人机工程学-第五章-控制器设计

人机工程学--第五章-控制器设计第一页，共53页。控制器的分类1手控操纵器设计2脚控操纵器设计3编码设计4控制器选择、布置原则显示器与控制器的相合性56ConterollerDesign第二页，共53页。5.1控制器的分类定义——操纵装置（控制器）是将人的信息输送给机器，用以调整、改变机器状态的装置。一、控制器的分类1.按操纵控制器所用的身体器官或行为分类:

手动控制器脚动控制器言语控制器

在多数控制作业中都采用手动控制器，当手处于高负荷状态时，可考虑采用脚动控制器。第三页，共53页。2.根据输入信息的特点分类1）离散控制器：可调出有限的、确定的几种状态，状态变化是跃变式的。2）连续调节控制器：可在一个连续体上调节，状态变化是平滑、跃进式的。5.1控制器的分类第四页，共53页。3.按控制器运动的类别的不同1）平移式控制器平移式控制器又可分为：摆动控制器如：手挡按压控制器如:按键滑动控制器如：拨钮牵拉控制器如：电锯2）旋转控制器：如方向盘、旋钮。5.1控制器的分类第五页，共53页。5.1控制器的分类第六页，共53页。5.1控制器的分类第七页，共53页。二、控制器的编码设计

1、形状编码

2、位置编码

3、尺寸编码

4、颜色编码

5、符号编码

6、表纹编码

7、操作编码5.2控制器的编码设计第八页，共53页。1.形状和表纹编码形状编码是将不同用途控制器设计成不同的形状，以便使各控制器彼此之间不易混淆。人通过触觉辨认形状的能力比辨认大小的能力强，编码时应选择与控制功能相关联的形状，形状应简单，有助于操作者对其译码。表纹编码依赖于触觉反馈，一般与形状编码同时使用。5.2控制器的编码设计第九页，共53页。2.位置编码若有充裕的工作空间，此时控制器可按视觉位置定位。5.2控制器的编码设计第十页，共53页。3.尺寸编码亦称大小编码是通过控制器的尺寸大小不同来分辨控制器，因此，控制器的大小之间的尺寸等级差必须达到触觉的识别阈限。大小编码不如形状编码有效，一般不宜超过3个。5.2控制器的编码设计第十一页，共53页。

4.颜色编码将不同功能的控制器，涂以不同的颜色，以示彼此之间的区别，称为颜色编码。

宜安装在照明较好，操作者实现可及的空间，所用颜色不宜过多，应使用有标准意义的表示色，颜色编码一般与其他编码同时使用。5.2控制器的编码设计第十二页，共53页。5.符号编码在不同控制器的上方或侧旁，标注不同的文字或符号，通过这些文字或符号区分控制器，即为标记编码。1）采用文字：应是简短的，采用操作者熟悉的术语给出控制功能，如，“开”，“关”。2）采用图形符号，应尽可能以常规的方法，采用通用符号。但采用这种方法需要良好的照明和较大的空间，易出错。5.2控制器的编码设计第十三页，共53页。6.操作方法编码采用操作方法编码时，每个控制器都有自己独特的驱动方式，如，拉，推，旋转，滑动，按压等。5.2控制器的编码设计第十四页，共53页。7、编码设计的总原则所有编码需易辨认、有区别编码与其功能间有逻辑上的关系尽量使用标准化代码编码间多进行混合使用，以增强其识别性5.2控制器的编码设计第十五页，共53页。三、手控式操纵器的设计（一）、执握柄（操纵把）的设计1、手的解剖学因素（1）手部肌肉构成（2）手部肌肉特性指球肌，大、小鱼际：肌肉组织发达、减震好、施力大指骨间肌，掌心：肌肉少、减震差、易疲劳、操作准确性低

5.3手控式操纵器的设计第十六页，共53页。（50mm时欧洲人握力最大，亚洲人40～50mm之间。）

2、执握柄（操纵把）的设计

（1）原则：充分考虑手部生理特征（2）执握柄形式

1）圆弧型与掌心、指间肌接触面大适于用力小、瞬间操作

2）直线型（宽手把型、扁平型）与掌心、指间肌接触面小适于用力大、长时间操作（3）建议尺寸（直径）

30-32mm

22-35mmMin7.5mm

Min5mm

5.3手控式操纵器的设计第十七页，共53页。5.3手控式操纵器的设计一般手工具物理特徵的案例分析——羊角锤执握柄设计羊角锤的形式及结构分析

第十八页，共53页。5.3手控式操纵器的设计铁锤的特征与可能受影响的敲击效率分析表

特征影響敲击效率项目重量重心握柄角度握柄長度握柄直徑斷面形狀握柄材质锤头设计施力大小与加速度●●●●●疲劳度●●舒适度●●●●手掌接触面积与力量分佈●●手腕施力角度●手掌與握柄間的摩擦力●●●握柄的震动●●●●●力量的传导和控制性●●●●●●第十九页，共53页。5.3手控式操纵器的设计握持位置B处握持位置C处

