人因工程第7章控制裝置

湖南科技大學(xué)工業(yè)工程系吳海第七章1操縱控制器設(shè)計本章內(nèi)容2湖南科技大學(xué)工業(yè)工程系控制器及其分類1控制器選擇與設(shè)計的一般原則2控制器的編碼方式3控制器的操作方向和用力4最佳的控制顯示比576控制器和顯示器布置原則控制器的選用與設(shè)計一、控制器及其分類1．定義：人用以將信息傳遞給機器，使之執(zhí)行控制功能，實現(xiàn)調(diào)整、改變機器運行狀態(tài)的裝置，以及人通過自身感覺從控制器接收到完成操作所需要的某些反饋信息。是人機系統(tǒng)中的一種人機界面。2．合理設(shè)計控制器的目的：提高人機系統(tǒng)的工作效率；提高操作者操作的準(zhǔn)確性、速度、安全性；減少操作者緊張和疲勞。3．控制器設(shè)計要考慮的因素：操作者的生理、心理、人體解剖和人體力學(xué)等特性。4湖南科技大學(xué)工業(yè)工程系4．控制器的分類（1）按操縱的身體部位：手動控制器、腳動控制器和聲音控制器等；（2）按控制器的運動方式：旋轉(zhuǎn)控制器、擺動控制器、按壓控制器、滑動控制器和牽拉控制器，如圖所示。（3）按功能：開關(guān)類、轉(zhuǎn)換類、調(diào)節(jié)類、緊急開關(guān)類；（4）按調(diào)節(jié)特征：離散型和連續(xù)型。5湖南科技大學(xué)工業(yè)工程系6湖南科技大學(xué)工業(yè)工程系基本類型動作類別舉例說明旋轉(zhuǎn)控制器旋轉(zhuǎn)曲柄、手輪、旋鈕、鑰匙等控制器可以做360°以下旋轉(zhuǎn)。近似平移控制器擺動開關(guān)桿、調(diào)節(jié)桿、撥動式開關(guān)、腳踏板等控制器受力后，圍繞旋轉(zhuǎn)點或軸擺動，或者傾倒到一個或數(shù)個其他位置，通過反向調(diào)節(jié)可返回起始位置。平移控制器按壓按鈕、按鍵、鍵盤等控制器受力后，在一個方向上運動。在施加的力被解除之前，停留在被壓的位置上。通過反彈力可回到起始位置?；瑒邮珠l、指撥滑塊等控制器受力后，在一個方向上運動，并停留在運動后的位置上，只有在相同方向上繼續(xù)向前推或者改變方向，才可使控制器做返回運動。牽拉拉環(huán)、拉手、拉鈕控制器受力后，在一個方向上運動。回彈力可使其返回起始位置，或者用手使其在相反方向上運動。按運動方式的控制器的分類7湖南科技大學(xué)工業(yè)工程系各類控制器的形狀8湖南科技大學(xué)工業(yè)工程系9湖南科技大學(xué)工業(yè)工程系特征控制器種類離散調(diào)節(jié)連續(xù)調(diào)節(jié)旋轉(zhuǎn)選擇開關(guān)拇指輪手按扭腳按鈕肘節(jié)開關(guān)連續(xù)旋鈕拇指輪手輪曲柄踏板手柄能形成大力－－－－－否否是是是是將控制器置位需要時間中至快－非?？炜旆浅？欤扑]的控制位置（置位）數(shù)目3-243-24222-3－－－－－控制器的位置和操作的空間要求中小小大小小至中小大中至大大中至大偶發(fā)啟動的可能性低低中高中中高高中中高控制運動的理想限度270°－0.3×3.8cm1.3×10.2cm120°無限180°±60°無限小±45°編碼的有效性好差中至好差中好差中中差好常用控制器的特征比較二、控制器選用與設(shè)計的一般原則

1．使用控制器時常發(fā)生的主要錯誤：

①辨別錯誤。對不同的控制器分辨不清而發(fā)生操作失誤；

②調(diào)節(jié)錯誤。把開關(guān)等活動部分移動到錯誤的位置，或忘記檢查、未加固定，觸動了處于正確位置的控制器（偶發(fā)啟動）；

③逆轉(zhuǎn)錯誤。把控制器移動到與要求相反的方向上去;

