【摘要】 本文根据晶片分选设备的操作特征 ，采用眼手相结合的方式构建了以RULA快速上肢测评为主，以用户主观舒适度和工作空间评估为辅的工效学评价方法，提出评价指标。利用Tobii Glasses眼动仪分析统计数据，补充了RULA上肢快速评估值。结合用户视觉轨迹图和眼动数据热点图，判断用户的搜索效率和兴趣区域，判断晶片分选作业空间布局的合理性。结果表明，根据晶片分选设备操作特征构建的工效学评估方法，可以有效解决晶片分选设备中存在的缺陷，同时改善晶片分选设备的设计符合工效学原理及用户舒适度。
【关键词】 晶片分选设备；RULA；工效学评估；优化设计；眼动仪；作业姿势；职业卫生
1 引言
晶片检测是一种操作频率高、任务强度大的工作，在检测过程中需要充分注重手、眼的配合，如果晶片分选设备操作界面、作业空间、人机交互细节等方面设计不够合理，不仅影响工人的检测效率还增加了其患肌肉骨骼等疾病的风险。因此，基于工效学的评估方法人为的对晶片分选设备做出相应的评定是有非常重要的，它可以帮助设计人员找到产品操作界面、作业空间等方面的问题，并帮助他们做出适当的改善。使产品不仅易于操作，舒适度提高还有效降低了用户患有肌肉骨骼疾病的概率。
当前，生理评估是一种重要的评估工作性能的方法，它主要包括自评法、PLIBEL方法[4]、NIOSH不舒适问卷[5]、DMS[6]等，但是该评估方法受个人主观意愿的影响较大，这些因素会对结果造成不同程度的影响。因此，工效学专家都倾向于选择相对客观的方法。近年来一些学者尝试利用工作姿势来进行工效学评估。
Karhu O[7]等人提出了OWPAS评估系统，通过提供一套伤害评估标准来进行工作姿势的采样对比并提供相应的改善策略;Hignett[8]等人提出了常用于站姿工作的REBA快速全身测评法;Priel提出了一种基于多次记录工人操作姿势然后再进行评估的Posturegram评估法[9];McAtamney[10]等人于1993年提出了基于评估量表进行工人作业姿势评估的RULA快速上肢测评法，由于该方法操作简便，测评结果受外界因素影响较小，因而倍受工效学专家的推崇[11]。
随着视觉追踪技术的发展，在用户场景分析、空间设计评估、可用性分析等领域都有广泛的应用[12]。朱人可[13]通过对不同用户在夜里驾驶行为的眼动数据分析，获得了不同环境对用户视觉搜索带来差异性的影响。韩飞[14]通过分析用户视觉浏览与筛选阶段的眼动观测实验数据，获得了评估产品特征元素的指标类型。田芸[15]等人研究了在脑力疲劳类型中眼动指标的影响及应用。由于工人作业空间[16]是和人体尺寸参数[17]紧密相连的，而晶片分选工作一般是通过上肢来完成，所以在本文中通过采用眼动技术进行近身作业空间的相关研究。陈波等人在进行钻机控制系统的空间设计分析时充分结合了人体尺寸数据，并给出了符合工人操作的产品基础数据。邓丽[19]基于用户性别和作业姿势进行定量分析，得出了男女上肢空间的操作范围。
综上可知，虽然国内外有很多基于工效学的评估方法，但是单纯的依靠单指标来进行评估，难免会有一定的实验误差。为了使产品数据评估更精准，本文采用手眼结合的方式构建了晶片分选设备的评估方法，即采用RULA测评法对用户在操作过程中的重要姿势进行分析并得出评分，根据分数的情况来检测工人在作业中各姿势的舒适度情况。此外，并利用Tobii Glasses眼动仪分析所统计的数据，补充了RULA上肢快速评估的数值，使得测试结果更准确。结合用户视觉轨迹图和眼动数据热点图，可以有效的来判断用户的搜索效率和兴趣区域并帮助设计师判断晶片分选作业空间布局的合理性。评估方法框架见图1。
评估方法框架见图1
2 实验设计与方法
2.1 被试选择
本实验设计招募了8名在校研究生作为被试人员，其年龄分布在23-27岁之间，男性被试人员2名，女性被试人员6名。所有被试人员视力正常，均为右利手，而且无肌肉骨骼手术经历和晶片分选作业经验。
2.2 实验设备与实验环境
实验中所需的设备有：笔记本电脑一台；相机两台，Tobii Glasses眼动仪,与数据分析及图像处理相关的软件，如Tobii studio、PS、SolidWorks等；此外还用到了三角尺、绘图笔等工具。实验设备如图2所示。
图2 实验设备示意图图
为了降低外界环境因素的影响，本设计选择了一件室内温湿度较好、光线较好、外界声音影响小及易于工作人员观测评估的房间作为做实验的地方，被试在进行实验时，实验记录人员要进行全程录像，并选取实验后期被试需要评估的关键动作进行多方位的拍摄。实验场所如图3所示。
图3 实验环境示意图
2.3 实验任务
晶片分选作业的工作流程主要分为以下几方面：设备开机-检测设备-放置晶片-参数设置及校准-检测和记录数据-确定晶片规格。对于数据的检测可以通过点击屏幕上的操作按钮，也可以通过踩脚踏板来进行。实验任务如表1所示。
表1 实验任务
实验中，被试通过佩戴Tobii Glasses眼动仪来模拟实际场景，并在同一晶片分选作业流程中完成，这样可以更好保证实验的完整及准确性。实验结束后收集用户在分选作业中的录像和眼动数据，并对各任务分别进行分析。
2.4 实验过程和数据采集
