人因工程《第14章 人机界面设计》

1、 第十四章第十四章 人机界面设计人机界面设计第一节第一节 人机界面设计概述人机界面设计概述人机界面三要素基本模型人机界面三要素基本模型第二节 显示器设计 显示器分为视觉显示、听觉显示和触觉显示等 ，三种显示方式传递的信息特征见表14-1。 表14-1 三种显示方式传递的信息特征显示方式传递的信息特征显示方式传递的信息特征视觉显示1.比较复杂、抽象的信息或含有科学技术术语的信息、文字、图表、公式等2.传递的信息很长或需要延迟者3.需用方位、距离等空间状态说明的信息4.以后有被引用的可能的信息5.所处环境不适合听觉传递的信息6.适合听觉传递，但听觉负荷已很重的场合7.不需要急迫传递的信息8.传递的

2、信息常需同时显示、监控听觉显示1.较短或无需延迟的信息2.简单且要求快速传递的信息3.视觉通道负荷过重的场合4.所处环境不适合视觉通道传递的信息触觉显示1.视、听觉通道负荷过重的场合2.使用视、听觉通道传递信息有困难的场合3.简单并要求快速传递的信息一、仪表显示器一、仪表显示器( (一一) )仪表的类型及特点仪表的类型及特点 1.1.数字式显示数字式显示 直接用数码来显示有关的参数或工作状态。直接用数码来显示有关的参数或工作状态。 特点：认读过程简单、直观，只要对单一数字或符号辨认识别特点：认读过程简单、直观，只要对单一数字或符号辨认识别就可以了。认读速度快，精度高，且不易产生视觉疲劳。就可以

3、了。认读速度快，精度高，且不易产生视觉疲劳。 应用：计算器、电子表及列车运行的时间显示屏幕。应用：计算器、电子表及列车运行的时间显示屏幕。 2.2.模拟式显示模拟式显示 用模拟量（刻度和指针）来显示机器的有关参数和状态。用模拟量（刻度和指针）来显示机器的有关参数和状态。 特点：显示的信息形象化、直观，使人对模拟值在全量程范围特点：显示的信息形象化、直观，使人对模拟值在全量程范围内所处的位置一目了然，并能给出偏差量，对于监控作业效果很好。内所处的位置一目了然，并能给出偏差量，对于监控作业效果很好。 应用：汽车上的油量表、氧气瓶上的压力表。应用：汽车上的油量表、氧气瓶上的压力表。一、仪表显示器一、

4、仪表显示器(二二)仪表的刻度盘仪表的刻度盘刻度线高度刻度线高度 刻度线分为长刻度线、中刻度线和短刻度线分为长刻度线、中刻度线和短刻度线刻度线 ，如图，如图14-2所示，其高度与视距所示，其高度与视距的关系见表的关系见表14-2 图14-2(二)仪表的刻度盘n刻度线刻度线 最大视距为最大视距为l(mm)时，各刻度线的最小尺寸时，各刻度线的最小尺寸可由下列各式求出：可由下列各式求出： 长刻度线高度：长刻度线高度： l90mm 中刻度线高度：中刻度线高度： l125mm 短刻度线高度：短刻度线高度： l200mm 刻度线宽度：刻度线宽度： l5000mm 短刻度线间距：短刻度线间距： l600mm

5、长刻度线间距长刻度线间距； l50mm(二)仪表的刻度盘n刻度标数进级和递增方向刻度标数进级和递增方向 数字进级方法见表数字进级方法见表14-3 数字递增方向的一般原则是：顺时针方数字递增方向的一般原则是：顺时针方向为增加；从左向右的方向为增加；从向为增加；从左向右的方向为增加；从下向上的方向为增加。下向上的方向为增加。(二)仪表的刻度盘n字符形状和大小字符形状和大小 一般使用的字符高度可参考表一般使用的字符高度可参考表14-4，也可根，也可根据下式求得据下式求得： 式中：式中：h为字符高度为字符高度(cm)；l为视距为视距(cm)。 字符的其他尺寸可根据高度字符的其他尺寸可根据高度h确定，见

