基于人因工程學的自動售貨機設計改進研究

俞 寧，梅 杰，陳 智

(重慶理工大學 機械工程學院，重慶 400054)

基于人因工程學的自動售貨機設計改進研究

俞 寧，梅 杰，陳 智

(重慶理工大學 機械工程學院，重慶 400054)

為了改善自動售貨機的界面清晰性、一致性和操作動作經濟性等可用性指標，綜合運用人因工程學的理論與方法，充分考慮人的生理及心理特點，針對自動售貨機的顯示屏、區域布置、取貨方式等進行分析，改進設計了自動售貨機的人機界面。運用關聯矩陣法對改善前后的方案進行評價對比，發現改善后的方案優于改善前的方案，原有設計中的問題得到了解決，消費者的使用體驗得到了提升，改善方案具有較強的可實施性。

自動售貨機；人因工程；設計改進

隨著商業自動化的發展，自動售貨服務已成為人們快速生活中不可缺少的一種購買商品的渠道。自動售貨機的無人售貨系統不僅節省了人力、減少了商家的成本投入，而且提高了消費者的購物需求，為消費者提供了快速、便捷的服務。然而，目前市場上的大部分自動售貨機在產品設計時并沒有充分考慮人因工程系統因素，在實際使用中存在大量的人機交互問題，例如顯示屏反光、支付區域高度不合適、取貨口位置偏低等。這些問題會在很大程度上影響消費者的使用體驗，不利于自動售貨機的進一步推廣。

為進一步提高自動售貨機操作的舒適性和界面的美觀性，本文利用人因工程學的理論和方法，對自動售貨機的人機交互界面進行重點研究，將各區域的高度、尺寸、操作方式等進行合理改善，優化用戶的操作體驗，并使用關聯矩陣法對改善前后的操作界面進行人因工程評價。

1 前期調研

本文選取重慶地區某地鐵站內的一款自動售貨機為研究對象。該款產品的人機交互界面由選貨區、支付區、出貨區等3個區域構成，其外形簡圖如圖1所示。

① 貨物顯示屏；② 選貨按鍵；③ 出貨區；④ 指示顯示屏；⑤ 紙幣入口；⑥ 硬幣入口；⑦ 退幣手柄；⑧ 硬幣出口

圖1 自動售貨機外形簡圖

Fig.1 Sketch of vending machine

圖1中：選貨區包括貨物顯示屏、選貨按鍵；支付區包括指示顯示屏、紙幣入口、硬幣入口、退幣手柄、硬幣出口。

1.1 自動售貨機尺寸測量

通過實地測量，得到自動售貨機的基本尺寸(單位為mm)，如圖2所示。

圖2 自動售貨機尺寸

1.2 問卷調查分析

通過發放調查問卷的形式，針對該款自動售貨機的用戶使用體驗進行調研，主要問題涉及自動售貨機的界面設計、操作體驗、外觀設計等方面。此次問卷調查的調查對象為使用過該款自動售貨機的消費者，接受調查的共50人，其中男性25人，女性25人。調查共發放問卷50份，收回50份，其中有效問卷為50份。

受訪者對自動售貨機的購物區、支付區、出貨區3個區域進行評價。各區域的主要問題及反映該問題的人數占比統計如表1所示。

表1 自動售貨機存在的主要問題及反映該問題的人數占比

2 選貨區的現狀分析與設計改進

2.1 貨物顯示屏反射眩光的分析與改進

為了方便顧客找到自動售貨機的位置，商家一般選擇將機器安放在光線較好的地方，但由于光線較強，貨物顯示屏上往往會出現反射眩光現象，使得屏幕顯示內容的辨識度降低。根據圖3、4，假設光源(自然光)位于消費者操作方位的左側后方并在豎直方向上移動，那么反射光在豎直方向上將形成反射眩光區。連續的不舒適眩光容易造成視疲勞，導致視覺效率降低，注意力分散，進而影響到對目標的辨識能力[1]。

