基于公理设计理念的软袋包装机械操作显示界面的研究与.pdf

天津大学 硕士学位论文 基于公理设计理念的软袋包装机械操作显示界面的研究与设计 姓名 翁云云 申请学位级别 硕士 专业 工业设计 指导教师 谢庆森 20090601 中文摘要 人机操作界面属于人机交互科学 是工业设计研究的重点 我国对于人机操 作界面的设计则刚刚从过去的程序设计和图形设计的认识逐步发展到以用户研 究为核心的设计开发思路 然而这种研究大多集中于日常的消费品 在大型机械 设备的研究与应用中仍属空白 目前 人机界面的优化设计在中国工业设备领域 已成为一种趋势 本论文将从公理设计的观点出发 即采用理性精确分析人机交互设计的所有 层次和人机操作界面元素 来解决包装设备及生产流水线设计中尚存在的设计师 以感性方式解决问题的现象 而导致人机操作界面设计不精确 不能弥补操作人 员的失误问题 使得设计条理化 严谨化 定量化 从而以理性和逻辑的思维探 索人机交互界面所存在的问题 来指导设计的完成 比如 建立用户模型 操作 失误的研究 界面易操作性分析 从而提高人机界面的操作可靠性和安全性 并 以设计心理学 人机工学 产品语义学为设计指导思想 对包装机械的操作界面 如何更好的符合用户 以人为中心做设计 建立一个良好的人机系统 文中公理设计分析所得的设计原理和方法对今后的包装设备以及所有机械 的人机操作界面设计将有所帮助 有利于最大程度的实现包装机械的操作使用目 标 充分发挥包装机械在现代化生产及制造中的重要作用 关键词 公理设计操作界面软袋包装机械用户研究界面设计 A B S T R A C T M a n m a c h i n eo p e r a t i n gi n t e r f a c e f a l l i n gw i t h i no fc a t e g o r yo fh u m a n c o m p u t e r i n t e r a c t i o ns c i e n c e i st h ek e yr o l ei ni n d u s t r i a ld e s i g n T h ed o m e s t i cr e s r a r c ha b o u tt h e m a n m a c h i n ei n t e r f a c ed e s i g nd e v e l o p m e n tf o c u s e s0 1 1t h eu s e r H o w e v e r t h i sk i n do f d e s i g nm a i n l yc o n c e n t r a t e s0 1 1t h ed a i l yc o m m o d i t i e s T h er e s e a r c ha n da p p l i c a t i o ni n m e c h a n i c a le q u i p m e n ti ss t i l lav i r g i ng r o u n di nO U I c o u n t r y I ti sat r e n dt oo p t i m i z e t h eh u n m a n c o m p u t e ri n t e r f a c ed e s i g ni ni n d u s t r i a le q u i p m e n ti nC h i n a I nt h ev i e wo fA x i o m a t i cD e s i g n i na l ll e v e l so fh u m a n c o m p u t e ri n t e r f a c e d e s i g no fp a c k a g i n gl i n ee q u i p m e n t d e s i g n e r ss t i l ls o l v ep r o b l e m sw i t he m o t i o n w h i c hc o u l dr e s u l ti n i n a c c u r a c ya n dm o r ee r r o r si np r a c t i c a lo p e r a t i o n T h e p h i l o s o p h yo fA x i o m a t i cD e s i g n i st h a ts y s t e m a t i c r i g o r o u sa n dq u a n t i t a t i v e r a t i o n a l a n dl o g i c a lt h i n k i n g S o w ec a ns t u d yt h ec a s eo fi n t e r f a c ed e e p l ya n de f f e c t i v e l y I n t h ei s s u eo fi n t e r f a c e w es h o u l ds o l v ep r o b l e mw i t hl o g i ct h i n k i n g d od e s i g no nb a s i s o fA x i o m a t i cD e s i g n S Oa sp r e d e s i