姜云娜,張曉亮,石 彰

(中國電子科技集團(tuán)公司第十一研究所,北京 100015)

1 引 言

單兵光電類手持設(shè)備作為常用的軍用武器裝備,具備跟蹤、搜索、瞄準(zhǔn)、態(tài)勢感知等功能,對保護(hù)人員及裝備安全,獲取敵方信息有重要意義,在國防建設(shè)和軍事發(fā)展中發(fā)揮著重要作用?，F(xiàn)代戰(zhàn)爭中,隨著戰(zhàn)場環(huán)境越來越復(fù)雜,人員和設(shè)備的良好配合至關(guān)重要。優(yōu)秀的裝備不僅應(yīng)具有高精尖的技術(shù)性能,也應(yīng)注重“人的因素”,以獲得優(yōu)良的人-機-環(huán)系統(tǒng)性能。

當(dāng)前,國內(nèi)的手持設(shè)備研發(fā)更多地注重技術(shù)功能的實現(xiàn),對作戰(zhàn)環(huán)境下用戶的使用效率、舒適度、安全性關(guān)注較少,缺少系統(tǒng)的分析。人作為產(chǎn)品的使用者,人機是否合理將直接影響產(chǎn)品的易用性及功效的發(fā)揮,如何提高產(chǎn)品與環(huán)境的適應(yīng)性,提升設(shè)備的友好程度是設(shè)計師應(yīng)關(guān)注的問題[1]。

本文以人機工程學(xué)為指導(dǎo),對單兵光電類手持設(shè)備進(jìn)行設(shè)計研究,基于人機工程學(xué)原理提出了具體有效的設(shè)計原則,并在此基礎(chǔ)上以手持熱像儀為例進(jìn)行人機優(yōu)化設(shè)計。該門學(xué)科的應(yīng)用對于提升產(chǎn)品可用性、使用效率及用戶體驗有很大意義,將促進(jìn)設(shè)備發(fā)揮最佳軍事效能。

2 人機工程學(xué)在單兵光電類手持設(shè)備中的應(yīng)用研究

人機工程學(xué)作為一門研究人、機、環(huán)及其相互關(guān)系的學(xué)科,在設(shè)計中注重對“人的因素”加以應(yīng)用與研究,以安全、高效、舒適等為指標(biāo),對產(chǎn)品設(shè)計中如何實現(xiàn)用戶、機器與環(huán)境整個系統(tǒng)的最優(yōu)性能有很大指導(dǎo)意義。[2]在軍用設(shè)備的設(shè)計中,軍隊人員、裝備與戰(zhàn)場環(huán)境組成了一個特殊的系統(tǒng),如何在復(fù)雜、嚴(yán)峻的環(huán)境中保證人員的安全與使用效率,不僅要求工程技術(shù)的可靠性,也對設(shè)備的人機性能提出了更高的要求。

對于單兵光電類手持設(shè)備而言,通過對其設(shè)計元素分析,如圖1所示,進(jìn)而總結(jié)該類設(shè)備的人機關(guān)系設(shè)計要點,基于人機工程學(xué)原理對其進(jìn)行設(shè)計指導(dǎo)。

圖1 設(shè)計元素總結(jié)

該類設(shè)備主要由物鏡、目鏡、操作界面、手持部位等組成。其中操作界面包括硬界面與軟界面,附件包括防滑手腕帶、鏡頭防護(hù)蓋等。人機工程學(xué)原理主要應(yīng)用于目鏡、操作界面及手持部位的設(shè)計中,該類設(shè)備的人機關(guān)系主要體現(xiàn)于以下幾點:(1)手部與設(shè)備握持部位的配合舒適度。該類設(shè)備由手掌與手指周向抓握,握持部位應(yīng)與手有良好的人機關(guān)系；(2)手腕、手臂軸線與設(shè)備握持方向一致[3]。設(shè)計時應(yīng)盡量保證手腕處于順直狀態(tài),減輕長時間使用設(shè)備的疲勞度；(3)設(shè)備硬界面設(shè)計布局與指端操作空間相適應(yīng)。設(shè)備應(yīng)使手指方便操作,相應(yīng)功能操作在手指的最佳活動范圍內(nèi)即可完成。(4)雙目鏡設(shè)備目鏡間距與瞳距相匹配。(5)目鏡軟界面的設(shè)計以用戶的使用習(xí)慣及操作頻率等為依據(jù)。合理的軟界面設(shè)計將很大程度上提高設(shè)備的可用性及使用效率。

因此,該類設(shè)備的人機工程學(xué)應(yīng)用主要從人體測量學(xué)數(shù)據(jù)、人機界面設(shè)計和造型設(shè)計等方面展開如下設(shè)計研究。

