第5章：人机信息界面(操纵装置设计)

第五章操纵装置设计操纵装置的类型及特征分析

旋转式操纵器设计

移动式操纵器设计

按压式操纵器设计脚操纵器设计操纵与显示相合性设计操纵装置的类型及特征分析一.操纵装置的类型操纵装置类型很多，分类方法也很多操纵装置的类型及特征分析一.操纵装置的类型1.旋转式操纵器：包括手轮、旋钮、摇柄、十字把等。改变机器的工作状态，将系统的工作状态保持在规定的工作参数上。手轮操纵装置的类型及特征分析一.操纵装置的类型手轮操纵装置的类型及特征分析一.操纵装置的类型旋钮操纵装置的类型及特征分析一.操纵装置的类型旋钮操纵装置的类型及特征分析一.操纵装置的类型摇柄操纵装置的类型及特征分析一.操纵装置的类型2.移动式操纵器：包括操纵杆、手柄、刀闸开关等。将系统从一个工作状态转换到另一个工作状态，或做紧急制动之用。操纵杆操纵装置的类型及特征分析一.操纵装置的类型3.按压式操纵器：包括按键和按钮等。只有两个工作位置：接通和断开。常用在机器的开停、制动、停车控制上。按钮操纵装置的类型及特征分析一.操纵装置的类型按键操纵装置的类型及特征分析一.操纵装置的类型操纵装置的人机工程学要求：

操纵装置的形状、大小、位置、运动状态和操纵力等都要符合人的生理和心理特征，以保证操作时的舒适和方便。操纵装置的类型及特征分析二.操纵装置的用力特征1.操纵器的动作需要由人施加适当的力和运动才能够实现，所设计的操纵器的操纵力不应该超出人的用力限度，并将操纵器控制在人施力适宜、方便的范围内。2.人的操纵力不是恒定值，人的最大操纵力随着持续时间的延长而降低。3.操纵器的设计应针对不同的类型和操作方式，以保证工作效率最优，来确定用力大小。4.操纵量的大小与操纵力的大小成正比。5.操纵力不宜太小，太小精度难以控制，同时人也不能从操纵力中取得有关操纵量大小的反馈信息，不利于正确操作。

操纵装置的类型及特征分析二.操纵装置的用力特征操纵装置的类型及特征分析二.操纵装置的用力特征静态操纵：某些操纵器的操纵要求人的施力部位始终保持在特定的位置称为静态操纵特点：肌肉的工作不变注意：静态施力时，肌肉供血受阻的大小与肌肉收缩产生的力成正比，当用力大小达到最大肌力的60%时，血液输送几乎中断。所以，为了保证血液循环正常，使静态施力保持较长时间而不疲劳，操纵力保持在人体最大肌力的15%—20%。尽量避免肌肉的静态负荷,静态负荷与动态负荷相比,容易引起肌肉疲劳。其原因是静态负荷使肌肉处于连续紧张收缩状态，血管受挤压，血流减少。而动态负荷的肌肉收缩是变形的，肌肉收缩对血管起一个泵的作用能使血流量增加。减少静态负荷的主要方法是减少手持重量，使手臂下垂成自然状态进行作业。

下图：静态作业，肌肉持续收缩，血流受阻，影响氧和其它能量的供给。上图：由于动态作业，肌肉周期性收缩与松弛，类似泵的作用效果，可保证血流正常。

操纵装置的类型及特征分析二.操纵装置的用力特征形状编码大小编码颜色编码符号编码操纵装置的类型及特征分析三.操纵装置的特征编码与识别位置编码操纵装置的类型及特征分析三.操纵装置的特征编码与识别利用操纵器外观形状变化来进行区分注意要点：⑴操纵器的形状和它的功能最好有逻辑上的联系⑵操纵器的形状应该在不同的目视或戴着手套的情况下单靠触觉也能分辨清楚。1.形状编码形状编码形象化的飞机操纵器形状与功能有直接的联系，如轮形的操纵器可用来操纵飞机的起落架，翼形操纵器则用于副翼或襟翼的操纵，这种形象化的操纵器有利于减少飞行事故。操纵装置的类型及特征分析三.操纵装置的特征编码与识别形状编码旋纽的形状编码在(a)、(b)、(c)三类旋纽之间不易混淆，而同一类之间容易混淆；(a)和(b)类旋纽适合作360度以上旋转操作；(c)类旋纽适合360度以内旋转操作；(d)类适合作定位指示调节。操纵装置的类型及特征分析三.操纵装置的特征编码与识别大小编码以相同形状而不同大小来区别控制器的功能和用途，这种形式的编码应用范围较小，通常在同一系统中只能设计大、中、小三种规格。由于大小编码的视觉和触觉感知度小的原因，常与其他形式编码一起使用。

