实践中起着非常重要的作用。特别是对丧失视觉的盲人来讲，触摸觉就尤其重要，他 们可以通过触觉感知人的面孔、感知周围的物体，还可以用手识别盲文，进行阅读。他 们的触觉会比正常人更为发达，在科学上叫感觉补偿或代偿。所以，肤觉在人认识外界 事物的重要手段，人手触摸觉在认识世界和创造世界的劳动中有着特殊重要性。 第二章相关理论综述 此外，肤觉还是人们社会交际过程中的重要行为方式。从人与人之间的交往方式来 讲，肌肤接触，是婴儿早期与成人交往的一种方式。有资料表明，1 9 世纪早期，在美国 社会福利院里生活的婴儿，几乎得不到触摸抚爱，尽管他们的其他基本需要得到了满足。 这中触觉不满足，对其身心发展造成很大影响，当他们年龄大时，性格上就会出现不愿 让人触摸，适应力较差，社交能力欠佳等特点，与正常环境中成长的，得到触觉满足的 孩子相比，在生活中会有更多焦虑和紧张，社交上有更多的退缩，积极主动性欠缺。对 成年期的人来讲，被别人触摸或触碰，或去触碰别人，已成为很重要的社会交际方式之 一。在人的体态语言中就有触觉成分。人的身体动作能表达情感的微妙变化，常常比话 语更能传递我们的感受，体态语言往往是会不由自主的泄露，难以有意识地控制。比如 西方国家的人多为互相拥抱，亲吻脸颊，中国人喜欢互相握手问好。在人的情绪泄露方 面，也涉及触觉，如有人会在害怕时手摸鼻子、害羞时手指碰嘴唇，或是用手遮眼睛。 在人与物的交流过程中，肤觉所体现出来的情感因素也同样能得到体现。设计物作 为与人最密切的事物，无时不刻保持着跟人的亲密接触。有时候，人的心