g n i n gw o r k s u c ha s t h ee s t a b l i s h m e n to ft h eu s e r m o d e l o p e r a t i o no ft h eq u a n t i z a t i o ne r r o r si nr e s e a r c h p r o d u c to fr e l i a b l ea n a l y s i s a n a l y s i so f p r o d u c t se a s e T h e n w ew i l lm a k et h er e s e a r c hm o r er e l i a b i l i t y m a k et h e o p e r a t i n gi n t e r f a c eo fp a c k a g i n ge q u i p m e n tb e t t e rt om e e tt h eu s e r s d e m a n d st oe r e a t au s e rm o d e li no r d e rt ot h ee s t a b l i s h m e n to fag o o dh u m a n m a c h i n es y s t e m T h eg u i d e l i n e sf r o mA x i o m a t i cD e s i g nf o rt h ed e s i g no ft h ep a c k a g i n ge q u i p m e n t a sw e l la sa l lt h em e c h a n i c a lh u m a n m a c h i n ei n t e r f a c ew i l lh e l pt om a x i m i z et h e r e a l i z a t i o no ft h eo p e r a t i n g A n dp a c k a g i n ge q u i p m e n tw i l ld ow e l la sa ni m p o r t a n t r o l ei nm o d e r n i z a t i o no fp r o d u c t i o na n dm a n u f a c t u r e K E YW O R D S A x i o m a t i cD e s i g n T h eO p e r a t i n gI n t e r f a c e S o f t b a gP a c k a g i n g E q u i p m e n t U s e rR e s e a r c h I n t e r f a c eD e s i g n 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作和取得的 研究成果 除了文中特别加以标注和致谢之处外 论文中不包含其他人已经发表 或撰写过的研究成果 也不包含为获得鑫注盘堂或其他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己在论文中 作了明确的说明并表示了谢意 魏篇以一飙1 年 日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解墨盗盘堂有关保留 使用学位论文的规定 特授权墨鲞盘堂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 并采用影印 缩印或扫描等复制手段保存 汇编以供查阅和借阅 同意学校 向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘 保密的学位论文在解密后适用本授权说明 学位论文作者签名 么 导师签名 学位论文作者签名 相矿纵 导师签名 签字日期 卵 年6 月 日 铆肌严钿 日 锄 天津大学硕士学位论文 第一章绪论 第一章绪论 1 1 课题的研究背景和研究意义 1 1 1 课题的研究背景 科学技术一次次的进步推动着社会不断地前进和发展 人类的生活质量也得 到了空前的提高 在人类社会文明的发展过程中 工业设计伴随着大工业生产技 术 艺术和经济的发展而产生 1 1 在工业设计的发展史中层出不穷的设计运动和 设计风格 无不包含着对人类需求的不同程度的理解和满足 每一种新的设计运 动的出现 都是对人的关注提升到了一个新的高度 这也正是设计的发展趋势 2 机械化生产是工业革命的产物 它是时代经济 技术和文化的内在反映 随 着计算机时代的到来 高信息密集度的科技化的生活 使得人与物 人与人 人 与环境之间的关系变得越来越疏远 乏味和冷漠 人们的情感 精神不能随着科 技的发展而得到相应的满足 科学技术日益膨胀 通讯设备日益快捷 机械自动 化加工日益快速 信息多层面传递的加速 让我们节省了很多的时间和空间 但 是其背后的人本价值 包括文化 传统 习俗 历史经验 回忆以及一些自然属 性 都在逐渐丧失 因此 追求一种科技与情感的平衡成为必然 技术的特质奇 迹和人性的精神需要平衡起来 实现从强迫性技术向高技术和高情感相平衡转 变 这也是反映了 为人而设计 的设计本质 机械设备作为社会的一部分 