人机工程学 操纵装置设计

第五章操纵装置设计手动操纵装置脚动操纵装置类型转换控制器手柄、选择开关、选择旋钮等

用来把系统从一个工作状态转到另一工作状态，或作紧急制动。灵活、可靠。调整控制器按钮、手柄、操纵盘等

使机器的工作状态，稳定地增加或减少、保持在规定的工作参数上。紧急停车控制器

要求在最短的时间内产生明显的效果，有“一触即发”的效果。按键、按钮等开关控制器按钮、踏板、手柄等

一般只有两个工作状态的位置：接通或断开。占地小、排列紧凑。控制操纵器的分类与选用第三节

操纵装置设计中的人机学原则肌肉的运动特征

收缩与放松肌肉的部位力的大小男女手臂肌肉左370200右390220肱二头肌左280130右290130手臂弯曲时的肌肉左280200右290210手臂伸直时的肌肉左210170右230180拇指肌肉左10080右12090背部肌肉（躯干屈伸肌肉）1220710操作中人的动作类型1.定位动作

人体朝着所要求的目标移动，并与目标相一致的动作。2.反复动作

连续不断地重复相同的动作3.连续动作

连续不断地进行控制。4.逐次动作

各种基本动作按一定的顺序，有次序地进行的动作。5.静态调整动作

在一定时间内，人体各部位保持在特定位置上的动作视觉定位动作盲目定位动作控制操纵器的人动作特征肌肉的部位力的大小各种动作特征a.反应时间与移动距离无关（4），第1次动作的时间随距离的增长而增加得较快，第2次随距离的增长而增加得较慢；b.右手由左至右移动的动作时间最短；c.伸手的动作要比弯肘的动作快。动作部位动作情况动作一次最少的平均时间手抓取动作直线0.07曲线0.22旋转动作克服阻力0.72不克服阻力0.22脚直线0.36克服阻力0.72腿直线0.36脚向侧面0.72~1.45躯干弯曲0.72~1.62倾斜1.26人体各部位动作一次的最少平均时间（单位s）1.视觉定位动作特征J.S.Brown(布朗）实验证明：

移动距离与动作时间的关系2.盲目定位动作特征盲目定位动作离目标位置的差距（单位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）向左右方向定位时，盲目定位的准确性随着角度的增大而逐渐降低；2）右边定位的准确性比向左边定位的略高；3）下方定位的准确性比正中（与肩平）和上方的高定位的略高；4）上方的定位准确性为最差。2.反复动作特征动作部位最大频率（次/分）手指204~406手360~430前臂190~392臂

99~344脚300~378腿330~406例如：人用小锤钉钉子：

13次/s

（最快）

1.5~5

次/s

（一般）1.不应超出人的用力限度2.人的操纵力随人的施力部位、着力的空间位置、施力的时间不同而变化，且最大操纵力随持续时间的延长而降低。3.一般不要使用最大的操纵力，但操纵力不宜太小，用力太小则操纵精度难于控制；4.在不同的用力条件下，以使用最大肌力的一半和最大收缩速度的1/4操作，能量利用率最高，较长时间工作也不会疲劳；5.为使必要的静态施力能保持较长时间而不疲劳，最好使其保持在人体最大肌力的15%-25%用力特征操作控制器的形式允许最大用力（/N）轻型按钮5重型按钮30脚蹋按钮20~90轻型转换开关4.6重型转换开关20前后动作的杠杆153左右动作的杠杆132手轮153方向盘153操作特征最大用力（/N）用手操作的转动控制器10以内用手和前臂操作的转动控制器20~40用手和臂操作的转动控制器80~100用手以最高速度旋转的控制器9~20要求精度高时的转动控制器20~25平稳转动控制器的最大用力特征编码与识别形状编码●操纵器的形状和它的功能最好有逻辑上的联系，便于记忆；