2.1 人體測量學(xué)數(shù)據(jù)在單兵光電類手持設(shè)備中的應(yīng)用

該類設(shè)備的直接接觸部位為手部和眼部,因而主要以該兩部分?jǐn)?shù)據(jù)為設(shè)計依據(jù)。

2.1.1 手部人機尺寸的應(yīng)用研究

長時間使用形狀和尺寸不合理的手持設(shè)備極易使人產(chǎn)生疲勞感。在設(shè)計實踐中應(yīng)根據(jù)設(shè)備類型及使用群體確定設(shè)備關(guān)鍵尺寸,選取手部適當(dāng)百分位數(shù)據(jù)(如圖2)為參考,并在此基礎(chǔ)上確定功能修正量與心理修正量。軍用設(shè)備應(yīng)遵循通用性設(shè)計原則以滿足軍隊大多數(shù)人使用,確保設(shè)備的普適性。

圖2 不同百分位手部關(guān)鍵尺寸[4]

按照國標(biāo)GB/T12985—1991的取值原則,該類設(shè)備屬于一般工業(yè)產(chǎn)品,應(yīng)選用男性P99、P95或P90作為尺寸的上限值依據(jù),選用女性P1、P5或P10為下限值依據(jù)。手長、手寬、食指長等作為關(guān)鍵數(shù)據(jù)決定了手持部位的長度、厚度及按鍵的尺寸與位置。

(1)手持部位長度:應(yīng)略寬于手寬,以成年男性P95和女性P5手寬為參考,手持處長度一般設(shè)計為100～125 mm。在此基礎(chǔ)上考慮功能修正量,當(dāng)戴手套操作時最小取值為114 mm。[4]

(2)手持部位厚度:合理的厚度可提升抓握舒適度,當(dāng)厚度過大時,易產(chǎn)生難以抓握感,掌部組織受力過大,降低了操作靈活性；當(dāng)厚度過小時,掌部貼合不緊易導(dǎo)致指端疲勞。此外,現(xiàn)有研究表明手指處于約150°的自然延伸狀態(tài)而非懸空態(tài)時最為舒適。

(3)按鍵、旋鈕的位置(以手持熱像儀為例):旋鈕、按鍵等控制器通常位于設(shè)備頂部及目鏡端,設(shè)計時應(yīng)保證當(dāng)手指自然延伸時,食指、中指、無名指指腹可恰好可觸及按鍵,如圖3所示。

圖3 握持部位設(shè)計

2.1.2 手的解剖學(xué)因素在手持設(shè)備設(shè)計中的應(yīng)用

腕關(guān)節(jié)的動作狀態(tài)如圖4所示,若使用設(shè)備時引起尺偏和腕外轉(zhuǎn)將增加腱鞘炎出現(xiàn)的機會,過度橈偏易引起網(wǎng)球肘。[4]因而設(shè)備應(yīng)保證用戶使用時手腕處于順直態(tài),使腕關(guān)節(jié)在水平、豎直兩個方向均為正中態(tài),保證設(shè)備的握持方向平行于前臂的軸線。

圖4 腕關(guān)節(jié)動作狀態(tài)及活動范圍

2.1.3 眼部人機尺寸分析

雙目鏡設(shè)備應(yīng)以眼睛瞳距為設(shè)計依據(jù),中國成年人男性瞳距一般為60～73 mm,女性為53～68 mm,在設(shè)計時兩目鏡距離一般取值為65 mm。如圖5所示。

圖5 目鏡尺寸

2.2 人機界面設(shè)計在單兵光電類手持設(shè)備中的應(yīng)用

該類設(shè)備的軟界面即目鏡顯示界面,硬界面即除此之外的操控接觸面,包括旋鈕、按鍵等控制器。

2.2.1 硬界面的設(shè)計

(1)語義傳達(dá):按鍵、旋鈕等作為整個設(shè)備的控制器,應(yīng)語義清晰,其自身形態(tài)、文字符號應(yīng)明確傳達(dá)出操作方式及功能信息。

(2)形狀與尺寸:小尺寸旋鈕一般由拇指和食指操作,鈕帽部分通常為增大摩擦力設(shè)計有凸棱。參考圖6旋鈕的操縱力與尺寸關(guān)系,操縱阻力為1.5～10 N的旋鈕直徑宜為8～10 mm如圖5(a)；操縱阻力為2～20 N的直徑宜為15～20 mm如圖5(b)。其中圓形按鈕直徑一般設(shè)計為8～18 mm,矩形按鈕宜設(shè)計為10 mm×10 mm、10 mm×15 mm或15 mm×20 mm。