④無意識引發(fā)。沒加小心或或不注意造成的操作；⑤難以觸及?？刂破魑恢貌缓侠恚僮鲿r需要大幅度改變身體姿勢，影響控制速度和準(zhǔn)確性。在設(shè)計與選擇控制器時，不僅要考慮其本身的功能、轉(zhuǎn)速、能耗、耐久性及外觀等，還必須考慮與操作者有關(guān)的人的因素方面的一些基本原則。10湖南科技大學(xué)工業(yè)工程系2．控制器選用與設(shè)計時所要考慮的一般原則①控制器要利于操作，盡量減少或避免不必要的操作動作，保證系統(tǒng)工作效率。②控制器的運動方向應(yīng)與預(yù)期的功能方向相一致。③控制器操縱部分的大小、形狀及指向，必須便于把握和移動，外形應(yīng)符合人手等部位的解剖學(xué)特征。④控制器的移動范圍，要根據(jù)操作者的身體部位、活動范圍和人體尺寸來確定。11湖南科技大學(xué)工業(yè)工程系2．控制器選用與設(shè)計時所要考慮的一般原則⑤控制器的阻力、慣性和轉(zhuǎn)矩要適當(dāng)，應(yīng)在人的體力適宜范圍內(nèi)，要能避免無意識的操作而引起的危險,并確保安全。⑥在控制器較多的情況下，要根據(jù)系統(tǒng)的運行程序、作用的順序來配置，以保證安全、準(zhǔn)確和迅速地進(jìn)行操作。⑦控制器的材質(zhì)應(yīng)符合衛(wèi)生學(xué)要求，使觸摸時安全和舒適。⑧利用編碼提高對控制器的辨別效率，避免發(fā)生混同，減少操作失誤。一般采用形狀、位置、大小、操作方法、顏色和標(biāo)記等方式進(jìn)行控制器編碼。13湖南科技大學(xué)工業(yè)工程系三、控制器的編碼(P341)在具有多個控制器的系統(tǒng)中，為了提高操作者辨別控制器的效果，對控制器進(jìn)行的合理編排稱之為編碼。編碼方式主要有：形狀、位置、大小、操作方法、顏色和標(biāo)記等。每一種編碼方式都有優(yōu)點和弊端，往往把它們組合起來使用，以彌補各自的不足之處。控制器的編碼1．形狀編碼2．位置編碼3．大小編碼4．操作方法編碼5．顏色編碼6．標(biāo)記編碼14湖南科技大學(xué)工業(yè)工程系1．形狀編碼定義：將不同功能的控制器，設(shè)計成不同的形狀及表紋，便于操作者辨認(rèn)，不易發(fā)生混淆。它是一種容易被視覺和觸覺辨識的編碼方式。注意：控制器的形狀與它的功能有邏輯上的聯(lián)系，以便于形象記憶；控制器的形狀應(yīng)能在不用視覺或必須戴手套的情況下，憑觸覺也可分辨清楚。表紋編碼主要依賴于觸覺反饋識別。圖中可以看出控制器形狀與其功能聯(lián)系緊密、如起落架控制器形狀如著陸的輪子，副翼開關(guān)則像飛機翅膀。形狀獨特，易于識別，能夠減少誤操作。15湖南科技大學(xué)工業(yè)工程系飛機控制器形狀編碼示例16湖南科技大學(xué)工業(yè)工程系17湖南科技大學(xué)工業(yè)工程系a)b)