●应能在不同目视或戴着手套的情况下，单靠触觉也能分辨。

<360度>360度方向使各操纵器都有自己的特征和代号，以便操纵者迅速识别而不致混淆。

大小编码

大操纵器的尺寸要比小操纵器的大20%以上，才有准确操纵的把握。

颜色编码用于操纵器的颜色一般只有红、橙、黄、绿、蓝五种

一般只能同形状编码和大小编码合并使用，易受照度影响标志编码在操纵器上刻以适当的符号以示区别，应只靠触觉就能清楚的辩识控制性操作动作类型调节性操作动作动作简单，关系重大设法缩短人的反应时间动作连续，反复调节动作平稳，长时间工作不疲劳选择原则人的操纵能力操纵装置本身协调最佳动作节约原则操纵与显示相合性设计

受人的习惯因素影响很大---相合性运动相合性

操纵器与显示器在运动方向上，要符合人的习惯定式。

如顺时针旋转或自下而上，人自然认为是增加的方向。

操纵与显示的相合性是影响人机系统运行效率和可靠性的重要因素。对于操纵与显示的相合性设计，应根据人机工程学原理和人的习惯定式等生理、心理特点，并遵循以下几条原则:空间相合性

操纵器与显示器要在空间位置上要有逻辑一致性(76)(116)(129)(0)实验1200次操纵器与显示器空间相合性好：减少错误次数；缩短操作时间；提高操作质量。abcdbadcabdcABCDABCDAABCDBDabcdC相合性在仪表监控中的应用●操纵器编码尽可能与显示器编码相一致12345678123456781234567846123578

操纵—显示的编码和编排相合的目的主要是减少信息加工的复杂性，从而提高工作效率。

最好的一种编码方式是操纵钮本身带有灯光信号，按下哪个钮，哪个钮的灯就亮。操纵-显示比操纵器距离与显示器移动量之比，即C/D灵敏度低的操纵器是指它的操纵位移量很大，但显示器的移动量却很小；灵敏度高的操纵器则是它的位移量小，但显示量大。C／D比高，

说明操纵—显示系统灵敏度低，C／D比低，灵敏度高。

对于最佳C／D比选择往往是通过实验得出的，而没有一个理想的计算公式。灵敏度高微调时间灵敏度低粗调时间最佳C／D比7旋钮最佳C／D比为0.20.8操纵杆最佳C／D比为2.54.0第四节操纵器的布置控制台设计操纵时上臂与前臂形成90度角利于推拉；无手柄手轮的转动平面与前臂形成10～60度角；以前臂运动转动的带轮手轮转动平面与前臂形成10～90度角；直臂以手腕运动转动的带柄手轮，转动平面与前臂形成10～45度角；组合式控制台组合方式多，视其功能而定。有的还将电器元件安装在其中。弯折式控制台是一种大型的，多人操作，长时间的控制操作台。一、控制台的形式桌面式控制台结构简单，台面小巧，操作方便。适用于控制器件数少的操作。控制台设计控制台作业面使操作者有良好的手-眼配合协调性。显示器面板型式对于大型控制室，设计成显式-控制分体式。控制台上方干涉点的高度

对于分体式控制台，应注意显式面板的盲点。即需计算干涉点的高度:h=Dk+dHD+dkHhDd显示器面板干涉点二、设计要点控制器与显示器的布置必须位于作业者正常的作业空间范围内作业者能1.

良好地观察必要的显示器2.

操作所有的控制器3.

舒适的作业姿势坐姿低台式控制台坐姿高台式控制台坐立姿两用控制台立姿控制台三、常用的控制台设计控制台在视线以下；控制面板斜角200必须兼顾两种操作姿势的舒适性和方便性；在坐姿时应在操作台下设有踏脚板；可调高座椅；按立姿要求设计在操作台下，不应设有踏脚板。主显示器后倾100下方以较大倾角35·面板安放操作器；应分主次布置标准控制台的尺寸序号尺寸名称坐/站姿坐姿站姿A控制台最大高度158130~158183B深度C台面至顶部的高度666691D面板倾角（/0）383838E笔架最小深度101010F书写表面最小深度404040G最小容膝深度454545H座面至支脚高度454545I座高调整范围101010J最小大腿空间18.516.516.5K书写表面高度9165~9191L座高7245~72M控制面板最大宽度919191N最小容脚空间101010ABCDEFGHMNLK电子化办公台的人体尺度工作特点：长时间地面对显示屏进行工作。设计要求：应符合人体各部位的尺寸，以避免工作人员肌肉、颈、背、腕关节疼痛等疾病飞船控制室高显示控制台高速公路控制台电子化办公台设计电子化办公台的可调设计

