人机工程学应用 第七章

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第七章 控制器设计
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第七章 控制器设计
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第七章 控制器设计
二、控制器设计原则
（一）控制器概述
控制器是指运用人的力量来开动 机器设备或用以改变机器设备状态的
装置、部件等。控制器是人—机系统
中重要的组成部分，也是产品界面设 计的一项重要内容，控制器的设计是
否得当，直接关系到整个系统能否正
常安全运行，以及使用者操作的舒适 性。控制器的设计必须适合于人的使 用要求，也就是说，必须考虑人的心 理、生理因素。 手持式GPS的操作界面
（3）将控制器安装在不易被碰撞的位置上。
（4）使控制器的运动方向向着最不可能发生意外用力的方向。 （5）操作者必须连续作两种操作运动，才能使控制器启动，而后一种操 作运动与前一种操作运动的方向不同，以此将控制器锁定在位置上。 （6）一组控制器必须按正确的顺序操作时才能被启动，使控制器彼此之 间具有联锁作用。如配电柜上的油开关和刀闸开关的操作顺序联锁。 （7）适当增大控制器的操作阻力。
3～25mm，L 为12.5～50mm。操作阻力，
对于小开关，为2.8～4.5N；对于大开关，为 2.8～11N。 扳动开关
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第七章 控制器设计
3．旋钮 旋钮是一种应用广泛的手动控制器，是 用手指的拧转来达到控制的，即使多次连续 旋转也可以利用旋钮来完成。根据功能要求， 旋钮一般分为以下3类：第一类适用于作 360°以上旋转，其转动位移并不具有位置信 息意义；第二类适用于调节控制、转动角度 范围不超过360°；第三类旋钮是在每一转动
摇把、手轮的转轴方向
转轮、手柄的适宜安装位置
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第七章 控制器设计
5．手柄 手柄是一种杆式控制器，一般采用的手柄具有弹性阻力，操作时产生位移， 手松开后自动返回。手柄具有快速回转和连续调节的特点，适用于大范围的精调 和粗调。
手柄适宜操纵力
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第七章 控制器设计
6．控制杆 控制杆是一种需要用较大的力操纵的控 制器。控制杆的运动多为前后推拉、左右推 拉或做圆锥运动，如汽车变速杆，因而其需 占用较大的操作空间，适用于小范围内的速 度调节。控制杆的长度需根据设定的位移量 和操纵力决定。当操纵角度较大时，控制杆 端部应设置球状手把。球状手把用指尖抓住 时，其直径为12.5mm；用手握住时，其直
骨间肌则是布满神经末梢的部位。
手 柄 形 状 设 计 与 手 掌 生 理 特 点
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第七章 控制器设计
（三）控制器的阻力
不论手动控制器还是脚动控制器都应有一定的操作阻力。操作阻力
的作用，在于提高操作的准确性、平稳性和速度以及向操作者提供反馈 信息，以判断操作是否被执行，同时防止控制器被意外碰撞而引起的偶 发启动。因而控制器应根据操作要求选择适宜的阻力。 操作阻力的大小与控制器的类型、安装位置、运动距离、使用频率、 持续时间、施力方向等因素有关。操作阻力大小的选择，既不宜过小也 不宜过大。阻力过小，起不到上述有益于控制的作用，阻力过大则影响
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第七章 控制器设计
五、控制器的设计
（一）手动控制器的设计
脚控制器常用于以下情况：
（1）需要连续进行操作，而用手又不方便的场合。
（2）无论是连续性控制还是间歇性控制，其操纵力超过50～150N的情况。 （3）手的控制工作量太大，不适宜完成控制任务的场合。 当操纵力超过49～147N，或操纵力小于49N但需要连续操作时，宜选用脚踏 板。对于操纵力较小，且不需要连续控制时，宜选用脚踏钮或脚踏开关。
操作速度，也容易引起肢体的疲劳。一般操作阻力的最大值应使大多数
操作者都能操作，即可按第5百分位操作者用力的能力来设计，以保证 绝大多数操作者操作时不感到困难。操作阻力的变化应大于操纵者辨认 阻力的差别阈。
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第七章 控制器设计
（四）控制器设计的基本要求
第一，控制器应根据人体测量数据、生物力学
以及人体运动特征进行设计。 第二，控制器的运动方向应与预期的功能和产 品的被控方向相一致，即显示与控制的相合性。 第三，应尽量利用控制器的结构特点（如利用 弹簧、杠杆原理等），或利用操作者身体部位的重 力进行控制。对于连续性或重复性的操作，应使身
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人 机 工 程 学 应 用
第七章
控制器设计
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第 七 章 控 制 器 设 计
