人机工程学讲义第四章下

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二、操纵装置设计的人机工程问题 （三） 操纵器的尺寸和行程 大小应适合于人的手或脚操作。 尺寸应符合 GB/T 10000-88 常用操纵器的尺寸范围及选用
参阅 GB/T 14775-93《操纵器一般人类工效学要求》。 操纵器的适宜大小
（使用目的和使用方法）。 比如，操作时需转多圈的摇把
反应最快、用力最强的空间范围和方位。
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二、操纵装置设计的人机工程问题 （四） 操纵器的布置(续) 车辆操纵器的布置 ¾ 方向盘、变速杆、离合器踏板、制动器踏板及加速踏板等，
均应布置在驾驶座位前方最优区域内； ¾ 其它操纵器适当布置在驾驶座位两侧或较次要位置。
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二、操纵装置设计的人机工程问题 （四） 操纵器的布置(续) 操作者手脚的活动范围可达区域 ,可查：
尺寸大小适当、形状美观大方 式样新颖、结构简单， 给操作者以舒适的感觉。
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二、操纵装置设计的人机工程问题 （二）操纵器的形状和式样 形状利于辨认和记忆。 式样便于使用，有利于用力…… z 不应使踝关节过分弯曲 z 脚踏板与地面的最优倾角
一般为 30° z 脚掌应与小腿近似垂直 z 踝关节的活动范围< 25° z 蹬踏后应保证自动复位 使用方法尽量简化。 适当采用复合多用的结构。 利用手的触觉辨别。
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（五） 操纵力和操纵位移（续） 2． 最大操纵力 既取决于操纵器的工作要求
又受限于操作者在一定姿势下的最大出力 青年男女右手的用力范围 常用操纵器的操纵力要求——《操纵器一般人类工效学要求》
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（五） 操纵力和操纵位移（续）
3． 最优操纵力
与操纵器的类型和操作方式密切相关。
前后运动速度比左右快， 旋转比直线运动更灵活 （4）顺时针方向比逆时针方向动作 速度更快，更加习惯。 （5）一般人的手操纵动作 右手比左手快， 右手的动作——向右比向左运动快 （6）向身体方向比离开身体方向的运动： 速度更快，但后者准确性高
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2. 动作频率 单位时间内动作重复的次数。 操纵动作的频率与哪些因素有关？
¾ 平稳柔和与急剧粗猛
动作的力量—— 肢体运动遇到阻力时所能提供的力量。
动作的方向定位
¾ 最准确的方位:正前方手臂部水平的下侧。 ¾ 最不准确的方位:侧面。 ¾ 准确性：右侧>左侧，下部>中部>上部。 ¾ 双手在身前活动的定位准确性最高。
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《人机工程学》课件
第四章 人机界面设计（下）
授课教师：清华大学汽车系 袁 泉 2006年3月 yuanq@tsinghua.edu.cn
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（二）肌肉收缩的力学特性 三元件仿真模型
c.c. 收缩元件， s.c. 串联的无阻尼弹性元件； p.c. 并联的无阻尼弹性元件。
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三、人体的出力 源于肌肉的收缩 肌力：肌肉收缩所产生的力。 肌力的大小取决于—— z 单个肌纤维的收缩力 z 肌纤维的数量与体积 z 肌肉收缩前的初长度 z 中枢神经系统的机能状态…… 女性肌力<男性 约 20～35% ； 右手肌力>左手 约 10% ； 习惯左手的人，其左手肌力>右手约 6～7% 。
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（四） 操纵器的布置(续)
(3) 相互联系的操纵器的位置及编码。 制动器踏板与加速踏板相互邻近 间距：100～150 mm 。
(4) 操纵器的分区布置。 (5) 同一台机器的操纵器布置，操作运动方向要一致。 直线运动的操纵器
以前/后、上/下、左/右 表示 接通/切断、接合/分离、增加/减少。 旋转运动的操纵器 以顺时针方向表示增大。 (6) 操纵器与人的视野 借助视觉、触觉进行识别。 (7) 紧急用操纵器布置。 (8) 操纵器与显示器配合使用。 (9) 操纵器的总体布置 力求简洁、明确、易操作及造型美观。
人体尺寸 结构尺寸 产品尺寸设计 功能尺寸
人
机
感知觉
环
人体特性
人机系统
生物力学
（人-机-环系统）
视觉 听觉 皮肤感觉 本体感觉 ……
人机界面设计
神经系统 信息传递
显示装置 操纵装置
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显示装置设计的人机工程问题
仪表
仪表盘面 颜色/照明
刻度盘 指针 文字符号
视距 视角
显示装置
空间位置
仪表板
