1、控制器設計 制作：孟現柱mengxz12 控制器設計的作用控制器是操作者用以控制機器運行狀態的裝置或部件。生產中的許多事故是因控制器的設計未能充分考慮人的因素所致。費茨（PMFitts）和瓊斯（REJones）1947年在分析飛行駕駛中出現的460個操作失誤中，發現其中68的錯誤是由于控制器設計不當引起的。一、控制器的類型一、控制器的類型機械式控制器1按操縱方式劃分2按控制器的功能劃分3按運動方式劃分1）手動控制器，如各種手柄、按鈕、旋鈕、選擇器、杠桿、手輪等。2）腳動控制器，如腳踏板、腳踏鈕、膝控制器等。控制器與人的肢體有關，其外形、大小、位置、運動方向、運動范圍和操作力等，都要適合于人的生

2、理特征，便于手和腳的操縱。一、控制器的類型機械式控制器1按操縱方式劃分2按控制器的功能劃分3按運動方式劃分1）開關控制器，用于簡單的開或關，啟動或停止的操縱控制。常用的有按鈕、踏板、手柄等。2）轉換控制器，適用于系統當中不同狀態之間的轉換操縱控制。如手柄、選擇開關、轉換開關、操縱盤等。3）調整控制器，用于調整系統中工作參數定量增加或減少的操縱控制。如旋鈕、手輪、操縱盤等。4）制動控制器，用于緊急狀態下啟動或停止的操縱。要求靈敏度高、可靠性強，如制動閘、操縱桿、手柄、按鈕等。一、控制器的類型機械式控制器1按操縱方式劃分2按控制器的功能劃分3按運動方式劃分1)旋轉控制器 如曲柄、手輪、旋塞、旋鈕、

3、鑰匙等。2)擺動控制器 如開關桿、調節桿、杠桿鍵，撥動式開關、擺動開關、踏板等。3)按壓控制器 如鋼絲脫扣、按鈕、按鍵、鍵盤等。4)滑動控制器 如手閘、指撥滑塊等。5)牽拉控制器 如拉環、拉手、拉圈、拉鈕等。二、控制器設計的一般原則1、控制器設計的一般要求要適應人體運動的特征控制器操縱方向利于辨認和記憶借力控制與顯示器結合控制器設計要適應人體運動的特征，考慮人體的尺寸和體力，如快速反應的用手動或指動控制器，用力較大的操作用受臂或下肢控制。二、控制器設計的一般原則1、控制器設計的一般要求要適應人體運動的特征控制器操縱方向利于辨認和記憶借力控制與顯示器結合控制器操縱方向應與預期的功能方向和機器設備

4、的被控方向一致。二、控制器設計的一般原則1、控制器設計的一般要求要適應人體運動的特征控制器操縱方向利于辨認和記憶借力控制與顯示器結合機器控制要利于辨認和記憶。二、控制器設計的一般原則1、控制器設計的一般要求要適應人體運動的特征控制器操縱方向利于辨認和記憶借力控制與顯示器結合盡量利用控制器的結構特點進行控制（如彈簧等）或借助操作者體位的重力進行控制。二、控制器設計的一般原則1、控制器設計的一般要求要適應人體運動的特征控制器操縱方向利于辨認和記憶借力控制與顯示器結合盡量設計多功能控制器，并與顯示器有機地結合。二、控制器設計的一般原則2、設計控制器時應該考慮的因素1）控制信息的反饋2）控制器的適用力

5、3）控制器的運動4）使用部位的尺寸和結構5）控制器的特征編碼和識別控制器的狀態要及時地通過人的手、腳、眼或其他器官反饋給操作者，以保證操作的可靠性及有效度。控制器反饋的方式主要有：光顯示、振動顯示、音響顯示、操縱力顯示。在控制器上裝有燈光，當按鈕到位時，按鈕即發光。這樣可以表明操作控制器的到位，還可以顯示按鈕的位置狀態，提示操作者注意。還可以在控制按鈕以外的相應位置上用不同色光的聯動裝置來表示操作控制器到位的情況。二、控制器設計的一般原則2、設計控制器時應該考慮的因素1）控制信息的反饋2）控制器的適用力3）控制器的運動4）使用部位的尺寸和結構5）控制器的特征編碼和識別控制器的狀態要及時地通過人