绝不是工业经济时代所扮演的无情 冰冷的物 理功能角色 应针对人的本质 自然的属性 演绎情感化设计 综上所述 我们 设计的最终目标 在于以系统观 全局观出发 综合考虑人 物 自然的相互关 系及其发展趋向 更好地解决人类深层次的需求问题 情感需求 个人价值实现 等等 为人创造合理 健康 自然的生存方式和生存环境 1 1 2 研究意义 在目前 我国大部分企业实力还并不强大 人机界面设计开发失利承受力还 不很强的情况下 如何系统地 有条理地 有根据地认识和评价设计 使其符合 操作规律和市场需求 就需要对设计再认识 对用户进行研究 使设计分析条理 化 理性化 避免将人作为 生物人 的片面评价和走出笼统地说 人机界面设 天津大学硕士学位论文 第一章绪论 计 科学技术 艺术 的简单误区 本课题的研究意义在于 在大量的人机界面设计文献研究的基础上 结合包 装机械的界面特点和以往机械设备人机界面设计的经验 以公理设计的分析方 法 从理性思维出发 归纳出包装设备的人机界面设计的设计原则 以对今后的 包装设备以及所有机械的人机操作界面设计有所帮助 再者 一个良好的机器操 作界面不仅有利于用户的学习 操作 降低出错率 而且在一定程度上有利于操 作者的身心健康 更重要的是 最大程度的实现包装机械的操作使用目标 充分 发挥包装机械在现代化生产及制造中的重要作用 1 2 课题的主要内容和创新点 1 2 1 课题的来源 本课题依据江阴市纳尔捷机器人有限公司的包装机械设备的设计项目为具 体案例 为研究提供了有利的条件和支持 方便从生产现场发现问题 总结问题 进行观察 分析和研究 1 2 2 课题的研究内容 本课题的研究对象是软袋装箱机 属于包装机械设备 是不同于日常生活中 所用的工业产品 是工业设备中较为典型的一类 尤其在自动化技术发达的今天 工业设备和流水线作业当中出现了许多新的人机问题 如 操作的反馈 如何避 免误操作和操作的直观性 操作显示界面的布局和视觉效果等 本课题将基于公理设计的优化设计方法 从人机工学 情感化设计的观点出 发 以包装机械设备及生产流水线的设计为例 使得设计条理化 严谨化 定量 化 以理性和逻辑的思维探索人机交互界面所存在的问题 对包装机械的控制单 元的位置 角度 操作与显示的相合性 操作键的形状 布局及软件的界面进行 分析 提出目前设计中尚存在的问题 为下一步的设计提出依据 创建用户模型 以人为中心做设计 建立一个良好的人机系统 1 2 3 课题的创新点 长期以来 我国的机械设备的界面设计只是单纯地满足功能特性 而忽略人 天津大学硕士学位论文 第一章绪论 的特性 人的认知过程以及色彩对于人的影响等等 甚者 有些机械设备的人机 界面设计还沿用上世纪8 0 年代初的设计 缺乏 人性 的界面设计 使用过程 中事故的发生 一次又一次引起了我们对于人机界面设计的思考 而就包装设备 及生产流水线的设计中来说尚存在设计师以感性方式来解决问题的现象 从而导 致在人机操作界面设计的不精确 不能弥补操作人员的失误问题 本文在设计界感性思维风行的背景下 进一步探讨人机界面的设计方法 强 调人与机械之间的互动 提出在人机界面设计中着重理性分析的新方法与理念 填补了机械设备类操作界面设计中的不足 1 3 公理设计理论的发展和应用 1 3 1 公理设计简介 公理设计理论 A x i o m a t i cD e s i g n T h e o r y A D r 是美国麻省理工大学 M I T 机械工程系N a mP S u h 教授提出的 公理设计旨在为设计建立一个科学依据 为 设计师提供一个基于逻辑和理性思维过程及工具的设计理论 改进设计师传统的 感性思维习惯和行为习惯 通过为设计领域创造一个科学的基础 使人类设计师 更有创造性 使随机搜索过程减少 使迭代试错过程减少 使迭代试错过程最短 在提交的诸多设计中 确定最佳设计方案 并赋予计算机创造力 3 由于设计通常是与智力活动和创造联系在一起 以及它的复杂性和不可捉摸 性 人们往往认为它是依靠人的直觉 天赋和经验 但是设计必须发展它的科学 基础 这就是设计理论 在设计学中存在若干如力学中的牛顿定律一样的公理 它们控制着设计活动的诸多方面而没有例外 遵循这些公理和由之而产生的定理 和推理 在设计中就可以理性地分析并导向正确的结果而不必通过失败后反复修 正或在设计中留下不可挽回的后遗症 较之已有理论仅仅停留在物理的和技术的 层面 公理设计触及设计活动更深层次的规律 即功能域和信息含量 从而可以 控制更大范围的设计过程 S u h 教授提出的公理化设计A D A x i o m a t i cD e s i g n 理论的出发点 4 是将 传统的以经验为基础的设计活动转变为以科学公理 法则为基础的设计公理体 系 公理化设计理论认为 在设计过程中设计问题可分为四个域 即 用户域 C u s t o m e rD o m a m 功能域 F u n c t i o n a lD o m a m 物理域 P h y s i c a lD o m a m 和过程域 P r o c e s sD o m a m 每个域中有各自的元素 即用户需求 C u s t o m N e e d s 功能要求 F u n c t i o nR e q u i r e m e n t s 设计参数 D e s i g nP a r a m e t e