第5章：人機信息界面(操縱裝置設(shè)計)

第五章操縱裝置設(shè)計操縱裝置的類型及特征分析

旋轉(zhuǎn)式操縱器設(shè)計

移動式操縱器設(shè)計

按壓式操縱器設(shè)計腳操縱器設(shè)計操縱與顯示相合性設(shè)計操縱裝置的類型及特征分析一.操縱裝置的類型操縱裝置類型很多，分類方法也很多操縱裝置的類型及特征分析一.操縱裝置的類型1.旋轉(zhuǎn)式操縱器：包括手輪、旋鈕、搖柄、十字把等。改變機器的工作狀態(tài)，將系統(tǒng)的工作狀態(tài)保持在規(guī)定的工作參數(shù)上。手輪操縱裝置的類型及特征分析一.操縱裝置的類型手輪操縱裝置的類型及特征分析一.操縱裝置的類型旋鈕操縱裝置的類型及特征分析一.操縱裝置的類型旋鈕操縱裝置的類型及特征分析一.操縱裝置的類型搖柄操縱裝置的類型及特征分析一.操縱裝置的類型2.移動式操縱器：包括操縱桿、手柄、刀閘開關(guān)等。將系統(tǒng)從一個工作狀態(tài)轉(zhuǎn)換到另一個工作狀態(tài)，或做緊急制動之用。操縱桿操縱裝置的類型及特征分析一.操縱裝置的類型3.按壓式操縱器：包括按鍵和按鈕等。只有兩個工作位置：接通和斷開。常用在機器的開停、制動、停車控制上。按鈕操縱裝置的類型及特征分析一.操縱裝置的類型按鍵操縱裝置的類型及特征分析一.操縱裝置的類型操縱裝置的人機工程學(xué)要求：

操縱裝置的形狀、大小、位置、運動狀態(tài)和操縱力等都要符合人的生理和心理特征，以保證操作時的舒適和方便。操縱裝置的類型及特征分析二.操縱裝置的用力特征1.操縱器的動作需要由人施加適當(dāng)?shù)牧瓦\動才能夠?qū)崿F(xiàn)，所設(shè)計的操縱器的操縱力不應(yīng)該超出人的用力限度，并將操縱器控制在人施力適宜、方便的范圍內(nèi)。2.人的操縱力不是恒定值，人的最大操縱力隨著持續(xù)時間的延長而降低。3.操縱器的設(shè)計應(yīng)針對不同的類型和操作方式，以保證工作效率最優(yōu)，來確定用力大小。4.操縱量的大小與操縱力的大小成正比。5.操縱力不宜太小，太小精度難以控制，同時人也不能從操縱力中取得有關(guān)操縱量大小的反饋信息，不利于正確操作。

操縱裝置的類型及特征分析二.操縱裝置的用力特征操縱裝置的類型及特征分析二.操縱裝置的用力特征靜態(tài)操縱：某些操縱器的操縱要求人的施力部位始終保持在特定的位置稱為靜態(tài)操縱特點：肌肉的工作不變注意：靜態(tài)施力時，肌肉供血受阻的大小與肌肉收縮產(chǎn)生的力成正比，當(dāng)用力大小達(dá)到最大肌力的60%時，血液輸送幾乎中斷。所以，為了保證血液循環(huán)正常，使靜態(tài)施力保持較長時間而不疲勞，操縱力保持在人體最大肌力的15%—20%。盡量避免肌肉的靜態(tài)負(fù)荷,靜態(tài)負(fù)荷與動態(tài)負(fù)荷相比,容易引起肌肉疲勞。其原因是靜態(tài)負(fù)荷使肌肉處于連續(xù)緊張收縮狀態(tài)，血管受擠壓，血流減少。而動態(tài)負(fù)荷的肌肉收縮是變形的，肌肉收縮對血管起一個泵的作用能使血流量增加。減少靜態(tài)負(fù)荷的主要方法是減少手持重量，使手臂下垂成自然狀態(tài)進(jìn)行作業(yè)。

下圖：靜態(tài)作業(yè)，肌肉持續(xù)收縮，血流受阻，影響氧和其它能量的供給。上圖：由于動態(tài)作業(yè)，肌肉周期性收縮與松弛，類似泵的作用效果，可保證血流正常。

