編寫者：李宏汀、劉玉麗第二篇界面設計第六章

控制器設計中的人因素本章目錄第一節控制器概述第二節傳統控制器第三節新型控制界面第四節控制器與顯示器的綜合設計第五節追蹤與監控第一節控制器概述一、控制器定義及其分類二、控制器的設計要素三、控制器設計的一般原則第一節控制器概述一、控制器定義及其分類（一）控制器的定義及作用（二）控制器的分類第一節控制器概述一、控制器定義及其分類（一）控制器的定義及作用控制器是人用以將人的控制信息傳遞給機器，使之執行控制功能，實現調整、改變機器運行狀態的裝置合理設計控制器將有利于提高人—機系統的工作效率，提高操作者操作的準確性、速度和安全性，同時減少操作者的緊張和疲勞第一節控制器概述一、控制器定義及其分類（一）控制器的定義及作用（二）控制器的分類根據輸入信息特點，控制器可分為連續調節控制器和離散位選控制器根據運動方式，控制器可分為平移控制器和旋轉控制器根據運動維度，控制器可分為一維控制器和多維控制器根據操作控制器的身體器官，控制器可分為手控制器、腳控制器和言語控制器第一節控制器概述一、控制器定義及其分類二、控制器的設計要素（一）控制器的編碼（二）控制器的大小和間距（三）控制器的阻力（四）控制器的位置和排列第一節控制器概述一、控制器定義及其分類二、控制器的設計要素（一）控制器的編碼1、常用的編碼方式2、控制器編碼中需注意的問題第一節控制器概述一、控制器定義及其分類二、控制器的設計要素（一）控制器的編碼1、常用的編碼方式控制器的常用編碼方式一般有形狀和表紋編碼、顏編碼色、位編碼置、標記編碼、大小及操作方法編碼等第一節控制器概述一、控制器定義及其分類二、控制器的設計要素（一）控制器的編碼1、常用的編碼方式

2、控制器編碼中需注意的問題控制器編碼需要注意編碼方式的選擇以及冗余編碼等問題第一節控制器概述一、控制器定義及其分類二、控制器的設計要素（一）控制器的編碼（二）控制器的大小和間距控制器的大小設計應同人的肢體尺寸相適應在控制器的排列中，控制器之間應該有適當的間距控制器的尺寸和間距大小的設置可通過費茨定律來預測第一節控制器概述一、控制器定義及其分類二、控制器的設計要素（一）控制器的編碼（二）控制器的大小和間距（三）控制器的阻力1、阻力的類型2、阻力的大小和反饋第一節控制器概述一、控制器定義及其分類二、控制器的設計要素（一）控制器的編碼（二）控制器的大小和間距（三）控制器的阻力1、阻力的類型控制器的阻力主要有以下四種類型：靜摩擦和庫倫摩擦彈性阻力黏滯阻力慣性第一節控制器概述一、控制器定義及其分類二、控制器的設計要素（一）控制器的編碼（二）控制器的大小和間距（三）控制器的阻力1、阻力的類型

2、阻力的大小和反饋最大阻力不能超過操作者的用力能力，最小阻力也要防止控制器的偶然觸發反饋信息指操作者獲得調節控制器的結果，可以幫助操作者及時糾正錯誤反應第一節控制器概述一、控制器定義及其分類二、控制器的設計要素（一）控制器的編碼（二）控制器的大小和間距（三）控制器的阻力（四）控制器的位置和排列1、人體測量學尺寸2、功能重要性和操作順序第一節控制器概述一、控制器定義及其分類二、控制器的設計要素（一）控制器的編碼（二）控制器的大小和間距（三）控制器的阻力（四）控制器的位置和排列1、人體測量學尺寸

控制器位置的安放必須以使用者群體的人體測量資料為依據。這種資料包括人體尺寸和人體不同工作姿勢時的手、足最佳操作區域和最大操作區域等第一節控制器概述一、控制器定義及其分類二、控制器的設計要素（一）控制器的編碼（二）控制器的大小和間距（三）控制器的阻力（四）控制器的位置和排列1、人體測量學尺寸