c)d)返回18湖南科技大學(xué)工業(yè)工程系abc2．位置編碼定義：通過安排不同位置來識別控制器的一種方式。

注意事項：

控制器可按視覺定位、盲視定位（指操作者即使不直接注視控制器也能正確操作），控制器之間需有更大的間距。

控制器位置分布，可按其功能組合排列；同一種控制器放在相同位置上，各區(qū)之間用位置、形狀、顏色、標(biāo)記等加以區(qū)分；盡可能使控制器與顯示器具有相對應(yīng)的位置；重要的控制器放在人肢體最佳活動范圍內(nèi)。19湖南科技大學(xué)工業(yè)工程系3．大小編碼定義：通過控制器的尺寸大小不同來識別控制器的一種方式。作用：這種編碼可以為視覺和觸覺提供信息。缺點：人僅憑觸覺識別大小的能力很低。如對圓形旋鈕，若作相對辨認(rèn)，大旋鈕的直徑至少比小旋鈕大20%。若作絕對辨認(rèn)，一般只用2至3種大小不同的控制器。因此，大小編碼往往與形狀編碼等組合使用。大小編碼可用于指示控制器的相對重要性。20湖南科技大學(xué)工業(yè)工程系21湖南科技大學(xué)工業(yè)工程系4．顏色編碼定義：利用顏色不同來識別控制器的一種方式。顏色編碼特別有利于視覺搜索作業(yè)。但人對顏色的識別能力有限，一般不過10余種，顏色過多容易混淆，不利于識別。常用的顏色有紅、橙、黃、綠、藍(lán)等。顏色編碼一般不單獨使用，往往與形狀、位置、大小編碼組合使用。同時應(yīng)考慮與照明條件相匹配；色調(diào)、明度與彩度三者的關(guān)系；還要遵守顏色標(biāo)準(zhǔn)。22湖南科技大學(xué)工業(yè)工程系5．標(biāo)記編碼定義：是通過標(biāo)注圖形符號或文字來識別控制器的一種方式。在控制器的上面或旁邊，用符號或文字標(biāo)明其功能，有助于提高識別效率。注意：①若標(biāo)注圖形符號，應(yīng)采用常規(guī)通用的標(biāo)志符號，簡明易辨；②若標(biāo)注文字，應(yīng)通俗易懂，簡單明了，盡量避免用難懂的專業(yè)術(shù)語。③使用標(biāo)記編碼，需要一定的空間位置和良好的照明條件，標(biāo)記必須清晰可辨。23湖南科技大學(xué)工業(yè)工程系24湖南科技大學(xué)工業(yè)工程系6．操作方法編碼定義：通過來自不同操作方法產(chǎn)生的運動覺差異來識別控制器的一種方式。這種編碼很少單獨使用，作為與其他編碼組合使用時的一種備用方式，以證實控制器最初的選擇是否正確。它不能用于時間緊迫或準(zhǔn)確度高的控制場合。為了有效地使用這種編碼，需要使每個控制器的動作方向、移動量和阻力等有明顯區(qū)別。25湖南科技大學(xué)工業(yè)工程系(二)控制器的外形結(jié)構(gòu)手操縱控制器的六種方式如圖14-16；對于手動控制器，其形狀設(shè)計應(yīng)考慮手的生理特點，如圖14-17所示。27湖南科技大學(xué)工業(yè)工程系(三)控制器的阻力操作反饋

操作者在操縱控制器的過程中，從控制器和自身獲得的信息，協(xié)助操作者判定自身或身體一部分的空間位置、姿勢及操作的情況。在手動控制中，操作者可以從眼睛、肩、手臂、手腕以及手指的活動過程得到反饋，告知操作者動作的距離、位置等。