操縱裝置的類型及特征分析二.操縱裝置的用力特征形狀編碼大小編碼顏色編碼符號編碼操縱裝置的類型及特征分析三.操縱裝置的特征編碼與識別位置編碼操縱裝置的類型及特征分析三.操縱裝置的特征編碼與識別利用操縱器外觀形狀變化來進(jìn)行區(qū)分注意要點：⑴操縱器的形狀和它的功能最好有邏輯上的聯(lián)系⑵操縱器的形狀應(yīng)該在不同的目視或戴著手套的情況下單靠觸覺也能分辨清楚。1.形狀編碼形狀編碼形象化的飛機操縱器形狀與功能有直接的聯(lián)系，如輪形的操縱器可用來操縱飛機的起落架，翼形操縱器則用于副翼或襟翼的操縱，這種形象化的操縱器有利于減少飛行事故。操縱裝置的類型及特征分析三.操縱裝置的特征編碼與識別形狀編碼旋紐的形狀編碼在(a)、(b)、(c)三類旋紐之間不易混淆，而同一類之間容易混淆；(a)和(b)類旋紐適合作360度以上旋轉(zhuǎn)操作；(c)類旋紐適合360度以內(nèi)旋轉(zhuǎn)操作；(d)類適合作定位指示調(diào)節(jié)。操縱裝置的類型及特征分析三.操縱裝置的特征編碼與識別大小編碼以相同形狀而不同大小來區(qū)別控制器的功能和用途，這種形式的編碼應(yīng)用范圍較小，通常在同一系統(tǒng)中只能設(shè)計大、中、小三種規(guī)格。由于大小編碼的視覺和觸覺感知度小的原因，常與其他形式編碼一起使用。

操縱裝置的類型及特征分析三.操縱裝置的特征編碼與識別操縱裝置的類型及特征分析三.操縱裝置的特征編碼與識別顏色編碼形體和顏色是物體的外部特征，因此，可用顏色編碼來區(qū)分操縱器，人眼雖然分辨各種顏色,但用于操縱器的編碼顏色，一般只有紅、橙、黃、藍(lán)、綠等五種，色相多了，容易混淆。操縱器的顏色編碼一般只能同形狀和大小編碼合并使用，而且只能靠視覺辨認(rèn)，還容易受照度的影響，故使用范圍有限。操縱裝置的類型及特征分析三.操縱裝置的特征編碼與識別顏色編碼符號編碼在控制器上標(biāo)以不同的文字或圖形符號以區(qū)別不同的控制器。這種編碼的優(yōu)點是，可以用示意性符號對每個控制器的作用給以直觀性指示，不需要事先去記憶每個控制器的功能和用途，減少了大腦譯碼的過程，因此效率和準(zhǔn)確度都較高。在設(shè)計符號時，這些符號應(yīng)力求簡單、達(dá)意、明顯、易認(rèn)

操縱裝置的類型及特征分析三.操縱裝置的特征編碼與識別顏色編碼位置編碼

在人機操縱系統(tǒng)中，利用控制器相對于人的不同位置進(jìn)行編碼。汽車上的離合器、制動器和加速器的踏板，就是以位置編碼的。通常，位置編碼的控制器數(shù)量不多，并須與人的操作順序和操作習(xí)慣相一致，這樣可以使人不用眼看，就可正確地進(jìn)行操作。

旋轉(zhuǎn)式操縱器旋鈕設(shè)計常用的旋鈕控制器，一般可分為三種類型：連續(xù)旋轉(zhuǎn)鈕：（控制范圍超過360o）部分旋轉(zhuǎn)鈕：（控制范圍不超過360o）定位指示旋鈕（控制范圍有固定的邊界限制）旋轉(zhuǎn)式操縱器旋鈕設(shè)計根據(jù)功能要求，旋鈕可以旋轉(zhuǎn)一圈、多圈、或不滿一圈；可以連續(xù)多次旋轉(zhuǎn)，也可以定位旋轉(zhuǎn)。