2、功能重要性和操作順序控制器的位置排列可根據控制器的功能重要性、系統的操作順序等因素設置第一節控制器概述一、控制器定義及其分類二、控制器的設計要素三、控制器設計的一般原則可辨識性可達性反饋信息布局合理性第二節傳統控制器一、與人手相關的生物力學原則二、常見的手控制器三、腳控制器第二節傳統控制器一、與人手相關的生物力學原則（一）保持手腕伸直（二）避免組織的壓迫受力（三）避免重復的手指動作第二節傳統控制器一、與人手相關的生物力學原則（一）保持手腕伸直為避免疾病的發生，手工工具設計的重要原則是使手腕和前臂保持在一條直線上第二節傳統控制器一、與人手相關的生物力學原則（一）保持手腕伸直（二）避免組織的壓迫受力手工工具應當與手有較大的接觸面，以便在較大的區域分散壓力第二節傳統控制器一、與人手相關的生物力學原則（一）保持手腕伸直（二）避免組織的壓迫受力（三）避免重復的手指動作通常，應避免頻繁地使用食指，可使部分動作分擔至其他手指第二節傳統控制器一、與人手相關的生物力學原則二、常見手控制器（一）手輪（二）曲柄（三）旋鈕（四）按鈕（五）扳鈕開關（六）手柄和操縱桿第二節傳統控制器一、與人手相關的生物力學原則二、常見的手控制器（一）手輪手輪的形狀一般是圓形的，常見的手輪控制器有汽車方向盤、液化氣閥門開關等第二節傳統控制器一、與人手相關的生物力學原則二、常見手控制器（一）手輪（二）曲柄常見的曲柄有自行車腳蹬。曲柄多應用于需要多圈轉動控制，涉及高速度或大力量的場合第二節傳統控制器一、與人手相關的生物力學原則二、常見手控制器（一）手輪（二）曲柄（三）旋鈕旋鈕控制器在生活中比較多見，如音量控制器、風扇轉速控制器等第二節傳統控制器一、與人手相關的生物力學原則二、常見手控制器（一）手輪（二）曲柄（三）旋鈕（四）按鈕按鈕的功能主要是啟動與關閉機器，接通與斷開某種操作狀態，或流量的分級調節等第二節傳統控制器一、與人手相關的生物力學原則二、常見手控制器（一）手輪（二）曲柄（三）旋鈕（四）按鈕（五）扳鈕開關扳鈕開關也稱撥動開關，它通常有兩到三個離散調節位置第二節傳統控制器一、與人手相關的生物力學原則二、常見手控制器（一）手輪（二）曲柄（三）旋鈕（四）按鈕（五）扳鈕開關（六）手柄和操縱桿手柄和操縱桿都是桿式控制器，常用于涉及大的力或位移，或要求多維度的控制運動的情境下.第二節傳統控制器一、與人手相關的生物力學原則二、常見的手控制器三、腳控制器腳的操作具有速度慢、準確性差的特點。但是腳控制器的使用能在一定程度上減輕手的控制負荷，并且適用于需要用大力氣操作的情況腳踏板一般在坐姿條件下使用，應保證操縱舒適，用力方便腳踏板的踩踏平面應為長方形或橢圓形，其大小與腳掌大小相符第三節新型控制界面一、語音控制界面二、眼動控制界面三、腦機接口第三節新型控制界面一、語音控制界面（一）語音識別系統（二）語音控制的功能（三）語音控制界面設計中應注意的問題第三節新型控制界面一、語音控制界面（一）語音識別系統語音控制器實際上是通過計算機的言語識別技術，將語音識別為計算機可辨的指令，以執行一定的控制功能的裝置，它由說話人、語音識別系統和輸出的識別結果等部分組成第三節新型控制界面一、語音控制界面（一）語音識別系統（二）語音控制的功能語音控制的優勢在于其自然性語音輸入的優勢體現在雙任務情形中，當數據輸入和其他活動必須同時進行時，語音識別是最合適的語音識別系統也特別適合殘疾人使用第三節新型控制界面一、語音控制界面（一）語音識別系統（二）語音控制的功能（三）語音控制界面設計中應注意的問題1、速度限制2、人的言語可變性3、環境噪聲第三節新型控制界面一、語音控制界面（一）語音識別系統（二）語音控制的功能（三）語音控制界面設計中應注意的問題1、速度限制為提高識別的準確度，說話者需在每個詞尾處停頓一下，并及時給出輸入的反饋第三節新型控制界面一、語音控制界面（一）語音識別系統（二）語音控制的功能（三）語音控制界面設計中應注意的問題1、速度限制

