人機(jī)工程學(xué)-第五章-控制器設(shè)計(jì)

人機(jī)工程學(xué)--第五章-控制器設(shè)計(jì)第一頁，共53頁?？刂破鞯姆诸?手控操縱器設(shè)計(jì)2腳控操縱器設(shè)計(jì)3編碼設(shè)計(jì)4控制器選擇、布置原則顯示器與控制器的相合性56ConterollerDesign第二頁，共53頁。5.1控制器的分類定義——操縱裝置（控制器）是將人的信息輸送給機(jī)器，用以調(diào)整、改變機(jī)器狀態(tài)的裝置。一、控制器的分類1.按操縱控制器所用的身體器官或行為分類:

手動(dòng)控制器腳動(dòng)控制器言語控制器

在多數(shù)控制作業(yè)中都采用手動(dòng)控制器，當(dāng)手處于高負(fù)荷狀態(tài)時(shí)，可考慮采用腳動(dòng)控制器。第三頁，共53頁。2.根據(jù)輸入信息的特點(diǎn)分類1）離散控制器：可調(diào)出有限的、確定的幾種狀態(tài)，狀態(tài)變化是躍變式的。2）連續(xù)調(diào)節(jié)控制器：可在一個(gè)連續(xù)體上調(diào)節(jié)，狀態(tài)變化是平滑、躍進(jìn)式的。5.1控制器的分類第四頁，共53頁。3.按控制器運(yùn)動(dòng)的類別的不同1）平移式控制器平移式控制器又可分為：擺動(dòng)控制器如：手擋按壓控制器如:按鍵滑動(dòng)控制器如：撥鈕牽拉控制器如：電鋸2）旋轉(zhuǎn)控制器：如方向盤、旋鈕。5.1控制器的分類第五頁，共53頁。5.1控制器的分類第六頁，共53頁。5.1控制器的分類第七頁，共53頁。二、控制器的編碼設(shè)計(jì)

1、形狀編碼

2、位置編碼

3、尺寸編碼

4、顏色編碼

5、符號(hào)編碼

6、表紋編碼

7、操作編碼5.2控制器的編碼設(shè)計(jì)第八頁，共53頁。1.形狀和表紋編碼形狀編碼是將不同用途控制器設(shè)計(jì)成不同的形狀，以便使各控制器彼此之間不易混淆。人通過觸覺辨認(rèn)形狀的能力比辨認(rèn)大小的能力強(qiáng)，編碼時(shí)應(yīng)選擇與控制功能相關(guān)聯(lián)的形狀，形狀應(yīng)簡(jiǎn)單，有助于操作者對(duì)其譯碼。表紋編碼依賴于觸覺反饋，一般與形狀編碼同時(shí)使用。5.2控制器的編碼設(shè)計(jì)第九頁，共53頁。2.位置編碼若有充裕的工作空間，此時(shí)控制器可按視覺位置定位。5.2控制器的編碼設(shè)計(jì)第十頁，共53頁。3.尺寸編碼亦稱大小編碼是通過控制器的尺寸大小不同來分辨控制器，因此，控制器的大小之間的尺寸等級(jí)差必須達(dá)到觸覺的識(shí)別閾限。大小編碼不如形狀編碼有效，一般不宜超過3個(gè)。5.2控制器的編碼設(shè)計(jì)第十一頁，共53頁。

