电子加工放板机器人操作界面分析研究
钟炜垠 于帆 戈文
摘要：目的分析现使用的工业机器人放板机操作界面不易用等的原因，基于此研究分析的基础上提高操作界面的易用性。方法通过对操作界面进行视觉焦点实验，结合人体工学及界面设计相关理论将现使用的工业机器人放板机界面上存在的问题进行分类并分析说明产生问题的原因。结论工业机器人放板机操作界面存在着若干影响操作者使用体验的问题，这些问题造成不同程度的干扰、困惑或误解，对这些问题进行界面的改良可以极大地减少操作上的误判并能提高其易用性。
关键词：工业机器人 人机工程学 界面设计 服务化思维
中图分类号：TB472 文献标识码：A
文章编号：1003-0069（2017）04-0136-03
引言
改革开放以来，依靠人口红利的优势使国家经济快速崛起，但随着人口红利优势渐渐失去，各生产要素成本的不断攀升。为促进传统制造业发展，由国务院颁发推行实施的制造强国战略文件——《中国制造2025》，其最重要的一项便是发展机器代人。工业机器人面對日益精进的市场环境，纵观其操作界面的研究却依旧却步于产品功能性为主导的设计，缺少以用户为中心的服务思维导入。操作界面所存在的问题会直接影响操作者的判断，在一个复杂的生产加工环境中，一个简单的失误都有可能会产生严重的后果。
一、工业机器人研究背景
如今大量的企业开始筹划转型升级，希望通过转型升级来避免招工问题及提升企业竞争力。但事实上，招工难的问题不单单是低级技工上，从杨宜勇一文中提及2014-2015中国就业形势，从文中了解，全国制造业对各阶段技师、技能人员的需求不断上升，且在数量只占全国就业人员总量的19%左右，高级技能人才的数量更只占5%，技能劳动者总量严重不足。实际上中国所推行的制造强国战略正需要这群技能型的劳动者，受产业需求变化和劳动力供给变化的共同影响下，中国的劳动力市场是无法满足需求转型的企业。
2013年是中国工业机器人发展的元年，其购买量占全球的20%，成为全世界最大的机器人市场。在巨大的市场背后，中国自生产的工业机器人在国内机器人市场的份额只有13%，然而在其中的高端工业机器人市场份额仅仅占4%。这就意味着中国自生产的工业机器人从市场份额上看是发展不均匀且缺乏竞争力的。
本小节在于分析工业机器人的社会需求，若能提高操作界面的易用性，则对于高级技能人员需求便能大大减少，工人更容易学会操作工业机器人；若能提高操作系统的易用性，则能形成自身的竞争优势，以促进国内工业机器人的发展，在缓解招工难问题的同时，提升国产工业机器人操作系统的竞争力。
二、工业机器人复杂的系统
（一）工业机器人相关概念阐述
“工业机器人”一词由美国机器人协会于1960年提出，其定义为“用于进行搬运机械部件或工件的、可编程序的多功能操作器，或通过改变程序可以完成各种工作的特殊机械装置。先进的工业机器人被称为“当代最高意义的自动化”。工业机器人的出现，目的并不是为了完全代替劳动力，而是将人从繁杂、危险的工作中解放，人和机器都有着在工业装备生产中各自领先的优势，机器人在于重复性的工作上，而人类则是能够快速应对新环境及能动地解决新问题。
（见图1）工业机器人主要包括3大部分6个子系统组成，3大部分指机械部分、控制部分和传感部分。6个子系统可分为驱动系统和机械结构系统（机械部分）、人机交互系统和控制系统（控制部分）、机器人-人机环境交互系统和感受系统（传感部分）。本文研究内容是控制部分下属的人机交互系统的软件操作界面。
人机交互系统是指人与计算机之间通过某种互相识别的“语言”或者沟通技巧，来完成人向计算机传达指令，或者计算机将运算结果反馈给人的交互方式，使实现人与计算机之间沟通的一种信息交互方式。人机交互系统的研究受到用户认知、用户需求；工作环境布局、采光、温湿度；设备操作高度、人的合适操作高度、国家安全规范等因素的影响。
（二）人机界面与工业机器人
人机界面的理解可以分为广义人机界面和狭义的AM界面：
