人因工程第三章控制装置.pptx

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1、湖南科技大学工业工程系 吴海第七章1操纵控制器设计本章内容2湖南科技大学工业工程系控制器及其分类1控制器选择与设计的一般原则2控制器的编码方式3控制器的操作方向和用力4最佳的控制显示比576控制器和显示器布置原则控制器的选用与设计一、控制器及其分类一、控制器及其分类1定义：人用以将信息传递给机器，使之执行控制功能，实现调整、改变机器运行状态的装置，以及人通过自身感觉从控制器接收到完成操作所需要的某些反馈信息。2合理设计控制器的目的：提高人机系统的工作效率；提高操作者操作的准确性、速度、安全性；减少操作者紧张和疲劳。3控制器设计要考虑的因素：操作者的生理、心理、人体解剖和人体力学等特性。4湖南科

2、技大学工业工程系4控制器的分类（1）按操纵的身体部位：手动控制器、脚动控制器和声音控制器等；（2）按控制器的运动方式：旋转控制器、摆动控制器、按压控制器、滑动控制器和牵拉控制器，如图所示。 （3）按功能：开关类、转换类、调节类、紧急开关类； （4）按调节特征：离散型和连续型。5湖南科技大学工业工程系6湖南科技大学工业工程系基本类型动作类别举 例说 明旋转控制器旋转曲柄、手轮、旋钮、钥匙等控制器可以做360以下旋转。近似平移控制器摆动开关杆、调节杆、拨动式开关、脚踏板等控制器受力后，围绕旋转点或轴摆动，或者倾倒到一个或数个其他位置，通过反向调节可返回起始位置。平移控制器按压按钮、按键、键盘等控制

3、器受力后，在一个方向上运动。在施加的力被解除之前，停留在被压的位置上。通过反弹力可回到起始位置。滑动手闸、指拨滑块等控制器受力后，在一个方向上运动，并停留在运动后的位置上，只有在相同方向上继续向前推或者改变方向，才可使控制器做返回运动。牵拉拉环、拉手、拉钮控制器受力后，在一个方向上运动。回弹力可使其返回起始位置，或者用手使其在相反方向上运动。 按运动方式的控制器的分类按运动方式的控制器的分类7湖南科技大学工业工程系各类控制器的形状8湖南科技大学工业工程系9湖南科技大学工业工程系特征控制器种类离散调节连续调节旋转选择开关拇指轮 手按扭 脚按钮肘节开关连续旋钮拇指轮手轮曲柄踏板手柄能形成大力否否是

4、是是是将控制器置位需要时间中至快非常快快非常快推荐的控制位置（置位）数目3-243-24222-3控制器的位置和操作的空间要求中小小大小小至中小大中至大 大中至大偶发启动的可能性低低中高中中高高中中高控制运动的理想限度2700.33.8cm1.310.2cm120无限18060无限小45编码的有效性好差中至好差中好差中中差好常用控制器的特征比较常用控制器的特征比较二、控制器选用与设计的一般原则二、控制器选用与设计的一般原则 1使用控制器时常发生的主要错误： 辨别错误。对不同的控制器分辨不清而发生操作失误； 调节错误。把开关等活动部分移动到错误的位置，或忘记检查、未加固定，触动了处于正确位置的控

5、制器（偶发启动）； 逆转错误。把控制器移动到与要求相反的方向上去; 无意识引发。没加小心或或不注意造成的操作； 难以触及。控制器位置不合理，操作时需要大幅度改变身体姿势，影响控制速度和准确性。 在设计与选择控制器时，不仅要考虑其本身的功能、转速、能耗、耐久性及外观等，还必须考虑与操作者有关的人的因素方面的一些基本原则。 10湖南科技大学工业工程系2控制器选用与设计时所要考虑的一般原则控制器要利于操作，尽量减少或避免不必要的操作动作，保证系统工作效率。控制器的运动方向应与预期的功能方向相一致。控制器操纵部分的大小、形状及指向，必须便于把握和移动，外形应符合人手等部位的解剖学特征。控制器的移动范围