6、的手、腳、眼或其他器官反饋給操作者，以保證操作的可靠性及有效度。控制器反饋的方式主要有：光顯示、振動顯示、音響顯示、操縱力顯示。可以反映在控制器上，也可反映在體覺上（如機動車輛）。振動也常常轉化為噪聲的形式傳遞給操作者。二、控制器設計的一般原則2、設計控制器時應該考慮的因素1）控制信息的反饋2）控制器的適用力3）控制器的運動4）使用部位的尺寸和結構5）控制器的特征編碼和識別控制器的狀態要及時地通過人的手、腳、眼或其他器官反饋給操作者，以保證操作的可靠性及有效度。控制器反饋的方式主要有：光顯示、振動顯示、音響顯示、操縱力顯示。在控制器上設置到位音響裝置（如“卡嗒”聲），這種音響常由控制器定位機構

7、中自動發出也可以裝設專門的聯動音響裝置。二、控制器設計的一般原則2、設計控制器時應該考慮的因素1）控制信息的反饋2）控制器的適用力3）控制器的運動4）使用部位的尺寸和結構5）控制器的特征編碼和識別控制器的狀態要及時地通過人的手、腳、眼或其他器官反饋給操作者，以保證操作的可靠性及有效度。控制器反饋的方式主要有：光顯示、振動顯示、音響顯示、操縱力顯示。首先，操縱阻力是控制反饋的主要因素。阻力過小會使操縱者感覺不到反饋信息，心中無數。為了更好地利用操縱力反饋，下表列出了常見阻力特性。控制器的阻力特性 阻力類型舉例特性優點缺點用途摩擦力開關、閘刀開始時阻力較大，開關滑動時阻力即下降因阻力大，可減少意外

8、動作控制準確度低宜作不連續控制彈力彈簧作用等阻力隨控制器移動距離加長而增大1控制準度確高2控制器能自動歸回空位控制器移動到中間位置要定位時，需設定位裝置可作連續控制粘滯力活塞作用等阻力與控制器移動速度相對應1控制準確度高2運動速度均勻3穩定性好造價高宜作連續控制慣性力起重機的搖把等阻力由多級結構的慣性產生，一般較大1允許平滑移動2因需較大作用力，故減少了意外移動的可能操作疲勞；移動準確性差可用于不精確控制二、控制器設計的一般原則2、設計控制器時應該考慮的因素1）控制信息的反饋2）控制器的適用力3）控制器的運動4）使用部位的尺寸和結構5）控制器的特征編碼和識別控制器的狀態要及時地通過人的手、腳、

9、眼或其他器官反饋給操作者，以保證操作的可靠性及有效度。控制器反饋的方式主要有：光顯示、振動顯示、音響顯示、操縱力顯示。操縱阻力的大小與控制器的類型、位置、移動距離、操作頻率、力的方向等因素有關。一般操縱力必須控制在該施力方向的最佳施力范圍內，而最小阻力應大于操作人員手腳的最小敏感力。下表列出不同控制器的最小阻力。 不同控制器所要求的最小阻力 控制器類型所需最小阻力手動按鈕2.8扳動開關2.8旋轉選擇開關3.3旋紐01.7搖柄922手輪22手柄9腳動按鈕5.6( 如果腳停留在控制器上 )17.8( 如果腳不停留在控制器上 )腳踏板44.5( 如果腳停留在控制器上 )17.8( 如果腳不停留在控制