反饋來源：第一是控制器的操作阻力；第二是肌肉的運動覺反饋?？刂破鞫加胁煌膬?nèi)設(shè)阻力，操作時需要經(jīng)常對其施力。操作者根據(jù)阻力的性質(zhì)和大小，控制感覺的變化，可以保證操作的正確位置和平穩(wěn)性；改變控制操作的精確度和速度；改變控制器對意外情況的敏感性等。28湖南科技大學(xué)工業(yè)工程系阻力類型特性使用舉例摩擦力運動開始時阻力最大，此后顯著降低，可用以減少控制器的偶發(fā)啟動。但控制準(zhǔn)確度低，不能提供控制反饋信息。開關(guān)、閘刀等彈性阻力阻力與控制器位移距離成正比，可作為有用的反饋源?？刂茰?zhǔn)確度高，放手時，控制器可自動返回零位，特別適用于瞬時觸發(fā)或緊急停車等操作，可用以減少控制器的偶發(fā)啟動。鍵盤、剎車等粘滯阻力阻力與控制運動的速度成正比?？刂茰?zhǔn)確度高、運動速度均勻，能幫助穩(wěn)定的控制，防止控制器的偶發(fā)啟動?；钊葢T性阻力與控制運動的加速度成正比例，能幫助穩(wěn)定的控制，防止控制器的偶發(fā)啟動。但慣性可阻止控制運動的速度和方向的快速變化，易引起控制器調(diào)節(jié)過度，也易引起操作者疲勞。調(diào)節(jié)旋鈕等(三)控制器的阻力29湖南科技大學(xué)工業(yè)工程系（三）控制器的阻力控制器類型最小阻力/N手動按鈕2.8腳動按鈕5.6（腳停留在控制器上）17.8（腳不停留在控制器上）扳動開關(guān)2.8旋轉(zhuǎn)選擇開關(guān)3.3旋鈕0～1.7曲柄9～22手輪

22手柄9腳踏板17.8（腳不停留在控制在控制器上）44.5（腳停留在控制器上）(四)控制器的偶發(fā)啟動防范措施：1）將控制器安裝在陷入控制板的凹槽內(nèi)；2）在控制器上加保護罩；3）將控制器安裝在不易被碰撞的位置；4）使控制器的運動方向向著最不可能發(fā)生意外用力的方向；5）操作者必須連續(xù)做兩種操作運動，才能使控制器被啟動，而后一種操作運動與前一種操作運動的方向不同，以此將控制器鎖定在位置上；6）一組控制器必須按正確的順序操作時才能被啟動，使控制器彼此之間具有連鎖作用。如配電柜上的油開關(guān)和刀閘開關(guān)的操作順序連鎖；7）適當(dāng)增大控制器的操作阻力。四、控制器的操作方向和用力

1．控制器與指針移動的組合關(guān)系控制器操作與相關(guān)顯示器的指針移動方向之間存在的固定關(guān)系。

控制器轉(zhuǎn)動與指針移動方向的關(guān)系如圖所示。對8種組合，通過測定被試者平均讀取誤差進(jìn)行評價，其中(b)誤差最小，其次按(a)，(f)，(e)，(d)，(g)，(c)和(h)的次序增大。31湖南科技大學(xué)工業(yè)工程系32湖南科技大學(xué)工業(yè)工程系33湖南科技大學(xué)工業(yè)工程系34湖南科技大學(xué)工業(yè)工程系2．手輪的操作方向與功能35湖南科技大學(xué)工業(yè)工程系減少或向左旋轉(zhuǎn)增加或向右旋轉(zhuǎn)一般控制器動作方向與功能功能控制器動作方向開關(guān)向右向左向上、升向下、降增加減小前進(jìn)后退開車剎車向上、向右、向前、右轉(zhuǎn)、拉出向下、向左、向后、左轉(zhuǎn)、按進(jìn)向右、右轉(zhuǎn)向左、左轉(zhuǎn)向上向下向前、向上、向右、右轉(zhuǎn)向后、向下、向左、左轉(zhuǎn)向上、向右向下、向左向上、向右、向前、右轉(zhuǎn)向下、向左、向后、左轉(zhuǎn)36湖南科技大學(xué)工業(yè)工程系五、控制量與顯示量的比率

控制/顯示比(C/D)：指控制器的移動距離與顯示器的運動部分動程的比率?？刂破鬏^大的移動引起顯示元素較小的移動稱為高C/D比，如5/1，表示控制器靈敏度較低。反之，則表示靈敏度較高。