2、人的言語可變性人的言語的可變性不僅包括不同國家的語言差異，還包括同種語言方言的差異、個人語型差異以及由生理、心理或環境因素引起的個人語型在時間上的變化為了解決言語可變性問題，可在系統中增加發音相近詞語，來增加識別的容錯性第三節新型控制界面一、語音控制界面（一）語音識別系統（二）語音控制的功能（三）語音控制界面設計中應注意的問題1、速度限制2、人的言語可變性

3、環境噪聲環境噪聲會大大降低語音系統的識別率除了盡量將語音控制界面應用在環境噪聲較低的情境中，還應在需要精確識別的場合，盡量使用觸發識別模式，或者口令觸發模式第三節新型控制界面一、語音控制界面二、眼動控制界面（一）眼動控制界面的原理（二）眼動控制界面的功能與應用第三節新型控制界面一、語音控制界面二、眼動控制界面（一）眼動控制界面的原理較常使用的技術是角膜反射跟蹤法、虹膜—鞏膜邊緣跟蹤技術和瞳孔—角膜跟蹤法第三節新型控制界面一、語音控制界面二、眼動控制界面（一）眼動控制界面的原理（二）眼動控制界面的功能與應用1、視覺指向2、文字輸入3、虛擬現實和游戲第三節新型控制界面一、語音控制界面二、眼動控制界面（一）眼動控制界面的原理（二）眼動控制界面的功能與應用1、視覺指向大多數的眼動控制都應用在軍事領域，“眼睛瞄準系統”或“視覺跟蹤系統”就是很好的例子第三節新型控制界面一、語音控制界面二、眼動控制界面（一）眼動控制界面的原理（二）眼動控制界面的功能與應用1、視覺指向

2、文字輸入劍橋大學卡文迪許實驗室的研究人員開發出一種用來取代計算機標準鍵盤布局的Dasher軟件新版本第三節新型控制界面一、語音控制界面二、眼動控制界面（一）眼動控制界面的原理（二）眼動控制界面的功能與應用1、視覺指向2、文字輸入

3、虛擬現實和游戲視線跟蹤技術未來的一個誘人的應用領域就是虛擬現實和游戲第三節新型控制界面一、語音控制界面（一）語音識別系統（二）語音控制的功能（三）語音控制界面設計中應注意的問題1、視覺負荷過重2、精度與自由度問題3、米達斯接觸問題4、時間延遲第三節新型控制界面一、語音控制界面（一）語音識別系統（二）語音控制的功能（三）語音控制界面設計中應注意的問題1、視覺負荷過重眼動控制界面的設計中，應適當降低視覺閱讀任務的難度，以降低視覺負荷第三節新型控制界面一、語音控制界面（一）語音識別系統（二）語音控制的功能（三）語音控制界面設計中應注意的問題1、視覺負荷

2、精度與自由度問題對精度要求較高的眼動控制系統，可使用固定頭部的支架，減少頭部運動帶來的干擾。對自由度要求較高的系統，如眼動控制的智能家電系統，可適當降低系統的精度第三節新型控制界面一、語音控制界面（一）語音識別系統（二）語音控制的功能（三）語音控制界面設計中應注意的問題1、視覺負荷2、精度與自由度

3、米達斯接觸問題米達斯接觸問題：指的是由于用戶隨意的視線運動而造成計算機對用戶意圖識別的困難基于視線跟蹤技術建立有效的用戶界面的挑戰之一，就是避免米達斯接觸問題第三節新型控制界面一、語音控制界面（一）語音識別系統（二）語音控制的功能（三）語音控制界面設計中應注意的問題1、視覺負荷2、精度與自由度3、米達斯接觸