圖3 光源位置的眩光效應

圖4 貨物顯示屏產生反射光的機理

為了解決這一問題，可在貨物顯示屏表面貼上磨砂貼膜，增加屏幕表面粗糙度，使光線發生漫反射，防止眩光的產生[2]。

2.2 選貨按鍵區域高度的分析與改進

根據實地測量可知，選貨按鍵區域最低處距地高度為710 mm。要確定選貨按鍵區域的高度設計是否合理，則需要判斷出此高度是否在人的視野下界限可以觸及的范圍內。

為了做出判斷，需根據人的向下的視野的區域長度和站姿眼高的差值，確定站立時視線所能觸及的最低點距地高度。

2.2.1 確定向下的視野的區域長度

根據人的視覺特性，人的視野下界限為70°[3]，故向下的視野的區域長度b1下與人體與自動售貨機的操作距離X滿足如圖5所示的幾何關系，為了求得向下的視野的區域長度b1下，需確定人體與自動售貨機的操作距離X。

圖5 向下的視野區域長度

根據人體測量數據的運用準則中的最大最小準則[4]，為了滿足大部分用戶的需求，選用最小人體參數，因受訪者均為西南地區人，故取西南地區女性的前臂長度的均值為操作距離X的參考基準。

根據GB10000—88《中國成年人人體尺寸》的人體基礎數據，推導出的我國成年女性人體尺寸與身高H女的關系，如圖6所示。

由圖6可知，女性前臂長度X女與身高H女的關系為

(1)

通過查閱GB10000—88 《中國成年人人體尺寸》可知，西南地區女性身高的均值為1 546 mm，由式(1)可得西南地區女性的前臂長度的均值為210.3 mm，即人體與自動售貨機的操作距離X為210.3 mm。

由圖5中的幾何關系可知：

(2)

所以由式(2)可得人的向下的視野的區域長度為577.8 mm。

圖6 我國成年女性人體尺寸的比例關系

2.2.2 確定站姿眼高

根據GB10000—88的人體基礎數據，推導出的我國成年男性人體尺寸與身高H男的關系，可得男性眼高h男與身高H男的關系為

(3)

通過查閱GB10000—88 《中國成年人人體尺寸》可知，西南地區男性的身高的均值為1 647 mm，由式(3)可得男性眼高為1 538.3 mm。

女性眼高h女與身高H女的關系為

(4)

西南地區女性的身高的均值為1 546 mm，由式(4)可得女性眼高為1 431.6 mm。

根據人體測量數據的運用準則中的平均性原則，為了使設計更加合理，眼高的參考基準應取男女眼高的平均值，即眼高為1 485.0 mm。

由于GB10000—88《中國成年人人體尺寸》公布的人體數據是在裸體(或穿單薄內衣)、不穿鞋的條件下測得的，而設計中所涉及的人體尺寸是在穿衣服、穿鞋甚至戴帽條件下的人體尺寸，所以設計產品尺寸時應當適當考慮增加功能修正量。由表2可知:在考慮站姿眼高時，應當取鞋高(功能)修正量為36 mm，所以修正后的眼高為1 521.0 mm。

表2 穿鞋修正量

2.2.3 確定站立時視線所能觸及的最低點距地高度

根據人的站姿眼高和向下的視野區域長度的差值，確定站立時人的視線所能觸及的最低點距地高度為943.2 mm。而選貨按鍵區最低處距地面的高度為710 mm，不在人的視野下界限內，這使得顧客在使用按鍵購物時需彎腰到一定程度才能辨別選貨按鍵區最低處的商品內容。為了滿足消費者對于選貨按鍵的高度合理性的需求，需對選貨按鍵區域進行改善設計。

在原設計中，該款機器的貨物顯示屏與選貨按鍵區是分開的兩個部分，在一定程度上存在著區域使用浪費。本文將原有的貨物顯示屏和選貨按鍵區域進行合并設計。根據人的眼高1 521.0 mm，以及人在站立時向下的視野的區域長度577.8 mm,將選貨區設計為一塊縱向長度為560 mm、橫向長度為590 mm的觸摸顯示屏，顯示屏的最高邊距地1 725 mm。消費者在自動售貨機上購物時，可直接在新設計的觸摸顯示屏上完成貨物查看和貨物選取的操作，不僅解決了選貨按鍵區高度不合理的問題，而且大大增強了界面設計的清晰性。

3 支付區的現狀分析與設計改進

支付區是自動售貨機非常重要的組成部分，支付的方便與否會直接影響用戶的使用體驗，是決定交易能否正常進行的關鍵因素。

該款自動售貨機的支付區主要由指示顯示屏、紙幣入口、硬幣入口、退幣手柄、硬幣出口5個部分組成。針對消費者反映的問題，結合實際測量數據，主要針對支付區的硬幣出口和整個區域的位置布置進行分析與改進。