一、手的生理特性 二、控制器设计原则 三、控制器的设计要求 四、控制器设计与选择的人机原则 五、控制器的设计
六、脚与脚控制器设计
七、操纵与显示的相合性
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第七章 控制器设计
一、手的生理特性
人手是一个复杂的结构，它由骨骼、
第七章 控制器设计
（一）控制器的操作信息反馈
设计控制器时，应考虑通过一定的操
作信息反馈方式，使操作者获得关于操作 控制器结果的信息，以便使操作者及时纠 正执行的错误信息。视觉操作反馈信息可 通过设置的显示器获得。例如，操作到位 时，信号灯发光或显示屏提示操作已经执 行，也可通过操作阻力的变化获得。此时，
体用力均匀，而不应只集中于某一部位用力，以减
轻疲劳和避免产生单调厌倦感。 第四，应尽量设计和选用多功能控制器，以节 省控制面板空间，并减少手的运动和加强视觉与触 觉辨认。 多功能鼠标和游戏操纵杆
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第七章 控制器设计
四、控制器设计与选择的人机原则
（1）操纵器应配合四肢、配合作业（系统变化）。 （2）操纵器开头应与功能有逻辑联系，功能相近、相关的操纵器应组合 在一起，并用颜色等加以区分。 （3）操纵器应便于使用，宜于用力，使用方法应简单可靠，最好能复合
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第六章 肤觉与其他感觉
5．颜色编码 将不同功能的控制器涂以不同的颜色，以示彼此之间的区别，称为颜色编 码。颜色编码分为两种形式：其一是对一个控制器用一种颜色相互区分，这适 合于控制器比较少的产品；其二是把功能相近或功能上有一定联系的控制器放 置于一种颜色区域内，作为控制器使用功能的区分时，这种情况适合于控制器
（三）脚控制器设计原则
脚控制器常用于以下情况： （1）需要连续进行操作，而用手又不方便的场合。
（2）无论是连续性控制还是间歇性控制，其操纵力均超过50～150N的情况。
（3）手的控制工作量太大，不足以完成控制任务的场合。 当操纵力超过49～147N，或操纵力小于49N但需要连续操作时，宜选用脚
设计不仅应当与操纵者的身体部位尺寸相适应，而且还必须最大限度地 适合于人的使用。所以，还应考虑操作者的操作方式。
手 操 纵 控 制 器 的 方 式
Байду номын сангаас
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第七章 控制器设计
控制器的形状应便于人的使用，有利于人对控制器的施力。对于手动控制 器，其形状设计应考虑手的生理特点。由于指球肌、大鱼际肌和小鱼际肌是手 掌上肌肉最丰富的部位，是手部的天然减振器，而掌心是肌肉最少的部位，指
多用，以节省空间和易于辨认。
（4）操纵器应以位置编码为主，以形状、标记等为辅助性编码，确定位 置时应考虑操作程序，采用自锁等防止误操作措施。 （5）联系较多的操纵器以及相应的信号灯应放在对应空间位置上，并应 使操纵器不在视觉指导下仍能有较高的操纵效率。
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第七章 控制器设计
操纵器在作业面上的布置
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当脚蹬力小于227N时，腿的曲折角（膝关节角度）应以107°为宜；当脚踏用力大于 227N时，则腿的曲折角应以130°为宜。用脚的前端进行操纵时，脚踏板上的允许用
力不超过60N，对于需快速动作的脚踏板，脚蹬力应减小到20N。当脚和腿同时用
力时可达到1200N。在需用大的操作力的情况下，最佳角度是：α 可大到30°，β 为 50°～165°（膝关节角度），γ 为80°～90°（脚与胫骨之间的角度）；在只需用不大
位置具有重要的信息意义。旋钮可分为圆形、
多边形、指针形和转盘形等。 旋钮的形状
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第七章 控制器设计
旋钮的操纵力和适宜尺寸/单位：mm
同轴旋钮的最佳尺寸
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第七章 控制器设计
4．转轮 转轮的功能相当于旋钮或曲柄，但它的转动力量较旋钮和曲柄大，故适宜于 要求控制力量较大的场合。转轮可连续旋转，因此操作时没有明确的定位位置， 常用作汽车、轮船的驾驶方向盘，也用于机械设备的控制。
阻力的变化应大于操作辨认用力的差别阈
值。还可通过操作者的眼睛、手、手臂、 肩、脚、腿等感受到的位移或压力以及耳 朵听到的机器发出声音的变化获得。 操纵力的差别阈值
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第七章 控制器设计
（二）控制器的安全防护
以下防止控制器偶发启动的7种办法，可供设计控制器时选用：
（1）将控制器安装在陷入控制板的凹槽内。 （2）在控制器上加保护罩；
的操作力的情况下，最佳角度是：α 为10°～15°，β为90°～150°，γ 为90°～120°。