操纵装置的类型及特征分析三.操纵装置的特征编码与识别操纵装置的类型及特征分析三.操纵装置的特征编码与识别颜色编码形体和颜色是物体的外部特征，因此，可用颜色编码来区分操纵器，人眼虽然分辨各种颜色,但用于操纵器的编码颜色，一般只有红、橙、黄、蓝、绿等五种，色相多了，容易混淆。操纵器的颜色编码一般只能同形状和大小编码合并使用，而且只能靠视觉辨认，还容易受照度的影响，故使用范围有限。操纵装置的类型及特征分析三.操纵装置的特征编码与识别颜色编码符号编码在控制器上标以不同的文字或图形符号以区别不同的控制器。这种编码的优点是，可以用示意性符号对每个控制器的作用给以直观性指示，不需要事先去记忆每个控制器的功能和用途，减少了大脑译码的过程，因此效率和准确度都较高。在设计符号时，这些符号应力求简单、达意、明显、易认

操纵装置的类型及特征分析三.操纵装置的特征编码与识别颜色编码位置编码

在人机操纵系统中，利用控制器相对于人的不同位置进行编码。汽车上的离合器、制动器和加速器的踏板，就是以位置编码的。通常，位置编码的控制器数量不多，并须与人的操作顺序和操作习惯相一致，这样可以使人不用眼看，就可正确地进行操作。

旋转式操纵器旋钮设计常用的旋钮控制器，一般可分为三种类型：连续旋转钮：（控制范围超过360o）部分旋转钮：（控制范围不超过360o）定位指示旋钮（控制范围有固定的边界限制）旋转式操纵器旋钮设计根据功能要求，旋钮可以旋转一圈、多圈、或不满一圈；可以连续多次旋转，也可以定位旋转。

根据旋钮的形状，可分为圆柱形旋钮，指针形旋钮和多边形旋钮等。对于圆形旋钮设计的主要尺寸为直径和高度。实验表明对于单旋钮，直径以50mm为最佳。多层旋钮必须使之在旋动某一层旋钮时不会无意中触动其它层旋钮。当三层旋钮中间一层旋钮直径取50mm时，最上面的小钮直径应小于25mm，最下面的一个大旋钮直径以80mm左右为宜。钮的厚度上面的两个可取为8mm，最下面的一个可取6mm。各层旋钮之间应不应接触，多层旋钮应有足够的旋动阻力，才能保证不会发生相互影响。旋转式操纵器旋钮设计为了使手操纵旋钮时候不打滑，常把钮帽部分作成多边形或齿纹形

旋钮的操纵力与适宜尺寸旋转式操纵器手轮—汽车方向盘—设计方向盘主要用于机动车辆的转向。方向盘设计中的主要问题有：方向盘与平面间的夹角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

对于卡车及公共汽车，为了得到司机舒适位置，a角可取为15o～30o,D值可取为400mm左右。这也是一般车辆的取值范围。

对于大型载重车辆，需要较大的操作力矩，为了施力的需要，可将方向盘的a值取到接近0o，直径D可取450～500mm。

对于小轿车，小卡车等因司机座椅较低，方向盘的操纵力也较小，a可取45o～60o,D值取为350～400mm。

以上所述就是各种方向盘与驾驶员之间的舒适相对位置，这是设计时要注意的。

旋转式操纵器手轮—汽车方向盘—设计旋转式操纵器手轮—汽车方向盘—设计2．方向盘的构造

手握轮缘截面为圆形，直径在19～28mm之间。重型车辆的驾驶盘为便于用力常在轮缘下部作出波浪形，其节距为19mm左右。旋转式操纵器手轮—汽车方向盘—设计汽车方向盘最大转角为120o。汽车方向盘与车轮转动角度的比值可取1.5～3.0，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。旋转式操纵器手轮—汽车方向盘—设计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，一是为了适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，旋转式操纵器手轮—汽车方向盘—设计3．安全设施