3.1 硬幣出口尺寸的分析與改進

當前硬幣出口的寬度為85 mm，高度為70 mm，深度為80 mm，給手較大的消費者的取幣操作造成了困擾。因此，將對硬幣出口進行擴寬、加深處理。

根據人體測量數據的運用準則中的最大最小準則，為盡可能使所有用戶取幣操作方便，選用最大人體參數，取男性手寬的第99百分位數作為硬幣出口的寬度和高度的設計基準。通過查閱GB10000—88《中國成年人人體尺寸》可知，男性手寬的第99百分位數為91 mm，加上適當的修正量，將硬幣出口的寬度和高度均擴大為100 mm。

同理，為了保證部分手指短的用戶能順利取幣，選用最小人體參數，取女性食指長度的第5百分位數作為硬幣出口深度的設計基準。通過查閱GB10000—88《中國成年人人體尺寸》可知，女性食指長度的第5百分位數為60 mm，所以，將硬幣出口的深度縮短為60 mm。

3.2 支付區的區域布置的分析與改進

原設計的支付區各個組成部分分布較為分散，造成了操作不便，因此在改進設計時，將支付區的各個部分集中安排到一個范圍內，便于操作。

由于支付操作是人眼和手共同配合完成的，所以在改善設計時，需要兼顧人體視野范圍、人的眼高和人的立姿作業范圍。

3.2.1 根據人體視野范圍確定支付區的大小

由于支付操作需要一定的注意力以及需要識別文字，所以支付區的橫向最大長度以雙眼字識別視區為基礎來設計。

由圖7可知，人在水平面內的字識別視區大約在10°～20°。由幾何關系可知，支付區的橫向最大長度a與人體與自動售貨機的操作距離X1的關系為

a=2·X1·tan20°

(5)

人體與自動售貨機的操作距離X1為210.3 mm，所以由式(5)可得支付區的橫向最大長度為153.1 mm。

① 字識別；② 字母識別；③ 顏色識別；④ 雙眼視區；⑤ 右眼視野界限；⑥ 左眼視野界限；⑦ 單眼視區

圖7 人眼在水平面的視區

Fig.7 Visual area of human eye in horizontal plane

根據人的視覺特性，人在垂直平面的視野內，以標準視線水平為0°基準，則最大視區為視平線上50°和視平線下70°，最佳眼睛轉動區域為視平線上25°和視平線下30°。

以人眼垂直平面最大視區和人眼最佳轉動區域為支付區的縱向最大長度的設計基礎，且應盡量將支付區設計在最佳轉動區域內。

由幾何關系可知：最大視區的縱向最大長度b1與人體與自動售貨機的操作距離X1的關系為

(6)

由式(6)可得最大視區的縱向最大長度為828.4 mm。

由幾何關系可知：人眼最佳轉動區域的縱向最大長度b2與自動售貨機的操作距離X1的關系為

(7)

由式(7)可得人眼最佳轉動區域的縱向最大長度b2為219.5 mm。

綜上所述，根據人體視野范圍確定的支付區的可視范圍為153.1 mm×828.4 mm，最佳范圍為153.1 mm×219.5 mm。

3.2.2 根據人的眼高確定支付區的中心距地高度

為了保證人在進行支付操作時，能清楚地看到支付區的各個部分，可將人的眼高作為支付區的中心距地高度的設計基準。由本文已得到的結果可知：人的站姿眼高為1521.0 mm，由此確定的支付區的中心距地高度為1 521.0 mm。

3.2.3 根據人的肩高確定支付區的中心距地高度

為了保證用戶的支付操作順利進行，必須將支付區設計在用戶可以輕松觸及的地方。因此還需根據人的肩高確定支付區的中心距地高度。

根據GB10000—88的人體基礎數據推導出的我國成年男性人體尺寸與身高H男的關系可知：男性肩高L男與身高H男的關系為

(8)

西南地區男性身高的均值為1 647 mm，所以由式(8)可得男性肩高為1 342.3 mm。

女性肩高L女與身高H女的關系為

(9)