排列布置 认读范围
每秒几毫米～每秒 800 毫米。
手臂的动作速度——
平均：50～500 mm/s，
手的动作速度——
350 mm/s 为上限，
控制操纵杆的动作速度
90～170 mm/s 为合适。
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动作速度的基本规律 （1）人体躯干和肢体在水平面 的运动快。 （2）垂直方向的操纵动作
从上往下 的运动速度快。 （3）水平方向的操纵动作
(旋转式、移动式、按压式) ¾ 脚控操纵装置
(脚踏板、脚踏钮) 按操纵器实现的功能
¾ 开关式操纵器 ¾ 转换式操纵器 ¾ 调节式操纵器 ¾ 紧急停车操纵器
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2. 操纵器的选择 z 功能特点 z 使用条件（如使用要求、空间位置、环境因素等) z 初步选择工作效率较高的几种型式 z 考虑经济因素进行筛选 表5-1/5-2/5-3——常用操纵器的使用情况、使用功能和工作条件。
其旋转半径：20～50 mm。 若需快速转动，应为30mm 左右。 操纵杆直径不能太小。
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二、操纵装置设计的人机工程问题 （四） 操纵器的布置 (1)操纵器的排列应适合人的操作习惯
按照合理的操作顺序和逻辑关系 竖直方向——自上而下； 水平方向——从左到右。
如：车辆的3种踏板。 确保不产生误操作。 (2) 应优先布置在人的手/脚活动最灵敏、辨别力最好
协调、优化
颜色/照明
信号灯
视距、亮度、颜色、形状、闪频、 与操纵器协调、位置、编码
图形标志 形象、直观、简洁、标准化
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生物力学特性
人体的生物力学特性
运动系统 基本特性 人体的出力
人体的动作特点
骨骼 关节 肌肉 操纵力 足蹬力 握力 灵活性
准确性
操纵装置的设计
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第六节 人体的生物力学特性
一、人体运动系统 （一）人体骨骼 中轴骨和四肢骨。 ¾ 中轴骨 颅骨 椎骨 、肋骨 、胸骨 ¾ 四肢骨 上肢骨、下肢骨
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（四） 操纵器的布置(续) (10) 空间位置和分布 尽量做到在盲目定位 时有较高的操纵工效
避免误操作的间隔距离 常用操纵器的布置要点
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二、操纵装置设计的人机工程问题 （五） 操纵力和操纵位移 1． 操纵阻力 摩擦阻力、弹性阻力、 粘滞阻力、惯性阻力等。 操纵器所要求的最小操纵阻力
操作方式、动作部位 受控机构的形状和种类 受控部件的尺寸和质量等因素
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（二）人体动作的准确性 人体动作的准确性的评价
根据动作方向、动作量、动作速度和动作的力量四要素 有力动作和无力动作
手臂伸出和收回的准确性
¾ 动作量小（100 mm以内）时，易运动过多，动作误差较大； ¾ 动作量较大（100～400mm）时，易运动过小，动作误差减小。 ¾ 向外伸出要比向内收回更准确。
形状、大小、位置、颜色或标志等
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二、操纵装置设计的人机工程问题 （七） 操纵器与显示器的协调关系 1． 空间关系的协调性
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2. 操纵器的选择(续)——举例
(1) 曲柄(摇把) 适用场合 优缺点
(2) 手轮 (3) 拉杆 (4) 旋钮 (5) 按钮 (6) 按键 (7) 踏板
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二、操纵装置设计的人机工程问题 操纵器的形状、大小、安装位置 操纵力、操纵位移、运动方向 显示-操纵比、操纵器编码 （一） 操纵器设计的一般原则 1．适应人的生理特点，便于大多数人操作。 操纵力、操纵速度按人的中、下限能力设计。
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第五节 操纵装置
人机系统中的操纵装置 (控制装置、调节装置)
基本功能 操作者的响应输出Æ机器设备的输入信息 Æ机器设备的运行状态
操纵装置的设计目的 ¾ 满足操作功能。 ¾ 考虑人的因素，达到高度的宜人化。
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一、操纵装置的类型和选择 1. 操纵装置的类型 按人体操作部位—— ¾ 手控操纵装置
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（二）关节JOINT 1. 关节的分类 （1）单轴关节： 如手指关节 （2）双轴关节： 如手腕关节 （3）多轴关节 如肩关节 屈、伸、收、展及旋转 （4）联合关节 关节的灵活性