（见图2）广义人机界面是指在人机系统模型中，人与机器之间交流与反馈、操作与执行都需要有一个相互理解的载体，如一个按键或一个提示声，通过人按下，机器开始执行程序，而机器执行时发出的声音，又在反馈给人。而这就是一个简单的闭环人机系统。
狭义的人机界面则专指计算机系统中的人机界面（Human-Computer Interface，HCI），是研究人与计算机之间传递和交互信息的媒介，它结合了人机工程学、心理学、图形艺术和认知科学等交叉领域。
人机界面在早期是研究计算器辅助方面，后来逐渐运用到硬件人机系统中。（见图3、4）在走访上海凯思尔电子有限公司（系统集成商）时了解到，该企业所设计的放板机器人操作界面并没有针对操作者认知程度来进行设计，而是通过开发人员自身的认知而设计出来。在资源相对匮乏的年代，没有必要将用户为中心的思想放置在产品设计中。至今，市场已经证明这样生产的产品必然失去竞争力，只有将服务化思维贯彻而终才能使企业利于不败之地。
回顾到移动设备上来看，移动端上的界面设计研究的程度比任何一种设备都要深入和成熟，而且触屏移动设备的出现才短短的几年时间。当然移动设备飞速的发展是与销售市场脱离不了干系的。实际上两者之间具有一定的相似性，移动设备上的单线程交互方式非常符合工业机器人的软件操作界面的使用。
（三）定制的工业机器人产品
上海凯思尔电子有限公司主要业务为线路板钻孔，成型、线路板生产设备及零部件的研发与制造，随着工业机器人爆发式增长以来，该企业专门成立工业机器人系统集成部门，以适应新的市场环境。也就是“系统集成商”，这是一种类似中介性质的行业，通过从各大工业机器人生产企业中购买机器人，然后根据制造企业的条件和需求，量身定做相适应的工业机器人，所有的环境测量与分析，零部件生产、加工、装配和集成，系统软件开发与调试等的工作都是由系统集成商完成。
企业主要整合工业机器人放板机，其主要的工作内容是搬运电子线路板。线路板的生产过程中会因为各种因素导致电路板报废，由于线路板不同的尺寸、结构或运输等的因素，使加工过程中产生5%-10%左右的报废率，而导致报废率大的其中一个环节就是在搬运过程上。通过人手去搬运一整块未经切割的电路板，细小的裂痕、汗渍或变形都会导致电路板报废，而这正是该环节产生高成本的主要原因。
工业机器人是不能直接购买使用，是需要系统集成商集成系统后才能使用。涉及到工业机器人系统的开发复杂。从时间上计算，从客户下订单开始，不包含前后期的评估与测量，集成商也需要60天到90天的时间才能完成一台工业机器人的生产。（见图5）项目开发流程分为3个部分，分别是售前、售中和售后。售前主要是客户需求确认及客户工厂勘测等问题；售中为项目各零部件制造与组装，系统开发与测试；售后则更多是关于产品维修等的服务。
工业机器人产品的功能因顾客不同的使用而有所不同，但其具有一定的共性。放板机会用于电子线路板的搬运，但会因加工环境、加工流程、企业的需求等的不同而有所改变。基于这样的背景下，工业机器人操作界面的研究就具有共性与特性的区别。以服务思维贯穿整个产品服务体系中，能够促使系统集成商所整合的产品更容易被市场认可。
三、放板机器人操作软界面分析
（一）界面视觉干扰
界面设计中最常见的一种问题就是视觉的干扰，它涵盖面很广，从色彩到排版，这些问题都会产生不同程度的干扰，会影响使用者对信息的正确判断，以工业机器人为例，若出现了错误的判断很容易让操作者作出紧急制动的操作，每一次的紧急制动会暂停加工线的生产，从而导致企业生产效率低等问题。然而，由错误判断产生的紧急制动所连带的问题都只是生产效率上的问题，若出现突发事故，而反馈信息受到干扰，导致紧急制动操作被忽视，或许就会引起大的问题。所以，视觉上的干扰是显示界面中直接影响设备安全性的最大问题之一。
（图6-10）为放板机操作系统界面设计（图7、8）为眼动实验的结果，测试时间为3秒）。（见图6）右上为系统启动界面，右下为警报历史记录，左图为手动模式一机器人操作界面，整个界面采用了7种颜色，分别是大红、翠绿、蓝绿、天蓝、橘黄、淡黄和土黄，和2种无色系，为浅灰和黑色。7种颜色中大红和翠绿这两种颜色的纯度最高，也是最为吸引人注意的地方。界面中出现纯度高且面积较大的色块时，人的视觉中心就会聚焦于此，所以纯度高的颜色更多地使用在警告或短时间的提示页面中。而该界面中大面积采用纯色，为引起操作者的注意，在所有重要的地方都使用了纯色。这样设计的初衷是为了提醒，但反而会引起视觉干扰，警告色的使用应符合规定的基础上合理地分配，而不是常驻提示。