r s 和 天津大学硕t 学位论文第一章绪论 丁艺变量 P r o c e s sV a r i a b l e s 整个设计过程实际就是四个域之间的映射过程 见 图j 1 公理化设计提出了两个重要的设计公理 1 独立性公理 T h eI n d e p e n d e n c e A x i o m 保持功能要求的独立性 2 信息公理 T h e I n f o r m a t i o n A x i o m 力求使设计的信息量最少 独立公理说明功能需求 F R s 必须保持独立 此处的F R s 被定义为表征设 计目标的独立需求的最小集合 信息公理说明 在那些满足独立公理的设计中 具有最小信息量的的设计就是最好的设计 当信息含量有限的时候 必须通过用 户研究或其他途径为设计提供信息 公理设计除咀上2 个公理外 并有推理8 个 一般的设计定理2 6 个 与大系统的设计和分解有关的定理9 个 设计和运行大 型组织机构的定理3 个 与软件设计有关的定理2 个 公理化设计的两个设计公理可以在设计过程中帮助设计者判断设计的合理 性 但是如果旋现设计不满足设计公理的要求 设计者只能凭经验去修改 公理 设计的应用会提高创造力 它要求通过建立功能需求和约束来清楚的形成设计目 标 它提供好和坏的设计的判g 准则 帮助尽可能地消灭坏的想法 使设计师集 中精力于有指望的设计 同时公理设计形成分解过程 使得从概念到设计形成一 个系统的流程 c A L 竺 型 F R jL 竺墅J D P 世 P v 圉 I 公理设计的四个域 1 3 2 国内外公理设计的应用和研究现状 历史上 希腊人最先使用公理 最早应用公理的例子也许是欧式 E u c l i d 几何 这些公理曾对制造业 航海业和几乎所有科学技术领域 现代数学基础的 诞生起过程大的作用 公理是不能推导出来的 也没有反证和例证外的事实 许多科学技术领域把 天津大学硕士学位论文 第一章绪论 它们的进步归功于公理的存在和发展 它们已经经历了从基于经验的实践向采用 基于公理的科学理论和方法并应用的过渡 在这种意义上 公理设计实际上是追 随着科学技术发展的历史趋势的 公理设计理论在产品设计领域有重要的影响 目前有代表性的应用主要集中 在机械产品设计方面 实际上 公理化设计适用于所有设计 如产品 过程 系 统 软件 组织 材料和商业计划等 是其它设计理论和设计方法的基础 5 在国外 公理化设计方面的研究主要有 6 N a mE S u h 给出了公理化设计的 基本原理 设计框架 设计的一般过程以及简单的应用实例 D L i n d h o l m 等人将 公理化设计理论应用于设计过程的决策问题 根据设计分解的过程进行推理 得 到设计决策树 M a t sN o r d l u n d 等研究了公理化设计理论在商业上的应用前景和应 用实践 V i g a i nH a r u t u n i a n 等研究了基于公理化设计理论的产品设计的决策系统 及其开发辅助公理化设计软件的内容和意义 J a s o nD H i n t e r s t e i n c r 等研究了将公 理化设计用于控制系统 建立了系统构模型和系统控制模型 并研究了公理化设 计软件的设计过程 S C Y L u 等建立了协同设计过程模型 用社会技术框架解决 协同设计中的冲突问题 N i c o l aC a p p e t t i 研究了机动车上电池支撑板模糊设计的 公理化决策方法 将公理化设计方法用于设计方案的选择 国内对公理化设计的研究才刚刚起步 主要是应用公理化设计的思想和理论 在产品设计上的应用 主要研究的内容有 杨培林等利用公理化设计的基本思想 对产品并行设计过程进行分析和描述 提出了产品并行设计策略 陈永亮等根据 公理化设计理论 对模块化柔性生产线方案的设计过程进行分析 张瑞红等将公 理化设计用于系统设计 将两条设计公理作为系统设计的指导思想 对产品进行 稳健优化设计 陈小川等运用公理化设计理论对优化设计 可靠性设计和D F X 方法进行集成研究 并建立了面向成本设计的成本估算框架 吴斌等以公理化设 计为基础 对需求产品进行定义 建立了需求产品的模型 唐敦兵等将公理化设 计的 之 字形映射方法应用于并行设计的研究 宋慧军等提出了域结构模板的 概念 对公理化设计进行了扩展 1 4 人机界面的现状与发展 1 4 1 人机界面简介 狭隘的人机界面是指计算机系统中的人机界面 H u m a n C o m p u t e rI n t e r f a c e H C I 又称人机接口 用户界面 U s e rI n t e r f a c e 它是计算机系统中最年轻的 天津大学硕士学位论文第一章绪论 分支 人机界面学是 I 关于设计和评估以计算机为基础的系统并使这些系统能 够最容易地为人类所使用的学科 图1 2 经过多年的发展 人机界面学正由一 门仅针对从事人机交互方面工作的专业人员的单纯学科 逐渐演变成 f 广泛适 用于各类计算机及产品界面设计人员和高级设计工程的应用学科 7 1 环 境 l 信息储存 稿八辙比 信息储存 入 l 信息储存 机 7 人 界 i 机 信息储存 面 I 信息储存 输出 瓤入 信息储存 图1 2 入机系统的组成部分 图1 3 人机界面的组成 环 境 一般来说 人机界面是由人 硬件 软件三者相结合而构成的 图1 3 缺 一不可 