第5章-人体运动与操纵装置设计(II)

5．3手的运动特征和手动控制器的设计

Motioncharacteristicsandcontrolsdesignofhand5．3．1手的运动特征Motioncharacteristicsofhand1．手的基本动作(Basicmovementsof)握住动作；运物动作；定位动作；装配动作；应用（工具或设备）动作；分离动作（拆卸）；预定动作；放松动作；伸手动作（移空）；恒持动作。手的尺寸和活动范围

Dimensionandmovementrangeofhand握住动作

2．手的运动速度和习惯手在垂直面比水平面的快，准确度也较高从上往下比从下往上快；在水平方向前后比左右运动速度快右手比左手快；右手向右比向左运动快。左、右手动作的最大频率

动作种类最大频率右手左手旋转（r/s）4.84.0推压（次/s)6.75.3打击（次/s）5～146.5手的运动速度和习惯手朝身体方向的运动比离开身体方向的运动快，但后者精度高。手从下往上和离开身体的运动速度最慢单手在外侧60度左右的直线方向和双手在外侧30度左右进行的直线运动速度最快，效果最好。手操作时合理的轨迹范围

Reasonabletrajectoryrangeofhandoperation一般手的运动速度和准确度成正比；最大速度同动作负荷成反比，到达最大速度所需要的时间同动作的负荷成正比。如图5.18和表5.17。开始或停止一项动作所需的时间通常不受距离长短的影响。顺时针操作动作比逆时针方向快。两手动作的频率随动作性质的不同而不同。如表5.18和表5.19。从准确度和速度来看，单手操作比双手操作好。动作频率和动作性质的关系动作种类最大频率右手左手旋转（r/s）4.84.0推压（次/s)6.75.3打击（次/s）5～146.53．手的操纵力

Operationforceofhands手的操纵力与人体姿势、着力部位、用力方向和用力方式有关。（1）坐姿操作的操纵力左手力量小于右手；手臂处于侧面下方时，推、拉力量都较弱，但向上向下的力量却较大；拉力略大于推力；向下力量略大于向上的力量；向内力量则大于向外的力量。坐姿手臂在不同角度和方向上的操纵力（N)手臂的角度拉力推力左手右手左手右手向后向前1802302401902301501902501401901201601901201609015017010016060110120100160向上向下1804060608015070808090120801101001209080901001206070908090向内侧向外侧180609040601507090407012090100507090708050706080906080（2）立姿操作的操纵力手臂的最大拉力产生在肩的下方180º和肩的上方0º的方向上。同样，推力最大的方向是产生在肩的上方0º方向上。所以，以推拉形式操纵的控制装置，安装在这两个部位时将得到最大的操纵力。

立姿操作的操纵力

（3）握力一般人右手握力380N，左手握力350N但是，一般青年男子右手瞬时最大握力有560N，左手有430N。握力与手的姿势和持续时间有关，当持续一段时间后，握力显著下降，如保持lmin后，右手平均握力约280N，左手约250N。（4）拉力和推力在站姿手臂水平向前自然伸直的情况下，男子平均瞬时拉力为703N，女子平均瞬时拉力为386N[图(a)]。当手作前后运动时，瞬时最大拉力可达1100N，连续操作的拉力最大约300N。当手作左右方向运动，最大的推力约400N[图(b)]。（5）扭力直立：男子389+130N；女子204+80N屈身：男子555+249N；女子272+141N弯腰：男子962+342N；女子425+200N（6）肘弯曲的操纵力握把式操纵器常用弯肘操作。朝向身体的拉力比离开身体的推力大；左右方向推拉时，推力较拉力大坐着拉力较站着拉力大瞬时力比持续用力大手的拉力大于手的握力和提力5．3．2手动控制器的设计

