安全人機工程學

第五章安全人機系統中的控制裝置1/126第一節控制器的類型及選擇（1學時）

一、控制器的類型 二、控制器的選擇 第二節操作控制系統的安全因素（1學時）一、操作誤差及相關因素 二、控制器的工效因素 三、控制器編碼 第三節控制器的設計

（2學時）一、手操縱控制器的設計 二、腳操縱控制器的設計 三、控制器的布局第五章安全人機系統中的控制裝置2/126將人的控制信息傳輸給機器。準確、迅速、安全操作控制裝置的形式、位置、方向、精度、強度、作用力等參數都要適合于人的生理特點和心理習慣。控制裝置3/126操縱控制器4/1265/126寶馬318i圖片資料6/126寶馬325i車型資料(5)7/126法拉利Enzo腳踏板8/126三廂夏利N3車燈開關9/126三廂夏利N3電動窗按鈕10/126三廂夏利N3后排車門11/126三廂夏利N3腳踏板12/126三廂夏利N3雙蹦燈開關13/126三廂夏利N3雨刷控制桿14/126手柄15/126手柄16/126手柄17/126手輪18/126手輪19/126手輪20/126手輪21/126閥門手輪22/126旋鈕23/126旋鈕24/126旋鈕25/126旋鈕26/126旋鈕27/126旋鈕28/126旋鈕29/126曲柄

30/126曲柄31/126曲柄32/126操縱桿控制器33/1263DForce振動操縱桿34/126鍵盤35/126鍵盤36/126鍵盤37/1265.1控制器的類型及選擇一、控制器的類型1.按操縱方式劃分(1)手動控制器,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。38/1262.按控制器的功能劃分(1)開關控制器,簡單的開、關,啟動、停止，按鈕、踏板、手柄等。(2)轉換控制器,狀態轉換,如手柄、選擇開關、轉換開關、操縱盤等。(3)調整控制器,工作參數定量增加或減少。如旋鈕、手輪、操縱盤等。(4)制動控制器,緊急狀態下啟動或停止。靈敏度高,可靠性強,如制動閘、操縱桿、手柄、按鈕等。3.其他控制器主要有光控制器和聲控制器39/126二、控制器的選擇1.按功能選擇表5-1、表5-2表5-l各種控制裝置的使用功能控制裝置名稱使用功能啟動不連續調節定量調節連續控制輸入數據按鈕O

鈕子開關OO

旋鈕選擇開關

O

旋鈕

OOO

踏鈕O

踏板

OO曲柄

OO手輪

OO操縱桿

OO鍵盤

O40/126二、控制器的選擇表5-2各種控制裝置的使用情況比較使用情況按鈕旋鈕跨鈕旋轉旋紐開關紐子開關手搖把操縱桿子輪踏板需要的空間小小-中較小中小中-大中-大大大編碼好好差好較好較好好較好差視覺辨別位置可好差好好可好較好差觸覺辨別位置差可可好好可較好較好較好一排類似控制裝置的檢查差好差好好差好差差一排控制裝置的操作好差差差好差好差差合并控制好好差較好好差好好差41/1262.按工作要求選擇表5-3不同工作情況下選擇控制裝置的建議工作情況建議使用的控制器操縱力較小2個分開的裝置按鈕、踏鈕、撥動開關、搖動開關4個分開的裝置按鈕、撥動開關、旋鈕、選擇開關4－24個分開的裝置同心成層旋鈕、鍵盤、撥動開關、旋轉選擇開關25個以上分開的裝置鍵盤小區域的連續裝置旋鈕較大區域的連續裝置曲柄操縱力較大2個分開的裝置扳手、杠桿、大按鈕、踏鈕3－24個分開的裝置扳手、杠桿小區域連續性裝置手輪、踏板、杠桿大區域連續性裝置大曲柄42/126表5-4用于追蹤的控制裝置選擇追蹤信號的運動形式適宜的控制器類型方案比較圓形圓形轉動最好直線圓形轉動好直線直線移動中等圓形直線移動一般43/126二、控制器的選擇3.控制器的選擇原則①快速而精確度高的操作一般采用手控或指控裝置，用力的操作則采用手臂及下股控制；②手控制器應安排在肘和肩高度之間且容易接觸到的位置，并且易于看見；③緊急制動的控制器要盡量與其他控制器有明顯區分，避免混淆；④控制器的類型及方式應盡可能適合人的操作特性，避免操作失誤。44/1265.2操作控制系統的安全因素一、操作誤差及相關因素操作人員缺乏訓練或思想不集中控制器設計沒有充分考慮人機協調關系45/1261.操作誤差的種類(1)置換差錯。控制器位置安排不適當或控制器的識別標志不明顯。(2)調節錯誤。(3)逆轉錯誤。控制器的運動方向不合人的操作習慣,控制器的方向與機器的運轉方向或與指示器的方向缺乏邏輯上的聯系,或控制器本身缺乏醒目的導向標志。(4)無意的操作錯誤。控制器本身缺乏復位裝置或某種報警信號系統；操縱部件的阻力不夠,手感不強,操作時難以感覺出操縱量的大小；控制器的配置量和操縱力超過了人的操作能力,使人難以方便地操作。