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2. 关节的运动 （1）角度运动 相对转动 运动形态： 屈flexion /伸extension
收adduction /展abduction （2）旋转运动
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本章主要内容
引言：身边的人机界面 第一节 显示装置 第二节 仪表设计 第三节 仪表板设计
第四节 信号灯 与图形标志设计
第五节 操纵装置
第六节 操纵装置设计
复习参考题
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操纵装置设计的人机工程问题
手控 操纵装置
脚控
旋转式 移动式 按压式
脚踏板 脚踏钮
曲柄/摇把 旋钮/手轮
操纵杆 按钮/按键
一般原则 形式和式样 大小 布置 操纵力和位移 编码 与显示器协调 与受控对象协调
推荐最优操纵力的范围:
¾ 手操纵 5～20 N； 手指操纵 2～5 N；
¾
脚操纵 45～90 N； 脚尖操纵 20～45 N。
最优(或最适宜)操纵力的选定
谋求最高的操纵工效。
从能量利用的角度考虑,
使用最大肌力的 1/2 和最大收缩速度的 1/4 操作,
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（五） 操纵力和操纵位移 3． 最优操纵力（续） 影响最优操纵力的主要因素 (1) 操纵器的结构型式及其位置 (2) 人体的姿势 (3) 操纵器的性质和使用要求 (4) 静态施力操纵 (5) 操纵器的用力梯度
常用操纵器所允许的最大用力
平稳转动操纵器所需的最大用力
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（一） 操纵器设计的一般原则（续） 1．适应人的生理特点，便于大多数人操作。 2．运动方向要同机器的运行状态相协调。
例如：转向盘 3．操纵器要容易辨认。 4．尽量利用自然操纵动作或重力 5．尽量设计多功能的操纵器。
例如：换档杆操作 6．操纵器的造型设计。
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三、人体的出力（续） （三）坐姿 时的足蹬力
（四）手的握力
力 体重
°
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四、人体动作的特点 （一）人体动作的灵活性 1. 动作速度 肢体在单位时间内移动的距离。 动作速度的特点 ¾ 速度大小——肌肉收缩的速度。 ¾ 肌肉收缩所发挥的力量与阻力 人的肢体运动速度
旋内medial-rotation/ 旋外lateral-rotation （3）环转运动
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3. 关节的活动范围
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二、骨骼肌的力学特性 骨骼肌的物理特性 z 收缩性 z 伸展性 z 弹性 z 粘滞性
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（一）肌肉收缩的外部表现 肌肉在体内的功能。 肌肉做功过程
所克服的阻力（或负荷）和肌肉缩短长度的乘积。 ¾ 肌肉本身的机能状态 ¾ 肌肉所遇到的负荷条件。
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（五） 操纵力和操纵位移（续） 4． 操纵位移 操纵器的运动方向与其操纵功能之间的对应关系
操纵器位移参数设计 确定操纵器的适宜增益
操纵器的增益： ¾ 1.显示-操纵比 显示器的指示量/操纵器的操纵量 ¾ 2.响应-操纵比 机器系统的实际变化量/操纵器的操纵量
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二、操纵装置设计的人机工程问题 （六） 操纵器的编码 合理编码，使其具有自己的特征 便于操作者确认，减少差错 编码的方法
GB/T 13547-92《工作空间人体尺寸》；GB/T 14776-93 《人类工效学―工作岗位尺寸设计原则及其数值》；GB/T 14774-93 《工作座椅一般人类工效学要求》； JB/Z 308 《工作岗位一般人机工程要求》； GB/T 13053-91《客车驾 驶区尺寸》；GB/T 13054-91《客车驾驶区尺寸术语》； GB/T 6235-1997《农业拖拉机驾驶座及主要操纵装置位置 尺寸》；JB 3683-84 《工程机械操纵的舒适区域与可及范 围》等通用和专业标准。
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三、人体的出力
操纵力 为达到操作效果，身体有关部位所施出的力。 操纵力的数值范围
人体所能发挥的操纵力
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三、人体的出力 （一）坐姿 时手臂的操纵力
（二）立姿 时手臂的操纵力
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