机电一体化系统的发展已从 “功能实现” 转向 “人机协同”—— 在工业生产中，工人需通过 HMI 实时监控机床转速、温度等参数，快速调整加工方案；在智能汽车中，驾驶员需通过仪表盘获取车速、胎压、导航等信息，同时避免操作分心；在医疗设备中，医护人员需通过 HMI 精准控制手术机器人的动作，确保手术安全。这些场景均对 HMI 提出 “高效、直观、安全” 的核心需求。
传统 HMI 多采用 “固定按键 + 单色显示屏” 的设计模式，存在明显局限：例如，工业注塑机的 HMI 需通过 5-8 步按键操作才能调整注塑压力，操作繁琐且易出错；农业收割机的 HMI 仅能显示转速、油量等基础数据，无法根据作物高度自动推荐收割参数；医疗输液泵的 HMI 操作逻辑复杂，新手医护人员误操作率高达 15%。随着用户对 “操作便捷性”“信息获取效率” 的需求提升，传统 HMI 已难以满足机电一体化系统向 “智能化、精细化” 发展的趋势。
智能化 HMI 通过融合 “传感器技术（如手势识别、语音交互）”“人工智能（如用户行为分析、场景预判）”“可视化技术（如 3D 建模、动态图表）”，可有效突破传统设计的瓶颈。例如，某品牌智能机床的 HMI 通过摄像头识别操作人员手势，挥手即可切换加工模式；某新能源汽车的仪表盘可根据驾驶员眼神焦点自动调整信息显示位置，减少视线转移时间。这些案例表明，智能化设计已成为机电一体化系统 HMI 的核心发展方向，亟需系统的设计理论与方法支撑行业实践。
一、机电一体化系统的应用领域
机电一体化系统的应用场景覆盖工业、交通、农业、医疗等多个领域，不同领域的系统功能、操作环境、用户群体差异显著，导致 HMI 的设计需求存在本质区别：
1.1 工业生产领域：高效精准，抗干扰
工业机电一体化系统（如数控机床、机器人生产线、注塑机）的核心需求是 “高节拍、高精度” 生产，HMI 设计需满足 “快速操作、信息全面、抗恶劣环境”：
操作效率优先：工业场景中，工人需在短时间内完成参数调整、故障排查等操作，HMI 需简化操作流程。例如，数控机床的 HMI 将 “常用加工参数（如转速、进给量）” 设置为一键调用，操作步骤从传统的 6 步缩短至 1 步，单工序调整时间从 2 分钟降至 15 秒；
信息密集呈现：需同时展示设备状态（如主轴温度、刀具磨损度）、生产数据（如产量、合格率）、故障预警（如过载报警、润滑不足），HMI 需采用 “多窗口分区显示”。例如，机器人生产线的 HMI 分为 “设备状态区（左侧，实时显示各机器人运行参数）”“生产进度区（中间，动态图表展示产量）”“故障提示区（右侧，红色闪烁显示异常）”，工人可一目了然获取信息；
抗干扰设计：工业现场存在 “粉尘、油污、振动” 等干扰，HMI 需采用 “防刮擦、防水、抗振动” 的硬件设计与 “高对比度、大字体” 的界面设计。例如，车间机床的 HMI 采用 “IP65 防水防尘外壳”，显示屏亮度达 500cd/m²（阳光下清晰可见），按键采用 “硅胶材质 + 凸起设计”，即使戴手套也能精准操作。
1.2 交通运输领域：安全第一，低分心
交通类机电一体化系统（如智能汽车、轨道交通列车、无人机）的核心需求是 “安全运行”，HMI 设计需满足 “信息精简、操作便捷、低视线转移”：
信息优先级排序：根据驾驶安全需求，HMI 需将信息分为 “核心信息（如车速、胎压、碰撞预警）”“次要信息（如音乐、导航细节）”，核心信息置于驾驶员视线中心区域。例如，智能汽车的仪表盘将车速显示在中央，字体大小是其他信息的 2 倍，确保驾驶员余光可捕捉；
无接触交互为主：避免驾驶员双手离开方向盘、视线离开路面，HMI 需支持 “语音、手势、眼神” 等无接触交互。例如，某品牌汽车的 HMI 可通过语音指令 “打开空调 24℃” 完成操作，无需手动按键；通过方向盘上的手势传感器，滑动手指即可调整音量；
场景自适应调整：根据驾驶场景（如高速、拥堵、夜间）自动调整界面。例如，夜间行驶时，HMI 自动切换为 “暗色模式”，降低屏幕亮度（从 500cd/m² 降至 200cd/m²），避免强光刺眼；拥堵路段时，自动隐藏娱乐信息，重点显示 “跟车距离、车道保持” 等安全提示。
1.3 农业生产领域：场景适配，易维护
