基于人机交互的绳锯机设计研究.pdf

密 级 硕硕 士士 学学 位位 论论 文文 （全日制专业学位硕士）（全日制专业学位硕士） 题题目目 基于人机交互的绳锯机设计研究基于人机交互的绳锯机设计研究 （英文）（英文）________ Research On Wire Saw Machine Design __ __ __ ________ Based on Human-Machine Interaction __ __ __ 研研 究究 生生 学学 号号 1804301020 研研 究究 生生 姓姓 名名 赵天雨赵天雨 指导教师姓名、职称指导教师姓名、职称 梁惠萍梁惠萍 副教授副教授 企业导师姓名、职称企业导师姓名、职称 邹韬邹韬 设计总监设计总监 申申 请请 学学 位位 类类 别别 艺术硕士艺术硕士 领领 域（研究方向）域（研究方向）艺术设计（产品与服务设计）艺术设计（产品与服务设计） 论论 文文 答答 辩辩 日日 期期 2021.06.02 万方数据 万方数据 摘要 I 摘要 金刚石串珠绳锯法是现代石料行业较先进的加工方法， 基于这项技术的绳锯机产 品广泛应用于矿山荒料开采加工行业。目前市场上的绳锯机产品技术较为成熟，大多 数课题的研究重点是产品本身的力学稳定性和机器切割效率， 缺乏针对产品使用者的 人机交互可用性研究。优秀的机械产品不仅需要满足功能需要，也需要提高产品可用 性和用户体验以满足心理需要，进而提高产品区分度和市场竞争力。因此，对绳锯机 产品进行人机交互设计，改进其人机交互界面和产品交互功能，提高操作效率和用户 满意度是非常必要的。 本文首先对绳锯机产品的国内外发展历程、研究内容和技术要点进行了概述。其 次归纳了机械产品人机交互设计的方法， 并对绳锯机产品进行了理论应用总结和设计 要素分析。然后，通过竞品分析对市场产品的主机模块、控制器模块和支架模块进行 对比；将使用者分为新手用户和专家用户进行访谈以了解用户需求；建立用户模型和 定位产品功能；确定绳锯机产品的人机交互设计原则，控制器界面的设计原则是准确 性、易用性、反馈性和美观性，整体产品的设计原则是安全性、表现性、精细性和简 洁性。之后，深入研究分析人体生理尺寸数据和用户关键交互行为，确定绳锯机产品 的功能尺寸和各人机交互部位的设计优化方向； 进行了基于人机交互的绳锯机产品设 计实践，包括控制器模块、主机模块、支架模块和产品配件。最后，对绳锯机产品的 人机交互设计方案进行评价，建立绳锯机控制器界面可用性评价模型，通过眼动追踪 试验和主观评价的方法评价了控制器界面的人机交互可用性， 通过专家小组主观评价 的方法评价了整体设计方案的可行性。 本文的设计研究方案有效提高了绳锯机产品使用者的操作效率和用户体验， 提高 了产品的人机可用性和市场竞争力， 为绳锯机类矿山机械产品的人机交互设计和评价 提供了参考和借鉴。 关键词关键词绳锯机；界面设计；外观设计；人机交互；可用性 万方数据 Abstract II Abstract The diamond bead wire sawing is an advanced processing in the modern stone industry. The wire sawing machine products based on this technology are widely used in the mining industry. At present, the technology of wire saw products on the market is mature, and most of the subject product research focuses on mechanical stability and machine cutting efficiency, and there is a lack of human-machine interaction usability research for product users. Excellent mechanical products not only need to meet functional needs, but also need to improve product usability and user experience to meet psychological needs, thereby improving product differentiation and market competitiveness. Therefore, it is very necessary to design the human-machine interaction of the wire saw product, improve its human-machine interaction interface and product interaction function, and improve the operation efficiency and user satisfaction. First, this article summarizes the development history, research content and technical points of wire saw products at home and abroad. Secondly, this article summarizes the of human-machine interaction design of mechanical products, and conducts the theoretical application summary and design element analysis of the wire saw machine product. Then, compare the mainframe modules, controller modules and bracket modules of the market products through competitive product analysis; divide users into novice users and expert users to conduct interviews to understand user needs; establish user models and locate product functions; determine the wire saw Design principles of machine products. The design principles of the controller include accuracy, ease of use, feedback and aesthetics. The design principles of the whole machine include safety, expressiveness, refinement and simplicity. After that, this paper analyzes the human body physiological size data and important user interaction behaviors, determines the functional size of the wire saw machine product and the design optimization direction of each human-machine interaction part; conducts the design practice of the wire saw machine product based on human-machine interaction. Including controller module, host module, bracket module and product accessories. Finally, this article uates the design scheme of the wire saw machine product, establish the interface usability uation model of the wire saw