在按人体平均尺寸值设计的情况下，必须给予可调节的尺寸范围。调节方式：高低、水平、倾角电子化办公台的组合设计单元系列、易于拆卸、便于装配、变动灵活。组合形式：演播厅

监测中心

广

电

系

统控制室（台）

制作机房

高速公路总监控室

交警指挥中心

公安局指挥中心

其他组合控制室（台）旋钮

供单手操纵的控制器，可做多圈运动，也可做小于360·的转动和定位转动类型适合于作360度以上的旋转——圆柱、圆锥调节范围不超过360——圆柱形或接近圆柱形的多边形偏转位置具有重要的信息意义——有明确的指示性旋转式控制器因其功能、形状和尺寸的不同，操纵力的大小亦不同，但每一个具体的控制器都有其适宜的用力。人的扭力大小与身体所处的位置和姿势有很大的关系用力特征第五节

常用操作器的人机学要素旋转式操纵装置手轮

供单手或双手操纵，按不同用途，其尺寸相差较大，手轮操纵力的差别也较大摇把

一般供单手超作，但操纵力要求较大时，需双手操作，不同的摇把其尺寸差别较大十字把旋转控制器中较大的一种，往往需双手操作均可作自由连续旋转，适合多圈操作的场合根据用途的不同，手轮和摇把的大小差别很大操作速度与其位置密切相关摇杆手转把手旋转式控制器因其功能、形状和尺寸的不同，操纵力的大小亦不同，但每一个具体的控制器都有其适宜的用力。人的扭力大小与身体所处的位置和姿势有很大的关系用力特征

手轮直径200mm直径200mm

054.4

036

922.740

3

适用力度/(N.m)低速转动中速转动高速转动水平尾随追踪操作调节操作

操作方式手轮（457mm）摇把

(R229mm)手轮（254mm）摇把(R127mm)

小摇把

旋转式控制器适宜的用力离地高度/mm离开水平的斜度/（）操纵器

扭力与操纵器的直径或半径/mm0N•m2.3N•m4.6N•m10N•m9140(前方）手轮762032544062544064069140(侧方）手轮761522542542549140(前方）手轮38114641911141911141911006-45手轮761522544062544062544061006-45手轮64191641911141911141911067+45手轮761521522542542544061067+45摇把641146411464114114旋转式控制器的适宜用力不同直径的手轮、摇把适宜扭力

旋转式控制器的外形是由其功能决定的，在此前提下，达到简洁、美观形体和位置设计

旋转式控制器的的大小应根据使用手指和手的不同部位而定：手轮和摇把适合作多圈运动摇把的位置和安装高度大力新式摇把的造型和尺寸汽车空调控制器手柄操纵杆都有一个执握柄和杠杆，只是杠杆部的长度不同而已。设计时，重点是考虑执握柄的形状和尺寸。类型推钮滑移式操纵器刀闸汽车空调控制器大指拨控制器移动式操纵装置操纵力大小与手柄的大小与手柄距地面的高度、操纵方向、使用的左右手不同的有关用力特征手柄◆手握舒适——防止手柄形状丝毫不差地贴合于手的握持部分，尤其不能紧贴掌心◆施力方便——根据手部的执握状况和用力大小选择手柄执握部分的直径和长度◆不产生滑移，同时还需控制它的动作◆当操作力较大，空间位置较远时，只能增加杠杆的长度手柄踞地面的高度/mm适宜的操纵力/N

右手

左手

向上

向下

向侧方

向上

向下向侧方500~650140704012012030650~105012012060100100401050~14008080606060401400~16009014040406030