农业机电一体化系统（如智能植保机、联合收割机、灌溉控制系统）的核心需求是 “适应复杂田间环境、降低农民操作门槛”，HMI 设计需满足 “简单直观、环境耐受、离线可用”：
简化操作逻辑：农民用户多为非专业技术人员，HMI 需采用 “图形化、傻瓜化” 设计。例如，智能植保机的 HMI 将 “小麦防虫喷雾”“玉米除草喷雾” 等常用模式设计为 “图标 + 文字” 组合，点击图标即可启动，无需设置复杂参数；
环境耐受设计：田间存在 “雨水、泥浆、高温”，HMI 需采用 “防水外壳、耐高温显示屏”。例如，联合收割机的 HMI 外壳防护等级达 IP67（可短时间浸泡在水中），显示屏工作温度范围 - 30℃-70℃，适应北方寒冷与南方高温环境；
离线功能保障：农村地区网络信号弱，HMI 需支持 “离线存储、本地计算”。例如，灌溉控制系统的 HMI 可离线存储 7 天的土壤湿度数据，即使无网络也能根据历史数据自动调整灌溉时长。
1.4 医疗健康领域：精准安全，人文关怀
医疗机电一体化系统（如手术机器人、输液泵、心电监护仪）的核心需求是 “患者安全、操作精准”，HMI 设计需满足 “低误操作、信息精准、人文适配”：
防误操作设计：医疗操作容错率极低，HMI 需设置 “双重确认、权限分级”。例如，输液泵的 HMI 在调整输液速率时，需先输入护士工号（权限验证），再点击 “确认” 按钮，避免误触导致速率异常；
数据精准呈现：医疗数据（如心率、血压、手术切口位置）需精确到 “小数点后 1-2 位”，HMI 需采用 “高分辨率显示屏、无失真数据传输”。例如，心电监护仪的 HMI 显示屏分辨率达 1920×1080，心率数据更新频率 1 次 / 秒，确保医生获取实时准确的生命体征；
人文关怀融入：考虑患者心理感受，HMI 需避免 “冰冷的医疗感”。例如，儿童输液泵的 HMI 可切换为 “卡通模式”，显示屏显示动画形象，同时语音提示 “小朋友，输液很快就结束啦”，缓解儿童恐惧情绪。
二、机电一体化系统中人机交互界面的重要性
机电一体化系统中人机交互界面设计是整个系统中非常重要的组成部分，它直接影响到系统的功能和性能。在机电一体化系统的设计过程中，必须充分考虑人机交互界面的设计，并根据系统的功能需求以及用户的使用习惯和使用环境，对人机交互界面进行合理地设计，使其具有良好的人机交互效果，以提高用户对机电一体化系统的使用体验。
三、人机交互界面设计原理
3.1 人机交互界面的概念和作用
人机交互界面（Human Interface）是指用户与计算机的交互过程中，计算机与用户的相互关系。用户通过输入设备或显示装置与计算机进行信息的交互活动，也可以以文字、图像、声音、图形、动画等方式进行信息的输入和输出。人机交互界面就是使人和计算机进行信息交流的媒介，它由实体（界面）和联系（内容）两部分组成。它是对计算机的操作方式、使用方法进行说明和指导，使人与计算机之间能够以一种自然的方式进行交流，使用户能方便快捷地理解界面内容并操作界面上的程序，从而达到人机交互的目的。
3.2 人机交互界面设计的基本原则
人机交互界面设计的基本原则包括易用性、安全性、可靠性和灵活性。易用性是指界面应易于使用，能够清楚地识别用户的需求和操作意图。安全性是指用户在界面中的操作应保证不会造成系统或设备的损坏，或者造成系统或设备的故障，保证系统或设备在最大限度内使用。可靠性是指用户在使用界面时，不会因软件或硬件故障而无法正常工作，或者使系统或设备产生意外故障。灵活性是指在用户对界面的要求不变时，可对其进行灵活地更改和扩展，以适应不同的操作和功能。人机交互界面的设计原则是实现人机交互功能的前提，也是保证产品质量、提高工作效率和生产效率的前提。
3.3 人机交互界面设计的方法和工具
人机交互界面设计的方法：①一般情况下，需要先确定界面设计的目标，然后通过人机交互界面设计工具来完成该目标。②根据目标确定界面的视觉信息，以及可能的交互方式。③根据目标和交互方式，选择合适的显示技术。④在确定了显示技术后，依据界面设计的目标，对所用到的软件进行分析，对所需要的软件进行设计。⑤根据界面设计目标、实现效果、使用用户等要求，对所用软件进行优化和完善。⑥最后确定使用何种显示技术来实现该界面。人机交互界面设计工具：①人机交互界面设计的软件系统，②人机交互界面设计软件系统。