4.顏色編碼將不同功能的控制器，涂以不同的顏色，以示彼此之間的區(qū)別，稱為顏色編碼。

宜安裝在照明較好，操作者實(shí)現(xiàn)可及的空間，所用顏色不宜過多，應(yīng)使用有標(biāo)準(zhǔn)意義的表示色，顏色編碼一般與其他編碼同時(shí)使用。5.2控制器的編碼設(shè)計(jì)第十二頁，共53頁。5.符號(hào)編碼在不同控制器的上方或側(cè)旁，標(biāo)注不同的文字或符號(hào)，通過這些文字或符號(hào)區(qū)分控制器，即為標(biāo)記編碼。1）采用文字：應(yīng)是簡(jiǎn)短的，采用操作者熟悉的術(shù)語給出控制功能，如，“開”，“關(guān)”。2）采用圖形符號(hào)，應(yīng)盡可能以常規(guī)的方法，采用通用符號(hào)。但采用這種方法需要良好的照明和較大的空間，易出錯(cuò)。5.2控制器的編碼設(shè)計(jì)第十三頁，共53頁。6.操作方法編碼采用操作方法編碼時(shí)，每個(gè)控制器都有自己獨(dú)特的驅(qū)動(dòng)方式，如，拉，推，旋轉(zhuǎn)，滑動(dòng)，按壓等。5.2控制器的編碼設(shè)計(jì)第十四頁，共53頁。7、編碼設(shè)計(jì)的總原則所有編碼需易辨認(rèn)、有區(qū)別編碼與其功能間有邏輯上的關(guān)系盡量使用標(biāo)準(zhǔn)化代碼編碼間多進(jìn)行混合使用，以增強(qiáng)其識(shí)別性5.2控制器的編碼設(shè)計(jì)第十五頁，共53頁。三、手控式操縱器的設(shè)計(jì)（一）、執(zhí)握柄（操縱把）的設(shè)計(jì)1、手的解剖學(xué)因素（1）手部肌肉構(gòu)成（2）手部肌肉特性指球肌，大、小魚際：肌肉組織發(fā)達(dá)、減震好、施力大指骨間肌，掌心：肌肉少、減震差、易疲勞、操作準(zhǔn)確性低

5.3手控式操縱器的設(shè)計(jì)第十六頁，共53頁。（50mm時(shí)歐洲人握力最大，亞洲人40～50mm之間。）

2、執(zhí)握柄（操縱把）的設(shè)計(jì)

（1）原則：充分考慮手部生理特征（2）執(zhí)握柄形式

1）圓弧型與掌心、指間肌接觸面大適于用力小、瞬間操作

2）直線型（寬手把型、扁平型）與掌心、指間肌接觸面小適于用力大、長(zhǎng)時(shí)間操作（3）建議尺寸（直徑）

30-32mm

22-35mmMin7.5mm

Min5mm

5.3手控式操縱器的設(shè)計(jì)第十七頁，共53頁。5.3手控式操縱器的設(shè)計(jì)一般手工具物理特徵的案例分析——羊角錘執(zhí)握柄設(shè)計(jì)羊角錘的形式及結(jié)構(gòu)分析

第十八頁，共53頁。5.3手控式操縱器的設(shè)計(jì)鐵錘的特征與可能受影響的敲擊效率分析表

特征影響敲擊效率項(xiàng)目重量重心握柄角度握柄長(zhǎng)度握柄直徑斷面形狀握柄材質(zhì)錘頭設(shè)計(jì)施力大小與加速度●●●●●疲勞度●●舒適度●●●●手掌接觸面積與力量分佈●●手腕施力角度●手掌與握柄間的摩擦力●●●握柄的震動(dòng)●●●●●力量的傳導(dǎo)和控制性●●●●●●第十九頁，共53頁。5.3手控式操縱器的設(shè)計(jì)握持位置B處握持位置C處

第二十頁，共53頁。5.3手控式操縱器的設(shè)計(jì)一般手工具物理特征的設(shè)計(jì)指南手工具物理特征設(shè)計(jì)指南重量及配重重心盡可能接近手掌中心，重量應(yīng)小于2.3kg握柄直徑應(yīng)在2-8cm之間，力握時(shí)最佳握把直徑5cm握柄長(zhǎng)度最短應(yīng)為10-12.5cm，握柄的尾端不能壓迫到手掌握柄握距最佳握距在5-6cm，不宜超過13cm握柄形狀應(yīng)使手掌與握把間的接觸面積最大握柄斷面形狀在推力和拉力兼有的作業(yè)下，採用寬高比為1:1.25的矩形握柄握柄溝槽手指溝槽可提供較好的摩擦力、避免滑手，深度不宜超過0.32cm握柄角度握柄角度在19度左右可以減少手腕尺偏第二十一頁，共53頁。（二）按鈕設(shè)計(jì)

