人機工程學 操縱裝置設計

第五章操縱裝置設計手動操縱裝置腳動操縱裝置類型轉(zhuǎn)換控制器手柄、選擇開關、選擇旋鈕等

用來把系統(tǒng)從一個工作狀態(tài)轉(zhuǎn)到另一工作狀態(tài)，或作緊急制動。靈活、可靠。調(diào)整控制器按鈕、手柄、操縱盤等

使機器的工作狀態(tài)，穩(wěn)定地增加或減少、保持在規(guī)定的工作參數(shù)上。緊急停車控制器

要求在最短的時間內(nèi)產(chǎn)生明顯的效果，有“一觸即發(fā)”的效果。按鍵、按鈕等開關控制器按鈕、踏板、手柄等

一般只有兩個工作狀態(tài)的位置：接通或斷開。占地小、排列緊湊?？刂撇倏v器的分類與選用第三節(jié)

操縱裝置設計中的人機學原則肌肉的運動特征

收縮與放松肌肉的部位力的大小男女手臂肌肉左370200右390220肱二頭肌左280130右290130手臂彎曲時的肌肉左280200右290210手臂伸直時的肌肉左210170右230180拇指肌肉左10080右12090背部肌肉（軀干屈伸肌肉）1220710操作中人的動作類型1.定位動作

人體朝著所要求的目標移動，并與目標相一致的動作。2.反復動作

連續(xù)不斷地重復相同的動作3.連續(xù)動作

連續(xù)不斷地進行控制。4.逐次動作

各種基本動作按一定的順序，有次序地進行的動作。5.靜態(tài)調(diào)整動作

在一定時間內(nèi)，人體各部位保持在特定位置上的動作視覺定位動作盲目定位動作控制操縱器的人動作特征肌肉的部位力的大小各種動作特征a.反應時間與移動距離無關（4），第1次動作的時間隨距離的增長而增加得較快，第2次隨距離的增長而增加得較慢；b.右手由左至右移動的動作時間最短；c.伸手的動作要比彎肘的動作快。動作部位動作情況動作一次最少的平均時間手抓取動作直線0.07曲線0.22旋轉(zhuǎn)動作克服阻力0.72不克服阻力0.22腳直線0.36克服阻力0.72腿直線0.36腳向側(cè)面0.72~1.45軀干彎曲0.72~1.62傾斜1.26人體各部位動作一次的最少平均時間（單位s）1.視覺定位動作特征J.S.Brown(布朗）實驗證明：

移動距離與動作時間的關系2.盲目定位動作特征盲目定位動作離目標位置的差距（單位cm）

左正中面右135°90°45°0°45°90°135°上方10.48.28.86.28.18.110.8正中9.38.67.85.37.88.19.1下方10.47.67.67.07.38.21）向左右方向定位時，盲目定位的準確性隨著角度的增大而逐漸降低；2）右邊定位的準確性比向左邊定位的略高；3）下方定位的準確性比正中（與肩平）和上方的高定位的略高；4）上方的定位準確性為最差。2.反復動作特征動作部位最大頻率（次/分）手指204~406手360~430前臂190~392臂

99~344腳300~378腿330~406例如：人用小錘釘釘子：

13次/s

（最快）

1.5~5

次/s

（一般）1.不應超出人的用力限度2.人的操縱力隨人的施力部位、著力的空間位置、施力的時間不同而變化，且最大操縱力隨持續(xù)時間的延長而降低。3.一般不要使用最大的操縱力，但操縱力不宜太小，用力太小則操縱精度難于控制；4.在不同的用力條件下，以使用最大肌力的一半和最大收縮速度的1/4操作，能量利用率最高，較長時間工作也不會疲勞；5.為使必要的靜態(tài)施力能保持較長時間而不疲勞，最好使其保持在人體最大肌力的15%-25%用力特征操作控制器的形式允許最大用力（/N）輕型按鈕5重型按鈕30腳蹋按鈕20~90輕型轉(zhuǎn)換開關4.6重型轉(zhuǎn)換開關20前后動作的杠桿153左右動作的杠桿132手輪153方向盤153操作特征最大用力（/N）用手操作的轉(zhuǎn)動控制器10以內(nèi)用手和前臂操作的轉(zhuǎn)動控制器20~40用手和臂操作的轉(zhuǎn)動控制器80~100用手以最高速度旋轉(zhuǎn)的控制器9~20要求精度高時的轉(zhuǎn)動控制器20~25平穩(wěn)轉(zhuǎn)動控制器的最大用力特征編碼與識別形狀編碼●操縱器的形狀和它的功能最好有邏輯上的聯(lián)系，便于記憶；