第二十页，共53页。5.3手控式操纵器的设计一般手工具物理特征的设计指南手工具物理特征设计指南重量及配重重心尽可能接近手掌中心，重量应小于2.3kg握柄直径应在2-8cm之間，力握時最佳握把直径5cm握柄長度最短應為10-12.5cm，握柄的尾端不能压迫到手掌握柄握距最佳握距在5-6cm，不宜超過13cm握柄形狀應使手掌與握把間的接觸面積最大握柄斷面形狀在推力和拉力兼有的作業下，採用寬高比為1:1.25的矩形握柄握柄溝槽手指溝槽可提供較好的摩擦力、避免滑手，深度不宜超過0.32cm握柄角度握柄角度在19度左右可以減少手腕尺偏第二十一页，共53页。（二）按钮设计

1、作用：常用作系统的启动和关停。

2、形状：常为圆心和矩形、椭圆形。

3、尺寸：按纽的尺寸主要按成人手指端的尺寸和操作要求而定。（1）圆弧形按纽直径以8—18mm为宜；（2）矩形按纽以10*10、10*15或15*20为宜（3）按纽应高出盘面5—12mm（4）行程为3—6mm（5）按纽间距一般为12.5—25mm,最小不得小于6mm。

4、阻力：1.43—11.35N5.3手控式操纵器的设计第二十二页，共53页。（三）按键设计

1、形状：常为圆心和矩形、椭圆形。

2、键面形式：凸键平键凹键

3、尺寸：按纽的尺寸主要按成人手指端的尺寸和操作要求而定。（1）按面直径以12—20mm为宜；（2）按纽应高出盘面5—12mm（3）行程为5—7mm（4）间距大于6mm（5）按纽间距一般为12.5—25mm,最小不得小于6mm。5.3手控式操纵器的设计第二十三页，共53页。5.3手控式操纵器的设计第二十四页，共53页。（四）拨钮（钮子开关、肘节开关）设计1、用途：开关专用，不具有调节功能。

2、形状：见下图。

3、尺寸：（1）拨钮直径以3—25mm为宜（2）开关长度12.5—50mm（3）行程角度为40—70°

4、阻力：2.83—11.34N5.3手控式操纵器的设计第二十五页，共53页。（五）旋钮设计1、用途：调节及开关控制。

2、分类：指针旋钮、常规旋钮。

3、尺寸：（1）直径：定位旋钮：35—75mm；连续旋钮：10—75mm（2）高度：定位旋钮：20—50mm；连续旋钮：15—25mm（3）行程角度为15—90°

4、阻力：定位旋钮12—18N；连续旋钮：2—4.5N连续旋转钮（控制范围超过360o）

定位指示旋钮（控制范围有固定的边界限范围有固定的边界限制）

5.3手控式操纵器的设计第二十六页，共53页。2022/10/29第27

页（六）方向盘的设计

方向盘的要用于机动车辆的转向。方向盘设计中的主要问题有：方向盘平面间的夹角a、方向盘的直径D和方向盘的构造三个问题，夹角的大小取决于不同车型驾驶员的位置，直径的大小取决于司机施力的舒适性限度。

1．a、D的取值范围

方向盘夹角直径

卡车及公共汽车：15o～30o

400mm左右（这也是一般车辆的取值范围。)

大型载重车辆：0o

450～500mm。

小卧车、小卡车：45o～60o350～400mm。

5.3手控式操纵器的设计第二十七页，共53页。2022/10/29第28

页2．方向盘的构造

（1）截面直径在19～28mm之间。（2）下缘凹点间距：19mm左右。（重型车辆的驾驶盘为便于用力常在轮缘下部作出波浪形）图1

方向盘的椭圆形截面轮辐

图2椭圆形截面轮辐

5.3手控式操纵器的设计第二十八页，共53页。2022/10/29第29

页

汽车方向盘最大转角为120o

，这样可以保证在急转弯时，驾驶员能双手握住方向盘而不必倒手。汽车方向盘与车轮转动角度的比值可取1.5～3.0，如图3所示（方向盘与车轮）。

5.3手控式操纵器的设计第二十九页，共53页。2022/10/29第30

页为驾驶中省力，同时也为车辆自动保持直线前进，转向机构应设有自动归复到保持直线前进位置的复位装置。

有些小型车辆设计了可调整方向盘角度的结构，方向盘立柱的倾角可调，一般可调范围在15o以内。调整方向盘的角度，一是为了应不同体形驾驶员的舒适度需要；二是为了使方向盘不遮挡观察仪表的视线，如图4（可调节方向盘）。5.3手控式操纵器的设计第三十页，共53页。2022/10/29第31