Designofhandcontrols常有的手动控制器：旋钮、按键、扳动开关、杠杆操纵器、转轮、曲柄、手柄1旋钮旋钮是用手指捏住拧转来实现控制的，可以旋转一圈(360°)，一圈以上或不满一圈，可以连续多次旋转，也可以定位旋转。分为圆形旋钮、多边形旋钮、指针形旋钮和手动转盘等。多倍旋转按钮多倍旋转按钮部分旋转按钮部分旋转按钮圆形与多边形定位指示旋钮指示型与转盘同心成层旋钮注意避免无意碰触操纵力与旋钮设计尺寸关系2按键

Pushbutton(1)按键类型形状：圆柱形键、方形键、弧形键用途：代码键、功能键、间隔键开关接触情况：接触式、非接触式(2)按键尺寸圆形键尺寸8-18mm,方形键10-20mm,突出键盘面高度为5-12mm,升降行程3-6mm,键与键空隙不少于0.6mm。2按键(3)按键的颜色表示“停止”“断电”功能的用红色键；表示“启动”“通电”功能的用绿色键或白、灰、黑键。连续按压改变功能的键用黑、灰色键，忌用红色和绿色。按下为开、抬起为停或递进的用黑色，忌用红色。单一功能的复位用蓝色、黑色、白色或灰色键，同时具有“停止”“断电”功能的应用红色键。按键设计中的人机工学问题

ErgonomicsDesignofpushbutton按钮的颜色。按钮在完成两种状态转换，应附加当前状态指示灯。按钮表面形状、触感、凸起高度、间隔等都需要加以考虑。按钮的安置应考虑操作时的手型。按键设计中的人机工学问题计算机键盘上的人机工学问题

ErgonomicsDesignofKeyboard1.字符和按键的排布常用的是“QWERTY”键盘；左右手负担比例为57：43，对大多数人不利。“A”“S”“I”“O”等间没有分配给中、食指。顶行字母过多计算机键盘上的人机工学问题2.操作的尺侧偏和手腕损害3扳动开关

toggleswitch一般用于快速接通、断开和快速就位的场合。钮子开关，滑动开关，棒形开关，船形开关，推拉式开关4杠杆操纵器levelcontrol一般机械操作的杠杆操纵器有前后左右进退的功能。操纵角度30~60度为佳，不宜超过90度。汽车上变速杆是典型杠杆操纵器5转轮wheel

转轮的功能相当于旋钮和曲柄，但是转动力量较大。

适用单手和双手操作，可以做连续性回转。

转轮直径15-52cm，握把直径20-30mm。

单手操作的操纵力为20-130N,双手操纵力不超过250N。

6曲柄crank具有快速回转和连续调节的特点。把柄直径一般为25-75mm.适用于操纵力较大的场合。7手柄handle一般单手紧握进行操作。可以单独使用也可以与其他控制器配合使用。机床用于进刀手柄。手柄操作力与其他因素的关系见表5.23。手柄操作速度见表5.24。5．4脚的运动特征和脚动控制器的设计

Motioncharacteristicsandcontroldesignoffoot汽车的离合器踏板，刹车踏板，以及加工机床的脚踏控制器等。脚踏板，脚踏钮2脚的运动(footmotion)脚操作时，其运动主要是膝关节的运动和脚掌的运动。围绕膝关节的额状轴，小腿可以做屈伸运动。1脚的运动5．4．1脚的运动特征Motioncharacteristics2脚的出力footforce脚的出力同人的姿势、脚的位置和方向有关。坐姿有靠背支撑时产生最大的力。立姿时脚的用力比坐姿脚的用力大。一般坐姿时右腿的最大力平均可达2620N,左腿最大力可达2410N。据测定膝部伸展角度在130~150度和160~180度时，脚的出力最大。2脚的出力脚的伸出力大于屈曲力；右脚力大于左脚力；男的脚力大于女的脚力。(如表5.25)5．4．2脚动控制器的选用和设计