(3)布局:操控區(qū)域的布局安排不僅應(yīng)滿足視覺平衡、不過于擁擠,且應(yīng)以操作的習(xí)慣、順序及頻率進(jìn)行排列。根據(jù)GB/T14775標(biāo)準(zhǔn)要求的控制器間距,當(dāng)僅為單指操作時,最小間隔為12 mm,一般為50 mm；當(dāng)各手指均需操作時,最小間隔為6 mm,一般取值12～13 mm,手持熱像儀作為多指操作設(shè)備,按鍵間距應(yīng)按該標(biāo)準(zhǔn)執(zhí)行。如圖7所示。此外,當(dāng)按鈕較多時,可對不同功能區(qū)加以編組,利用線條、色塊進(jìn)行區(qū)域劃分。

圖6 旋鈕的操縱力與尺寸關(guān)系

圖7 控制器的適宜尺寸及布局

(4)操作反饋:控制器應(yīng)通過操作反饋使用戶明確當(dāng)前操作已完成,可通過指示燈、按鍵的觸感以及轉(zhuǎn)動或按動時發(fā)出的聲音實現(xiàn)。[3]

(5)容錯設(shè)計:通過設(shè)計應(yīng)降低和避免不必要及錯誤的操作,以提升使用效率及安全性。

2.2.2 軟界面的設(shè)計

光電類手持設(shè)備的軟界面作為一切操作的集成,其可用性與交互性至關(guān)重要。良好的界面設(shè)計有利于用戶準(zhǔn)確有效地操作設(shè)備,在設(shè)計目鏡界面時,應(yīng)使其符合人機交流的規(guī)律與特性,滿足以下原則:

(1)簡潔明了、便于認(rèn)知:設(shè)計良好的系統(tǒng)應(yīng)具備簡潔明了、邏輯清晰的界面,減少用戶學(xué)習(xí)和記憶的負(fù)擔(dān)。

(2)高效:應(yīng)盡量減少操作的步驟且符合人的慣性思維,提高使用效率。

(3)美學(xué)要求:美學(xué)因素是影響用戶心理感受的重要因素,是界面設(shè)計的基本要求,應(yīng)合理進(jìn)行色彩設(shè)計并按調(diào)和對比等形式美法則完成GUI設(shè)計。

2.3 基于人機工程學(xué)的單兵光電類手持設(shè)備造型設(shè)計

手持設(shè)備的造型直觀展現(xiàn)了產(chǎn)品的風(fēng)格,不僅影響了產(chǎn)品的美學(xué)功能也直接決定了設(shè)備的舒適度與可用性。設(shè)計時應(yīng)準(zhǔn)確把握產(chǎn)品的定位,運用清晰的線條、適宜的比例、協(xié)調(diào)的布局表現(xiàn)產(chǎn)品,使設(shè)備表達(dá)出恰當(dāng)?shù)娘L(fēng)格。

此外,手處于半握拳時為最自然狀態(tài),握持部位應(yīng)盡量貼和該形態(tài),握持最高點應(yīng)位于掌心處,貼和掌弓并使拇指、小指兩個主肌肉群不受壓迫。在防滑設(shè)計上,小凸起的大小、高度與密度應(yīng)適宜,為防止手指局部應(yīng)力集中應(yīng)盡量避免凹槽設(shè)計。

2.4 單兵光電類手持設(shè)備設(shè)計材料與色彩研究

材料選擇應(yīng)避免因內(nèi)部電路板等元器件發(fā)熱而影響使用體驗。與手直接接觸部位表面溫度宜控制為11°～36°,因而應(yīng)保證材料具有導(dǎo)熱系數(shù)低、不導(dǎo)電、不滲透的特性。同時,握持部位材料應(yīng)具有適宜的摩擦系數(shù)及彈性,通常由橡膠等軟材料包覆。[5]

該類設(shè)備的主色調(diào)應(yīng)滿足軍用需求,以黑、軍綠、沙漠黃、叢林迷彩、沙漠迷彩為主色,按鍵文字及關(guān)鍵部位的色彩則應(yīng)加以區(qū)分,以起到提示、警示作用。此外,為避免因出汗等因素導(dǎo)致的浸漬,手持部位最好采用低明度色彩,以起到耐臟及耐舊的作用。

3 手持熱像儀優(yōu)化設(shè)計

基于以上對人機工程學(xué)的應(yīng)用研究,以手持熱像儀為例進(jìn)行人機優(yōu)化并進(jìn)行設(shè)計驗證,優(yōu)化前后對比如圖8所示。

圖8 優(yōu)化前后對比

設(shè)備原方案采用直線型居多,前高后低的造型不易于手部施力抓握,且按鍵位置較靠后,抓握時不能合理施力于設(shè)備重心處,長時間使用易導(dǎo)致疲勞感。