●應能在不同目視或戴著手套的情況下，單靠觸覺也能分辨。

<360度>360度方向使各操縱器都有自己的特征和代號，以便操縱者迅速識別而不致混淆。

大小編碼

大操縱器的尺寸要比小操縱器的大20%以上，才有準確操縱的把握。

顏色編碼用于操縱器的顏色一般只有紅、橙、黃、綠、藍五種

一般只能同形狀編碼和大小編碼合并使用，易受照度影響標志編碼在操縱器上刻以適當?shù)姆栆允緟^(qū)別，應只靠觸覺就能清楚的辯識控制性操作動作類型調(diào)節(jié)性操作動作動作簡單，關系重大設法縮短人的反應時間動作連續(xù)，反復調(diào)節(jié)動作平穩(wěn)，長時間工作不疲勞選擇原則人的操縱能力操縱裝置本身協(xié)調(diào)最佳動作節(jié)約原則操縱與顯示相合性設計

受人的習慣因素影響很大---相合性運動相合性

操縱器與顯示器在運動方向上，要符合人的習慣定式。

如順時針旋轉(zhuǎn)或自下而上，人自然認為是增加的方向。

操縱與顯示的相合性是影響人機系統(tǒng)運行效率和可靠性的重要因素。對于操縱與顯示的相合性設計，應根據(jù)人機工程學原理和人的習慣定式等生理、心理特點，并遵循以下幾條原則:空間相合性

操縱器與顯示器要在空間位置上要有邏輯一致性(76)(116)(129)(0)實驗1200次操縱器與顯示器空間相合性好：減少錯誤次數(shù)；縮短操作時間；提高操作質(zhì)量。abcdbadcabdcABCDABCDAABCDBDabcdC相合性在儀表監(jiān)控中的應用●操縱器編碼盡可能與顯示器編碼相一致12345678123456781234567846123578

操縱—顯示的編碼和編排相合的目的主要是減少信息加工的復雜性，從而提高工作效率。

最好的一種編碼方式是操縱鈕本身帶有燈光信號，按下哪個鈕，哪個鈕的燈就亮。操縱-顯示比操縱器距離與顯示器移動量之比，即C/D靈敏度低的操縱器是指它的操縱位移量很大，但顯示器的移動量卻很?。混`敏度高的操縱器則是它的位移量小，但顯示量大。C／D比高，

說明操縱—顯示系統(tǒng)靈敏度低，C／D比低，靈敏度高。

對于最佳C／D比選擇往往是通過實驗得出的，而沒有一個理想的計算公式。靈敏度高微調(diào)時間靈敏度低粗調(diào)時間最佳C／D比7旋鈕最佳C／D比為0.20.8操縱桿最佳C／D比為2.54.0第四節(jié)操縱器的布置控制臺設計操縱時上臂與前臂形成90度角利于推拉；無手柄手輪的轉(zhuǎn)動平面與前臂形成10～60度角；以前臂運動轉(zhuǎn)動的帶輪手輪轉(zhuǎn)動平面與前臂形成10～90度角；直臂以手腕運動轉(zhuǎn)動的帶柄手輪，轉(zhuǎn)動平面與前臂形成10～45度角；組合式控制臺組合方式多，視其功能而定。有的還將電器元件安裝在其中。彎折式控制臺是一種大型的，多人操作，長時間的控制操作臺。一、控制臺的形式桌面式控制臺結(jié)構(gòu)簡單，臺面小巧，操作方便。適用于控制器件數(shù)少的操作。控制臺設計控制臺作業(yè)面使操作者有良好的手-眼配合協(xié)調(diào)性。顯示器面板型式對于大型控制室，設計成顯式-控制分體式?？刂婆_上方干涉點的高度

對于分體式控制臺，應注意顯式面板的盲點。即需計算干涉點的高度:h=Dk+dHD+dkHhDd顯示器面板干涉點二、設計要點控制器與顯示器的布置必須位于作業(yè)者正常的作業(yè)空間范圍內(nèi)作業(yè)者能1.

良好地觀察必要的顯示器2.

操作所有的控制器3.

舒適的作業(yè)姿勢坐姿低臺式控制臺坐姿高臺式控制臺坐立姿兩用控制臺立姿控制臺三、常用的控制臺設計控制臺在視線以下；控制面板斜角200必須兼顧兩種操作姿勢的舒適性和方便性；在坐姿時應在操作臺下設有踏腳板；可調(diào)高座椅；按立姿要求設計在操作臺下，不應設有踏腳板。主顯示器后傾100下方以較大傾角35·面板安放操作器；應分主次布置標準控制臺的尺寸序號尺寸名稱坐/站姿坐姿站姿A控制臺最大高度158130~158183B深度C臺面至頂部的高度666691D面板傾角（/0）383838E筆架最小深度101010F書寫表面最小深度404040G最小容膝深度454545H座面至支腳高度454545I座高調(diào)整范圍101010J最小大腿空間18.516.516.5K書寫表面高度9165~9191L座高7245~72M控制面板最大寬度919191N最小容腳空間101010ABCDEFGHMNLK電子化辦公臺的人體尺度工作特點：長時間地面對顯示屏進行工作。設計要求：應符合人體各部位的尺寸，以避免工作人員肌肉、頸、背、腕關節(jié)疼痛等疾病飛船控制室高顯示控制臺高速公路控制臺電子化辦公臺設計電子化辦公臺的可調(diào)設計

