人機(jī)工程學(xué) 操縱裝置設(shè)計(jì)

第五章操縱裝置設(shè)計(jì)手動(dòng)操縱裝置腳動(dòng)操縱裝置類型轉(zhuǎn)換控制器手柄、選擇開關(guān)、選擇旋鈕等

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

使機(jī)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(shí)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(guān)控制器按鈕、踏板、手柄等

一般只有兩個(gè)工作狀態(tài)的位置：接通或斷開。占地小、排列緊湊。控制操縱器的分類與選用第三節(jié)

操縱裝置設(shè)計(jì)中的人機(jī)學(xué)原則肌肉的運(yùn)動(dòng)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(shí)的肌肉左280200右290210手臂伸直時(shí)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(dòng)作類型1.定位動(dòng)作

人體朝著所要求的目標(biāo)移動(dòng)，并與目標(biāo)相一致的動(dòng)作。2.反復(fù)動(dòng)作

連續(xù)不斷地重復(fù)相同的動(dòng)作3.連續(xù)動(dòng)作

連續(xù)不斷地進(jìn)行控制。4.逐次動(dòng)作

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

在一定時(shí)間內(nèi)，人體各部位保持在特定位置上的動(dòng)作視覺定位動(dòng)作盲目定位動(dòng)作控制操縱器的人動(dòng)作特征肌肉的部位力的大小各種動(dòng)作特征a.反應(yīng)時(shí)間與移動(dòng)距離無關(guān)（4），第1次動(dòng)作的時(shí)間隨距離的增長(zhǎng)而增加得較快，第2次隨距離的增長(zhǎng)而增加得較慢；b.右手由左至右移動(dòng)的動(dòng)作時(shí)間最短；c.伸手的動(dòng)作要比彎肘的動(dòng)作快。動(dòng)作部位動(dòng)作情況動(dòng)作一次最少的平均時(shí)間手抓取動(dòng)作直線0.07曲線0.22旋轉(zhuǎn)動(dòng)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(dòng)作一次的最少平均時(shí)間（單位s）1.視覺定位動(dòng)作特征J.S.Brown(布朗）實(shí)驗(yàn)證明：

移動(dòng)距離與動(dòng)作時(shí)間的關(guān)系2.盲目定位動(dòng)作特征盲目定位動(dòng)作離目標(biāo)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(shí)，盲目定位的準(zhǔn)確性隨著角度的增大而逐漸降低；2）右邊定位的準(zhǔn)確性比向左邊定位的略高；3）下方定位的準(zhǔn)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(zhǔn)確性為最差。2.反復(fù)動(dòng)作特征動(dòng)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(yīng)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(shí)間不同而變化，且最大操縱力隨持續(xù)時(shí)間的延長(zhǎng)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(zhǎng)時(shí)間工作也不會(huì)疲勞；5.為使必要的靜態(tài)施力能保持較長(zhǎng)時(shí)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(guān)4.6重型轉(zhuǎn)換開關(guān)20前后動(dòng)作的杠桿153左右動(dòng)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(dòng)控制器10以內(nèi)用手和前臂操作的轉(zhuǎn)動(dòng)控制器20~40用手和臂操作的轉(zhuǎn)動(dòng)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(shí)的轉(zhuǎn)動(dòng)控制器20~25平穩(wěn)轉(zhuǎn)動(dòng)控制器的最大用力特征編碼與識(shí)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(yīng)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(hào)，以便操縱者迅速識(shí)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(zhǔn)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(lán)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(biāo)志編碼在操縱器上刻以適當(dāng)?shù)姆?hào)以示區(qū)別，應(yīng)只靠觸覺就能清楚的辯識(shí)控制性操作動(dòng)作類型調(diào)節(jié)性操作動(dòng)作動(dòng)作簡(jiǎn)單，關(guān)系重大設(shè)法縮短人的反應(yīng)時(shí)間動(dòng)作連續(xù)，反復(fù)調(diào)節(jié)動(dòng)作平穩(wěn)，長(zhǎng)時(shí)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(dòng)作節(jié)約原則操縱與顯示相合性設(shè)計(jì)