根據(jù)旋鈕的形狀，可分為圓柱形旋鈕，指針形旋鈕和多邊形旋鈕等。對于圓形旋鈕設(shè)計的主要尺寸為直徑和高度。實驗表明對于單旋鈕，直徑以50mm為最佳。多層旋鈕必須使之在旋動某一層旋鈕時不會無意中觸動其它層旋鈕。當(dāng)三層旋鈕中間一層旋鈕直徑取50mm時，最上面的小鈕直徑應(yīng)小于25mm，最下面的一個大旋鈕直徑以80mm左右為宜。鈕的厚度上面的兩個可取為8mm，最下面的一個可取6mm。各層旋鈕之間應(yīng)不應(yīng)接觸，多層旋鈕應(yīng)有足夠的旋動阻力，才能保證不會發(fā)生相互影響。旋轉(zhuǎn)式操縱器旋鈕設(shè)計為了使手操縱旋鈕時候不打滑，常把鈕帽部分作成多邊形或齒紋形

旋鈕的操縱力與適宜尺寸旋轉(zhuǎn)式操縱器手輪—汽車方向盤—設(shè)計方向盤主要用于機動車輛的轉(zhuǎn)向。方向盤設(shè)計中的主要問題有：方向盤與平面間的夾角a、方向盤的直徑D和方向盤的構(gòu)造三個問題，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施力的舒適性限度。1．a(chǎn)、D的取值范圍

對于卡車及公共汽車，為了得到司機舒適位置，a角可取為15o～30o,D值可取為400mm左右。這也是一般車輛的取值范圍。

對于大型載重車輛，需要較大的操作力矩，為了施力的需要，可將方向盤的a值取到接近0o，直徑D可取450～500mm。

對于小轎車，小卡車等因司機座椅較低，方向盤的操縱力也較小，a可取45o～60o,D值取為350～400mm。

以上所述就是各種方向盤與駕駛員之間的舒適相對位置，這是設(shè)計時要注意的。

旋轉(zhuǎn)式操縱器手輪—汽車方向盤—設(shè)計旋轉(zhuǎn)式操縱器手輪—汽車方向盤—設(shè)計2．方向盤的構(gòu)造

手握輪緣截面為圓形，直徑在19～28mm之間。重型車輛的駕駛盤為便于用力常在輪緣下部作出波浪形，其節(jié)距為19mm左右。旋轉(zhuǎn)式操縱器手輪—汽車方向盤—設(shè)計汽車方向盤最大轉(zhuǎn)角為120o。汽車方向盤與車輪轉(zhuǎn)動角度的比值可取1.5～3.0，為駕駛中省力，同時也為車輛自動保持直線前進(jìn)，轉(zhuǎn)向機構(gòu)應(yīng)設(shè)有自動歸復(fù)到保持直線前進(jìn)位置的復(fù)位裝置。旋轉(zhuǎn)式操縱器手輪—汽車方向盤—設(shè)計有些小型車輛設(shè)計了可調(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，一是為了適應(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，旋轉(zhuǎn)式操縱器手輪—汽車方向盤—設(shè)計3．安全設(shè)施

在發(fā)生撞車事故時方向盤對司機最為危險為此方向盤要作如下的安全設(shè)計：

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

②立柱應(yīng)低于手輪平面，以免撞車時插到司機的胸部，或增大立柱平面的面積，減小壓強；有的將立柱設(shè)計成可壓縮的。③高級轎車在方向盤中設(shè)置了一個空氣袋，平時折合在立柱頂端的一個圓盆中，一旦汽車發(fā)生碰撞使汽車驟然停止時氣袋就會自動充氣，以保護(hù)司機的面部和胸部。同時還應(yīng)保證快速排氣，及時排氣，以免造成司機窒息。旋轉(zhuǎn)式操縱器手輪—汽車方向盤—設(shè)計移動式操縱器手柄的設(shè)計手柄的形體設(shè)計手柄形式和著力方式比較要求：手握舒適、施力方便，不產(chǎn)生滑動，因此，手柄的形狀和尺寸應(yīng)按手的結(jié)構(gòu)特征設(shè)計：移動式操縱器操縱桿的設(shè)計當(dāng)操縱力較大，空間位置較遠(yuǎn)時，用手柄操作困難。此種情況下只能增加杠桿的長度，適應(yīng)新的操縱要求，從而產(chǎn)生了操縱桿。操縱桿的適宜用力1.側(cè)向運動操縱桿，適宜的最大用力不超過408N2.前后運動操縱桿，適宜的最大用力不超過295N3.瞬間快速運動，適宜的最大用力不超過1134N4.汽車換檔用的操縱桿，用力不超過136N，工作阻力不小于18N移動式操縱器操縱桿的設(shè)計操縱桿長度和操縱頻率有很大關(guān)系，操縱桿越長，動作頻率越低最大轉(zhuǎn)動頻率m/min操縱桿長度mm262727.525.523.518.514304060100140240580最大轉(zhuǎn)動頻率與操縱桿長度關(guān)系移動式操縱器操縱桿的設(shè)計為了減少手的運動，節(jié)省空間和減少操作的復(fù)雜性，采用復(fù)合多功能的操縱器有很大的優(yōu)點。例如現(xiàn)代飛機上使用的復(fù)合型駕駛桿就是突出的例子。這種駕駛桿上附設(shè)有多種常用的開關(guān)，飛行員的手不離開駕駛桿就能完成多項操作。現(xiàn)代汽車轉(zhuǎn)向柱上的組合開關(guān)。移動式操縱器操縱桿的設(shè)計操縱桿的主要優(yōu)點可歸納為以下三點：