四、智能化设计在人机交互界面中的应用
4.1 智能化设计的概念和特点
在人机交互界面中，智能化设计是指将人工的操作经验与计算机的编程技术相结合，运用到人机交互界面设计当中，从而提升人机交互界面的使用性能，并且达到优化人机交互界面的效果。在人机交互界面中应用智能化设计可以有效地提升操作效率，并且使信息传递更加的快速、准确。在智能化设计中应用人机交互界面能够实现人机之间的实时交互，为用户提供更加方便、快捷的服务。随着科学技术水平的不断提高，智能化设计在人机交互界面中应用越来越广泛，也逐渐成为机电一体化系统中重要的组成部分。
4.2 智能化设计在人机交互界面中的优势
（1）增强人机交互界面的稳定性。智能化设计的出现，使得机电一体化系统中的人机交互界面更加稳定，从而降低了操作过程中出现错误的概率。（2）提高用户使用感受。智能化设计在人机交互界面中应用之后，增强了人机交互界面的稳定性，降低了操作失误的概率，同时也提高了用户使用时的舒适性，使得用户在操作过程中更轻松。（3）提高产品附加值。智能化设计的出现，使得机电一体化系统中人机交互界面更加稳定，从而也提升了产品的附加值，提高了产品市场竞争力，进而也增加了用户购买产品的意愿，从而实现企业经济效益最大化。
4.3 智能化设计在机电一体化系统中的实际应用案例
以汽车的仪表盘为例，我们可以看到，其将机械、电子、计算机等技术融合在一起，形成了一个自动化的系统。在这个系统中，其主要功能是显示车辆的信息，并可以通过各种方式与驾驶员进行交流，从而实现人机交互。仪表盘上除了常规的信息显示之外，还包括车辆的车速、胎压等参数。驾驶员可以通过仪表盘上的按键进行操作，而驾驶员也可以通过仪表盘上的语音功能与其交流，从而完成驾驶。在这个过程中，驾驶员是无法操控方向盘的，但车辆会根据驾驶员所输入的指令进行操作。驾驶员在进行操作时也不需要频繁地踩油门或刹车，只需进行一次确认即可。
五、智能化 HMI 的未来发展趋势
随着技术升级与用户需求变化，机电一体化系统 HMI 的智能化设计将向 “更自然、更智能、更融合” 方向发展：
5.1 交互方式：从 “多模态” 到 “自然交互”
脑机接口普及：BCI 技术将从 “特殊场景” 走向 “常规应用”。
情感交互融入：HMI 通过摄像头、麦克风识别用户情绪（如焦虑、疲劳），调整界面与交互方式。环境感知深化：除光线、温度外，HMI 将感知 “气味、气压” 等更多环境数据。
5.2 智能水平：从 “主动推荐” 到 “自主决策”
自主故障处理：HMI 通过 AI 算法自动识别故障并执行解决方案，无需人工干预。
多系统协同：不同机电一体化系统的 HMI 实现 “数据互通与协同决策”。
终身学习能力：HMI 通过持续学习用户行为与行业数据，不断优化推荐方案。
结语
机电一体化系统中人机交互界面的智能化设计是未来的发展趋势，也是提高机电一体化系统性能的关键所在，因此，在机电一体化系统中应用人机交互界面的智能化设计不仅可以提高机电一体化系统的性能，还可以实现人与机电一体化系统之间的有效沟通和信息交互，从而有效地提升机电一体化系统的性能和可靠性。在未来机电一体化系统中人机交互界面的智能化设计中，必须充分考虑用户需求和使用环境，并在人机交互界面设计中不断创新和发展。
参考文献
[1]汪飞.机电一体化系统的智能化研发与设计[C]//重庆市大数据和人工智能产业协会，重庆建筑编辑部，重庆市建筑协会。智慧建筑与智能经济建设学术研讨会论文集（一）。双枪科技股份有限公司;2025:1103-1106.
[2]邓秋香.智能控制及其在机电一体化系统中的应用探讨[J].中国设备工程,2021,(19):33-34.
[3]吴丽,何瑞.西门子S7-300PLC基础与应用[M].机械工业出版社:202006:296.
[4]严朝曦,谢广伟.基于DPAM-F的机电一体化系统广义执行机构子系统智能设计探讨[J].数字技术与应用,2013,(10):234.
[5]田永利,邹慧君,郭为忠,等.基于DPAM-F的机电一体化系统广义执行机构子系统智能设计[J].上海交通大学学报,2005,(01):66-70.