4、時間延遲當前由于視線跟蹤技術還沒有完全成熟，系統感應并計算視線所需要的時間，會相應延遲“物體已被選中”的反饋時間；而且操作員必須保持凝視一小段時間，系統作出反應才能降低意外激活的可能性第三節新型控制界面一、語音控制界面二、眼動控制界面三、腦機接口（一）腦機接口的原理（二）腦機接口的應用（三）腦機接口設計中的人因素第三節新型控制界面一、語音控制界面二、眼動控制界面三、腦機接口（一）腦機接口的原理腦機接口一般包括信號采集系統、信號處理系統、信號輸出系統和反饋系統等部分第三節新型控制界面一、語音控制界面二、眼動控制界面三、腦機接口（一）腦機接口的原理（二）腦機接口的應用1、指點輸入和書寫系統2、方向控制3、其他領域第三節新型控制界面一、語音控制界面二、眼動控制界面三、腦機接口（一）腦機接口的原理（二）腦機接口的應用1、指點輸入和書寫系統沃爾帕（Wolpaw）等利用基于μ或β節律的腦機接口實現了對光標的二維控制法維爾（Farwell）和鄧金（Donchin）等最早將P300作為控制信號應用于腦機接口第三節新型控制界面一、語音控制界面二、眼動控制界面三、腦機接口（一）腦機接口的原理（二）腦機接口的應用1、指點輸入和書寫系統

2、方向控制通過想象左手或右手運動，可在左右大腦半球產生不同的同步化或去同步化，以此就可以控制光標在屏幕上的運動或選擇屏幕上方或下方的字母第三節新型控制界面一、語音控制界面二、眼動控制界面三、腦機接口（一）腦機接口的原理（二）腦機接口的應用1、指點輸入和書寫系統2、方向控制

3、其他領域BCI系統也可應用于其他領域，尤其是特殊環境下的作業，如無人駕駛的汽車或飛機等，同時，腦機界面也可能給電子游戲帶來一場革命第三節新型控制界面一、語音控制界面二、眼動控制界面三、腦機接口（一）腦機接口的原理（二）腦機接口的應用（三）腦機接口設計中的人因素1、輸入信號的選擇2、腦力負荷3、訓練第三節新型控制界面一、語音控制界面二、眼動控制界面三、腦機接口（一）腦機接口的原理（二）腦機接口的應用（三）腦機接口設計中的人因素1、輸入信號的選擇要考慮可分辨的控制指令的個數，系統的實時性要求等方面第三節新型控制界面一、語音控制界面二、眼動控制界面三、腦機接口（一）腦機接口的原理（二）腦機接口的應用（三）腦機接口設計中的人因素1、輸入信號的選擇

2、腦力負荷如果大腦也要同時接受其他感覺通道的輸入信息并進行處理，那么，BCI輸出控制時，同時進行的大腦認知活動應降低，以保持控制的效率第三節新型控制界面一、語音控制界面二、眼動控制界面三、腦機接口（一）腦機接口的原理（二）腦機接口的應用（三）腦機接口設計中的人因素1、輸入信號的選擇2、腦力負荷

3、訓練目前，為使用者建立腦電波模板時要經過很長的預實驗階段才能正確地辨認與腦電波對應的功能第四節控制器與顯示器的綜合設計一、控制-顯示比二、控制與顯示兼容性第四節控制器與顯示器的綜合設計一、控制-顯示比控制-顯示比（controldisplayratio，簡稱C/D比）指控制與顯示的動程之比。控制-顯示比的倒數也稱為系統增益（systemgain）對于單一的連續控制器，在設計時應該選擇對于特定操作任務的最佳C/D比，過高或過低的C/D比均會降低任務績效最佳C/D比受到顯示器大小、調節誤差容限、控制運動與系統輸出的時滯等因素的影響第四節控制器與顯示器的綜合設計一、控制-顯示比二、控制與顯示兼容性（一）空間兼容性（二）運動兼容性第四節控制器與顯示器的綜合設計一、控制-顯示比二、控制與顯示兼容性（一）空間兼容性空間兼容性指顯示器與控制器的空間關系與人們對這種關系預測的一致性。控制器與顯示器的空間位置關系往往是一一對應的，它們的位置關系兼容與否將影響到控制器或顯示器的使用效果第四節控制器與顯示器的綜合設計一、控制-顯示比二、控制與顯示兼容性（一）空間兼容性（二）運動兼容性1、相同平面的旋轉式控制器和旋轉式顯示器的運動兼容性2、相同平面的旋轉式控制器和長條形顯示器3、不同平面的顯示器與控制器的運動兼容性第四節控制器與顯示器的綜合設計一、控制-顯示比二、控制與顯示兼容性（一）空間兼容性（二）運動兼容性1、相同平面旋轉式控制器和旋轉式顯示器的運動兼容性一般來說，對于顯示器是圓形或扇形，控制器是旋鈕時，其運動兼容性表盤固定、指針運動和指針固定、表盤運動兩種情況第四節控制器與顯示器的綜合設計一、控制-顯示比二、控制與顯示兼容性（一）空間兼容性（二）運動兼容性1、旋轉式控制器與顯示器