①可以利用較大的杠桿比，操縱阻力較大的控制器。例如大型機械的手動制動器等。

②使操縱桿的運動方向與被控機器的運動方向一致，可以實現(xiàn)模擬操作。例如飛機向前推即俯沖，向后拉時飛機即仰起上升。

③操縱桿宜作推、拉等直線運動，較旋轉(zhuǎn)式操縱動作反應(yīng)快。

操縱桿的缺點是搬動角度不能很大，因此不宜作大幅度連續(xù)控制，而且調(diào)節(jié)的準(zhǔn)確性也較差。

移動式操縱器操縱桿的設(shè)計2）擋位轉(zhuǎn)換操縱桿

汽車擋位轉(zhuǎn)換手柄就是一種擋位轉(zhuǎn)換操縱桿。桿端手柄直徑可選為40mm左右,手柄移動距離不小于50mm,距離太小不但手感不明顯，而且也不易識別所在的擋位。這種操縱桿一般用于連鎖定位。1.按鈕阻力

對于單指按鈕的阻力，大拇指按鈕可取為2.94～19.6N,其他手指按鈕可取為1.47～5.89N，按鈕阻力不宜太小，以免稍有誤碰就會起作用，造成事故。

按鈕開關(guān)一般用音響，如“卡塔”聲，或以阻力的變化作為到位的反饋信息，如果配備指示燈作為反饋信息時，也應(yīng)有音響或阻力變化信息。因為指示燈有時也會因未注意而被忽略。指示燈的優(yōu)點是可以在按扭工作時保持光亮以提醒操作者。不宜用音響長時間的鳴叫作提示信號，因為這樣會增加噪音，污染環(huán)境。

按壓式操縱器按鈕的設(shè)計按鈕的形體設(shè)計1.外形：常為圓形和矩形，有的還帶有信號燈。作用：系統(tǒng)的啟動和關(guān)停。分類：單工位和雙工位。單工位按紐是手按后，它處于工作狀態(tài)，手指一離開按紐就自動脫離工作狀態(tài)，回復(fù)原位；雙工位的按紐是一經(jīng)手指按下就一直處于工作狀態(tài)，當(dāng)手指在按一下時，它才回復(fù)原位2.按紐的尺寸主要按成人手指端的尺寸和操作要求而定。圓弧形按紐直徑：8—18mm，矩形按紐10*10、10*15或15*20，按紐應(yīng)高出盤面5—12mm，行程為3—6mm,按紐間距一般為12.5—25mm,最小不得小于6mm。按鈕的形體設(shè)計按壓式操縱器按鈕的設(shè)計

圖7-8凹坑按鈕

按壓式操縱器按鍵的設(shè)計按鍵的形體設(shè)計常用計算機鍵盤鍵盤的設(shè)計應(yīng)考慮人手指按壓鍵盤的力度、回彈時間及使用頻度、手指移動距離等因素。人們使用鍵盤的最高擊鍵速度可以達(dá)到15次/s,一個熟練的使用者平均擊鍵速度為5次/s.按壓式操縱器按鍵的設(shè)計按鍵的形體設(shè)計按鍵的形式和尺寸(mm)腳動操縱器一、腳操縱器的形式和操縱特征腳操縱器腳踏板腳踏鈕直動式擺動式迴轉(zhuǎn)式單曲柄雙曲柄腳踏板：能夠施加較大的操縱力，且操作比較方便腳踏鈕：多用于操縱力較小，需要經(jīng)常動作的場合腳動操縱器一、腳操縱器的形式和操縱特征汽車的制動踏板，這種踏板應(yīng)使之隨移動距離而增加阻力以便產(chǎn)生增量的反饋。