10、器上 )二、控制器設計的一般原則2、設計控制器時應該考慮的因素1）控制信息的反饋2）控制器的適用力3）控制器的運動4）使用部位的尺寸和結構5）控制器的特征編碼和識別控制器的狀態要及時地通過人的手、腳、眼或其他器官反饋給操作者，以保證操作的可靠性及有效度。控制器反饋的方式主要有：光顯示、振動顯示、音響顯示、操縱力顯示。其次，控制器到位時應使阻力發生變化，作為反饋信息傳達給操縱者。這種變化可以是操縱到位時阻力突然變小或阻力突然變大兩種情況，見圖。二、控制器設計的一般原則2、設計控制器時應該考慮的因素1）控制信息的反饋2）控制器的適用力3）控制器的運動4）使用部位的尺寸和結構5）控制器的特征編碼和識

11、別操縱阻力是控制反饋的主要因素。阻力不能過小；但阻力過大又會使控制器的動作不靈敏，難以駕馭，而且也會使操縱者提前產生疲勞。二、控制器設計的一般原則2、設計控制器時應該考慮的因素1）控制信息的反饋2）控制器的適用力3）控制器的運動4）使用部位的尺寸和結構5）控制器的特征編碼和識別首先應使控制器的操作方向與系統過程的變化方向相一致，這樣可以使控制操作形象化，又可使控制操作和系統的變化之間產生一定的邏輯關系，有利于操作人員記憶和辨認，提高操作效率（下圖）。其次控制器的操作方向與人心理上的固定概念相一致，如向上、順時針扳動按鈕意味著接通或加強。控制器的運動操作準確性與控制器操縱方向及系統反應方向的關系

12、 系統反應方向控制器操作方向操作錯誤數占實驗總數的百分數單手操作雙手操作從下往上向上5.07.0向前（離開自己）7.58.8向側面（向左和向右）11.715.3向后（向自己）11.318.5向下13.319.8表說明控制器的操作方向與系統變化方向偏離越大，操作者所產生的操作誤差越大。 二、控制器設計的一般原則2、設計控制器時應該考慮的因素1）控制信息的反饋2）控制器的適用力3）控制器的運動4）使用部位的尺寸和結構5）控制器的特征編碼和識別不同的操縱器，由于壓或握的用力方式不同，操縱件的尺寸和形狀不同。對于手用工具，應使工作重心落在手握的部位，握把部位不易太光滑或太粗糙，手柄的形狀應該盡量使手腕

13、保持自然狀態，亞洲人的手柄直徑一般取40-50mm。對于腳用按鈕或踏板，應該有足夠大的行程和接觸面，并有增加摩擦力的網絡。二、控制器設計的一般原則2、設計控制器時應該考慮的因素1）控制信息的反饋2）控制器的適用力3）控制器的運動4）使用部位的尺寸和結構5）控制器的特征編碼和識別將控制器進行合理編碼，使每個控制器都有特征，是減少差錯的有效措施之一。控制器編碼一般有6種方式：形狀、位置、大小、操作方法、色彩和文字符號編碼。可根據需要，采用一種或幾種方式的編碼組合。對不同用途的控制器設計成不同的形狀，使人的觸覺也能辨別。形狀編碼應按控制器的性質設計成不同的形狀，并能與控制器的功能有邏輯上的聯系，這樣

14、不僅利于記憶，而且在緊急情況下也不容易出現錯誤。此外，控制器的形狀應當便于使用操縱，方便用力。（下圖）常用旋紐的形狀編碼實例空軍常用的控制器形狀編碼 海軍雷達系統中常用的控制鈕 二、控制器設計的一般原則2、設計控制器時應該考慮的因素1）控制信息的反饋2）控制器的適用力3）控制器的運動4）使用部位的尺寸和結構5）控制器的特征編碼和識別將控制器進行合理編碼，使每個控制器都有特征，是減少差錯的有效措施之一。控制器編碼一般有6種方式：形狀、位置、大小、操作方法、色彩和文字符號編碼。可根據需要，采用一種或幾種方式的編碼組合。利用控制器間的相對位置以及控制器與操作者體位的相對位置進行編碼。例如汽車上的離合