6、确定，见图图14-3 200lh (二)仪表的刻度盘n刻度直径刻度直径 默雷尔推荐的圆形仪表最佳直径，如默雷尔推荐的圆形仪表最佳直径，如图图14-4所示所示 (二)仪表的刻度盘n刻度标数刻度标数 刻度标数优劣比较参见刻度标数优劣比较参见图图14-5 (三三) 仪表的指针仪表的指针 n常用的指针形状如图所示常用的指针形状如图所示 (四四) 仪表的颜色仪表的颜色 顺序顺序1 12 23 34 45 56 67 78 89 91010底色底色黑黑黄黄黑黑紫紫紫紫蓝蓝绿绿白白黑黑黄黄被衬被衬色色黄黄黑黑白白黄黄白白白白白白黑黑绿绿蓝蓝表表14-5 清晰的配色清晰的配色 (四四) 仪表的颜色仪表的颜色顺

7、序顺序1 12 23 34 45 56 67 78 89 91010底色底色黄黄白白红红红红黑黑紫紫灰灰红红绿绿黑黑被衬色被衬色白白黄黄绿绿蓝蓝紫紫黑黑绿绿紫紫红红蓝蓝表表14-6 模糊的配色模糊的配色二、信号显示设计二、信号显示设计 n信号显示特征信号显示特征 n信号灯的形状和颜色信号灯的形状和颜色 n信号灯的亮度和环境信号灯的亮度和环境 三、荧光屏显示设计三、荧光屏显示设计n 荧光屏的显示特征荧光屏的显示特征 特点：既能显示图形、符号、信号，又能显示文字；特点：既能显示图形、符号、信号，又能显示文字；既能追既能追 踪显踪显 示，又能显示多媒体的图文动态画面。示，又能显示多媒体的图文动态画面

8、。 应用：图文电视屏幕、计算机高分辨率显示器、示波应用：图文电视屏幕、计算机高分辨率显示器、示波器、彩超及雷达。器、彩超及雷达。n目标状态对显示的影响目标状态对显示的影响 1.亮度亮度 2.呈现时间呈现时间 3. 余辉余辉 4.目标的运动速度目标的运动速度 5.目标的形态目标的形态 6.目标与背景的关系目标与背景的关系 三、荧光屏显示设计三、荧光屏显示设计n屏面的形状与尺寸屏面的形状与尺寸 图14-7是操作者与荧光屏总体布是操作者与荧光屏总体布置的关系置的关系 四、标志符号设计四、标志符号设计 n 标志符号的要求标志符号的要求 必须考虑使用目的和使用条件，采用与其含必须考虑使用目的和使用条件，

9、采用与其含义相一致的图形；可利用颜色、形状、图形、义相一致的图形；可利用颜色、形状、图形、符号、文字进行编码，以提高辨别速度和准确符号、文字进行编码，以提高辨别速度和准确性；不得使用过分抽象或人们难以接受的图形，性；不得使用过分抽象或人们难以接受的图形，应采用人的知觉图形，以便于记忆，减少视认应采用人的知觉图形，以便于记忆，减少视认时间；尽量用图形符号代替文字说明，以减少时间；尽量用图形符号代替文字说明，以减少判读时间，使用简便；尽量使用国际通用的标判读时间，使用简便；尽量使用国际通用的标志符号；与显示器和控制器有关的标志符号，志符号；与显示器和控制器有关的标志符号，要合理区分和布置，符合操作

10、者的心理和动作要合理区分和布置，符合操作者的心理和动作特征；避免环境背景产生视觉干扰。特征；避免环境背景产生视觉干扰。四、标志符号设计四、标志符号设计n标志符号的知觉因素标志符号的知觉因素 设计标志符号要符合人的知觉特点：设计标志符号要符合人的知觉特点： 1.形与基分明，如图14-8a所示; 2.边界明显,如图14-8b所示; 3.封闭 ,如图14-8c所示; 4.简明 ,如图14-8d所示; 5.完整 ,如图14-8e所示;四、标志符号设计四、标志符号设计n标志符号的应用标志符号的应用 图14-9为汽车上使用的图形符号为汽车上使用的图形符号 图图14-10为电子产品上使用的部分图形为电子产品

11、上使用的部分图形符号符号 四、标志符号设计四、标志符号设计n标志符号的文字信息标志符号的文字信息 简短而明确简短而明确 使用短句子使用短句子 使用主动句使用主动句 使用肯定句使用肯定句 使用易懂文字使用易懂文字 按时序组句按时序组句 五、听觉显示设计五、听觉显示设计 利用示警信号（声音）来传达信息。利用示警信号（声音）来传达信息。 特点：可快速有效的传递简单和短促的信特点：可快速有效的传递简单和短促的信息，反应快、方向不受限制。息，反应快、方向不受限制。 应用：蜂鸣器、铃、角笛和汽笛、警报器应用：蜂鸣器、铃、角笛和汽笛、警报器(一一) 音响及报警装置音响及报警装置n蜂鸣器蜂鸣器 n铃铃n角笛和