剎車反應(yīng)時間腳動操縱器一、腳操縱器的形式和操縱特征1.用同一只腳的不同部位來控制腳操縱器，其操縱和控制的效果也是不同的，應(yīng)根據(jù)具體的操縱要求來選擇腳操縱器和操縱方式。2.腳踏板多采用矩形和橢圓形平面板；腳踏鈕采用矩形和圓形。表面應(yīng)設(shè)計成齒紋狀，避免腳在用力時滑落?？刂破餍畔⒌姆答?/p>

人在操縱控制器時，控制器的狀態(tài)要及時地通過人的手、腳、眼或其他器官反饋給操作者，以保證操作的可靠性及有效度。控制器反饋的方式除已介紹過的儀表顯示之外，還常用以下幾種形式。1）光顯示。即在控制器上裝有燈光顯示，如圖7-1所示。將按鈕做成透明體，內(nèi)設(shè)小燈，當(dāng)按鈕到位時，按鈕即發(fā)光。這樣不僅可以表明操作控制器的到位，還可以顯示按鈕的位置狀態(tài)，提示操作者注意。還可以在控制按鈕以外的相應(yīng)位置上用不同色光的聯(lián)動裝置來表示操作控制器到位的情況。

2）振動變化?？梢苑从吃诳刂破魃?，也可反映在體覺上（如機動車輛）。振動也常常轉(zhuǎn)化為噪聲的形式傳遞給操作者。

3）音響顯示。在控制器上設(shè)置到位音響裝置（如“卡嗒”聲），這種音響常由控制器定位機構(gòu)中自動發(fā)出也可以裝設(shè)專門的聯(lián)動音響裝置。

4）操縱阻力。操縱阻力是控制反饋的主要因素。阻力過小會使操縱者感覺不到反饋信息對操作情況心中無數(shù)；阻力過大又會使控制器的動作不靈敏，難以駕馭，而且也會使操縱者提前產(chǎn)生疲勞。

操縱與顯示的相合性一、操縱—顯示相合性：機器和設(shè)備的操縱裝置和顯示裝置在很多情況下有聯(lián)用關(guān)系，這種顯示與操縱之間的聯(lián)用關(guān)系稱為操縱與顯示的相合性?！跋嗪闲浴笔苋说牧?xí)慣因素影響甚大。操縱與顯示的相合性人機系統(tǒng)中，人—操縱裝置—顯示裝置共同構(gòu)成了物化的人機界面。在人機系統(tǒng)中，操縱與顯示的相合性是影響人機系統(tǒng)的工作效率和可靠性的重要因素。操縱與顯示的相合性設(shè)計主要包括運動相合性、空間相合性和操縱顯示比設(shè)計。操縱與顯示的相合性二、操縱與顯示的相合性設(shè)計操縱與顯示的相合性設(shè)計主要包括運動相合性、空間相合性和操縱顯示比設(shè)計。1.運動相合性設(shè)計：根據(jù)人的生理和心理特點，人對操縱器和顯示器的運動方向有一定的習(xí)慣定式.順時針旋轉(zhuǎn)或自下而上，人認(rèn)為是增加的方向。操縱與顯示的相合性操縱器和顯示器雖然在不同的空間位置，但操縱器的運動方向和顯示器或顯示系統(tǒng)的運動方向在邏輯上是一致的，運動方向上的邏輯一致性，符合人感知的習(xí)慣定式操縱與顯示的相合性操縱與顯示運動方向相合性操縱與顯示的相合性對于在同一平面內(nèi)彼此又靠得很近的旋鈕和半圓形儀表，運動方向的相合性應(yīng)沿兩者的切線方向。操縱與顯示的相合性2.空間相合性設(shè)計*重要意義操縱器與顯示器的空間相合性好，可減少發(fā)生操作錯誤的次數(shù)，縮短操作時間，對提高操作質(zhì)量有明顯