人机界面介于机器系统和用户之间 是机器和人之间传递 交换信息的 媒介 是用户使用机器系统的综合操作环境 剐 人机界面的核心内容包括显示风 格和用户操作方式 它集中体现了机器系统的输入 输出功能 以及用户对系统 的各部件进行操作的控制能力 界面所包含的因素是极为广泛的 但在运用中却 天津大学硕士学位论文 第一章绪论 只能有侧重 有强调的把握 设计因素虽多 但它仍是一个不可分割的整体 新时期的人机界面将更加强调 以人为本 自然和谐 的交互方式 以此 为宗旨实现人机的高效合作 新一代的人机交互技术将朝着集成化 网络化 智 能化 标准化发展 1 4 2 人机界面的现状与所存在的问题 现代生活正走向信息化 产品的发展也反映了生活方式的变化 当我们使用 各种信息产品的时候 必然会接触到这些产品的外观与数字化的操作界面 界面 是人与机器交流的中介 工业设计是将高科技技术转化成可以为人所使用的产品 的关键 并传达出功能信息和文化信息 人机操作界面包括硬件界面和软件界面 近年来随着计算机科学的蓬勃发展 人机操作界面的问题已然成为国际设计界最 为活跃的研究方向 目前 人机界面正朝着 软 界面发展 对于 操作界面 合理性 方便性 和精确性要求信息传输展示的界面更加人性化1 9 传统的设计主要从人机 硬 界面 技术基础 功能分析 结构分析 技术工艺 的角度对产品界面进行设计 而信息设计则更多的关注 软 界面结构 输入输出方式 界面显示及控制元 素 交互方式 功能分布 信息界面的设计 硬 界面和 软 界面相结合 深入人机界面的设计和开发 也有利于产品真正塑造 以人为本 的形象 l o 设 计应当以用户为中心 以用户的需求和利益为基础 用户界面是产品的灵魂 直 觉的逻辑菜单结构 易读的字体 艺术的图形和有趣的动画对友好的用户界面都 是有益的 目前 人机界面的主要系统和编程软件主要有P L C 驱动器 M i c r o s o f t W m d o w sX P 和M i c r o s o f tW m d o W SC E 以及L i n u x 在通讯领域最近较多使用的技 术包括串行通讯技术 专有网络和O P C 技术 然而对于在应用和软件支持方面 预警和图像动画占据了前两位 还包括多国语言支持 多编程语言支持 W e b 浏 览器和低配置客户端 1 1 1 据C o n t r o lE n g i n e e r i n g 和R e e dR e s e a r e hG r o u p 在2 0 0 8 年 底的研究表明入机界面市场发展迅速并具有美好的前景 人机界面的产品也是以几近无限的型式 形状 尺寸 颜色和特性出现 它 们迅速普及 在工厂车间被广泛的使用 其附加的特性和功能提高了工作效率和 精度 图l 4 图1 5 近几年 随着计算机技术的迅速发展 机械设备领域也受到其深刻影响 机 械设备的新原理 新工艺和新技术不断涌现 使得机械设备在大型 复杂 高精 度 多功能等方面出现一次又一次的飞跃 技术的发展使得人们对于机械设备操 天津大学硕士学位论文第一章绪论 作人员的要求也越来越高 如何设计更加人性化的界面 使得界面更加友好也越 来越受到人们的关注 陶 5 A u t o m a t i o nD i r e e l 公司的Cm o r e M i c r o O r a p h i c 面板产品线包括高对比度面板 价格 1 3 9 起 3I 英寸的组件具有触摸式和非触摸式两种版本 i 4 3 人机操作界面的理论研究现状 1 4 3 1 认知心理学与人机界面 S t a u f e r 1 9 8 7 通过研究发现 人眼观测屏幕的时候 视知觉注意并不均匀 如图1 6 所示 往往对左上角比较敏感 占4 0 右下角虽不敏感 只占1 5 这两者相差两倍之多 这意味着对于重要的信息和按键要放置于左上角 在显示界面设汁中有一些突出的信息 如主菜单和经常要查询的信息以及重 要信息都要放在左上角 机械设备的操作显示界面是通过视觉元素的引人注目而 实现其信息内容的传达 为了使操作者更有效率地操作 使得包装机械的功能得 天津大学硕士学位论文 第一章绪论 到更大发挥 显示界面的设计必须适应人们视觉流向的心理特征和生理特征 1 3 1 由此来确定各种视觉元素的秩序 4 0 2 0 2 5 1 5 图1 6 视觉在屏面上的分布 用户注视的对象反映他们意图方向 在用户操作中 眼的扫描表现了人的行 动特性和认知过程 眼的浏览路径主要有两种运动形式组成 凝视和扫视 1 4 见 图1 7 按照行动的心理特征 用户首先建立一个行动目的 确定了行动目标 以目标指导眼扫视 也就是说 在扫视之前已经计划了扫视的方向和距离 扫视 主要用于搜索视野 把选择的目标图像置于视网膜的中央凹 这个部位的敏锐度 最高 看得最清楚 行动计划中包含了眼的运动 还包括控制头和人体一些部位 的运动 使他们符合或者弥补眼的运动 在搜索一个目标时 如果用户是经过许 多扫视和凝视之后才找到目标 表明他经过了许多尝试之后才发现目标 这意味 着 如果信息设计不当或人机界面设计的不好 会错误地引导用户 分散注意力 造成工作效率的降低 图1 7 凝视与扫视 天津大学硕士学位论文第一章绪论 浏览显示界面时 如果图标分组和布局设计得很好 按功能或概念分组 用户就能很快发现目标 形成直接快速的搜索路线方式 而随意排布的图标会误 导用户 导致盲目的搜索行为 