對整體造型、手持部位、按鍵布局等進(jìn)行優(yōu)化,于手持部位增加防滑橡膠墊,增大握持摩擦力的同時減輕對手部的壓迫感,整體對比分析見圖9。

圖9 優(yōu)化后整體效果

此外,使用手持熱像儀的握姿一般為直接握持及托舉式握持,大拇指及其肌肉群受力較大。如圖10所示。為增大受力面積,減少壓迫感,于熱像儀底端增加凹陷特征以貼和拇指處生理特征,如圖10～12所示。同時調(diào)整設(shè)備原有直線型外輪廓及前高后低的特征,側(cè)面采用弧狀線型使造型更貼合手型。

圖10 手部持握示意圖

圖11 手持部位長度說明

圖12 優(yōu)化前后對比

據(jù)現(xiàn)有研究,手指處于150°時最為自然,因而握持部位的設(shè)計應(yīng)盡量貼和該形態(tài)。基于虎口神經(jīng)分布較少,設(shè)計時增大設(shè)備與虎口處的接觸面積可有效提升使用舒適度,如圖13所示。握持部位長度設(shè)計為115 mm,可滿足大多數(shù)人使用,具有普適性。

圖13 手持部位設(shè)計說明

將按鈕整體前移并調(diào)整布局,使握持部位靠近設(shè)備重心以省力操作；延伸中指操作空間,使中指與食指指腹可恰好觸及按鈕,并將按鈕間距由15 mm調(diào)整為12.5 mm,人機關(guān)系更合理；調(diào)整按鈕指示文字位置由按鈕同側(cè)至兩側(cè),避免引起誤解造成誤操作。如圖14所示。

圖14 按鈕布局設(shè)計說明

此外,為適應(yīng)不同作戰(zhàn)環(huán)境,增強隱蔽性能,對手持熱像儀進(jìn)行配色設(shè)計如圖15所示。握持部位保留黑色特征以增強設(shè)備的耐臟、耐舊性能。

圖15 配色方案

通過3D打印優(yōu)化后模型與原有設(shè)備進(jìn)行對比,完成設(shè)計驗證。設(shè)計評價表明使用優(yōu)化后設(shè)備時貼合虎口,大拇指位可舒適持握,且手指自然延伸,食指與中指指腹恰好觸及按鈕,可有效避免誤操作,人機友好程度有很大提升。如圖16所示。[6]

圖16 3D打印模型

4 單兵光電類手持設(shè)備設(shè)計原則總結(jié)

本文從工業(yè)設(shè)計的角度對單兵光電類手持設(shè)備的人機工程學(xué)進(jìn)行設(shè)計研究,對今后手持設(shè)備設(shè)計具有很大指導(dǎo)意義,對設(shè)計原則總結(jié)如下:

(1)滿足手部舒適握持要求:握持部位尺寸及造型合理,使用戶有適宜的操作空間,同時應(yīng)使手腕處于順直狀態(tài)、避免掌部和手指產(chǎn)生應(yīng)力集中。

(2)界面設(shè)計合理:人機交互友好、高效,不僅應(yīng)合理設(shè)計布局按鍵等控制器,也應(yīng)保證軟硬界面的良好配合、邏輯清晰,符合用戶的認(rèn)知習(xí)慣。[7]

(3)造型的美學(xué)要求:優(yōu)秀的產(chǎn)品不僅技術(shù)功能優(yōu)越也應(yīng)具備美學(xué)功能,考慮美學(xué)的造型語言可彰顯產(chǎn)品風(fēng)格,傳達(dá)企業(yè)DNA,帶給用戶不一樣的心理感受。在實踐中應(yīng)具備系統(tǒng)性設(shè)計思維,對情感因素加以考慮,合理運用形式美法則。

(4)安全設(shè)計:應(yīng)滿足作戰(zhàn)使用需求,使設(shè)備不易滑脫,達(dá)到容錯設(shè)計要求。

5 結(jié) 語

優(yōu)秀的產(chǎn)品不僅需要技術(shù)精進(jìn),也應(yīng)關(guān)注用戶需求,只有將技術(shù)與情感相結(jié)合才能打造出人性化的產(chǎn)品。人機工程學(xué)作為以“人”為中心的學(xué)科,將其應(yīng)用于單兵光電類手持設(shè)備等軍品的設(shè)計中對于提升設(shè)備的舒適性、易用性、安全性、人機友好性具有重要意義,尤其在長時間使用設(shè)備的作戰(zhàn)環(huán)境中,可有效降低人員的疲勞度,最大限度地發(fā)揮設(shè)備的軍事效能。人機工程學(xué)的應(yīng)用將是戰(zhàn)士們的戰(zhàn)力倍增器,也是軍品進(jìn)一步發(fā)展的需要！