1、作用：常用作系統(tǒng)的啟動(dòng)和關(guān)停。

2、形狀：常為圓心和矩形、橢圓形。

3、尺寸：按紐的尺寸主要按成人手指端的尺寸和操作要求而定。（1）圓弧形按紐直徑以8—18mm為宜；（2）矩形按紐以10*10、10*15或15*20為宜（3）按紐應(yīng)高出盤面5—12mm（4）行程為3—6mm（5）按紐間距一般為12.5—25mm,最小不得小于6mm。

4、阻力：1.43—11.35N5.3手控式操縱器的設(shè)計(jì)第二十二頁，共53頁。（三）按鍵設(shè)計(jì)

1、形狀：常為圓心和矩形、橢圓形。

2、鍵面形式：凸鍵平鍵凹鍵

3、尺寸：按紐的尺寸主要按成人手指端的尺寸和操作要求而定。（1）按面直徑以12—20mm為宜；（2）按紐應(yīng)高出盤面5—12mm（3）行程為5—7mm（4）間距大于6mm（5）按紐間距一般為12.5—25mm,最小不得小于6mm。5.3手控式操縱器的設(shè)計(jì)第二十三頁，共53頁。5.3手控式操縱器的設(shè)計(jì)第二十四頁，共53頁。（四）撥鈕（鈕子開關(guān)、肘節(jié)開關(guān)）設(shè)計(jì)1、用途：開關(guān)專用，不具有調(diào)節(jié)功能。

2、形狀：見下圖。

3、尺寸：（1）撥鈕直徑以3—25mm為宜（2）開關(guān)長(zhǎng)度12.5—50mm（3）行程角度為40—70°

4、阻力：2.83—11.34N5.3手控式操縱器的設(shè)計(jì)第二十五頁，共53頁。（五）旋鈕設(shè)計(jì)1、用途：調(diào)節(jié)及開關(guān)控制。

2、分類：指針旋鈕、常規(guī)旋鈕。

3、尺寸：（1）直徑：定位旋鈕：35—75mm；連續(xù)旋鈕：10—75mm（2）高度：定位旋鈕：20—50mm；連續(xù)旋鈕：15—25mm（3）行程角度為15—90°

4、阻力：定位旋鈕12—18N；連續(xù)旋鈕：2—4.5N連續(xù)旋轉(zhuǎn)鈕（控制范圍超過360o）

定位指示旋鈕（控制范圍有固定的邊界限范圍有固定的邊界限制）

5.3手控式操縱器的設(shè)計(jì)第二十六頁，共53頁。2022/10/29第27

頁（六）方向盤的設(shè)計(jì)

方向盤的要用于機(jī)動(dòng)車輛的轉(zhuǎn)向。方向盤設(shè)計(jì)中的主要問題有：方向盤平面間的夾角a、方向盤的直徑D和方向盤的構(gòu)造三個(gè)問題，夾角的大小取決于不同車型駕駛員的位置，直徑的大小取決于司機(jī)施力的舒適性限度。

1．a(chǎn)、D的取值范圍

方向盤夾角直徑

卡車及公共汽車：15o～30o

400mm左右（這也是一般車輛的取值范圍。)

大型載重車輛：0o

450～500mm。

小臥車、小卡車：45o～60o350～400mm。

5.3手控式操縱器的設(shè)計(jì)第二十七頁，共53頁。2022/10/29第28

頁2．方向盤的構(gòu)造

（1）截面直徑在19～28mm之間。（2）下緣凹點(diǎn)間距：19mm左右。（重型車輛的駕駛盤為便于用力常在輪緣下部作出波浪形）圖1

方向盤的橢圓形截面輪輻

圖2橢圓形截面輪輻

5.3手控式操縱器的設(shè)計(jì)第二十八頁，共53頁。2022/10/29第29

頁

汽車方向盤最大轉(zhuǎn)角為120o

，這樣可以保證在急轉(zhuǎn)彎時(shí)，駕駛員能雙手握住方向盤而不必倒手。汽車方向盤與車輪轉(zhuǎn)動(dòng)角度的比值可取1.5～3.0，如圖3所示（方向盤與車輪）。