在按人體平均尺寸值設計的情況下，必須給予可調(diào)節(jié)的尺寸范圍。調(diào)節(jié)方式：高低、水平、傾角電子化辦公臺的組合設計單元系列、易于拆卸、便于裝配、變動靈活。組合形式：演播廳

監(jiān)測中心

廣

電

系

統(tǒng)控制室（臺）

制作機房

高速公路總監(jiān)控室

交警指揮中心

公安局指揮中心

其他組合控制室（臺）旋鈕

供單手操縱的控制器，可做多圈運動，也可做小于360·的轉(zhuǎn)動和定位轉(zhuǎn)動類型適合于作360度以上的旋轉(zhuǎn)——圓柱、圓錐調(diào)節(jié)范圍不超過360——圓柱形或接近圓柱形的多邊形偏轉(zhuǎn)位置具有重要的信息意義——有明確的指示性旋轉(zhuǎn)式控制器因其功能、形狀和尺寸的不同，操縱力的大小亦不同，但每一個具體的控制器都有其適宜的用力。人的扭力大小與身體所處的位置和姿勢有很大的關系用力特征第五節(jié)

常用操作器的人機學要素旋轉(zhuǎn)式操縱裝置手輪

供單手或雙手操縱，按不同用途，其尺寸相差較大，手輪操縱力的差別也較大搖把

一般供單手超作，但操縱力要求較大時，需雙手操作，不同的搖把其尺寸差別較大十字把旋轉(zhuǎn)控制器中較大的一種，往往需雙手操作均可作自由連續(xù)旋轉(zhuǎn)，適合多圈操作的場合根據(jù)用途的不同，手輪和搖把的大小差別很大操作速度與其位置密切相關搖桿手轉(zhuǎn)把手旋轉(zhuǎn)式控制器因其功能、形狀和尺寸的不同，操縱力的大小亦不同，但每一個具體的控制器都有其適宜的用力。人的扭力大小與身體所處的位置和姿勢有很大的關系用力特征

手輪直徑200mm直徑200mm

054.4

036

922.740

3

適用力度/(N.m)低速轉(zhuǎn)動中速轉(zhuǎn)動高速轉(zhuǎn)動水平尾隨追蹤操作調(diào)節(jié)操作

操作方式手輪（457mm）搖把

(R229mm)手輪（254mm）搖把(R127mm)

小搖把

旋轉(zhuǎn)式控制器適宜的用力離地高度/mm離開水平的斜度/（）操縱器

扭力與操縱器的直徑或半徑/mm0N?m2.3N?m4.6N?m10N?m9140(前方）手輪762032544062544064069140(側(cè)方）手輪761522542542549140(前方）手輪38114641911141911141911006-45手輪761522544062544062544061006-45手輪64191641911141911141911067+45手輪761521522542542544061067+45搖把641146411464114114旋轉(zhuǎn)式控制器的適宜用力不同直徑的手輪、搖把適宜扭力

旋轉(zhuǎn)式控制器的外形是由其功能決定的，在此前提下，達到簡潔、美觀形體和位置設計

旋轉(zhuǎn)式控制器的的大小應根據(jù)使用手指和手的不同部位而定：手輪和搖把適合作多圈運動搖把的位置和安裝高度大力新式搖把的造型和尺寸汽車空調(diào)控制器手柄操縱桿都有一個執(zhí)握柄和杠桿，只是杠桿部的長度不同而已。設計時，重點是考慮執(zhí)握柄的形狀和尺寸。類型推鈕滑移式操縱器刀閘汽車空調(diào)控制器大指撥控制器移動式操縱裝置操縱力大小與手柄的大小與手柄距地面的高度、操縱方向、使用的左右手不同的有關用力特征手柄◆手握舒適——防止手柄形狀絲毫不差地貼合于手的握持部分，尤其不能緊貼掌心◆施力方便——根據(jù)手部的執(zhí)握狀況和用力大小選擇手柄執(zhí)握部分的直徑和長度◆不產(chǎn)生滑移，同時還需控制它的動作◆當操作力較大，空間位置較遠時，只能增加杠桿的長度手柄踞地面的高度/mm適宜的操縱力/N