受人的習(xí)慣因素影響很大---相合性運(yùn)動(dòng)相合性

操縱器與顯示器在運(yùn)動(dòng)方向上，要符合人的習(xí)慣定式。

如順時(shí)針旋轉(zhuǎn)或自下而上，人自然認(rèn)為是增加的方向。

操縱與顯示的相合性是影響人機(jī)系統(tǒng)運(yùn)行效率和可靠性的重要因素。對(duì)于操縱與顯示的相合性設(shè)計(jì)，應(yīng)根據(jù)人機(jī)工程學(xué)原理和人的習(xí)慣定式等生理、心理特點(diǎn)，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(shí)驗(yàn)1200次操縱器與顯示器空間相合性好：減少錯(cuò)誤次數(shù)；縮短操作時(shí)間；提高操作質(zhì)量。abcdbadcabdcABCDABCDAABCDBDabcdC相合性在儀表監(jiān)控中的應(yīng)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(fù)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(hào)，按下哪個(gè)鈕，哪個(gè)鈕的燈就亮。操縱-顯示比操縱器距離與顯示器移動(dòng)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(dòng)量卻很??；靈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(duì)于最佳C／D比選擇往往是通過實(shí)驗(yàn)得出的，而沒有一個(gè)理想的計(jì)算公式。靈敏度高微調(diào)時(shí)間靈敏度低粗調(diào)時(shí)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(tái)設(shè)計(jì)操縱時(shí)上臂與前臂形成90度角利于推拉；無手柄手輪的轉(zhuǎn)動(dòng)平面與前臂形成10～60度角；以前臂運(yùn)動(dòng)轉(zhuǎn)動(dòng)的帶輪手輪轉(zhuǎn)動(dòng)平面與前臂形成10～90度角；直臂以手腕運(yùn)動(dòng)轉(zhuǎn)動(dòng)的帶柄手輪，轉(zhuǎn)動(dòng)平面與前臂形成10～45度角；組合式控制臺(tái)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(tái)是一種大型的，多人操作，長(zhǎng)時(shí)間的控制操作臺(tái)。一、控制臺(tái)的形式桌面式控制臺(tái)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，臺(tái)面小巧，操作方便。適用于控制器件數(shù)少的操作。控制臺(tái)設(shè)計(jì)控制臺(tái)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(duì)于大型控制室，設(shè)計(jì)成顯式-控制分體式。控制臺(tái)上方干涉點(diǎn)的高度

對(duì)于分體式控制臺(tái)，應(yīng)注意顯式面板的盲點(diǎn)。即需計(jì)算干涉點(diǎn)的高度:h=Dk+dHD+dkHhDd顯示器面板干涉點(diǎn)二、設(shè)計(jì)要點(diǎn)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(shì)坐姿低臺(tái)式控制臺(tái)坐姿高臺(tái)式控制臺(tái)坐立姿兩用控制臺(tái)立姿控制臺(tái)三、常用的控制臺(tái)設(shè)計(jì)控制臺(tái)在視線以下；控制面板斜角200必須兼顧兩種操作姿勢(shì)的舒適性和方便性；在坐姿時(shí)應(yīng)在操作臺(tái)下設(shè)有踏腳板；可調(diào)高座椅；按立姿要求設(shè)計(jì)在操作臺(tái)下，不應(yīng)設(shè)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(yīng)分主次布置標(biāo)準(zhǔn)控制臺(tái)的尺寸序號(hào)尺寸名稱坐/站姿坐姿站姿A控制臺(tái)最大高度158130~158183B深度C臺(tái)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(tái)的人體尺度工作特點(diǎn)：長(zhǎng)時(shí)間地面對(duì)顯示屏進(jìn)行工作。設(shè)計(jì)要求：應(yīng)符合人體各部位的尺寸，以避免工作人員肌肉、頸、背、腕關(guān)節(jié)疼痛等疾病飛船控制室高顯示控制臺(tái)高速公路控制臺(tái)電子化辦公臺(tái)設(shè)計(jì)電子化辦公臺(tái)的可調(diào)設(shè)計(jì)