12、汽笛角笛和汽笛 n警报器警报器 (二二) 言语显示装置言语显示装置 用语言在人与机器之间传递信息，使其具有一定用语言在人与机器之间传递信息，使其具有一定的表达能力。的表达能力。 特点：特点：可以更为细致、明确地指导操作者的各可以更为细致、明确地指导操作者的各种操作行为。种操作行为。 应用：应用：无线电广播、电视、电话、报话机和对无线电广播、电视、电话、报话机和对话器及其它录音、放音的电声装置。其设计应注意话器及其它录音、放音的电声装置。其设计应注意以下几点：以下几点：1. 语言清晰度语言清晰度 2. 语言的强度，见语言的强度，见图图14-11 3. 噪声对言语传示的影响噪声对言语传示的影响(三

13、三) 听觉显示装置的选择原则听觉显示装置的选择原则n音响显示装置的选择原则音响显示装置的选择原则 1）在有背景噪声的场合，音响显示装置的频率选）在有背景噪声的场合，音响显示装置的频率选择在噪声掩蔽效应最小的范围内。择在噪声掩蔽效应最小的范围内。 2）使用断续的或音调有高低变化的声音信号，更）使用断续的或音调有高低变化的声音信号，更能引起人的注意。最好组成视、听双重报警信号。能引起人的注意。最好组成视、听双重报警信号。 3）音响信号传播距离远和穿越障碍物时，应加大）音响信号传播距离远和穿越障碍物时，应加大声波强度，使用较低的频率。声波强度，使用较低的频率。 4）注意音响装置的多少，避免各信号间的

14、相互干扰。）注意音响装置的多少，避免各信号间的相互干扰。(三三) 听觉显示装置的选择原则听觉显示装置的选择原则n言语显示装置的选择原则言语显示装置的选择原则 1）显示内容较多时，采用一个言语显示装置即）显示内容较多时，采用一个言语显示装置即可。可。 2）更适于指导检修和故障处理工作，引导操作）更适于指导检修和故障处理工作，引导操作者操作。者操作。 3）适用于追踪操作中。）适用于追踪操作中。 4）在非职业性的领域中，言语显示装置更符合）在非职业性的领域中，言语显示装置更符合人们习惯。人们习惯。第三节第三节 控制器设计控制器设计 人通过显示器获得信息之后，需要通过运人通过显示器获得信息之后，需要通

15、过运动系统将大脑的分析决策结果传递给系统，动系统将大脑的分析决策结果传递给系统，从而使其按人预定的目标工作。控制器是人从而使其按人预定的目标工作。控制器是人用以将信息传递给机器，或运用人的力量来用以将信息传递给机器，或运用人的力量来开动机器，使之执行控制功能，实现调整、开动机器，使之执行控制功能，实现调整、改变机器运行状态的装置。改变机器运行状态的装置。 一、控制器的分类一、控制器的分类n按操纵控制器的身体部位的不同，控制器按操纵控制器的身体部位的不同，控制器分为手动控制器和脚动控制器；分为手动控制器和脚动控制器； n按功能可分为：开关类，转换类、调节类、按功能可分为：开关类，转换类、调节类、

16、紧急开关类；紧急开关类； n按控制器运动类别的不同，控制器又可分按控制器运动类别的不同，控制器又可分为旋转控制器、摆动控制器、按压控制器、为旋转控制器、摆动控制器、按压控制器、滑动控制器和牵拉控制器滑动控制器和牵拉控制器,如表如表14-9所示所示 n各类控制器的形状如各类控制器的形状如图图14-12所示。常用所示。常用控制器的特征如表控制器的特征如表14-10所示。所示。二、控制器的设计要求二、控制器的设计要求 n控制器的编码控制器的编码 1.形状编码，如图形状编码，如图14-13、14-14、14-15 2.位置编码位置编码 3.大小编码大小编码 4.颜色编码颜色编码 5.标记编码标记编码