页3．安全设施

发生撞车事故时方向盘对司机最为危险，方向盘的安全设计：

①轮缘外层应用软体材料，驾驶部位的仪表及台面及台面均应较软的包敷材料；

②立柱应低于手轮平面，以免撞车时插到司机的胸部，对于高速汽车需要低得多些；

③高级轿车在方向盘中央设置了一个空气袋，平时折合在立柱顶端的一个圆盆中，一旦汽车发生碰撞使汽车骤然停止时气袋就会自动充气，以保护司机的面部和胸部，如图5。同时还应保证快速排气，及时排气，以免造成司机窒息。

5.3手控式操纵器的设计第三十一页，共53页。四、脚动控制器的设计

1、脚控制器的使用前提：（1）需大力操作时；（2）精度要求不高时；（3）手操作负荷过大时；（4）非立姿操作时。

5.4脚动控制器的设计第三十二页，共53页。2022/10/29第33

页

2、脚动控制器的形式5.4脚动控制器的设计第三十三页，共53页。2022/10/29第34

页3、脚动控制器的适宜用力

脚动控制器推荐的用力值N脚休息时脚踏板的承受力18～32悬挂的脚蹬（如汽车的加速器）45～68功率制动器直至68离合器和机械制动直至136飞机方向舵272可允许脚蹬力最大值2268创记录的脚蹬力最大值40825.4脚动控制器的设计第三十四页，共53页。2022/10/29第35

页4、脚踏板控制的设计：（1）各种踏板效率比较5.4脚动控制器的设计第三十五页，共53页。2022/10/29第36

页操纵方式操纵特征整个踏板操纵力较大（大于50N），操纵频率较低，适用于紧急制动器的踏板脚掌踏操纵力在50N左右，操纵频率较高，适用于启动、机床刹车的脚踏板脚掌或脚跟踏操纵力小于50N，操纵迅速，可连续操纵，适用于动作频繁的踏板（2）、脚踏板与操纵方式5.4脚动控制器的设计第三十六页，共53页。2022/10/29第37

页（3）、脚踏板结构形式

5.4脚动控制器的设计第三十七页，共53页。2022/10/29第38

页（4）、不同坐高的脚踏板高度设计

5.4脚动控制器的设计第三十八页，共53页。

(6)脚踏板布置设计尺寸：

1）椅前；

2）据椅面高50-178mm；

3）偏离人体中心：小于75-125mm时出力最大；5.4脚动控制器的设计第三十九页，共53页。2022/10/29第40

页（5）调节型踏板设计

调节踏板有以鞋跟为转轴的（见图1）和脚悬空的两种。

以鞋跟为转轴的踏板典型例子：踏板下的舒适角不大于20o，一般控制在15o左右，每脚与人的中线叉开10o～15o为宜（见图2）。

图1以鞋跟为转轴的踏板

图2脚的舒适叉开角度

5.4脚动控制器的设计第四十页，共53页。2022/10/29第41

页（6）踏板开关设计

脚踏开关多用于定位操纵，要很好地安排它的位置，使操作者在不影响稳定性的情况下即能使用，还要避免发生误踏的危险。给出了踏板开关的形状和尺寸，踏板的转角不宜超过10o,转角太大需将脚抬离地面才能操作，操作者单脚承重，很不安全。

如果要求双脚均能踏动，或操作者连续不断改换位置时也能踏动，最好采用踏动标杆，踏动标杆距地面不应超过15cm，但伸长度不要大于15cm。

5.4脚动控制器的设计第四十一页，共53页。2022/10/29第42

页

踏板开关操纵

5.4脚动控制器的设计第四十二页，共53页。控制装置名称使用功能启动不连续调节定量调节连续控制输入数据按钮O

钮子开关OO

旋钮选择开关

O

旋钮

OOO

踏钮O

踏板

OO曲柄

OO手轮

OO操纵杆

OO键盘

O1、各种控制装置的使用功能

五、控制器的选择和布置原则5.5控制器的选择和布置原则第四十三页，共53页。2022/10/29第44

页使用情况按钮旋钮旋转旋纽开关纽子开关手摇把操纵杆子轮踏板需要的空间小小-中中小中-大中-大大大编码小好

好较好较好好较好差视觉辨别位置可好好

好可好较好差触觉辨别位置差可

好好可较好较好较好一排类似控制装置的检查差好

好好

差好差差一排控制装置的操作好差差好差好差差合并控制好好较好好差好好差2、各种控制装置的使用情况比较

5.5控制器的选择和布置原则第四十四页，共53页。2022/10/29第45

页3、不同工作情况下选择控制器的建议工作情况建议使用的控制器操纵力较小情况2个分开的装置4个分开的装置4—24个分开的装置25个以上分开的装置小区域的连续装置较大区域的连续装置按钮、踏钮、拨动开关、摇动开关按钮、拨动开关、旋钮、选择开关

同心成层旋钮、键盘、拨动开关、旋转选择开关键

盘旋

钮曲

柄操纵力较大情况2个分开的装置3—24个分开的装置小区域连续装置大区域连续装置扳手、杠杆、大按钮、踏钮扳手、杠杆手轮、踏板、杠杆大

曲