在正式实验前，先进行预实验来检测前期实验设置的可行性及相关问题。正式实验时，做好前期的准备工作，被试人员到达后：
第一，向他们介绍晶片分选设备的使用操作步骤、注意事项及实验的整体流程。
第二，实验开始前，让被试充分了解并能熟练操作该晶片分选设备。
第三，实验工作人员帮助被试佩戴并校准Tobii Glasses眼动仪，使的眼动仪的追踪精度达到三星以上，然后进行实验并借用摄像机记录被试的实验过程。
第四，被试按前期实验要求完成晶片分选任务，实验记录员多角度拍摄分选作业中用户的关键姿势动作，便于后期数据评估。
第五，被试结束任务后，和被试进行相关实验的访谈并记录谈话内容及填写问卷。实验过程如图4所示。
图4 实验过程示意图
3 结果
3.1 各姿势RULA评分与舒适度等级
将用户需要评估的姿势图片进行归纳及处理，按图5所示用字母标注并用线连接各关节的位置，各字母连线的代表意义如表2所示，从后视图中可以看出被试手腕旋转角度及手臂交叉和外扩的情况。
图5 角度标注示意图表2 角线连接代表的含义
然后用测量工具测出所需关节之间的角度，通过RULA评分的得出了工人在晶片分选的过程中几个关键动作姿势的舒适度都较低，需要进一步的改进与完善，并提供了一些改进建议，如表3所示。
表3 各动作舒适度等级和改进建议
3.2 工作空间评估
根据工作空间的评估指标得出的结果如下：
(1)产品尺寸
本文参照国家标准及目标人群，重新计算了晶片分选产品的尺寸。将KXR-4000型产品尺寸与重新计算出的尺寸进行对比。结果如表4所示。
表4 尺寸评估结果
通过对比得出当前晶片分选产品与重新计算得出的尺寸参数差异性较大，需进一步改进与完善。
(2)空间布局
通过将实验用户的行为姿势与空间评估指标进行对比，所得结果如表5所示。
根据双方的数据对比可知，当前产品尺寸设计不够合理，人机交互界面区域操作不舒适，空间布局欠缺合理性等。
(3)视觉轨迹分析
在Tobii Studio软件中分析记录的眼动数据，并将其在拍摄的工作场景图片上进行叠加，如图6所示，6(a)为被试人员在完成单个分选工作时的视轨流程图，6(b)为为被试人员在完成单个分选工作时所感兴趣的区域。
表5 空间布局评估结果
图6 眼动数据流程分析图
通过上述实验数据可知，被试的视觉扫描轨迹主要集中在显示屏幕、晶片分选检测台、晶片盒之间。被试的兴趣区域主要体现在屏幕和操作台面上，但是屏幕上的兴趣区域不是用户舒适的视觉线，需要高频率的向右偏转头部，会造成颈部的不适。
3.3 用户回访问卷分析
统计整理被试所填写的回访数据，计算出其在每个项目的平均值及标准差。 如表6所示。
表6 用户回访问卷统计结果
根据统计数据可知，被试实验操作过程中总体及各项舒适度的评分都较低，除了开始时姿势调整的舒适值较高，单项舒适度主观评分介于1.125-3.125之间。其中，用户在屏幕上进行操作时的主观分为1.125分,是评估得出最不舒适的一个动作。由于设备下方活动空间较小而踏板位置又略高，致使腿部舒适度较低。
4 讨论
根据用户在晶片分选作业中各关键姿势的RULA评分，作业空间及用户回访问卷分析情况可知：
(1)分选作业中各项舒适度的评分都较低，除了开始时姿势调整的舒适值较高达到了II级(略有不适)，拿取晶片及踩踏板检测数据等舒适度等级为III级(不太舒适)，其中用户在屏幕上进行操作时的主观分最低，达到了IV级(最不舒适)，需立即对设计做出改善。
(2)通过上述数据分析可知，产品基础尺寸设计不合理和作业空间设计不合理，是导致用户在操作设备时，舒适度不佳的两个主要原因。
(3)用户晶片分选作业中，用户视觉中心点主要集中在相对身体中线略微偏右的区域，视觉扫描中心主要集中在操作屏幕和产品检测台面之间，用户的视觉扫描路径较长且会经常性的偏离作业面，致使搜索效率降低。
综和上述评估结论，我们有很多地方需要改进，主要体现在以下几个方面：
(1)操作中腿部和上肢的使用频率最高，因此在晶片分选机设计时要为手部和腿部提供较好的支撑和足量活动空间。
(2)本文通过结合女性目标人群的身体参数和国家基础数据标准，重新得出了晶片分选产品的一些基本尺寸，在后续的产品设计中应参照此数据
(3)工作空间布局要注重用户常用部件的操作舒适度，比如为了让用户颈部扭转和视线来回移动的频率降低，操作屏的位置应尽可能设置在机器中心。同理，踏板距地的高度要合理，方便用户能得到良好的作业空间及腿部支撑等。
(4)将统计分析用户访谈时的数据资料与合作企业的反馈建议相结合，择取合理的需求增添到晶片分选机的改进设计中，提高用户作业流程中的主观满意度。
5 结论
本文凭借人机工效学的方法，在与用户进行深入访谈和实地调研后，对晶片分选设备作业空间和用户行为进行了需求分析，并同时结合产品的目标人群和国家标准,重新分析计算并给出了有效参考值。同时根据晶片分选设备的操作特性构建了以用户姿势测评为主的功效学评估方法。实验结果表明，根据晶片分选设备操作特征构建相应的工效学评估方法， 可以很有效的帮助设计师找寻并解决晶片分选设备中存在的缺陷，同时对确保晶片分选设备的设计符合工效学原理及用户舒适度是有很大帮助的。