controller. Through eye tracking test and subjective uation to verify the controller of human-machine interaction interface usability, through expert group subjective uation to verify 万方数据 Abstract III the feasibility of the overall design scheme. The design and research plan of the wire saw machine effectively improves the users operating efficiency and user experience, improve the products man-machine usability and market competitiveness, and provide a reference for the man-machine interaction design and uation of wire saw mining machinery products. Keywords wire saw machine; interface design; exterior design; human-machine interaction; usability 万方数据 目录 IV 目录 摘要 ................................................................................................................................ I Abstract ......................................................................................................................... II 目录 ............................................................................................................................. IV 第一章 绪论 ............................................................................................................... 1 1.1 课题的研究背景 ....................................................................................... 1 1.2 国内外研究现状 ....................................................................................... 2 1.3 研究目的和意义 ....................................................................................... 3 1.4 课题的研究内容 ....................................................................................... 3 1.5 课题的研究方法 ....................................................................................... 4 1.6 主要创新点 ............................................................................................... 5 1.7 课题的研究框架 ....................................................................................... 6 第二章 绳锯机人机交互设计理论 ........................................................................... 7 2.1 人机交互设计概述 ................................................................................... 7 2.1.1 广义的人机交互 ............................................................................... 7 2.1.2 狭义的人机交互 ............................................................................... 8 2.2 人机交互设计发展 ................................................................................... 9 2.3 人机交互设计应用 ................................................................................... 9 2.3.1 人机交互界面设计 ........................................................................... 9 2.3.2 人机交互产品设计 ......................................................................... 10 2.3.3 人机交互可用性评价 ..................................................................... 10 2.4 人机交互设计要素 ................................................................................. 13 第三章 绳锯机人机交互设计研究 ......................................................................... 14 3.1 产品研究 ................................................................................................. 14 3.1.1 控制器人机交互分析 ..................................................................... 17 3.1.2 主机人机交互分析 ......................................................................... 18 3.1.3 支架人机交互分析 ......................................................................... 18 3.2 用户研究 ................................................................................................. 18 3.2.1 用户访谈 ......................................................................................... 19 3.2.2 用户人机交互需求 ......................................................................... 