46/1262.操作誤差的相關因素引起操作誤差的因素除人機系統中的協調性不夠之外,還有其他很多因素。1)手套：戴手套會防礙手部感受控制器的反饋信息。2)鞋：鞋底的性質也會影響腳對反饋信息的感受。過厚、過硬3)工作服：工作服的作用是,在生產中用于抵抗外界對人體的各種不利影響。47/126工作服裝對安全性及效率的影響,主要有以下3個方面：(1)保證人的生命得以正常維持,

保溫性能、隔熱性能、透氣性能、吸濕性能。(2)方便勞動：厚度、硬度、彈性、強度等、服裝的樣式、合體程度。(3)保障操作系統安全。防水、防火、防塵、防污染、不產生靜電和絕緣有要求；式樣要考慮到能防止衣服被機器絞住,以防意外傷害。48/126工作服49/126EFP隔離工作服50/126Mvc-033法國巴固51/126避火服52/126德軍裝甲兵防火工作服53/126防毒服54/126工作服55/126無塵工作服-蛙裝56/126法國巴固消防戰斗服57/126中國衛生監督標志服58/126二、控制器的工效因素1.控制反饋控制器的狀態反饋給操作者。儀表顯示之外,還常用以下幾種形式。(1)光顯示。59/126(2)音響顯示。在控制器上設置、到位音響裝置(如“卡嗒”聲)。(3)操縱阻力。阻力過小、阻力過大表5-5摩擦、彈性、粘滯性等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60/126表5-6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0～1.7搖柄9～22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器上)61/126控制器到位時應使阻力發生一種變化,作為反饋信息傳達給操縱者。

圖5-2操縱阻力的變化62/1262.控制顯示比B指控制器的操作量與顯示器(指示器)的顯示量之間的一種比例關系。B值小,適用于粗調或要求快速到位的場合；B值大,適用于精調的場合。

63/1263.控制運動方向與系統的關系

應盡量使控制器的操作方向與系統過程的變化方向相一致,這樣可以使控制器的操作形象化。64/126圖5-4給出幾種操縱控制器與系統反應的對應方向的關系圖。65/126表5-7是系統變化方向從下往上時,操作不同運動方向的控制器的準確性情況。

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13.319.866/126三、控制器編碼兩個目的:說明控制器的位置或狀態,以便確認操作的準確性；使不同的控制器各具特點,便于記憶、尋找和感受信息,保證操作的正確性。

67/1261.形狀編碼形狀與功能有直接的聯系，如輪形的操縱器可用來操縱飛機的起落架，翼形操縱器則用于副翼或襟翼的操縱，這種形象化的操縱器有利于減少飛行事故。圖5-6