2、相同平面的旋轉式控制器和長條形顯示器采用旋轉式控制器配以長條形固定標尺移動指針的顯示器運動兼容關系，存在三條原則：瓦里克原則刻度同側原則右旋增加原則第四節控制器與顯示器的綜合設計一、控制-顯示比二、控制與顯示兼容性（一）空間兼容性（二）運動兼容性1、旋轉式控制器與顯示器2、旋轉式控制器和長條形顯示器3、不同平面的顯示器與控制器的運動兼容性側相切或垂直相切時，其運動兼容性原則是：順（逆）時針旋轉與背對（朝向）人的直線移動相聯系；順時針選擇表示增加；設計一致性；控制-顯示關系的邏輯性；選擇最合適的備選方案第五節追蹤與監控一、追蹤及追蹤環的基本要素二、影響追蹤績效的因素三、監控第五節追蹤與監控一、追蹤及追蹤環的基本要素（一）追蹤的概念（二）追蹤環的基本要素第五節追蹤與監控一、追蹤及追蹤環的基本要素（一）追蹤的概念在執行手動操作任務中，往往需要操縱目標裝置來追蹤某一動態目標，使其按照坐標標示的時空軌跡運行手工控制系統一般都是閉環系統。它需要通過反饋，即將輸出信息反饋給系統輸入，以穩定或控制輸出第五節追蹤與監控一、追蹤及追蹤環的基本要素（一）追蹤的概念（二）追蹤環的基本要素第五節追蹤與監控一、追蹤及追蹤環的基本要素（一）追蹤的概念（二）追蹤環的基本要素追蹤環包括四個基本要素：顯示操作者控制器受控元素第五節追蹤與監控一、追蹤及追蹤環的基本要素二、影響追蹤績效的因素（一）輸入類型（二）動力學特點（三）顯示第五節追蹤與監控一、追蹤及追蹤環的基本要素二、影響追蹤績效的因素（一）輸入類型追蹤作業的輸入可以是常量，也可以是變量根據輸入隨時間變化的特性，輸入的基本類型可以分為：階躍輸入（stepinput）斜坡輸入（rampinput）正弦輸入（sineinput）第五節追蹤與監控一、追蹤及追蹤環的基本要素二、影響追蹤績效的因素（一）輸入類型（二）動力學特點1、增益2、延時3、控制階第五節追蹤與監控一、追蹤及追蹤環的基本要素二、影響追蹤績效的因素（一）輸入類型（二）動力學特點1、增益增益是描述系統輸出與輸入之比，即O/I，是控制—顯示比的倒數追蹤誤差和用戶的主觀評價，似乎都與系統增益呈U形關系第五節追蹤與監控一、追蹤及追蹤環的基本要素二、影響追蹤績效的因素（一）輸入類型（二）動力學特點1、增益

2、延時系統的延時有三種類型：傳遞延時指數延遲S形延遲第五節追蹤與監控一、追蹤及追蹤環的基本要素二、影響追蹤績效的因素（一）輸入類型（二）動力學特點1、增益2、延時

3、控制階零階系統：零階控制也稱為位置控制。這種控制器的位移變