15、器踏板、制動器踏板和加速器踏板的布置。在沒有視覺輔助的情況下，能夠使操作者準確地搜索到所需要的控制器，利用位置編碼，其控制器之間應有足夠的間距，以防在控制器使用時發生置換錯誤。對垂直布置的控制器的操作準確性優于水平布置。二、控制器設計的一般原則2、設計控制器時應該考慮的因素1）控制信息的反饋2）控制器的適用力3）控制器的運動4）使用部位的尺寸和結構5）控制器的特征編碼和識別將控制器進行合理編碼，使每個控制器都有特征，是減少差錯的有效措施之一。控制器編碼一般有6種方式：形狀、位置、大小、操作方法、色彩和文字符號編碼。可根據需要，采用一種或幾種方式的編碼組合。以不同大小來區別控制器的功能和用途，通

16、常在同一系統中只能設計大、中、小三種規格。由于大小編碼的視覺和觸覺感知度小的原因，常與其他形式編碼一起使用。二、控制器設計的一般原則2、設計控制器時應該考慮的因素1）控制信息的反饋2）控制器的適用力3）控制器的運動4）使用部位的尺寸和結構5）控制器的特征編碼和識別將控制器進行合理編碼，使每個控制器都有特征，是減少差錯的有效措施之一。控制器編碼一般有6種方式：形狀、位置、大小、操作方法、色彩和文字符號編碼。可根據需要，采用一種或幾種方式的編碼組合。利用每個控制器所具有的獨特的操作方法。例如，按鈕只有上、下變換，旋鈕只有旋轉變換，而且控制器只有按照這種唯一的操作方法才能實現其控制功能。因此，操作者

17、可根據操作動作的差別識別控制器。這種編碼方式通常與其它編碼方式結合使用。二、控制器設計的一般原則2、設計控制器時應該考慮的因素1）控制信息的反饋2）控制器的適用力3）控制器的運動4）使用部位的尺寸和結構5）控制器的特征編碼和識別將控制器進行合理編碼，使每個控制器都有特征，是減少差錯的有效措施之一。控制器編碼一般有6種方式：形狀、位置、大小、操作方法、色彩和文字符號編碼。可根據需要，采用一種或幾種方式的編碼組合。控制器采用色彩編碼，憑視覺能有效地進行識別。人眼雖然能辨別很多顏色，但用于控制器編碼的色彩，一般只使用紅、橙、黃、藍、綠5種色調，色調多了，反而容易混淆。此外，色彩編碼還受照明條件的限制

18、。二、控制器設計的一般原則2、設計控制器時應該考慮的因素1）控制信息的反饋2）控制器的適用力3）控制器的運動4）使用部位的尺寸和結構5）控制器的特征編碼和識別將控制器進行合理編碼，使每個控制器都有特征，是減少差錯的有效措施之一。控制器編碼一般有6種方式：形狀、位置、大小、操作方法、色彩和文字符號編碼。可根據需要，采用一種或幾種方式的編碼組合。是最常見的編碼方式，利用文字、數字式符號來標明控制器的功能。文字、符號的設計應該簡單易讀，清晰明了。通常布置在控制器的上方。文字、符號部位應具有良好的照明條件。（如電梯按鈕）三、控制器的設計1、手動控制器手動控制器大致可分為扳動開關、旋鈕、按鈕、按鍵、杠桿

19、、手柄、曲柄和轉輪等。扳動開關只有開和關兩種功能。扳動開關具有操作簡便，動作迅速的優點。常見的如圖。其中以船形開關翻轉速度最快，推拉開關和滑動開關由于行程和阻力的原因，動作時間較長。三、控制器的設計1、手動控制器手動控制器大致可分為扳動開關、旋鈕、按鈕、按鍵、杠桿、手柄、曲柄和轉輪等。根據功能要求，旋鈕可以旋轉一圈、多圈、或不滿一圈、可以連續多次旋轉，也可以定位旋轉：連續旋轉鈕（控制范圍超過360o），見圖（a）（b）；部分旋轉鈕（控制范圍不超過360o）， 見圖（c）；定位指示旋鈕（控制范圍有固定的邊界限范圍有固定的邊界限制）見圖（d）。三、控制器的設計1、手動控制器手動控制器大致可分為扳動