在按人體平均尺寸值設(shè)計(jì)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(tái)的組合設(shè)計(jì)單元系列、易于拆卸、便于裝配、變動(dòng)靈活。組合形式：演播廳

監(jiān)測(cè)中心

廣

電

系

統(tǒng)控制室（臺(tái)）

制作機(jī)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(tái)）旋鈕

供單手操縱的控制器，可做多圈運(yùn)動(dòng)，也可做小于360·的轉(zhuǎn)動(dòng)和定位轉(zhuǎn)動(dòng)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(gè)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(shì)有很大的關(guān)系用力特征第五節(jié)

常用操作器的人機(jī)學(xué)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(shí)，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(chǎng)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(guān)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(gè)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(shì)有很大的關(guān)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(dòng)中速轉(zhuǎn)動(dòng)高速轉(zhuǎn)動(dòng)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(dá)到簡(jiǎn)潔、美觀形體和位置設(shè)計(jì)

旋轉(zhuǎn)式控制器的的大小應(yīng)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(yùn)動(dòng)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(gè)執(zhí)握柄和杠桿，只是杠桿部的長(zhǎng)度不同而已。設(shè)計(jì)時(shí)，重點(diǎn)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(dòng)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(guān)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(zhǎng)度◆不產(chǎn)生滑移，同時(shí)還需控制它的動(dòng)作◆當(dāng)操作力較大，空間位置較遠(yuǎn)時(shí)，只能增加杠桿的長(zhǎng)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(dòng)，同時(shí)控制其動(dòng)作。形狀設(shè)計(jì)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(yīng)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(shí)，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(zhǎng)度，如下表所示：移動(dòng)式操縱器工作行程/mm操縱力/N開關(guān)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(dòng)式開關(guān)10~402~8擺動(dòng)式開關(guān)4~102~8手閘10~40020~60指撥滑塊開關(guān)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(zhǎng)度與操縱頻率有很大關(guān)系-操縱桿越長(zhǎng)，動(dòng)作的頻率越低◆執(zhí)握柄的直徑粗細(xì)和扁形手柄的厚度不宜太小，過小會(huì)引起肌肉的過度緊張，增大疲勞◆為節(jié)省手的運(yùn)動(dòng)、空間和操作的復(fù)雜形，可采用復(fù)合多功能操縱器工作行程和操縱力：操縱桿的長(zhǎng)度與操縱的頻率有關(guān)：形狀設(shè)計(jì)操縱桿執(zhí)握柄的尺寸操作桿最大轉(zhuǎn)動(dòng)頻率

/（m?min-1)操縱桿的長(zhǎng)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(fù)合多功能的操縱器：附設(shè)多種常用的開關(guān)。減少手的運(yùn)動(dòng)節(jié)省空間減少操作的復(fù)雜性操縱手柄的設(shè)計(jì)（以手動(dòng)果汁機(jī)設(shè)計(jì)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(cè)試手柄4圖紙5.完成結(jié)構(gòu)和造型設(shè)計(jì)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(hào)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(shè)計(jì)其尺寸形狀應(yīng)按手指的尺寸和指端弧形狀設(shè)計(jì)，操縱舒適，中凹為主優(yōu)。機(jī)械式機(jī)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(dòng)、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(yīng)用人機(jī)工學(xué)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(diǎn)骨、動(dòng)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(shè)計(jì)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(dòng)作不應(yīng)同時(shí)具有著力和控制兩種性質(zhì)，會(huì)加速疲勞，降低效率。甚至?xí)a(chǎn)生多種上肢職業(yè)病。手握式工具設(shè)計(jì)原則一般原則◆必須有效地實(shí)現(xiàn)預(yù)定的功能；◆必須操作者成適當(dāng)?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(jìn)行設(shè)計(jì)；◆工具要求的作業(yè)姿勢(shì)不能引起過度疲勞。解剖學(xué)原則▲避免靜肌負(fù)荷：如上臂必須上舉或長(zhǎng)時(shí)間的抓握；長(zhǎng)時(shí)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(shí)，腕關(guān)節(jié)處于正中的放松狀態(tài)，但當(dāng)手腕處于掌屈、背屈或尺偏時(shí)，會(huì)產(chǎn)生腕部酸痛、握力減