5.3手控式操縱器的設(shè)計(jì)第二十九頁，共53頁。2022/10/29第30

頁為駕駛中省力，同時(shí)也為車輛自動(dòng)保持直線前進(jìn)，轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu)應(yīng)設(shè)有自動(dòng)歸復(fù)到保持直線前進(jìn)位置的復(fù)位裝置。

有些小型車輛設(shè)計(jì)了可調(diào)整方向盤角度的結(jié)構(gòu)，方向盤立柱的傾角可調(diào)，一般可調(diào)范圍在15o以內(nèi)。調(diào)整方向盤的角度，一是為了應(yīng)不同體形駕駛員的舒適度需要；二是為了使方向盤不遮擋觀察儀表的視線，如圖4（可調(diào)節(jié)方向盤）。5.3手控式操縱器的設(shè)計(jì)第三十頁，共53頁。2022/10/29第31

頁3．安全設(shè)施

發(fā)生撞車事故時(shí)方向盤對(duì)司機(jī)最為危險(xiǎn)，方向盤的安全設(shè)計(jì)：

①輪緣外層應(yīng)用軟體材料，駕駛部位的儀表及臺(tái)面及臺(tái)面均應(yīng)較軟的包敷材料；

②立柱應(yīng)低于手輪平面，以免撞車時(shí)插到司機(jī)的胸部，對(duì)于高速汽車需要低得多些；

③高級(jí)轎車在方向盤中央設(shè)置了一個(gè)空氣袋，平時(shí)折合在立柱頂端的一個(gè)圓盆中，一旦汽車發(fā)生碰撞使汽車驟然停止時(shí)氣袋就會(huì)自動(dòng)充氣，以保護(hù)司機(jī)的面部和胸部，如圖5。同時(shí)還應(yīng)保證快速排氣，及時(shí)排氣，以免造成司機(jī)窒息。

5.3手控式操縱器的設(shè)計(jì)第三十一頁，共53頁。四、腳動(dòng)控制器的設(shè)計(jì)

1、腳控制器的使用前提：（1）需大力操作時(shí)；（2）精度要求不高時(shí)；（3）手操作負(fù)荷過大時(shí)；（4）非立姿操作時(shí)。

5.4腳動(dòng)控制器的設(shè)計(jì)第三十二頁，共53頁。2022/10/29第33

頁

2、腳動(dòng)控制器的形式5.4腳動(dòng)控制器的設(shè)計(jì)第三十三頁，共53頁。2022/10/29第34

頁3、腳動(dòng)控制器的適宜用力

腳動(dòng)控制器推薦的用力值N腳休息時(shí)腳踏板的承受力18～32懸掛的腳蹬（如汽車的加速器）45～68功率制動(dòng)器直至68離合器和機(jī)械制動(dòng)直至136飛機(jī)方向舵272可允許腳蹬力最大值2268創(chuàng)記錄的腳蹬力最大值40825.4腳動(dòng)控制器的設(shè)計(jì)第三十四頁，共53頁。2022/10/29第35

頁4、腳踏板控制的設(shè)計(jì)：（1）各種踏板效率比較5.4腳動(dòng)控制器的設(shè)計(jì)第三十五頁，共53頁。2022/10/29第36

頁操縱方式操縱特征整個(gè)踏板操縱力較大（大于50N），操縱頻率較低，適用于緊急制動(dòng)器的踏板腳掌踏操縱力在50N左右，操縱頻率較高，適用于啟動(dòng)、機(jī)床剎車的腳踏板腳掌或腳跟踏操縱力小于50N，操縱迅速，可連續(xù)操縱，適用于動(dòng)作頻繁的踏板（2）、腳踏板與操縱方式5.4腳動(dòng)控制器的設(shè)計(jì)第三十六頁，共53頁。2022/10/29第37

頁（3）、腳踏板結(jié)構(gòu)形式

5.4腳動(dòng)控制器的設(shè)計(jì)第三十七頁，共53頁。2022/10/29第38

頁（4）、不同坐高的腳踏板高度設(shè)計(jì)