20 3.3 绳锯机设计定位 ..................................................................................... 21 3.3.1 目标用户定位 ................................................................................. 21 万方数据 目录 V 3.3.2 人机交互设计定位 ......................................................................... 22 3.4 绳锯机人机交互设计原则 ..................................................................... 22 3.4.1 界面人机交互设计原则 ................................................................. 22 3.4.2 整机人机交互设计原则 ................................................................. 24 第四章 绳锯机人机交互设计实践 ......................................................................... 25 4.1 人体生理特征分析 ................................................................................. 25 4.1.1 人体测量数据 ................................................................................. 25 4.1.2 人的视觉特征 ................................................................................. 26 4.1.3 作业空间范围 ................................................................................. 27 4.2 绳锯机产品控制器设计 ......................................................................... 29 4.2.1 控制器界面人机交互设计 ............................................................. 29 4.2.2 控制器整体设计 ............................................................................. 31 4.3 绳锯机产品主机设计 ............................................................................. 33 4.3.1 主机人机交互设计 ......................................................................... 33 4.3.2 主机整体设计 ................................................................................. 33 4.4 绳锯机产品支架设计 ............................................................................. 36 4.4.1 支架人机交互设计 ......................................................................... 36 4.4.2 支架整体设计 ................................................................................. 37 4.5 绳锯机产品配件设计 ............................................................................. 39 4.5.1 机头控制器设计 ............................................................................. 39 4.5.2 电源防尘罩设计 ............................................................................. 41 第五章 绳锯机人机交互设计评价 ......................................................................... 43 5.1 控制器界面可用性评价模型 ................................................................. 43 5.1.1 眼动试验指标 ................................................................................. 43 5.1.2 界面可用性量表 ............................................................................. 43 5.1.3 可用性评价模型 ............................................................................. 44 5.2 控制器界面人机交互可用性评价 ......................................................... 44 5.2.1 眼动试验设计 ................................................................................. 44 5.2.2 眼动试验过程 ................................................................................. 46 5.2.3 眼动试验数据分析 ......................................................................... 46 5.2.4 可用性量表数据分析 ..................................................................... 48 5.3 产品人机交互设计整体评价 ................................................................. 49 5.3.1 整体评价指标 ................................................................................. 49 5.3.2 评价结果分析 ................................................................................. 50 万方数据 目录 VI 第六章 总结和展望 ................................................................................................. 51 6.1 研究总结 ................................................................................................. 