西南地區女性身高的均值為1 546 mm，所以由式(9)可得女性肩高為1 252.3 mm。

根據人體測量數據的運用準則中的平均性原則，為了使設計更加合理，肩高的參考基準應取男女肩高平均值，所以肩高的取值為1 297.3 mm。

取鞋高(功能)修正量為36 mm，所以修正后的肩高為1 333.3 mm，即根據人的肩高確定的支付區的中心距地高度為1 333.3 mm。

3.2.4 根據人的立姿作業范圍確定支付區的距地高度范圍

如圖8所示，人體立姿的舒適作業范圍[4]是半徑為300 mm左右的圓弧。以人的肩高確定的支付區的中心距地高度為1 333.3 mm，所以根據人的立姿作業范圍確定的支付區的距地高度范圍為1 033.3～1 633.3 mm。

3.2.5 支付區的最終布置

根據支付區的各組成部分的尺寸，并在之間留出適當的間隙(10 mm)，得到新的布置圖，如圖9所示。

由此確定出支付區的尺寸為140 mm×455 mm。將支付區的最高處安排在人眼最佳轉動區域最高處，同時也可保證整個支付區處于人的立姿作業范圍內，確定出支付區最高處距地高度為1 619.1 mm。

① 最大可抓取作業范圍；② 最大可及范圍；③ 身體前傾作業范圍；④ 正常作業范圍

圖8 人的立姿作業范圍

Fig.8 The standing operating range of human

圖9 支付區各個組成部分的布置

4 出貨區的現狀分析與設計改進

原有出貨區的主要問題在于高度和取貨方式設計的不合理。

原有出貨區最低處距地高度為230 mm，根據90%的男、女性髖高，確定新的出貨區最低處的距地高度為750 mm。

為了符合動作經濟原則中的減少動作數量、雙手同時作業、縮短動作距離、輕松作業4項基本原則[5]，從操作自動售貨機的角度出發進行動作經濟原則的分析：

1) 鑒于自動售貨機不需要長時間的精確操作，因此無需雙手操作。

2) 自動售貨機應盡量操作簡單、方便，流程上應當順暢，盡可能減少動作數量。

3) 應該避免用戶全身性動作，減小動作距離。

對在原設計自動售貨機上購物的動素分析如表3所示。

表3 針對原設計的動素分析

通過表3可以看出：在原設計自動售貨機上購物時存在不必要的雙手作業，對翻蓋的操作不符合動作經濟的操作簡單、方便的原則，所以翻蓋設計對于自動售貨機不合理。

翻蓋的作用是防止出貨時商品掉出取貨槽。而通過更換出貨口滑板的材料、增加摩擦因數、降低出貨時商品的速度可以達到同樣的效果。因此，解決方案確定為：去掉翻蓋，選用摩擦因數較大的塑膠作為出貨口滑板的材料，并將滑板表面設計成凹凸不平的形狀以達到緩沖的效果。

改進設計的動素分析如表4所示。從表4可以看出：操作動作數量減少了，而且操作更加簡單、方便，只需單手便可輕松完成購物。

5 方案評價

根據對自動售貨機選貨區、支付區、出貨區的分析與改善，確定最終尺寸與相關位置，畫出改善后的自動售貨機的操作界面的簡圖(單位為mm)，如圖10所示。

表4 改進設計的動素分析

圖10 改善后的自動售貨機的操作界面

現對自動售貨機改善前后做評價分析，以此來確定設計改善是否成功。為了使方案評價的結果更加科學可靠，本文采用關聯矩陣法對改善前后的設計方案進行評價分析。

關聯矩陣法是對針對多目標評價決策問題從多個因素出發綜合評定優劣程度的方法，是一種定量與定性相結合的評價方法。此方法用矩陣形式來表示各替代方案有關評價指標的數據值，然后計算各方案評價值的加權和，再通過分析比較確定出評價值加權和最大的方案，即為最優方案[6]。此方法的關鍵要素包括各評價指標的權重和評價尺度。

通過使用關聯矩陣法，可以將復雜系統問題的評價思維過程數學化,使評價過程簡化、清晰。

針對自動售貨機的使用特點，結合認知心理學、動作經濟原則以及美學的相關知識確定了評價指標[7-9]，包括：① 清晰性：界面設計簡單清晰，無不必要的復雜細節，重要信息醒目易見；② 一致性：界面中的操作模式、位置的組合等具有固定的表示方式，用戶的原有操作經驗和習慣得以延續，避免重新學習；③ 易學性：界面設計易于學習、掌握，對于用戶文化水平、注意力集中程度等無過高要求，減少用戶記憶負擔；④ 動作經濟性：操作過程中動作數量較少，動作平衡，動作移動距離較短，動作節奏輕松自然；⑤ 美觀性：符合美學設計原則，具有視覺吸引力，能使用戶產生愉悅的感覺。