控制/反應(yīng)比(C/R)：指在沒有顯示器裝置的系統(tǒng)中，控制器移動距離與系統(tǒng)輸出量的比率。例如：方向盤的轉(zhuǎn)動與車身轉(zhuǎn)彎程度，自行車龍頭。通過連續(xù)調(diào)節(jié)控制，把顯示元素移動到目標(biāo)位置，包括兩個操作過程。①（粗調(diào)）大幅度地移動控制器，將顯示元素移到目標(biāo)位置附近；②（精調(diào)）仔細(xì)調(diào)節(jié)控制器，讓顯示元素對準(zhǔn)目標(biāo)位置。最佳的C/D比：使顯示元素移到目標(biāo)位置所需要的操作時間最短，也就是粗調(diào)與精調(diào)的時間之和為最少。37湖南科技大學(xué)工業(yè)工程系38湖南科技大學(xué)工業(yè)工程系返回39湖南科技大學(xué)工業(yè)工程系C/D比與操作時間總時間=粗調(diào)時間+精調(diào)時間時間高低C/D比精調(diào)時間粗調(diào)時間最佳C/D總時間

影響最佳C/D比選擇的因素。如顯示器的大小，控制器的類型、觀測距離以及允許誤差范圍等。一般應(yīng)根據(jù)設(shè)備的特性和要求，通過實驗確定最佳的C/D比。國際研究結(jié)果表明：旋鈕的最佳控制/顯示比與旋鈕的直徑無關(guān)，一般是0.2-0.8，操縱桿或手柄的最佳C/D：2.5-4.0。40湖南科技大學(xué)工業(yè)工程系-換4K顯示器需要換鼠標(biāo)嗎？4K分辨率下鼠標(biāo)DPI怎樣調(diào)節(jié)？科普：鼠標(biāo)DPI和屏幕分辨率的關(guān)系

DPI，鼠標(biāo)在桌面上每移動1英寸（2.54厘米），鼠標(biāo)指針在屏幕上移動像素點個數(shù)。如：800DPI的鼠標(biāo)移動一英寸，在屏幕上就移動了800個像素點。如果顯示器分辨率較高，而果鼠標(biāo)DPI較低，那么用戶需要移動較長的距離才能完成鼠標(biāo)指針的定位，用戶會覺得鼠標(biāo)移動起來很費勁。同時鼠標(biāo)的DPI不是越大越好，如果DPI過高，稍微一移動鼠標(biāo)，指針就會移動大段距離，感覺鼠標(biāo)指針很“飄”，很難定位精準(zhǔn)定位。案例41湖南科技大學(xué)工業(yè)工程系一般分辨率：1366*768顯示器：1920*10804k顯示器：3840×2160-換4K顯示器需要換鼠標(biāo)嗎？4K分辨率下鼠標(biāo)DPI怎樣調(diào)節(jié)？1920×1080的顯示器上，假如鼠標(biāo)的DPI為1000，那么用戶將鼠標(biāo)從最左端移到最右端需要1920÷1000×2.54（用顯示器橫向顯示點數(shù)除以鼠標(biāo)的DPI，所得值單位為英寸，由于1英寸＝2.54厘米，再乘以2.54即為鼠標(biāo)要移動的厘米數(shù)）≈4.87厘米。如果屏幕分辨率猛增至3840×2160，那么用同樣的鼠標(biāo)完成同樣的操作，只需要移動約9.75厘米，操作距離長了一倍，使得操作體驗也會有明顯的變化。案例42湖南科技大學(xué)工業(yè)工程系一般分辨率：1366*768顯示器：1920*10804k顯示器：3840×2160六、控制器的選用與設(shè)計1．手動控制器控制器的操縱大多都是由手來完成的。手動控制器的設(shè)計應(yīng)符合手的人體測量學(xué)、生物力學(xué)和生理學(xué)等方面的特性。選用和設(shè)計手動控制器可引用：

國家標(biāo)準(zhǔn)GB/T14775—93，即《操縱器一般人類工效學(xué)要求》。43湖南科技大學(xué)工業(yè)工程系手控操縱器的設(shè)計44湖南科技大學(xué)工業(yè)工程系45湖南科技大學(xué)工業(yè)工程系適宜的操縱力范圍操縱器允許最大用力，N操縱器允許最大用力，N輕型按鈕重型按鈕輕型轉(zhuǎn)換開關(guān)重型轉(zhuǎn)換開關(guān)5304.520前后向杠桿左右向杠桿手輪方向盤150130150150轉(zhuǎn)動部位與特征最大用力,N轉(zhuǎn)動部位與特征最大用力,N用手轉(zhuǎn)動用手和前臂轉(zhuǎn)動用手和全臂轉(zhuǎn)動1023~4080~100用手最快轉(zhuǎn)動精確安裝時的轉(zhuǎn)動9~2323~2546湖南科技大學(xué)工業(yè)工程系平穩(wěn)旋轉(zhuǎn)操縱的最大用力手控操縱器的最大用力47湖南科技大學(xué)工業(yè)工程系名稱尺寸,cm位移,cm阻力,N按鈕開關(guān)指尖操作:Dmin=1.25拇指按壓:Dmin=1.8x=0.3~1.252.85~11.35定位旋鈕D=3.5~7.5h=2~5視覺定位:θ≥15°盲目定位:θ≥30°12~18操縱器的適宜尺寸舉例