把图标按功能分组可以减少浏览路径和搜寻面积 范围 而设计不好的人机界面导致搜寻的方向性差 较多扫视和凝视 搜寻效率 低下等 用户的凝视涉及到信息的复杂性 用户对信息的知觉处理过程以及认知处理 过程 包括 视觉发现 区分 识别 记忆和认知方面的回忆 含义理解 记忆 等方面 记忆主要有两种表现形式 回忆和识别 l5 1 大多数的操作界面都会为使用者 提供大量的信息 因此减少用户学习记忆操作 是机械设备操作界面设计的一个 重要思想 个良好的界面应该减轻用户对操作的记忆 在人机界面中要尽量减少必须 学习的信息总量 当学习无法避免时 应该用记忆线来帮助回忆 因此 界面设 计应当提供记忆辅助工具 如何利用人的记忆特点 减轻人的记忆负担是设计人 机界面需要重点解决的问题之一 英国心理学家M a r kL a n s d a l e 对信息检索问题所 作的多年的研究可用于文件的搜索 他建议把信息检索分成两个过程 先是定向 记忆 后是扫描识别 l6 前一个过程指的是使记忆中的信息尽可能贴切地描述所 需检索的信息 如定向记忆失败 无法获取所需信息 则进入下一个过程 即浏 览各个文件目录 根据这一理论 一个良好设计的人机界面应允许用户使用自己 的记忆来尽可能的缩小搜寻空间 并在界面上显示这个区间 这样能够有效地帮 助用户查找所需的内容 l 孔 对于操作界面一些术语用户往往根据自己的专业知识来推测其含义 1 8 如果 界面使得用户感觉生疏 这就势必要求用户在操作机械之前拥有一定的专业知 识 相应的 在设计中 界面的文字设计要符合通用的专业词汇标准 不该用生 僻的词汇 在菲茨 F i t t sP o s n e r 1 9 6 7 理论的基础上 安德森 A n d e r s o n 1 9 8 3 提 出获取认知技能的3 个阶段 他认为学习的过程要经历 认知 联想 自主三个 过程 1 9 1 按照这个理论框架 我们可以解释用户学习操作包装机械设备的基本过 程 1 认知阶段 又可称之为陈述性知识学习阶段 操作者要逐条学习相关概念和操作规则 然后把这些操作规则看作各种简单任务情境下的运用 把各种操作规则和情境任 务看作为一组事实 经常复述 反复练习这些事实 被保留在活跃的工作记忆 短 时记忆 中 在学习操作过程中 记忆每个命令最常用的一种操作和一个参数 天津大学硕士学位论文 第一章绪论 这样可以促进他们的学习和记忆 因为在大脑中 陈述性知识和过程性知识都被 融入 各种相关的概念和过程被联系在一起 有利于向第二阶段转化 2 联想阶段 当用户基本能够完成各种操作过程后 进入联想阶段 这时 他们逐渐发现 并减少了最初理解的错误 各种概念和操作之间的联系被逐渐加强 死记硬背的 陈述性知识逐渐转换成操作方式 成为一套操作技能 人们知道怎样去完成各种 任务 从而形成比较熟练的过程性知识 3 自主阶段 当人的操作技能越来越熟练 操作速度越来越快 逐渐变成自动化的过程 技能的获取便达到了自主阶段 由于技能变得熟练 操作过程逐步适合人具体特 征 这一特性称之为操作的 协调 其主要标志是 很少出现偶发性错误 可 以并行进行两件事情 1 4 3 2 人机工程学与人机界面 当机械大工业迅速发展 如何有效操纵和控制机械的问题导致了人机工程 学 二战后 随着体力的简单劳动转向脑力的复杂劳动 人机工学也进一步地扩 大到人的思维能力的设计方面 捌 使设计能够支持 解放 扩展人的脑力劳动 人机工学的发展给社会尤其是机械工业带来了革命 它在一定程度上减少了 职业病和事故的发生 让工作和生活环境的设计适合人的生理心理特点 使得人 能够在舒适和便捷的条件下工作和生活 人机工程学就是为了解决这样的问题而 产生的一门工程化的科学 现在 人机工程学已发展为一门多学科交叉的工业设 计学科 研究的核心问题是不同的作业中人 机器及环境三者间的协调 研究方 法和评价手段涉及心理学 生理学 医学 人体测量学 美学和工程技术的多个 领域 研究的目的则是通过各学科知识的应用 来指导工作器具 工作方式和工 作环境的设计和改造 使得作业在效率 安全 健康 舒适等几个方面的特性得 以提高 人类工效学的研究和人机关系是这个学科的核心内容 在本课题的设计 中 人机工程学的相关知识也是很重要的方面 在人机操作中人机工学的主要应用点为 l 人体工作行为 解剖学和人体测量 工作事故 健康与安全 2 认知工效学和复杂任务 环境人机工程 3 计算机人机工程 显示与控制布局设计 人机界面设计与评价 4 工业设计应用 包括 操作舒适性研究 工作负荷分析 5 工作程序 人机实践规则 手工操作负荷 天津大学硕士学位论文第一章绪论 1 4 4 公理设计分析与人机界面 设计的公理法是强大的 由于公理的可归纳性 它可以推出一些推理和定理 这些定理和推理也都可以用来指导设计 并精确地预测它们的有效性边界 由于 在人机界面的设计中依旧存在以感性的方式解决问题的现象 从而导致操作人员 的失误问题和界面指示性不明 反馈不当 公理设计的方法可以运用到人机操作 界面的设计分析中来 由于公理法建立在对好的设计决策和过程抽象的基础上 因此 公理设计将会在人机界面的设计中扮演一个重要的角色 将会为人机操作 显示界面的设计提供一个良好的分析 决策平台 天津大学硕士学位论文第二章软袋包装机械操作显示界面的公理设计特征 第二章软袋包装机械操作显示界面的公理设计特征 2 1 包装机械操作设计分析 