對前期參與“自動售貨機使用情況”問卷調查的50名受訪者進行回訪調查，根據調查結果確定各項指標的相對重要度，運用兩兩比較法計算出各項評價指標的權值，結果如表5所示。

表5 各項評價指標的權值

為了使改善前后兩個方案的各項評價指標的評價結果更加直觀、清楚，本文將定性問題轉化為定量分析，采用5檔打分制，分別用“極差”、“較差”、“一般”、“較好”、“極好”代表“1～5分”這5個檔次，由同樣的50名受訪者做出評價，評價結果如表6所示。

表6 評價結果

評價方案的綜合評價值計算公式為

(10)

式中：aj是評價指標的權重；dij是該種方案在評價指標下的評分值。

由式(10)求得的自動售貨機改善前后綜合評分，如表7所示。

表7 綜合評分

Table 7 Comprehensive score

方案清晰性一致性易學性動作經濟性美觀性0.40.00.20.30.1綜合評價值排序A343232.72B544544.71

經過上述計算，得出改善前方案A的得分為2.7，改善后方案B的得分為4.7，方案B的得分高于方案A。

通過評分結果可知：改進后的設計方案優于改進前的設計，故本次針對自動售貨機的改善成功，其人機交互過程更加合理。

6 結束語

為了實現人、機、環境之間的最佳匹配，人因工程學將人的工作優化問題作為追求的重要目標。隨著技術進步和社會的發展，系統設計中越來越重視人的因素，人因工程學的應用領域也越來越廣，利用人因工程學原理來增強產品的設計是發展的必然[10]。

本文運用問卷調查和實地測量等科學手段，發現了現有的自動售貨機存在顯示屏眩光、操作不便、高度不合理等問題，這些問題在一定程度上影響了消費者的使用體驗。

為了解決這些問題，讓自動售貨機的人機交互界面更加合理，本文將自動售貨機分為購物區、支付區、取貨區等3個區域，根據各個區域的功能需求和操作特點，詳細分析了導致消費者操作體驗不佳的原因，并且綜合利用人因工程學知識，結合人體數據，通過改變顯示屏材料、調整區域布局、改變取貨方式等有效手段，提出了合理的改善設計方案。

通過運用層次分析法對改善后的設計方案進行客觀評價，發現改善后的設計方案明顯優于原有設計方案，有效地提高了自動售貨機操作的舒適性和界面的美觀性，優化了用戶的操作體驗，有利于產品進一步推廣，使經銷商獲益，具有一定的理論與實際意義。

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(責任編輯 劉 舸)

Research on Design Improvement of Automatic Vending Machine Based on Human Factors Engineering

YU Ning，MEI Jie，CHEN Zhi

(College of Mechanical Engineering, Chongqing University of Technology, Chongqing 400054, China)

To improve the usability index of the vending machine operation, such as interface clarity, consistency, operation of the action economy, the theory and method of human factors engineering were used, fully considering the physiological and psychological characteristics. This design of vending machine’s man-machine interface was re-improved, and the comparison and analysis of the schemes before and after the improvement were carried out by using the correlation matrix method. The results showed the improvement of the vending machine’s display screen, the regional arrangement and the picking method. The scheme is superior to the scheme before improvement, and the problems in the original design are solved, and the experience of the consumers is improved, and the improvement scheme has strong practicability.

vending machine; human factor engineering; design improvement

2016-12-09 作者簡介：俞寧(1974—)，女，浙江金華人，博士研究生，副教授，主要從事產品設計評價、人因工程研究。

俞寧,梅杰，陳智.基于人因工程學的自動售貨機設計改進研究[J].重慶理工大學學報(自然科學)，2017(3):43-51.

format：YU Ning，MEI Jie，CHEN Zhi.Research on Design Improvement of Automatic Vending Machine Based on Human Factors Engineering[J].Journal of Chongqing University of Technology(Natural Science)，2017(3):43-51.

10.3969/j.issn.1674-8425(z).2017.03.006

TH122

A

1674-8425(2017)03-0043-09