操縱器的適宜尺寸48湖南科技大學(xué)工業(yè)工程系

(1)旋鈕一種圓柱形控制器，用拇指和食指進(jìn)行操作，使其轉(zhuǎn)動到一定位置，可作精調(diào)、連續(xù)調(diào)節(jié)或旋轉(zhuǎn)選擇開關(guān)。設(shè)計要求：

直徑一般以5cm為宜，太小不易捏緊和旋轉(zhuǎn)，過大又浪費時間。如果在一個同心軸上安裝三種組合旋鈕，中間旋鈕直徑為5cm，則前一個直徑應(yīng)小于2.5cm，后一個直徑應(yīng)在8cm左右。中間和前面的旋鈕厚度最好不小1.9cm，而后部的則應(yīng)不小于0.6cm。

轉(zhuǎn)軸要有足夠大的摩擦力以防止無意觸動。49湖南科技大學(xué)工業(yè)工程系50湖南科技大學(xué)工業(yè)工程系51湖南科技大學(xué)工業(yè)工程系(2)按鈕在一個方向操作的控制器。按鈕有三種類型：閉鎖式(按一開，斷一開)；瞬時式(按一開，斷一關(guān))；間歇式(按一開，按一關(guān))。按鈕尺寸的大小，主要限制因素是手指的大小，一般食指按鈕直徑為10一20mm；拇指按鈕為30mm；手掌按鈕為50mm。按鈕的阻力不能太小，以防止無意觸動；但也不能太大，避免連續(xù)使用會產(chǎn)生疲勞。一般食指按鈕阻力不小于2.85N；手掌按鈕則不大于50N。

(3)開關(guān)開關(guān)一般有兩種：旋轉(zhuǎn)開關(guān)和扳動開關(guān)。旋轉(zhuǎn)開關(guān)可有多種分擋，使用擋次可設(shè)置3—24種。52湖南科技大學(xué)工業(yè)工程系53湖南科技大學(xué)工業(yè)工程系

a)b)c)d)

e)f)(4)操縱桿一種用較大的力操縱的控制器。其運動多為前后或左右推拉。適用于在較小范圍內(nèi)快速精確調(diào)節(jié)。操縱桿的長度根據(jù)設(shè)定的位移量和操縱力決定。操縱角度在30°~60°之間，不宜超過90°。操縱桿在任何方向上都應(yīng)有一定的阻力。操縱桿的支點應(yīng)在手腕處，這樣可使操作時手腕得到休息。對于需要用力較大的操縱桿，為便于施力，手把的位置，對于立姿作業(yè)應(yīng)與肩同高；對于坐姿作業(yè)應(yīng)與肘同高，并應(yīng)在操作者的臀部和腳部設(shè)置支撐，如圖所示。54湖南科技大學(xué)工業(yè)工程系55湖南科技大學(xué)工業(yè)工程系2、腳控操縱裝置的設(shè)計（1）應(yīng)用場合需要較大操縱力，如F≥50~150N；需要連續(xù)操作又不便用手；手的操作負(fù)荷太大，如汽車油門、制動控制等；一般用在坐姿且有靠背時。56湖南科技大學(xué)工業(yè)工程系（2）適宜的操縱力為防無意踩動，至少45N阻力（3）結(jié)構(gòu)形式及尺寸設(shè)計長、寬、行程；布置位置57湖南科技大學(xué)工業(yè)工程系效率：187178176