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第七章 控制器设计
脚操纵器适宜用力的推荐值
脚踏板与座位的适宜位置关系
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第七章 控制器设计
（二）脚控制器的类型
脚操纵的控制器主要有两种形式：脚踏板和脚踏钮。脚踏板的形式又分为直动 式、摆动式和回转式（包括单曲柄和双曲柄）。
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第七章 控制器设计
（二）控制器的类型及其适用范围
1．控制器的类型
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第七章 控制器设计
2．控制器的特征及适用范围
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第七章 控制器设计
摆动控制器的特性及其适用范围
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第七章 控制器设计
三、控制器的设计要求
（一）控制器编码
为避免人—机系统中众多控制器的相互混淆，提高操作效率和防止 误操作，应以适当的视觉、触觉、听觉刺激为代码，以标示控制器的功 能特点，即对控制器进行编码。编码方式主要有形状编码、表面纹理编 码、大小编码、位置编码、颜色编码、标记编码和声音编码等。在实际
较多的产品。
6．标记编码 在不同控制器的上方或旁边，标注不同的文字或符号，通过这些文字或符
号标示控制器的使用功能，即为标记编码。
7．声音编码 对不同的控制器在操纵过程中给予不同的声音，由声音区别不同控制器，
即为声音编码。
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第七章 控制器设计
（二）控制器的外形结构
控制器的大小与其使用目的和使用方法有密切关系。控制器的尺寸
旋钮的形状编码
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第七章 控制器设计
三类用于形状编码的旋钮
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第六章 肤觉与其他感觉
2．表面纹理编码 控制器的表面纹理可以通过触觉加以辨认，因此可以用不同的表面纹理对 控制器进行编码。研究者认为，光滑的、带槽纹的和压花纹的3类表面纹理均可 用作控制器的纹理编码。 3．大小编码 大小编码是通过控制器的尺寸大小不同来分辨控制器，因此，通常在尺寸 上分为大、中、小3档，超过3种就不容易辨识。控制器大小之间的尺寸级差必 须达到触觉的识别阈限。大小编码不如形状编码有效。 4．位置编码 位置编码是根据控制器在产品面板或控制台上位置的不同来分辨控制器的。 它们的位置可通过视觉或触觉辨认。为了减少使用时的搜寻时间，应该使操作 者在没有视觉辅助时能准确操纵控制器。
径为12.5～25mm，最大不超过75mm，控
制杆的操纵角度以30°～60°为宜，一般不超 过90°。 控制杆
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第七章 控制器设计
六、脚与脚控制器设计
（一）脚操纵器的适宜用力
一般的脚操纵器都采用坐姿操作，只有少数操纵力较小（小于50N）的允许采
用站姿操作（如剪板机的踏板），在坐姿下一般脚踏板的阻力采用14N/cm2为宜；
应用中往往是将上述两种以上的编码方式结合使用，以提高控制器的可
分辨性和操作的准确性，特别是对于重要的控制器尤须如此。
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第六章 肤觉与其他感觉
1．形状编码 形状编码是将不同用途的控制器设计成不同的形状，以此使各控制器彼此 之间不易混淆。它虽然可以通过视觉辨认，但主要是用于触觉辨认。
美空军飞机所采用的控制器的形状编码
血管、神经、韧带和肌腱组成。手指的
屈曲，由前臂肌肉控制，这些肌肉依靠 穿过手腕管道的肌腱与手指相联结。这
条管道由一边是靠近手背的骨骼、另一
边是横腕韧带（手屈肌韧带）所构成。 由此形成的管道被称为腕管。通过腕管 的是一整束敏感的解剖结构，包括桡动 脉和正中神经。通过横腕韧带外侧的是 尺动脉与尺神经，这个动脉和这个神经 要从手腕中的一块被称为豌豆骨的小骨 头旁边穿过。 手的各种功能手势
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第七章 控制器设计
1．按钮 按钮也称为按键、揿钮，指用手指或工具按压进行操作。
按钮的形式和尺寸(mm)
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第七章 控制器设计
2．扳动开关 扳动开关一般只有开和关两种功能，但可 分为两种控制位置（开和关）和3种控制位置 （关—低速—高速）。对于有两种控制位置的 扳动开关，其位移量α 最小为30°，最大为 120°。对于有3种控制位置的肘节开关，其位 移量α 最小为18°，最大为60°，理想的为25°。 扳动开关的其他设计参数参考图7-16：d为