海軍雷達系統中常用的控制鈕68/126常用的旋鈕控制器，一般可分為三種類型連續旋轉鈕（控制范圍超過360°）部分旋轉鈕（控制范圍不超過360°）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）69/126通常在設計形狀編碼時要注意以下幾點：(1)形狀編碼要盡量簡單易識別。(2)形狀編碼的形態設計要盡量與其使用功能的特點相吻合,以使人容易識別控制器的功能和用途。(3)控制器的形狀編碼的手感要好,不會引起人的不舒適；當戴手套操作時,也應能較好地分辨和使用。70/1262.大小編碼操縱器采用大小編碼時，一般說來，大操作器的尺寸要比小操縱器的大20%以上，才有準確操縱的把握，而這一點是較難保證的，所以，大小編碼形式的使用是有限的。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。71/1263.位置編碼在人機操縱系統中,利用控制器相對于人的不同位置進行編碼。72/1264.色彩編碼不單獨使用色相種類不宜過多73/1265.符號編碼在控制器上標以不同的文字或圖形符號以區別不同的控制器。這種編碼的優點是,可以用示意性符號對每個控制器的作用給以直觀性指示,不需要事先去記憶每個控制器的功能和用途,減少了大腦譯碼的過程,因此效率和準確度都較高。在設計符號編碼時,這些符號應力求簡單、達意、明顯、易認。控制器上的編碼（汽車門）74/1265.3控制器的設計按操作人員的普遍能力和一般習慣進行設計。75/126一、手操縱控制器的設計1.手的操作尺度及特征(1)手的尺寸及范圍,圖5-8(2)手臂的運動尺度,單手操作時為側向60°,雙手操作時為左右各30。(3)人的手部操縱力的大小與手的用力方向、姿勢、時間、年齡、性別等有很大關系。76/126(4)手的運動特征①手的垂直運動速度比水平運動速度快,且準確度也高；②手自上往下運動速度比自下往上運動速度快；③在水平面上,手的前后運動比左右運動快,旋轉運動比直線運動快；④一般人,右手運動比左手快,且右手向右運動比向左運動快；⑤手朝向身體運動比離開身體運動速度快；⑥手臂的順時針方向操作動作比逆時針方向操作動作要快。77/1262.旋鈕設計適用場合:操作時要求不大的力量,緩慢平穩地旋轉360°,精確定位、切換和完成幾個穩定狀態的作用。78/1261)旋鈕的形態連續平穩旋轉的旋鈕一般設計成圓柱形或錐臺形；輪緣的外形為槽形和齒形,以防止轉動時打滑；旋鈕的頂面標有動作位置的標記。79/1261)旋鈕的形態80/126切換或分級旋鈕一般設計成長型或長與圓的綜合型,外部形狀要明顯地指示出切換和分級的位置。81/1262)旋鈕的尺寸

人操作的方便性82/1262)旋鈕的尺寸

人操作的方便性83/1263.按鈕設計用于需要接通或切斷的設備,使機器或者動力機械運行或停止。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，這是具有保持位的雙作用按鈕。84/1261)按鈕的形態通常按鈕的手觸及的端面為圓形或方形,并應符合按壓時手指的形狀,使手指與它們接觸時有舒適感。85/1261)按鈕的形態對于重要的按鈕,為了防止誤操作,可將按鈕設計為凹坑式或加防護裝置86/1262)按鈕的尺寸及操縱力對于小型的食指按壓的圓按鈕直徑為8～18mm,方形邊長為10～20mm,壓人深度為5～20mm,壓力為5～15N；對于中型的大姆指按壓的按鈕直徑為25～30mm,壓人深度為15mm,壓力為10～20N；對于大型的用于手掌按壓的按鈕,直徑為30～50mm,壓進深度為10mm,壓力為100～150N。87/1263)多按鈕的鍵盤形狀88/1263)多按鈕的鍵盤形狀89/1263)多按鈕的鍵盤形狀90/1263)多按鈕的鍵盤形狀91/1263)多按鈕的鍵盤形狀92/1264.切換開關設計一般只有開和關兩個切換位置,特殊情況下也有三個切換位置。切換力一般為3-5N。用手指切換,最大力為12N；用全手切換時,最大力不超過20N。圖5-19中為切換開關扳手的最小極限尺寸、適宜的尺寸及最大極限尺寸,單位為m；扳動的最小角度、適宜角度及最大角度,三個切換位置時所允許的扳動角度。常以不同顏色加以區分如(ON)、(OFF)等。圖5-20為幾種切換開關的形態。93/1265.手柄設計要防止手柄的形狀絲毫不差地貼合于手的握持空間,尤其不能緊貼掌心；如果掌心長期受壓受振,可能會引起痙攣和疲勞。圖5-22圖5-23圖5-21手柄形式和著力方式比較94/1266.操縱桿設計操縱桿的自由端裝有把手或手柄,另一端與機器或設備連接。它可以利用較大的杠桿比,操縱阻力較大的控制器。常用操縱桿的形式見圖5-2595/126三廂夏利N3轉向燈控制桿96/126三廂夏利N3座椅調節桿97/1267.曲柄設計用于以迅速轉動的方式來改變機器或機構的狀態,且在變化時需要較大操縱力的場合。曲柄臂桿的長度最小極限為30mm,見圖5-26,通常,在大負荷時臂長為150—400mm,小負荷時臂長為60—120mm。曲柄手柄的直徑與長度關系見表5-12。98/1267.曲柄設計99/1268.轉輪設計1)搖把式手輪搖把式手輪用于操縱力不大的情況下完成較精確的定位和調節。圖5-27所示搖把式手輪的最大許用力為10-40N,直徑為125-200mm。100/1268.轉輪設計2)轉盤式手輪操縱力較大雙手操作101/126二、腳操縱控制器的設計腳操縱控制器常用于:①用于系統或機器的快速接通和斷開啟動和停車；②用于操縱力較大,或機構的就位精度要求不高的場合；③為了減輕手操縱的過量負荷,需要腳操縱配合的情況。102/126二、腳操縱控制器的設計1.腳及腿的特征(1)腳的運動主要靠膝關節和腳掌的運動。圖5-33為膝關節和腳掌的運動及有關數據。