Choiceanddesignoffootcontrols1何时选用脚动控制器

只有当脚动控制器优于手动控制器时才采用需要连续进行操作，而用手不太方便的场合；无论连续操作或间断操作，操纵力较大的情况；手控制的工作量过大，不能完成控制任务时。2采用何种脚动控制器脚踏板、脚踏钮和脚动开关操纵力大于50~150N,或操纵力小于50N但需要连续操作，选用脚踏板。操纵力较小且不需要连续操作，选用脚踏钮和脚踏开关。脚踏板、脚踏钮和脚动开关3．何种姿态站姿和坐姿比，尽量采用坐姿操作，这样不但身体容易保持平衡，而且容易出力。坐椅有靠背，单脚操作时，另一只脚也应有靠板。右脚和左脚比，在用力大小、速度和准确度方面，一般右脚均优于左脚。对于频繁操作、容易疲劳，而且不重要的情况，考虑双脚交替操作。脚掌和脚趾比，操作力大时采用脚掌着力，操纵里较小或需要快速连续操作时，脚趾着力，脚后跟保持不动。4脚动控制器的设计脚踏板，脚踏钮（1）脚踏板分为直动式、往复式和回转式。直动式、往复式运动范围受限，故不做精密控制用。回转式运动范围大，加适当机构可以做精密控制用。脚踏板尺寸见图5.45各种踏板的效率

frequenciesofdifferentpedalsa

时间最短，b、,c、e其次，d最长，比a长34%。脚出力与座椅距离的关系见图5.47。（2）脚踏钮用手不方便的情况下，脚踏钮是取代手按钮的一种控制器。但是空间需要较大。5．4．2脚动控制器的布置

Arrangementoffootcontrol脚动操作器布置要求省力而又舒适。人正坐操作时，脚踏板应在正中面所在位置上。一般偏离人体正中面不超过7.5~12.5cm坐姿脚的作业范围C—脚踏钮D--脚踏板5．4．2脚动控制器的布置坐姿踏板的高度应在脚能出最大力的位置上，操纵力较大时可以与椅面相平，或稍低一点。但不能超过椅面。站姿脚踏板不得超过25cm，一般少于20cm。一般座位和脚操纵的座位的比较5．5重体力作业的设计

Designofheavywork提举作业lifttask搬运作业Carryingtask负重作业Heavytakingtask推运作业Pushtask5．5．1提举作业1提举作业高度与能量消耗能量消耗=fawc/1000

(KJ/h)f每小时提举次数（次/h）a提举高度（m）w提举物的重量c提举每米.公斤所消耗的能量（j/m.kg）2提举频率和提举重量一般来说，提举的频率越高，提举的重量应当轻一些。3提举作业的人机学设计重物地抓握位置比地平面高出50mm为好避免手指出力的提举方法手臂连同重物要尽量靠近身体提举时两腿适当分开，直腰屈膝，提举过程中平稳，不要摇摆。提举物体把手设计

DesignofliftinghandleCervicalVertebrae(C1toC7)ThoracicVertebrae(T1toT12)LumbarVertebrae(L1toL5)Sacrum(S1toS5)[Hall,1999]Example–Lifting&theLowerBack[Hall,1999]XYWeightsHead=50NTrunk=280NArms=65NBox=100NFmuscle=?FmuscleS16cm22cm42cm25cm12cmL5-S1=2.86xBodyWeightSolution–Lifting&theLowerBackExample–Lifting&theLowerBackWhatisthecompressiveforceFCondiscL5/S1?[Hall,1999]WeightsHead=50NTrunk=280NArms=65NBox=100NFM=1.7kN=muscleFC=disccompressionFS=128N=discshearXYFMS16cm22cm42cm25cm12cmFCFS15O15O5．5．2搬运作业用手将物体从一个地方不停顿地搬到另外一个地方的作业搬运重量与搬运频率和搬运距离有关，尤其搬运频率对搬运重量有明显影响,参考图5.52。5．5．3负重作业不同负重方式的能量消耗DoublepackHeadRucksackSherpaRicebag