人机工程学课件 操纵控制装置(CONTROLS)1

§1 操纵装置的类型及其特点
§1 操纵装置的类型及其特点
图示 标号 控制器 名称 图示 标号 控制器 名称 图示 标号 控制器 名称 图示 标号 控制器 名称
a b c d e
曲柄 手轮 旋塞 旋钮 钥匙
f g h i j
开关杆 调节杆
k l
脚档
钢丝 脱扣器
p q r s t
手闸 指拨 滑块 指拨 滑块
§2 操纵装置的设计要求和人因学要素
表4. 几种手足控制器的间距要求(mm) 控制器名称 操作肢体 最小间距 最佳间距 20 50 按钮 手指 25 50 肘节开关 手指 25 50 旋钮或旋钮 手指 选择开关 50 100 手柄 单手 75 125 双手 75 125 手轮 双手 踏板 足 50 100
§2 操纵装置的设计要求和人因学要素
◆要满足后一要求，就必须把控制器的大小、控制力 量、位置安排、形状特点、操作方法等设计成与人 的身心行为特点相适应。 ◆因此控制器的设计必须以人体尺寸、人体力量和人 的信息输出特性等有关数据为依据。这些数据在前 面的章节已有介绍。 我们分别介绍控制器设计的一般要求和人因学要素 一、控制器设计的一般要求 1. 控制器的空间特性与人体数据匹配
§2 操纵装置的设计要求和人因学要素
控制器主要通过阻力向操作者提供操作力度的反馈信息。控制 器一般有四种阻力： 静摩擦力（对初始运动的阻力） 库仑摩擦力（对滑动运动的阻力，它与位移、速度等无关） 粘滞阻力（与控制运动的速度成正比，但不能对操作力度提反 馈信息） 弹性阻力（其大小与控制器的位移距离成正比，控制器的位移 量越长，弹性阻力越大） 人可以从弹性阻力的感受中得到控制器位移量的大小，因此， 可通过控制器弹性阻力的设计，提高人们操作控制器的准确 度。参图1和图2
§3 手动控制器的人因学设计 （hand controls)
§3 手动控制器的人因学设计 （hand controls)
下面我们以常用的手、足控制器为例，对它们的设计 要求进行讨论。 一、按钮(push-button) 按钮一般有食指操作和拇指操作两种，其主要功能是 实现开关控制。两种按钮的参数有一定的区别。 按钮设计参数： 按钮形状、尺寸大小、阻力、位移、间距 于下页 表5所示：
操纵控制装置（CONTROLS)的设计
操纵控制装置（CONTROLS)的设计
作业人员获得从机器里传送来的信息后，再通过各 种类型的操纵控制器来完成执行信息的任务。正如 前一章所述，显示装置是起着传递信息的作用，那 么操纵控制装置则起着执行信息的作用，是联系人 和机器的重要部件之一。 在生产过程中，对各种系统的指挥，都是通过操纵 装置来实现的。
2.）触觉编码 要与人的触觉、动觉等认知活动特点相适应。控 制器的形状、位置和表纹等特征都可通过触摸所的信息加以 辨认。（意义相关设计） 3.）位置编码 位置编码既可通过视觉去辨别，也可依靠动觉加 以辨别。用动觉分辨位置时，控制器间须有足够的间距，而 且编码数目有限。 4.）操作方法编码 特殊场合适用。如文件柜的钥匙，保险箱的 密码锁等，每个控制器都必须有各自独特的操作方法。 3. 控制器操作的信息反馈 控制器操作过程的反馈信息来源于三个方面：操作器官、控制 器运动本身、显示器
§2 操纵装置的设计要求和人因学要素
二、控制器的位置安排
1. 控制器的位置选择 应在人的手足活动的功能区，并尽可能安放在最有利于操作的 位置上。
◆大约在身前从肘高至肩高、左右各45°的垂直面，以及与
肘高等高、左右各45°的水平面，是双手操作最有效的功 能区。
◆足控制器应安放在身体前方、高度不超过40cm双足能自然
手轮、踏板、杠杆
大曲柄
§2 操纵装置的设计要求和人因学要素
引言： ◆控制器的质量对人的工作效率和生产安全具有十分 重要的意义。 ◆劣质控制器不仅操作费力费时，降低工作效率，而 且容易造成操作差错，导致人身伤亡事故。 ◆质量优良的控制器，必须具有两方面的特点： 1.）材质优良，功能完备； 2.）适合于操作者的使用特点，方便、省力、有效、 安全。
§2 操纵装置的设计要求和人因学要素
图1： 操纵器用力的差别阈值