17、6.操作方法编码操作方法编码 (二) 控制器的外形结构n图图14-16是手操纵控制器的六种方式是手操纵控制器的六种方式 n对于手动控制器，其形状设计应考虑手对于手动控制器，其形状设计应考虑手的生理特点，如的生理特点，如图图14-17所示。所示。(三) 控制器的阻力控制器的阻力阻力类型阻力类型特特 性性使使 用用 举举 例例摩摩 擦擦 力力 运动开始时阻力最大，此后显著降低，可用以运动开始时阻力最大，此后显著降低，可用以减少控制器的偶发启动。但控制准确度低，不减少控制器的偶发启动。但控制准确度低，不能提供控制反馈信息能提供控制反馈信息开关、闸刀等开关、闸刀等弹性阻力弹性阻力 阻力与控制器位移距离

18、成正比，可作为有用的阻力与控制器位移距离成正比，可作为有用的反馈源。控制准确度高，放手时，控制器可自反馈源。控制准确度高，放手时，控制器可自动返回零位，特别适用于瞬时触发或紧急停车动返回零位，特别适用于瞬时触发或紧急停车等操作，可用以减少控制器的偶发启动等操作，可用以减少控制器的偶发启动键盘等键盘等粘滞阻力粘滞阻力 阻力与控制运动的速度成正比。控制准确度高、阻力与控制运动的速度成正比。控制准确度高、运动速度均匀，能帮助稳定的控制，防止控制运动速度均匀，能帮助稳定的控制，防止控制器的偶发启动器的偶发启动活塞等活塞等惯惯 性性 阻力与控制运动的加速度成正比例，能帮助稳阻力与控制运动的加速度成正比例

19、，能帮助稳定的控制，防止控制器的偶发启动。但惯性可定的控制，防止控制器的偶发启动。但惯性可阻止控制运动的速度和方向的快速变化，易引阻止控制运动的速度和方向的快速变化，易引起控制器调节过度，也易引起操作者疲劳起控制器调节过度，也易引起操作者疲劳调节旋钮等调节旋钮等表表14-11 控制器的阻力特性控制器的阻力特性 表表14-12 控制器的最小操作阻力控制器的最小操作阻力 控制器类型控制器类型最小阻力最小阻力/ /n n手动按钮手动按钮2 28 8脚动按钮脚动按钮5.65.6（脚停留在控制器上）（脚停留在控制器上）17.817.8（脚不停留在控制器上）（脚不停留在控制器上）扳动开关扳动开关2.82.

20、8旋转选择开关旋转选择开关3.33.3旋旋 钮钮0 01.71.7曲曲 柄柄9 92222手手 轮轮 22 22手手 柄柄9 9脚脚 踏踏 板板417.8417.8（脚不停留在控制在控制器上）（脚不停留在控制在控制器上）4.54.5（脚停留在控制器上）（脚停留在控制器上）(四四) 控制器的偶发启动控制器的偶发启动防范措施：防范措施： （1）将控制器安装在陷入控制板的凹槽内；）将控制器安装在陷入控制板的凹槽内；（2）在控制器上加保护罩；）在控制器上加保护罩；（3）将控制器安装在不易被碰撞的位置；）将控制器安装在不易被碰撞的位置；（4）使控制器的运动方向向着最不可能发生意外用力的方）使控制器的运动

21、方向向着最不可能发生意外用力的方向；向；（5）操作者必须连续做两种操作运动，才能使控制器被启）操作者必须连续做两种操作运动，才能使控制器被启动，而后一种操作运动与前一种操作运动的方向不同，以动，而后一种操作运动与前一种操作运动的方向不同，以此将控制器锁定在位置上；此将控制器锁定在位置上；（6）一组控制器必须按正确的顺序操作时才能被启动，使）一组控制器必须按正确的顺序操作时才能被启动，使控制器彼此之间具有连锁作用。如配电柜上的油开关和刀控制器彼此之间具有连锁作用。如配电柜上的油开关和刀闸开关的操作顺序连锁；闸开关的操作顺序连锁；（7）适当增大控制器的操作阻力。）适当增大控制器的操作阻力。三、主要

22、控制器的设计三、主要控制器的设计 控制器的设计要充分满足操作者在产品使控制器的设计要充分满足操作者在产品使用过程中能安全、准确、迅速、舒适地操作。因用过程中能安全、准确、迅速、舒适地操作。因而设计时应充分考虑操作者的体形、生理、心理而设计时应充分考虑操作者的体形、生理、心理特征以及人的能力限度，使控制器的形状、大小特征以及人的能力限度，使控制器的形状、大小等符合人因工程的要求。等符合人因工程的要求。(一一) 手动控制器的设计手动控制器的设计n旋钮 ，如图14-18n按钮按钮 ，如图14-19n扳动开关 ，如图14-20n控制杆 ，如图14-21(二) 脚动控制器的设计n脚踏板，如图14-22、