（图7）显示的内容为警报的历史记录界面，通过眼动实验发现，初期操作者的目光会被大面积的纯色块吸引，但随之注意力便开始飘浮于各种不同的颜色或者符号上。这种设计会导致无法迅速地传达信息，而使操作者作出錯误判断或忽视重要的信息。合理地使用色彩可以提高界面的易用性，能帮助用户以最快的速度理解设计人员想要传达的信息，同时色彩可以使界面更加生动，富有艺术性。
视觉干扰除了色彩上的影响外，还有由于版面布局及信息反馈不清晰所导致的视觉干扰。（见图8）被试者产生“跳跃分散式”的视觉轨迹，证明其视觉焦点正在飘浮不定，原因便是界面中存在过多的相似点及信息归类编排上存在误点。从左图视线轨迹可以看出，被试者在界面上无规律的扫视，界面缺少引导性的功能。
（二）界面层级、信息反馈不清晰
界面层级不清晰导致最直接的问题便是操作者会忘记当前页面地址，会开始思考自己的操作是否有问题，优秀的界面设计应当是无需思考的，或者按照常识就能分辨出。而信息反馈不清晰则会导致操作者困惑，使其产生一些多余的操作及不好的体验。（图9）为手动模式中外部设备控制界面，图中通过两种颜色标记了相应的问题，如橙色框标记了层级反馈问题，操作者无法分清是属于哪一个页面，操作者要通过过多的操作来实现位置定位。而蓝色框内显示的是信息反馈不清晰的问题，按键按下后，信息反馈不明显令操作者不知道功能是否被激活。
（三）界面操作逻辑的统一性
界面中存在操作逻辑不一致的交互，同一功能的操作方式不应该出现两种或以上的操作方式，特别是在一个严谨的工作环境中，环境的特殊性要求在这样的一个工作环境中操作的方式应尽量统一。（见图10右），为一般功能按键的操作方式，类似于按键的触屏点击，而左图中“掉板检测功能”、“序列放板功能”及“出板控制”这3个功能从视觉上，根本无法辨识出，其激活的方式就是点击选择。
操作者使用产品的预期与机器反馈信息内容转换不当，会形成用户认知偏差，操作逻辑是操作者学习使用界面时首先学会的内容，习惯了的操作逻辑会成为一种无意识行为，界面设计应尽量使用统一的操作逻辑，以减少用户使用的困惑。
（四）功能可识别性Afrordance
功能可识别性（Afrordance）是由知觉心理学家J.J.Gibson创造出来的词汇，以描述当一位行为者（一个人或者动物）和外界相互作用时的行为属性。简言之，减少用户对于功能按键或操作上的误判断或达到一眼就能了解其相关信息。功能可识别性应用的领域广泛，大到整个交通运输系统，小到水杯、茶壶。一个好的设计具备自我解释（self-explanatory）的功能。如在商场中见到的各种标识，厕所标识，收银标识，咨询标识等，尽管从没有了解过该商场的平面结构，标识上也没有任何的文字说明，但是依然能在最快的速度找到目标的位置。自解释图形的运用能大大提高界面的可用性，减少界面的学习成本。
（五）服务附加功能
为提高系统的可用性，（见图11）可以尝试在界面上添加一些管理者需求的功能，图中的功能为协助企业计算生产线产量及当班产量，类似这种附加的功能对于企业的管理而言是非常便利的，服务化思维的导入应不单单在于提高产品的单体性能，而是在使用体验的整个过程。新的功能可通过用户研究分析电子加工企业的共性需求及个性需求，将功能设置成模块化的形式，以供企业选择添加。
结语
随着《中国制造2025》政策的进一步深化，工业机器人将会迎来大面积的使用，面对竞争日益激烈的销售市场，只有将服务化思维贯彻到产品服务的整个过程中，才能使生产商立足于市场。放板机器人使用的环境不允许存在任何让操作者产生困惑或错误的操作，一个简单的失误或许会导致严重的后果，这便要求人机交互界面足够合理、易用、安全。将界面设计相关理论引入到操作界面中，不但能提高易用性，更能提高生产效率，节约成本。