51 6.2 研究展望 ................................................................................................. 52 参考文献 ..................................................................................................................... 53 致谢 ............................................................................................................................. 56 作者在攻读硕士期间的主要研究成果 ..................................................................... 57 附录 绳锯机设计评价问卷 ....................................................................................... 58 万方数据 第一章 绪论 1 第一章 绪论 1.1 课题的研究背景 石材是人类最早开发的天然材料之一，因其质地坚硬和储量丰富的特点，广泛应 用于建筑、交通、装饰等诸多行业。随着社会对石材需求的不断提高，石料的开采技 术也得到相应的同步发展。石料最早的开采方式是人力开采，它作为一种最原始的方 式既费时又费力；进入工业革命后，人类开始利用机械技术进行山石开采；炸药出现 后，爆破技术作为一种可以提高效率的方法被大量应用[1]，如今，爆破技术也逐渐被 更高效、 环保的开采技术所替代。 各个国家的主流开采技术各不相同 有火焰切割法、 跳钻法、爆破法和金刚石串珠绳锯切割法。 金刚石串珠绳锯切割技术在国际上是一种公认的比较先进的切割技术， 其工作原 理是由电机带动带有金刚石锯齿的串珠绳围绕被切割物做高速旋转运动， 从而进行切 割，绳锯机产品切割石料工作状态如图 1-1 所示，金刚石串珠绳如图 1-2 所示。绳锯 机主轴可以通过双回转机构改变串珠绳方向，进行任意方向、任意厚度、任意角度的 切割，绳锯机的工作原理如图 1-3 所示。因此，基于金刚石串珠绳锯切割技术开发的 绳锯机产品是大理石、花岗岩等石材开采的主要设备，具有效率高、成材率高、成本 低和安全环保等诸多优点[2]，广泛地应用于矿山荒料开采加工行业，它可以大幅度提 高山石的产量，满足市场需求，应用前景广阔。 图 1-1 绳锯机切割石料 万方数据 基于人机交互的绳锯机设计研究 2 图 1-2 金刚石串珠绳 图 1-3 绳锯机工作原理 1.2 国内外研究现状 绳锯机最初产生于 1968 年，其设计理念由英国人浦劳斯提出，他将金刚石和钢 丝绳结合，生产出最早的金刚石串珠绳；1978 年在意大利成功的进行了第一条金刚 石串珠绳锯割实验；1990 年第一台数控绳锯机开始投入生产[3]；随着 CNC 数控技术 的发展，四轴金刚石绳锯切割机在 1997 年正式投入使用，大大降低了了复杂石料异 性面的切割难度，从此，绳锯切割技术进入了基于数控技术的智能化时代[4-5]。近年 来，因为金刚石串珠绳锯法所具有的优点，绳锯机也已被逐渐引入到海洋管道切割等 特殊行业领域[6-7]。在 2000 年 8 月俄罗斯核潜艇“KURSK”号的打捞工程和 2003 年 7 月英吉利海峡 “ TRICOLOR” 号货船的打捞工程中， 均采用绳锯机作为切割设备， 减少了大量的工程时间和工程成本。到目前为止，国外的绳锯机产品在技术和市场上 占据领先地位。 我国的绳锯切割技术发展始于上世纪 80 年代，当时从国外引进了大量绳锯机用 于矿山开采。近年来，绳锯机技术在我国的发展迅猛，国产绳锯机品牌相比进口设备 拥有较高的性价比优势，逐步占据了国内大量市场，广泛地应用于大理石、花岗石等 万方数据 第一章 绪论 3 荒料的开采、整形及板材加工的石材领域，建筑拆迁及海洋管道锯切领域。炎辉等[8- 9]通过分析研究国内外绳锯机的相关技术资料，从需求功能原理结构的循环映 射，确定了超大功率的绳锯机机械结构。梁凤顺等对超大功率绳锯机的关键技术进行 了研究与设计[10]， 按照模块化设计思想， 将绳锯机的功能机构及控制系统划分为驱动 功能模块、导向功能模块、行走功能模块和控制功能模块。这种方式便于绳锯机产品 的设计、制造 、使用和维护，显著提升了产品的应用水平和适应范围。通过绳锯机 技术的发展和应用，我国的石材行业有了跨越性的进步，但与国外相比，我国矿山荒 料开采用绳锯机技术扔有较大的研究空间。 1.3 研究目的和意义 通过国内外研究现状发现， 目前国内外绳锯机产品的研究重点大多集中在功能创 新和如何提高开采效率上，对于绳锯机使用者本身的人机交互使用研究较少。现代 机械产品的人机交互设计中突出强调使用者的核心地位和主导作用， 绳锯机与使用者 的关系必须是“机宜人”和“人适机”的有机结合，以保证人机效能。对绳锯机产品 的人机交互方式进行设计研究与改进，可以有效提高使用者的操作体验，降低学习成 本和误操作概率，进而提高石材开采的工作效率。此外，从设计学的角度分析，国内 现有的绳锯机产品功能相同，造型相似，市场竞争激烈，缺乏其它的有效竞争力。利 用设计手段改进产品的人机交互体验和产品功能， 以增加产品的用户满意度和市场识 别度，可以有效提高绳锯机产品的市场竞争力。 1.4 课题的研究内容 本论文的主要研究工作内容共有四个部分 第一部分是对人机交互理论在矿山机械产品上的应用进行研究。首先，从广义和 狭义两个方面对人机交互设计进行定义和阐述。其次，整理了国内外人机交互设计的 发展过程。然后，对人机交互设计中的界面设计、产品设计和设计评价方法进行总结 和分析，应用于绳锯机产品。最后，对绳锯机产品的设计要素进行说明，用于指导后 续设计研究的展开。 第二部分是研究绳锯机产品特点及其用户特征， 由此得到绳锯机交互设计定位和 设计原则。首先，通过产品调研分析不同绳锯机的特点。其次，通过用户调研整理绳 锯机产品的用户需求，总结产品痛点。然后，根据以上调研结果进行绳锯机产品的设 计定位，制定绳锯机产品的典型用户模型。最后，对绳锯机产品的界面设计原则和整 机设计原则进行总结分析，为下一步的设计实践提供指导。 万方数据 基于人机交互的绳锯机设计研究 4 第三部分是研究绳锯机产品用户的人机交互行为要素， 并进行绳锯机人机交互设 计实践。首先，分析人体工程学中的人体测量数据、人的视觉特征和作业空间范围， 总结绳锯机产品的相关人体尺寸。然后，结合以上设计原则，对产品各部分的人机交 互界面和产品交互功能进行设计，得到绳锯机产品的人机交互设计方案。 第四部分是对绳锯机产品人机交互设计方案的研究评价， 通过眼动追踪试验和可 用性评价量表，从客观和主观两个角度评价绳锯机产品控制器的人机界面方案，通过 主观评分对比，评价绳锯机产品整体设计方案。首先进行眼动测试的试验设计，确定 试验的样本、任务和过程，将测试数据和图片对比分析。然后基于系统可用性量表制 定出绳锯机控制器界面可用性量表，将打分评价的结果进行独立样本 t 检验后列表对 比。最后制定出产品整体评价指标，进行焦点小组讨论后对比分析评价分数。 1.5 课题的研究方法 本课题采用人机交互的研究方法，解决用户安全、快捷操作机器的设计问题；使 用交互设计方法、体验设计方法研究控制器的人机界面设计；使用人机工程学、感性 工学等技术改进现有机体的人机交互部分，具体的研究方法如下。 （1）文献综述法通过查阅绳锯机研究和人机交互设计的文献书籍，深入了解 绳锯机产品和人机交互设计相关的国内外学术研究成果和研究方法， 整理分析后总结 出绳锯机设计优化的方法和方向。 （2）用户调研本课题研究的目标人群为矿山工人，使用问卷、跟踪等方法获 取他们的基本信息，选取代表用户进一步深入访谈，了解他们的生理特征、行为特征 等。将矿山工人的问卷、访谈结果量化为各类指标数据，分析矿山工人使用绳锯机的 各层次需求，作为深化设计的依据。 （3）观察法在矿山工人操作使用绳锯机作业的过程中认真观察他们的具体行 为，并记录现场画面，通过图片和记录分析出现有绳锯机产品的问题和矿山工人的需 求，为绳锯机的设计实践提供较为可信的数据参考。 （4）跨学科研究法设计是一门综合性学科，在对绳锯机产品的人机交互设计 研究中会涉及到结构学、心理学、行为学、人类工效学等许多领域的内容。本次绳锯 机产品设计实践中会将前面获得的产品信息和用户信息进行整合汇总， 以此指导绳锯 机的人机交互设计实践