手柄的适宜用力手握舒适，施力方便，不产生滑动，同时控制其动作。形状设计防止手柄丝毫不差的贴合受的握持部分，尤其不能紧贴掌心部分。手柄掌心部分肌肉最少；

指骨间肌和手指部分神经末梢满布的部位；

指球肌、大、小鱼际肌是肌肉丰满的部位，是手部的天然减振器。手握住手柄掌心部分应有空隙，以减少压力和摩擦力的作用。公称尺寸LDD1d2L1L2R650161282540208651814103250251080221612406028129025181445703216100302218508040

在确定手柄的尺寸时，主要依据手部的执握状态和用力大小，选择手柄的直径和长度，如下表所示：移动式操纵器工作行程/mm操纵力/N开关杆20~3005~100调节杆（单手调节）100~40010~200杠杆键3~61~20拨动式开关10~402~8摆动式开关4~102~8手闸10~40020~60指拨滑块开关5~251.5~20拉环10~40020~100拉手10~40020~60拉圈10~1005~20拉钮5~1005~20操作杆◆长度与操纵频率有很大关系-操纵杆越长，动作的频率越低◆执握柄的直径粗细和扁形手柄的厚度不宜太小，过小会引起肌肉的过度紧张，增大疲劳◆为节省手的运动、空间和操作的复杂形，可采用复合多功能操纵器工作行程和操纵力：操纵杆的长度与操纵的频率有关：形状设计操纵杆执握柄的尺寸操作杆最大转动频率

/（m•min-1)操纵杆的长度

/mm2630274027.56025.51002314018.524014580型式建议采用的尺寸/mm一般22~32（7.5)球形30~32扁平形厚度5

复合多功能的操纵器：附设多种常用的开关。减少手的运动节省空间减少操作的复杂性操纵手柄的设计（以手动果汁机设计为例）1.结构草图2.泡沫模型3.木制模型，并用不同力度来测试手柄4图纸5.完成结构和造型设计用力较小一般只有10~20N。用力特征按键按钮类型外形常为圆形和矩形，有的还带有信号灯尺寸主要按成人手指端的尺寸和操作要求而定节省空间，便于操作，便于记忆，使用熟练后，不用视觉也能迅速操作形状设计其尺寸形状应按手指的尺寸和指端弧形状设计，操纵舒适，中凹为主优。机械式机电式光电式液膜式按键形式按压式操纵器停止、断电——红；起动、通电－绿；（也可白、灰、黑色）盲打者左右手分目前常用的按压式操纵器各种按钮液膜按键汽车空调控制器应用人机工学的按压式操纵器手掌握着的仿形状按钮仿拇指的形状手的结构特点骨、动脉、神经、韧带和肌腱。手指由小臂的腕骨伸肌和屈肌通过腕道的腱控制；腕骨和手臂的尺骨和桡骨相连，控制：掌侧屈和背侧屈；桡侧偏和尺侧偏。手握式工具设计手的抓握形式着力抓握：

抓握轴线与小臂几乎垂直，稍屈的手指与手掌形成夹握。力与小臂平行（拉锯）力与小臂成夹角（锤击、扭力）精确抓握：

由手指和拇指的屈肌夹住。一般用于控制性的工作（小刀、书写工具）手抓握工作的要求

动作不应同时具有着力和控制两种性质，会加速疲劳，降低效率。甚至会产生多种上肢职业病。手握式工具设计原则一般原则◆必须有效地实现预定的功能；◆必须操作者成适当的比例，使操作者发挥最大的效率；◆必须按照操作者的力度和作业能力进行设计；◆工具要求的作业姿势不能引起过度疲劳。解剖学原则▲避免静肌负荷：如上臂必须上举或长时间的抓握；长时间地在水平面上使用直杆工具。▲保持手腕处于顺直状态：手腕顺直操作时，腕关节处于正中的放松状态，但当手腕处于掌屈、背屈或尺偏时，会产生腕部酸痛、握力减