图2： 操纵器用力级差 与操纵误差的关系
§2 操纵装置的设计要求和人因学要素
4. 控制器的防偶发启动 偶发启动即无意触发。防偶发可采用以下措施： 1.）使控制器具有一定阻力 2.）将控制器陷入控制板内，以减少无意触碰的机会 3.）在控制器上加保护盖 4.）控制器采用较复杂的使用方法
图8：粗调时间和微调时间
§3 手动控制器的人因学设计 （hand controls)
引言： ◆人机系统中使用的控制器绝大多数是用手操作的手 （动）控制器（hand controls)，其种类很多。仅 少数使用足部操作，此类控制器称为足（脚动）控 制器(foot controls),其种类很少，主要是踏板和 踏钮。 ◆各种手、足控制器的设计除了要满足前面提到的控 制器设计一般要求外，还要考虑各自独特的操作要 求，根据操作的肢体部位运动输出特点进行设计。
§2 操纵装置的设计要求和人因学要素
图5：兼容的控制器与显示器的空间关系
§2 操纵装置的设计要求和人因学要素
图6示： 操纵器与 显示器的 运动关系 相合性
a.)同一平面
b.)不同平面
§2 操纵装置的设计要求和人因学要素
操 纵 器 与 显 示 器 的 运 动 关 系 相 合 性
§2 操纵装置的设计要求和人因学要素
§1 操纵装置的类型及其特点
二、控制器的分类 常见的分类： 1.）按人的操作器官分类－手动和足动式等 2.）旋转式(rotation controls)与平移式(translation controls)— 均适应连续调节 3.）离散式(discrete controls)与连续式(continuous controls)— 跃变式和渐进式 前者控制状态较少，或用数字、文字、言语输入控制信息时需 采用离散式控制器，其形式有：拨动开关、波段开关、按键 开关以及各种用于分档分级调节的控制器。
6
13 13 150 50 25
6
拇指或多指
19 大功率 19 车用按钮 13 计算机按键 13 打字键 13
3 6 6 3 0.75
38 38 13
283 283 283 100 4.75 26
2272 25
2272 25 1133 13 200 152
3 6
§3 手动控制器的人因学设计 （hand controls) 二、旋钮(rotation knobs)
§2 操纵装置的设计要求和人因学要素
◆在连续调节的定位 控制运动中，往往 包含粗调和细调。 ◆粗调要求快，C/D 要求小，即控制器 有高灵敏度； ◆细（微）调要求精 确，需要控制器的 灵敏度低，C/D大。 ◆最佳C/D为两条线 的交点，即总的调 节时间最少。
图8：粗调时间和微调时间与C/D的关系
§2 操纵装置的设计要求和人因学要素
启动 不连续调节 定量调节 连续控制 输入数据
○
○
○
曲柄 手轮
操纵杆 键盘
○ ○
○
○ ○
○ ○
表2. 各种控制器的使用情况比较
控制器 使用情况
按 钮 小 好 可
旋 钮 小 好 好
踏 钮 小 差 差
旋转 钮子 选择开 开关 关 中 好 好 小 较好 好
手摇 把 中大 较好 可
操纵 杆 中大 好 好
手轮
伸及的范围内。
§2 操纵装置的设计要求和人因学要素
图3：控制器与显示器的最佳布置范围
§2 操纵装置的设计要求和人因学要素
2. 控制器的排列 1.）重要性原则 2.）使用频率原则 3.）功能原则 4.）使用顺序原则 除遵照以上原则外，也可采用链分析法(link-analysis method) 进行设计（位置安排）。在人机系统设计评价一章我们将介绍。 3. 控制器的间距 主要取决于操作的肢体部位和控制器的特点。
按钮、踏钮、扳动开关、摇动开关 按钮、扳动开关、旋钮选择开关 同心成层旋钮、键盘、扳动开关、 旋钮选择开关
键盘 旋钮
较大区域的连续 装置
曲柄
表3. 用于各种不同工作情况的控制器建议（续表） 操纵力 较大 情况 2个分开的装置 3～24个分开的 装置 小区域的连续装 置 大区域的连续装 置 扳手、杠杆、大按钮、踏 钮 扳手、杠杆
图7：控制器操作方向与系统反应方向的关系图
§2 操纵装置的设计要求和人因学要素