20、開關、旋鈕、按鈕、按鍵、杠桿、手柄、曲柄和轉輪等。根據旋鈕的形狀，可分為圓形旋鈕，指針形旋鈕和手動轉盤等。對于圓形旋鈕設計的主要尺寸為直徑和高度。其中單層旋鈕，直徑以50mm為最佳。三、控制器的設計1、手動控制器手動控制器大致可分為扳動開關、旋鈕、按鈕、按鍵、杠桿、手柄、曲柄和轉輪等。對于多層旋鈕，各層旋鈕間要保證不相接觸，有足夠的旋動阻力，能保證不會發生相互影響，同時注意無意接觸。三、控制器的設計1、手動控制器手動控制器大致可分為扳動開關、旋鈕、按鈕、按鍵、杠桿、手柄、曲柄和轉輪等。按鈕有兩種結構：一種是撳則下降，松則彈起，這是單作用按鈕；還有一種撳下之后可以鎖住，再撳時才能彈回，這是具有保

21、持位的雙作用按鈕。按鈕形狀有圓形和矩形兩種。三、控制器的設計1、手動控制器手動控制器大致可分為扳動開關、旋鈕、按鈕、按鍵、杠桿、手柄、曲柄和轉輪等。按鈕有三個主要參數：直徑、作用力及移動距離。用指尖撳的按鈕直徑，對大拇指可取20mm，其它手指可取為15mm。如果設計需要整個手端壓撳的按鈕（如要求壓力較大的按鈕或使用頻率較高，要求容易撳到的按鈕），鈕面直徑可設計得大一些，但一般不大于30mm，最小按鈕直徑可取6.5mm，戴手套時最小按鈕直徑為13mm。按鈕直徑大于15mm時，可將頂部做成球面線凹坑，以便于手感定位。若按鈕的關系重大，為防止疏忽，可將按鈕設置在一凹坑中。這時按鈕直徑應不小于25mm

22、，若需戴手套操作，則按鈕直徑不應小于50mm 。對于發生疏忽會產生嚴重事故的按鈕，應加防護裝置。防護裝置種類很多，例如可以加裝小蓋，還可以加固裝護欄。 三、控制器的設計1、手動控制器手動控制器大致可分為扳動開關、旋鈕、按鈕、按鍵、杠桿、手柄、曲柄和轉輪等。按鈕有三個主要參數：直徑、作用力及移動距離。對于單指按鈕的阻力，大拇指按鈕可取為2.9419.6N,其他手指按鈕可取為1.475.89N，按鈕阻力不宜太小，以免稍有誤碰就會起作用，造成事故。按鈕開關一般用音響，如“卡塔”聲，或以阻力的變化作為到位的反饋信息，但不宜用音響長時間的鳴叫作提示信號，因為這樣會增加噪音。當按鈕布置在暗處時應配備指示燈

23、，以保證快速準確的操作。但也應有音響或阻力變化信息，因為指示燈有時會未注意而被忽略。三、控制器的設計1、手動控制器手動控制器大致可分為扳動開關、旋鈕、按鈕、按鍵、杠桿、手柄、曲柄和轉輪等。按鈕有三個主要參數：直徑、作用力及移動距離。按鈕的移動距離不宜太小，太小會不安全。一般情況下大型按鈕移動的距離也應大一些。三、控制器的設計1、手動控制器手動控制器大致可分為扳動開關、旋鈕、按鈕、按鍵、杠桿、手柄、曲柄和轉輪等。按鍵是用手指按壓進行操作的控制器，按其形狀可分為圓柱形鍵、方柱形鍵和弧面柱形鍵；接用途可分為代碼鍵（數碼和符號鍵）、功能健和間隔鍵；按開關接觸情況可分為接觸式（如機械接觸開關）和非接觸式