5.4腳動(dòng)控制器的設(shè)計(jì)第三十八頁，共53頁。

(6)腳踏板布置設(shè)計(jì)尺寸：

1）椅前；

2）據(jù)椅面高50-178mm；

3）偏離人體中心：小于75-125mm時(shí)出力最大；5.4腳動(dòng)控制器的設(shè)計(jì)第三十九頁，共53頁。2022/10/29第40

頁（5）調(diào)節(jié)型踏板設(shè)計(jì)

調(diào)節(jié)踏板有以鞋跟為轉(zhuǎn)軸的（見圖1）和腳懸空的兩種。

以鞋跟為轉(zhuǎn)軸的踏板典型例子：踏板下的舒適角不大于20o，一般控制在15o左右，每腳與人的中線叉開10o～15o為宜（見圖2）。

圖1以鞋跟為轉(zhuǎn)軸的踏板

圖2腳的舒適叉開角度

5.4腳動(dòng)控制器的設(shè)計(jì)第四十頁，共53頁。2022/10/29第41

頁（6）踏板開關(guān)設(shè)計(jì)

腳踏開關(guān)多用于定位操縱，要很好地安排它的位置，使操作者在不影響穩(wěn)定性的情況下即能使用，還要避免發(fā)生誤踏的危險(xiǎn)。給出了踏板開關(guān)的形狀和尺寸，踏板的轉(zhuǎn)角不宜超過10o,轉(zhuǎn)角太大需將腳抬離地面才能操作，操作者單腳承重，很不安全。

如果要求雙腳均能踏動(dòng)，或操作者連續(xù)不斷改換位置時(shí)也能踏動(dòng)，最好采用踏動(dòng)標(biāo)桿，踏動(dòng)標(biāo)桿距地面不應(yīng)超過15cm，但伸長(zhǎng)度不要大于15cm。

5.4腳動(dòng)控制器的設(shè)計(jì)第四十一頁，共53頁。2022/10/29第42

頁

踏板開關(guān)操縱

5.4腳動(dòng)控制器的設(shè)計(jì)第四十二頁，共53頁?？刂蒲b置名稱使用功能啟動(dòng)不連續(xù)調(diào)節(jié)定量調(diào)節(jié)連續(xù)控制輸入數(shù)據(jù)按鈕O

鈕子開關(guān)OO

旋鈕選擇開關(guān)

O

旋鈕

OOO

踏鈕O

踏板

OO曲柄

OO手輪

OO操縱桿

OO鍵盤

O1、各種控制裝置的使用功能

五、控制器的選擇和布置原則5.5控制器的選擇和布置原則第四十三頁，共53頁。2022/10/29第44

頁使用情況按鈕旋鈕旋轉(zhuǎn)旋紐開關(guān)紐子開關(guān)手搖把操縱桿子輪踏板需要的空間小小-中中小中-大中-大大大編碼小好

好較好較好好較好差視覺辨別位置可好好

好可好較好差觸覺辨別位置差可

好好可較好較好較好一排類似控制裝置的檢查差好

好好

差好差差一排控制裝置的操作好差差好差好差差合并控制好好較好好差好好差2、各種控制裝置的使用情況比較

5.5控制器的選擇和布置原則第四十四頁，共53頁。2022/10/29第45

頁3、不同工作情況下選擇控制器的建議工作情況建議使用的控制器操縱力較小情況2個(gè)分開的裝置4個(gè)分開的裝置4—24個(gè)分開的裝置25個(gè)以上分開的裝置小區(qū)域的連續(xù)裝置較大區(qū)域的連續(xù)裝置按鈕、踏鈕、撥動(dòng)開關(guān)、搖動(dòng)開關(guān)按鈕、撥動(dòng)開關(guān)、旋鈕、選擇開關(guān)

同心成層旋鈕、鍵盤、撥動(dòng)開關(guān)、旋轉(zhuǎn)選擇開關(guān)鍵

盤旋

鈕曲

柄操縱力較大情況2個(gè)分開的裝置3—24個(gè)分開的裝置小區(qū)域連續(xù)裝置大區(qū)域連續(xù)裝置扳手、杠桿、大按鈕、踏鈕扳手、杠桿手輪、踏板、杠桿大

曲