5.控制－显示比(control-display ratio, 简称C/D) 是指控制器与显示器的运动元素的动程之比。它是连 续控制器的一个重要参数。 ◆对于平移或直线运动的控制器与显示器，动程按移 动距离计算；对于需作较大旋转运动的控制器与显 示器，动程按旋转角度计算。 ◆C/D大，表明控制器灵敏度低；反之则灵敏度高。 ◆最佳C/D (optimum C/D)参下页图示。
§2 操纵装置的设计要求和人因学要素
1.）形体尺寸与人体形体尺寸相匹配 2.）位置安排与人体可及范围相匹配 2. 控制器的编码与人的认知相匹配 1.）视觉编码 颜色、符号、标记编码需要较好的照明 条件； 数字或文字编码方法简单，是控制器数量较多时最常 用的编码 方式。
§2 操纵装置的设计要求和人因学要素
杠杆电键 m 拨动开关 n
摆动式 开关
按钮 按键 键盘
拉环 拉手
o
§1 操纵装置的类型及其特点
三、控制器的选择 表1.各种控制器的使用功能
控制器 名称 按钮 钮子开关 使用功能 启动 不连续调节 定量调节 连续控制 输入数据
○ ○
旋钮选择 开关
○ ○
表1.各种控制器的使用功能（续表）
名称 旋钮 踏钮 踏板 ○ ○ ○
旋钮一般用于连续调节。 1.其外形特征由功能决定，一般分为三类： 1.）适合于作360°以上旋转操作的旋钮，一般设计成 圆柱或圆锥的形状； 2.）适用于旋转调节的范围不超过360°的情况，其外 形设计成圆柱形或接近圆柱形的多边形； 3.）当旋钮的偏转位置具有编码意义，用于作定位指 示调节或控制系统的不同工作状态时，其调节范围 亦不超过360°。
踏板
需要空间 编码 视觉辨别 位置
大 较好 较好
大 差 差
触觉辨别 位置
一排检查 用 一排操作 用 合并控制
差
差 好 好
可
好 差 好
可
差 差 差
好
好 差 较好
好
好 好 好
可
差 差 差
较好
好 好 好
较好
差 差 好
较好
差 差 差
表3. 用于各种不同工作情况的控制器建议
工作情况 操纵力 较小 情况 2个分开的装置 4个分开的装置 4～24个分开的 装置 25个以上分开的 装置 小区域的连续装 置 建议使用的控制器
如编码的意义
§2 操纵装置的设计要求和人因学要素
图4示：Chapanis实验中 煤气灶开关与煤气头的 空间排列关系 排列(a)的效果最好，在 1200次实验中没有操作错 误，其原因就是这种排列 关系最符合控制器与显示 器空间排列的一致性原则
图4：Chapanis实验中 煤气灶开关与煤气头的空间排列关系

操纵控制装置（CONTROLS)的设计
§1 操纵装置的类型及其特点 §2 操纵装置的设计要求和人因学要素
§3 手动控制器的人因学设计 §4 脚动控制器的人因学设计
§1 操纵装置的类型及其特点
一、概述－人的控制活动和控制器的作用 自我控制和对外控制 人对机器的控制分为直接控制和间接控制两种方式。 各种形式的控制器(controls)都是人们藉以控制机 器的中介物。 直接控制一般多用于以人力为动力源的手工机具。例 如使用剪刀、钳子、手摇钻、手动或脚动缝衣机等 过程。 使用电力或其他非人力为动力源的机器，人们一般依 靠间接的方式去控制，即通过中介物控制机器的运 动。
§2 操纵装置的设计要求和人因学要素
三、控制器与显示器的相合性 1. 空间相合性（spatial compatibility） 是指两者空间排列上保持一致的关系。控制器最好安 放在对应的显示器旁边。 2. 运动关系相合性(compatibility of movement relationships) 3. 习惯兼容性(habitual compatibility) 4. 概念兼容性(conceptual compatibility)
表5. 按钮设计参数（采自Moore, 1975）
按钮类型 (操作方式) 食指尖随机 最小 直径 位移(mm) 最小 最大 阻力(g) 最小 间距(mm) 最大 最小 最大 1133 13 50
13 食指尖次序 13 四指指尖随 13
机或次序
3 3 3
6 ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ 6
283 283 140
1133 6
562