在发生撞车事故时方向盘对司机最为危险为此方向盘要作如下的安全设计：

①轮缘外层应用软体材料，驾驶部位的仪表及台面均应有较软的包敷材料；

②立柱应低于手轮平面，以免撞车时插到司机的胸部，或增大立柱平面的面积，减小压强；有的将立柱设计成可压缩的。③高级轿车在方向盘中设置了一个空气袋，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。同时还应保证快速排气，及时排气，以免造成司机窒息。旋转式操纵器手轮—汽车方向盘—设计移动式操纵器手柄的设计手柄的形体设计手柄形式和着力方式比较要求：手握舒适、施力方便，不产生滑动，因此，手柄的形状和尺寸应按手的结构特征设计：移动式操纵器操纵杆的设计当操纵力较大，空间位置较远时，用手柄操作困难。此种情况下只能增加杠杆的长度，适应新的操纵要求，从而产生了操纵杆。操纵杆的适宜用力1.侧向运动操纵杆，适宜的最大用力不超过408N2.前后运动操纵杆，适宜的最大用力不超过295N3.瞬间快速运动，适宜的最大用力不超过1134N4.汽车换档用的操纵杆，用力不超过136N，工作阻力不小于18N移动式操纵器操纵杆的设计操纵杆长度和操纵频率有很大关系，操纵杆越长，动作频率越低最大转动频率m/min操纵杆长度mm262727.525.523.518.514304060100140240580最大转动频率与操纵杆长度关系移动式操纵器操纵杆的设计为了减少手的运动，节省空间和减少操作的复杂性，采用复合多功能的操纵器有很大的优点。例如现代飞机上使用的复合型驾驶杆就是突出的例子。这种驾驶杆上附设有多种常用的开关，飞行员的手不离开驾驶杆就能完成多项操作。现代汽车转向柱上的组合开关。移动式操纵器操纵杆的设计操纵杆的主要优点可归纳为以下三点：

①可以利用较大的杠杆比，操纵阻力较大的控制器。例如大型机械的手动制动器等。

②使操纵杆的运动方向与被控机器的运动方向一致，可以实现模拟操作。例如飞机向前推即俯冲，向后拉时飞机即仰起上升。

③操纵杆宜作推、拉等直线运动，较旋转式操纵动作反应快。

操纵杆的缺点是搬动角度不能很大，因此不宜作大幅度连续控制，而且调节的准确性也较差。

移动式操纵器操纵杆的设计2）挡位转换操纵杆

汽车挡位转换手柄就是一种挡位转换操纵杆。杆端手柄直径可选为40mm左右,手柄移动距离不小于50mm,距离太小不但手感不明显，而且也不易识别所在的挡位。这种操纵杆一般用于连锁定位。1.按钮阻力

对于单指按钮的阻力，大拇指按钮可取为2.94～19.6N,其他手指按钮可取为1.47～5.89N，按钮阻力不宜太小，以免稍有误碰就会起作用，造成事故。

按钮开关一般用音响，如“卡塔”声，或以阻力的变化作为到位的反馈信息，如果配备指示灯作为反馈信息时，也应有音响或阻力变化信息。因为指示灯有时也会因未注意而被忽略。指示灯的优点是可以在按扭工作时保持光亮以提醒操作者。不宜用音响长时间的鸣叫作提示信号，因为这样会增加噪音，污染环境。

按压式操纵器按钮的设计按钮的形体设计1.外形：常为圆形和矩形，有的还带有信号灯。作用：系统的启动和关停。分类：单工位和双工位。单工位按纽是手按后，它处于工作状态，手指一离开按纽就自动脱离工作状态，回复原位；双工位的按纽是一经手指按下就一直处于工作状态，当手指在按一下时，它才回复原位2.按纽的尺寸主要按成人手指端的尺寸和操作要求而定。圆弧形按纽直径：8—18mm，矩形按纽10*10、10*15或15*20，按纽应高出盘面5—12mm，行程为3—6mm,按纽间距一般为12.5—25mm,最小不得小于6mm。按钮的形体设计按压式操纵器按钮的设计