人机操作界面的设计 核心是设计分析 经过分析 设计师有了明确的概念 与目标 并随信息的交互产生了创造力 另一方面 设计师自身对社会环境也要 进行深入的认识与考察 对设计的作品取向有明晰的认识 是否符合人们的操作 预期 是否能感受到人们的审美知觉 日本设计师佐野邦雄先生曾作一图一生 活的变迁与设计师的课题 将日本及世界上某些非常有影响性的事件 如技术的 进步 企业的发展等等都进行了归纳 进而对设计有了深入的认识与感悟 9 J 所 以 要运用好设计的界面 理性的认识是首要的 其次就是创造性的 而且是有 实效性地分析 处理信息 2 1 1 软袋包装机械的简介 根据中国包装网数据显示 2 0 0 5 年我国包装机械产量增加到6 7 万台 套 到2 0 1 0 年将增至9 3 万台 快速发展的食品加工业 需要大量高品质的包装机械 和食品加工机械 这给包装机械制造行业带来了商机 目前 我国食品加工能力 还远不能满足需求 因此在提高农副产品深加工能力的同时 食品机械和包装设 备的需求就必然加大 据有关方面统计 到2 0 0 8 年国内市场食品机械和包装设 备的总需求为8 5 0 亿元左右 即每年保持1 2 以上的增长率才能满足市场需求 强劲的市场需求带动了包装机械行业的迅速发展 尤其是近几年来 我国的包装 机械行业通过引进国外先进技术 促进了该行业的发展 2 u 同时 国内的包装机 械行业在技术方面有了长足的进步 特别是在一些关键技术领域 已经取得了骄 人的成绩 可以与世界领先水平相媲美 技术上的差距 将随着我国自主研发能 力的提高而逐步被消灭 纵观近年来我国包装机械行业的发展 虽然销售额呈快速增长的趋势 但与 发达国家的产品相比较 仍然存在较大的差距 这里的差距主要体现在 硬 技 术和 软 技术两方面 首先是 硬 技术 主要表现在生产能力和控制 在线 监测以及能耗 稳定性等方面 而所谓的 软 技术 也就是区分于技术而言 它 主要是从操作工人出发所考虑的 2 2 在外观 操作和操作显示界面等方面的提高 天津大学硕士学位论文第二章软袋包装机械操作显示界面的公理醍计特征 与改进 对操作显示界面进行研究就是本文所要解决的问题 包装机械按功能可分为单功能包装机和多功能包装机口M 按使用目的可分为 内包装机和外包装机 按包装品种义可分为专j j 包装机和通用包装机 按自动化 水平分为半自动机和全自动机等 按产品状态分 有液体 块状 散粒体包装机 按包装行业分 有食品 臼用化工 纺织品等包装机 按包装工位分 有单工位 多工位包装机等 从国际上包装机械总的情况来看 比较科学的分类方法是按其 主要功能进行分类 它能抓住事物的本质 本课鹿所研究的载体为软袋装箱机 软袋包装是指采用柔性包装材料制成的 包装袋 并充填流动性与半流动性物料的包装形式 按其组成材料可分为塑料薄 膜 纸质 金属薄膜及复合材料等 按其外观形式又可分为枕型袋 平型袋和直 立袋等 软袋包装广泛应用于食品 化工 调味品 饲料添加剂 医药等 其包 装形式深受用户喜爱 因其柔性包装袋的特殊性 其装箱形式主要有收缩皮带式 图2 1 机器人式与机器人工辅助式 图2 2 在使用过程中 软袋在纸箱 中如何摆放整齐 除与软袋装箱机功能与结构相关外 还与软袋在装箱机前端输 送姿态有关 图2 1 江粥纳尔捷机器人有限公司生产的包装机械 天津大学硕士学位论文第二章软袋包装机械操作显示界面的公理设计特征 图2 3 软袋装箱机结构简囱 1 袋输送机构 2 B 袋收集机构 3 A 面纸垫板输送机构 4 纸箱输送机构 5 B 面纸垫板输送机构 B 操作面板 7 一机械手 天律大学硕士学位论文第二章软袋包装机械操作显示界面的公理设计特征 图2 4 装箱机系统组成简图 1 9 9 9 年 国际著名机器人制造商A B B 公司推出了I R B3 4 0F l e x P i c k e r D e l t a 机 器人 并配置了计算机视觉系统 用于食品 医药和电子行业 加速度可达 1 0 0 m s e c 2 但由于D e l t a 机构的三对称结构布局使其不具备优势作业方向 故不 太适合于在仅需机械手在一个平面内完成高速运动 而在其正交方向做长 短 距步进或缓进运动的工业场合 为此 天津大学的黄田教授利用平行四边形性质 提出了一种称之为D i a m o n d 的全铰接二平动自由度平面并联机构怛4 1 如图2 5 井将其与一单自由度进给机构串接构成一三平动自由度混联机械手 该机械手在 一个平面内加速度可达到1 2 0m s e e 2 图2 5D i a m o n d 并联机械手 架n 自臂 i 女 自 n 自 天津大学硕士学位论文 第二章软袋包装机械操作显示界面的公理设计特征 2 1 2 包装机械的操作分析 包装机械属于工业设备类产品 是一种专用性产品 它具有以下几个特点 l 安全性 安全是工业设备类最为重要的一点 也是机械自动化设备本身的一 个特点 重中之重便是要保障操作者及相关操作人的安全与健康 我们在这 里所说的安全与健康包括生理和心理的健康 2 操作的复杂性问题 随着科学技术的发展和自动化技术的进步 包装机械更 新换代的速度也在加快 功能较为复杂 操作复杂化 操作者需要花更多的 时间和精力来学习 增加了操作者的负担 3 专用性的问题 设备的功能朝着两个方面发展 一是功能多样化 比如一体 机的发展 二是功能目标单一化 比如封口机的目标就是完成封口 