23、14-23、14-24 n脚踏钮，如图14-25 第四节第四节 控制控制显示组合设计显示组合设计 通常显示器与控制器是联合使用的，因此，通常显示器与控制器是联合使用的，因此，对于显示器和控制器的设计，不仅应使各自的对于显示器和控制器的设计，不仅应使各自的性能最优，而且应使它们彼此之间的配合最优。性能最优，而且应使它们彼此之间的配合最优。这种控制器与显示装置之间的配合称为控制这种控制器与显示装置之间的配合称为控制显示相合性。控制器与显示器相合性好，可减显示相合性。控制器与显示器相合性好，可减少信息加工和操作的复杂性；缩短人的反应时少信息加工和操作的复杂性；缩短人的反应时间，提高人的操作速度，尤其

24、是在紧急情况下，间，提高人的操作速度，尤其是在紧急情况下，要求操作者非常迅速地进行操作时可减少人为要求操作者非常迅速地进行操作时可减少人为差错，避免事故的发生。差错，避免事故的发生。 一、控制一、控制显示比显示比n控制控制显示比是控制器与显示器位移大小的比例关显示比是控制器与显示器位移大小的比例关系，即是指控制器的位移量与之相对应的显示器位系，即是指控制器的位移量与之相对应的显示器位移量之比移量之比(c/d)，可用来表示系统的灵敏度，如可用来表示系统的灵敏度，如图图14-26所示所示 n人机界面上的控制人机界面上的控制显示系统具有精调和粗调两种显示系统具有精调和粗调两种功能。功能。c/d比的选

25、择应考虑精调和粗调的时间，最比的选择应考虑精调和粗调的时间，最佳的佳的c/d比则是两种调节时间曲线相交处。这样可比则是两种调节时间曲线相交处。这样可以使总的调节时间降到最低，如以使总的调节时间降到最低，如图图14-27所示。所示。 二、控制、控制显示的空间相合性显示的空间相合性 n控制器与显示器空间位置的合适与否直接影响控制器与显示器空间位置的合适与否直接影响系统的效率。恰帕尼斯系统的效率。恰帕尼斯(chapanis)等人于等人于1959年曾用煤气炉的四个灶眼作为显示器，年曾用煤气炉的四个灶眼作为显示器，煤气开关作为控制器，研究了控制器与显示器煤气开关作为控制器，研究了控制器与显示器的空间相合

26、性。共试验了四种不同的位置配置的空间相合性。共试验了四种不同的位置配置关系，如关系，如图图14-28所示。所示。 三、控制三、控制显示的运动相合性显示的运动相合性n控制器的运动方向与显示器或执行系统的运动控制器的运动方向与显示器或执行系统的运动方向在逻辑上一致，符合人的习惯定势，即控方向在逻辑上一致，符合人的习惯定势，即控制制显示的运动相合性好，对于提高操作质量、显示的运动相合性好，对于提高操作质量、减轻人的疲劳，尤其是对于防止人紧急情况下减轻人的疲劳，尤其是对于防止人紧急情况下的误操作，具有重要的意义。的误操作，具有重要的意义。图图14-29是控制是控制器与显示器运动相合性的示例。器与显示器

27、运动相合性的示例。 第五节第五节 累积损伤疾病与工具的设计累积损伤疾病与工具的设计一、累积损伤疾病及其原因一、累积损伤疾病及其原因 原因：原因： 1. 受力受力 2. 重复重复 3. 姿势姿势 4. 休息休息二、与手有关的累积损伤疾病二、与手有关的累积损伤疾病 n人手是由骨、动脉、神经、韧带和肌腱等组成人手是由骨、动脉、神经、韧带和肌腱等组成的复杂结构，如的复杂结构，如图图14-30所示。手部的动作状所示。手部的动作状态见态见图图14-31。当使用设计不当的手握式工具。当使用设计不当的手握式工具时，会导致多种累积损伤疾病，如腱鞘炎、腕时，会导致多种累积损伤疾病，如腱鞘炎、腕道综合症、腱炎、滑囊炎、滑膜炎、痛性腱鞘道综合症、腱炎、滑囊炎、滑膜炎、痛性腱鞘炎、狭窄性腱鞘炎和网球肘等。炎、狭窄性腱鞘炎和网球肘等。 三、手握式工具设计原则三、手握式工具设计原则n避免静肌负荷，如避免静肌负荷，如图图14-32所示所示n保持手腕伸直保