24、（如霍爾效應開關、光學開關等）。按鍵通常是由形狀和大小相同、數量較多的鍵組成鍵盤，并用文字、數字或符號標明其功能。一般按鍵直徑為8-20mm，突出鍵盤的高度為5-12mm，升降行程為3-6mm，健與健的間隙不小于0.6mm，由鍵組成的鍵盤，其功能分區（字符區布置）要符合國家，為了便于操作，按鍵可以呈傾斜式、階梯式排列，見下圖。鍵盤排列形式三、控制器的設計1、手動控制器手動控制器大致可分為扳動開關、旋鈕、按鈕、按鍵、杠桿、手柄、曲柄和轉輪等。杠桿控制器通常用于機械操作，具有前、后、左、右、進、退、上、下、出、入的控制功能，如汽車變速桿。其操縱角度通常為300- 600，操縱角也有超過900的，如

25、開關柜上刀閘操縱桿。杠桿控制器雖然多數操縱角度有限，但它的突出優點可以實現盲目定位操作。操縱用力與操縱功能有關，前后操縱用力比左右操縱用力大，右手推拉力比左手推拉力大，因此杠桿控制器通常安置在右側。操縱桿的用力還與體位和姿勢有關。三、控制器的設計1、手動控制器手動控制器大致可分為扳動開關、旋鈕、按鈕、按鍵、杠桿、手柄、曲柄和轉輪等。轉輪、手柄和曲柄控制器的功能與旋紐相當，用于需要較大的操作扭矩條件下。轉輪可以單手或雙手操作，并可自由地連續旋轉操作。手柄和曲柄可以認為是轉輪的變形設計。在設計大小時必須考慮操作者有效用力范圍及其尺寸的限制，使之手握舒服，用力有效不產生滑動。三、控制器的設計2、腳動

26、控制器當用手操作不便，用手操作工作量大或難以控制，操縱力超過50N150N，或操縱力小于50N，但需要連續操作時，宜選用腳踏板。對于操縱力較小，且不需連續控制時，宜選用腳踏鈕或腳踏開關。1）腳動控制器按功能和運動機構分為直動式、往復式和回轉式三種（見圖）2）腳踏板腳踏板有兩種：一種是調節用腳踏板，如汽車的制動踏板，這種踏板隨移動距離而增加阻力以便產生增量的反饋；另一種是開關踏板，如汽車起動馬達腳踏按鈕等。腳踏板常設計成長方形。（1）調節踏板調節踏板有以鞋跟為轉軸的（如汽車的油門踏板等，見圖1）和腳懸空的兩種。踏板下的舒適角不大于20o，一般控制在15o左右，每腳與人的中線叉開10o15o為宜（

27、見圖2） 。圖2 腳的舒適叉開角度圖1 以鞋跟為轉軸的踏板 （ 2）開關踏板腳踏開關多用于定位操縱。1、要很好地安排它的位置使不影響操作者的穩定性，還要避免誤踏。2、如圖給出了踏板開關的形狀和尺寸，踏板的轉角不宜超過10o，否則，需將腳抬離地面才能操作，操作者單腳承重，不安全。3、如果要求雙腳均能踏動，或操作者連續不斷改換位置時也能踏動，最好采用踏動標桿，踏動標桿距地面不應超過15cm，但伸長度不要大于15cm。 3）腳動控制器的設計1、姿勢選擇2、腳的選擇3、動作時間4、著力腳動控制器操作時必須保持身體平衡和容易出力，因此設計腳動控制器時應該盡量采用坐姿。操作用座椅比一般座椅低。座椅要有靠背，單腳操作時，另一只腳還應有腳靠板。3）腳動控制器的設計1、姿勢選擇2、腳的選擇3、動作時間4、著力1、對于單腳操作，常設計為右腳操作右腳出力大，反應和動作速度快，準確度高。2、有條件兩腳交替操作時，應該采用兩腳交替操作形式減少疲勞，防止單調感。3）腳動控制器的設計1