喷码机 的目标就是喷码等等 对多功能设备来说 在一定程度上其操作的复杂性会 远超过单功能设备 2 1 2 1 包装机械的操作空间分析 在操作中我们要注意安全性问题之外 也要看重操作的环境和作业的空间 操作的环境和作业空间在一定程度上影响了操作的安全性 当然 这与机械设备 的整体外观设计和结构设计有很大的关联 在此 我们简单讨论一下有关操作空 间的问题 由于考虑包装机械设备的整体工作环境 采用站姿操作E 2 5 1 以便操作者自由 移动身体 图2 6 为站姿活动空间 其中粗实线为手操作的最大范围 虚线为手 操作的最适宜范围 细实线为手可达的范围 阴影区表示最有利的抓握范围 图2 6 站姿活动空间 一1 7 天津大学硕士学位论文 第二章软袋包装机械操作显示界面的公理设计特征 当采用站姿作业时 上肢在水平面移动时形成的轨迹就是水平面作业范围 图2 7 中点划线是以肘为轴心的小臂回转区域 是水平作业的正常范围 由于作 业者操作时手肘也是移动的 实际上的水平面作业范围是图中粗实线的范围 水 平作业与垂直面作业相结合就是空间作业范围 如图2 8 所示的最小的区域是正 常空间作业范围也是最舒适的作业区域 在此空间作业不易产生疲劳 黛太 图2 7 水平作业范围 图2 8 空间作业范围 天津大学硕士学位论文第二章软袋包装机械操作显示界面的公理设计特征 2 1 2 2 包装机械的操作分析 安全性问题除了操作空间的因素 良好的环境可以减少出错率 提高安全性 在操作中 操作人员的出错和失误和安全问题息息相关 如何有效地减少出错和 失误 是我们要努力解决的问题之一 在生活中 我们总是在试图理解周围的一切 在面对操作面板和操作界面 我们也总是在努力理解各种按键和指示灯的作用 最令人沮丧的是 在面对着一 系列五花八门的按键和显示屏 我们无法理解 我们费力地寻找其使用方法 想 要明白其操作方法 我们必须知道机器工作原理的概念模型 更糟糕的是 我们 一旦不明白 就容易出错 2 6 一旦出错安全就没有保障 差错有几种形式 其中最基本的两种类型是失误和错误 失误是习惯行为引 起的 本来想做某件事 用于实现目标的下意识行为却在中途出了问题 失误是 下意识的行为 错误则产生于意识行为中 意识行为让我们具有创造力和洞察力 能从表面上毫不相关的事物中看出他们的联系 但是这一过程同样可以导致差 错 面对新情况时 我们能从少量信息中归纳出结论 这一能力至关重要 错误 的归纳很难被发现 更不用说去消除了 N o r m a 1 9 8 1 1 9 8 8 和R e a s o n 1 9 9 0 1 9 9 7 提出了相关的用户出错框架 2 7 具体如图2 9 所示 错误 知 l 刺激证据H 理解情景评价H 计划行为意图H 行为实施 广 记忆遗漏和模式失鬯 图2 9 用户出错的信息加工 一些失误是由动作之间的相似性造成的 有时是因为外界发生的某件事自动 引发了一个动作 而有些时候 是我们脑中所想的 手中所作的触发了我们原本 无意去做的动作 失误可以分成六类 撷取性失误 描述性失误 数据干扰失误 联想失误 忘记动作目的造成的失误和功能状态失误 2 8 1 撷取性失误是指某个经常的动作突然取代了想要做的动作 天津大学硕士学位论文第二章软袋包装机械操作显示界面的公理设计特征 2 描述性失误是一种普遍现象 假设本来预定要做的动作和其他动作很相似 如果预定动作在人们的头脑中有着完整精确的描述 人们就不会失误 否则人们 就会把他们与其他动作相混淆 把外形相同的开关排列在一起为描述性失误创造 了最佳条件 本来想按某一开关 却把另一个相似的按下去 这种失误在机器操 作上经常发生 3 数据干扰失误 人们很多动作都是无意识的 外界无关信息会影响我们的动 作 4 联想失误 如果外界信息引发了某种动作 那么内在的思维和联想同样能够 做到这一点 由于一些观念和想法产生的联想也会产生失误 5 忘记了本来要做的事是一种较常见的失误 但有时我们只忘记了某一个部分 6 功能状态失误 经常出现在多功能物件中 物品的操作方法多于控制器的数 目时 比如有些控制器有双重功能 这种失误就容易发生 当错误发生 一旦意识到 采取措施 防止事故发生 失误发生后 要能够 觉察到问题所在并加以纠正 从中吸取经验教训在今后的操作 工作中多注意防 止此类差错再发生 发生差错真正的罪魁祸首还是设计上的问题 2 9 使操作人员容易调错机器的 工作模式 读错仪表上显示的数字或者是对情况的判断出现偏差 减少差错最好 的办法是让产品不具备其它的功能 界面上不显示与当前操作无关的信息 限制 用户的选择范围 优秀的设计总是突出正确的操作方法 同时将不正确的操作匿 藏在用户的视线之外 设计拙劣的物品往往使用起来很难 让用户感到沮丧 他 们在操作线索上不提供任何线索或者提供了错误的线索 让操作人员陷入困境 破坏了正常的理解和解释过程 这个时候操作者也许要察看说明书或者反复试验 才可以得到正确的结果 优秀的设计是设计人员和用户之间的交流 只不过 我们交流的结果要靠产 品体现 产品本身要能说明问题 显示操作的结果也是设计的一个重要方面 假 设 没有反馈 用户会琢磨自己的操作是否产生了预定的效果 3 0 或许按键时用 的力量不够 或许机械停止运转 或许出现了操作失误 因为没有反馈 用户会 在不恰当的时间关闭或者重新启动机器 从而丢失刚刚完成的工作 或者是重复 指令 造成不良后