右手

左手

向上

向下

向側(cè)方

向上

向下向側(cè)方500~650140704012012030650~105012012060100100401050~14008080606060401400~16009014040406030

手柄的適宜用力手握舒適，施力方便，不產(chǎn)生滑動，同時控制其動作。形狀設計防止手柄絲毫不差的貼合受的握持部分，尤其不能緊貼掌心部分。手柄掌心部分肌肉最少；

指骨間肌和手指部分神經(jīng)末梢滿布的部位；

指球肌、大、小魚際肌是肌肉豐滿的部位，是手部的天然減振器。手握住手柄掌心部分應有空隙，以減少壓力和摩擦力的作用。公稱尺寸LDD1d2L1L2R650161282540208651814103250251080221612406028129025181445703216100302218508040

在確定手柄的尺寸時，主要依據(jù)手部的執(zhí)握狀態(tài)和用力大小，選擇手柄的直徑和長度，如下表所示：移動式操縱器工作行程/mm操縱力/N開關桿20~3005~100調(diào)節(jié)桿（單手調(diào)節(jié)）100~40010~200杠桿鍵3~61~20撥動式開關10~402~8擺動式開關4~102~8手閘10~40020~60指撥滑塊開關5~251.5~20拉環(huán)10~40020~100拉手10~40020~60拉圈10~1005~20拉鈕5~1005~20操作桿◆長度與操縱頻率有很大關系-操縱桿越長，動作的頻率越低◆執(zhí)握柄的直徑粗細和扁形手柄的厚度不宜太小，過小會引起肌肉的過度緊張，增大疲勞◆為節(jié)省手的運動、空間和操作的復雜形，可采用復合多功能操縱器工作行程和操縱力：操縱桿的長度與操縱的頻率有關：形狀設計操縱桿執(zhí)握柄的尺寸操作桿最大轉(zhuǎn)動頻率

/（m?min-1)操縱桿的長度

/mm2630274027.56025.51002314018.524014580型式建議采用的尺寸/mm一般22~32（7.5)球形30~32扁平形厚度5

復合多功能的操縱器：附設多種常用的開關。減少手的運動節(jié)省空間減少操作的復雜性操縱手柄的設計（以手動果汁機設計為例）1.結(jié)構(gòu)草圖2.泡沫模型3.木制模型，并用不同力度來測試手柄4圖紙5.完成結(jié)構(gòu)和造型設計用力較小一般只有10~20N。用力特征按鍵按鈕類型外形常為圓形和矩形，有的還帶有信號燈尺寸主要按成人手指端的尺寸和操作要求而定節(jié)省空間，便于操作，便于記憶，使用熟練后，不用視覺也能迅速操作形狀設計其尺寸形狀應按手指的尺寸和指端弧形狀設計，操縱舒適，中凹為主優(yōu)。機械式機電式光電式液膜式按鍵形式按壓式操縱器停止、斷電——紅；起動、通電－綠；（也可白、灰、黑色）盲打者左右手分目前常用的按壓式操縱器各種按鈕液膜按鍵汽車空調(diào)控制器應用人機工學的按壓式操縱器手掌握著的仿形狀按鈕仿拇指的形狀手的結(jié)構(gòu)特點骨、動脈、神經(jīng)、韌帶和肌腱。手指由小臂的腕骨伸肌和屈肌通過腕道的腱控制；腕骨和手臂的尺骨和橈骨相連，控制：掌側(cè)屈和背側(cè)屈；橈側(cè)偏和尺側(cè)偏。手握式工具設計手的抓握形式著力抓握：

抓握軸線與小臂幾乎垂直，稍屈的手指與手掌形成夾握。力與小臂平行（拉鋸）力與小臂成夾角（錘擊、扭力）精確抓握：

由手指和拇指的屈肌夾住。一般用于控制性的工作（小刀、書寫工具）手抓握工作的要求

動作不應同時具有著力和控制兩種性質(zhì)，會加速疲勞，降低效率。甚至會產(chǎn)生多種上肢職業(yè)病。手握式工具設計原則一般原則◆必須有效地實現(xiàn)預定的功能；◆必須操作者成適當?shù)谋壤?，使操作者發(fā)揮最大的效率；◆必須按照操作者的力度和作業(yè)能力進行設計；◆工具要求的作業(yè)姿勢不能引起過度疲勞。解剖學原則▲避免靜肌負荷：如上臂必須上舉或長時間的抓握；長時間地在水平面上使用直桿工具?！３质滞筇幱陧樦睜顟B(tài)：手腕順直操作時，腕關節(jié)處于正中的放松狀態(tài)，但當手腕處于掌屈、背屈或尺偏時，會產(chǎn)生腕部酸痛、握力減