图7-8凹坑按钮

按压式操纵器按键的设计按键的形体设计常用计算机键盘键盘的设计应考虑人手指按压键盘的力度、回弹时间及使用频度、手指移动距离等因素。人们使用键盘的最高击键速度可以达到15次/s,一个熟练的使用者平均击键速度为5次/s.按压式操纵器按键的设计按键的形体设计按键的形式和尺寸(mm)脚动操纵器一、脚操纵器的形式和操纵特征脚操纵器脚踏板脚踏钮直动式摆动式迴转式单曲柄双曲柄脚踏板：能够施加较大的操纵力，且操作比较方便脚踏钮：多用于操纵力较小，需要经常动作的场合脚动操纵器一、脚操纵器的形式和操纵特征汽车的制动踏板，这种踏板应使之随移动距离而增加阻力以便产生增量的反馈。

刹车反应时间脚动操纵器一、脚操纵器的形式和操纵特征1.用同一只脚的不同部位来控制脚操纵器，其操纵和控制的效果也是不同的，应根据具体的操纵要求来选择脚操纵器和操纵方式。2.脚踏板多采用矩形和椭圆形平面板；脚踏钮采用矩形和圆形。表面应设计成齿纹状，避免脚在用力时滑落。控制器信息的反馈

人在操纵控制器时，控制器的状态要及时地通过人的手、脚、眼或其他器官反馈给操作者，以保证操作的可靠性及有效度。控制器反馈的方式除已介绍过的仪表显示之外，还常用以下几种形式。1）光显示。即在控制器上装有灯光显示，如图7-1所示。将按钮做成透明体，内设小灯，当按钮到位时，按钮即发光。这样不仅可以表明操作控制器的到位，还可以显示按钮的位置状态，提示操作者注意。还可以在控制按钮以外的相应位置上用不同色光的联动装置来表示操作控制器到位的情况。

2）振动变化。可以反映在控制器上，也可反映在体觉上（如机动车辆）。振动也常常转化为噪声的形式传递给操作者。

3）音响显示。在控制器上设置到位音响装置（如“卡嗒”声），这种音响常由控制器定位机构中自动发出也可以装设专门的联动音响装置。

4）操纵阻力。操纵阻力是控制反馈的主要因素。阻力过小会使操纵者感觉不到反馈信息对操作情况心中无数；阻力过大又会使控制器的动作不灵敏，难以驾驭，而且也会使操纵者提前产生疲劳。

操纵与显示的相合性一、操纵—显示相合性：机器和设备的操纵装置和显示装置在很多情况下有联用关系，这种显示与操纵之间的联用关系称为操纵与显示的相合性。“相合性”受人的习惯因素影响甚大。操纵与显示的相合性人机系统中，人—操纵装置—显示装置共同构成了物化的人机界面。在人机系统中，操纵与显示的相合性是影响人机系统的工作效率和可靠性的重要因素。操纵与显示的相合性设计主要包括运动相合性、空间相合性和操纵显示比设计。操纵与显示的相合性二、操纵与显示的相合性设计操纵与显示的相合性设计主要包括运动相合性、空间相合性和操纵显示比设计。1.运动相合性设计：根据人的生理和心理特点，人对操纵器和显示器的运动方向有一定的习惯定式.顺时针旋转或自下而上，人认为是增加的方向。操纵与显示的相合性操纵器和显示器虽然在不同的空间位置，但操纵器的运动方向和显示器或显示系统的运动方向在逻辑上是一致的，运动方向上的逻辑一致性，符合人感知的习惯定式操纵与显示的相合性操纵与显示运动方向相合性操纵与显示的相合性对于在同一平面内彼此又靠得很近的旋钮和半圆形仪表，运动方向的相合性应沿两者的切线方向。操纵与显示的相合性2.空间相合性设计*重要意义操纵器与显示器的空间相合性好，可减少发生操作错误的次数，缩短操作时间，对提高操作质量有明显