(2)腳的操縱力與人的工作姿式及膝關節彎曲程度有很大關系,同時還與人的左腳或右腳、男性或女性有關。圖5-34為腿部處于不同折角時的蹬力情況。103/126二、腳操縱控制器的設計2.腳操縱器設計1)腳操縱器的形式按腳不同部位的操作情況、使用條件和用力大小,腳操縱器的形式主要有如圖5-35所示的幾種情況。(a)、(b)兩種形式適用于用力較大的操作狀態(如汽車剎車制動器),并且操作不頻繁的情況下,腳不能經常落在上面,著力完后即離開。(c)、(d)兩種形式用于操作頻繁且用力不大的情況下(如腳踏開關),腳可以不離開踏板,靠腳跟支持,腳尖動作來完成操作。104/126二、腳操縱控制器的設計2)腳操縱器的尺度及布置范圍

腳操縱器應布置在人正對位置,其高度應在腳能得力蹬踩的位置,前后位置應在人腳所能及的距離內。腳操縱器相對于人的布置見圖5-36。105/126二、腳操縱控制器的設計3)操縱力腳操縱器的操縱力應適合于人在不同操作場合下不同情況。表5-14中列出不同腳操縱器的用力建議。除上述腳控制操縱器外,生產中還有用膝控制的操縱器。圖5-37膝控制器106/126三、控制器的布局1、控制器的位置排列(1)按人的操作范圍布置控制器(2)按人的操縱習慣布置控制器。(3)按控制器的不同功能區分排列(4)控制器之間要保持一定的間隔距離

107/126三、控制器的布局2.控制器的協調性布置(1)控制器的運動形式應與機器或設備的運行狀態相協調一致。(2)控制器的操縱方式應與顯示器的方式協調一致。(3)控制器的運動方向應與顯示器指針的運動方向一致。(4)控制器的排列形式應與顯示器的排列形式相對應。(5)為了提高生產效率,常采用復合操作顯示器。(6)操縱控制臺的空間尺度要適合人的生理特點(7)操縱控制臺的形式要盡可能適合多種操作特點。108/126工作椅設計主要依據坐姿的優點

當人站立時，人體的足踝、腰部、臀部和脊椎等關節部位受到靜肌力作用，以維持直立狀態，而坐時，可免除這些肌力，減少人體能耗，消除疲勞，坐姿態比站立更有利于血液循環，而且有利于保持身體的穩定。

目前，大多數辦公室人員、腦力勞動者、部分體力勞動者都采用坐姿工作。隨著技術的進步，愈來愈多的體力勞動者也將采取坐姿工作，因而工作坐椅設計和相關的坐姿分析日益成為人機工程學工作者和設計師們關注的研究課題。109/126工作椅設計主要依據脊柱結構—坐姿生理學712554110/126工作椅設計主要依據腰弧曲線—坐姿生理學從坐姿生理學角度，應保證腰弧曲線正常。111/126工作椅設計主要依據—坐姿生理學腰椎后突