6、，要根据操作者的身体部位、活动范围和人体尺寸来确定。11湖南科技大学工业工程系2控制器选用与设计时所要考虑的一般原则控制器的阻力、惯性和转矩要适当，应在人的体力适宜范围内，要能避免无意识的操作而引起的危险,并确保安全。在控制器较多的情况下，要根据系统的运行程序、作用的顺序来配置，以保证安全、准确和迅速地进行操作。控制器的材质应符合卫生学要求，使触摸时安全和舒适。利用编码提高对控制器的辨别效率，避免发生混同，减少操作失误。一般采用形状、位置、大小、操作方法、颜色和标记等方式进行控制器编码。 13湖南科技大学工业工程系三、控制器的编码三、控制器的编码(P341)(P341) 在具有多个控制器的系统

7、中，为了提高操作者辨别控制器的效果，对控制器进行的合理编排称之为编码。编码方式主要有：形状、位置、大小、操作方法、颜色和标记等。每一种编码方式都有优点和弊端，往往把它们组合起来使用，以弥补各自的不足之处。控制器的编码1形状编码2位置编码3大小编码4操作方法编码5颜色编码6标记编码14湖南科技大学工业工程系1 1形状编码形状编码 定义：将不同功能的控制器，设计成不同的形状及表纹，便于操作者辨认，不易发生混淆。它是一种容易被视觉和触觉辨识的编码方式。 注意： 控制器的形状与它的功能有逻辑上的联系，以便于形象记忆；控制器的形状应能在不用视觉或必须戴手套的情况下，凭触觉也可分辨清楚。 表纹编码主要依赖

8、于触觉反馈识别。 图中可以看出控制器形状与其功能联系紧密、如起落架控制器形状如着陆的轮子，副翼开关则像飞机翅膀。形状独特，易于识别，能够减少误操作。 15湖南科技大学工业工程系飞机控制器形状编码示例飞机控制器形状编码示例16湖南科技大学工业工程系17湖南科技大学工业工程系a) b) c) d)返回18湖南科技大学工业工程系abc2 2位置编码位置编码 定义：通过安排不同位置来识别控制器的一种方式。 注意事项： 控制器可按视觉定位、盲视定位（指操作者即使不直接注视控制器也能正确操作），控制器之间需有更大的间距。 控制器位置分布，可按其功能组合排列； 同一种控制器放在相同位置上，各区之间用位置、形

9、状、颜色、标记等加以区分； 尽可能使控制器与显示器具有相对应的位置； 重要的控制器放在人肢体最佳活动范围内。19湖南科技大学工业工程系3 3大小编码大小编码 定义：通过控制器的尺寸大小不同来识别控制器的一种方式。 作用：这种编码可以为视觉和触觉提供信息。 缺点：人仅凭触觉识别大小的能力很低。如对圆形旋钮，若作相对辨认，大旋钮的直径至少比小旋钮大20%。若作绝对辨认，一般只用2至3种大小不同的控制器。因此，大小编码往往与形状编码等组合使用。大小编码可用于指示控制器的相对重要性。20湖南科技大学工业工程系21湖南科技大学工业工程系4 4颜色编码颜色编码 定义：利用颜色不同来识别控制器的一种方式。

10、颜色编码特别有利于视觉搜索作业。但人对颜色的识别能力有限，一般不过10余种，颜色过多容易混淆，不利于识别。常用的颜色有红、橙、黄、绿、蓝等。颜色编码一般不单独使用，往往与形状、位置、大小编码组合使用。同时应考虑与照明条件相匹配；色调、明度与彩度三者的关系；还要遵守颜色标准。22湖南科技大学工业工程系5 5标记编码标记编码 定义：是通过标注图形符号或文字来识别控制器的一种方式。 在控制器的上面或旁边，用符号或文字标明其功能，有助于提高识别效率。 注意： 若标注图形符号，应采用常规通用的标志符号，简明易辨； 若标注文字，应通俗易懂，简单明了，尽量避免用难懂的专业术语。 使用标记编码，需要一定的空间

11、位置和良好的照明条件，标记必须清晰可辨。23湖南科技大学工业工程系24湖南科技大学工业工程系6 6操作方法编码操作方法编码 定义：通过来自不同操作方法产生的运动觉差异来识别控制器的一种方式。 这种编码很少单独使用，作为与其他编码组合使用时的一种备用方式，以证实控制器最初的选择是否正确。它不能用于时间紧迫或准确度高的控制场合。为了有效地使用这种编码，需要使每个控制器的动作方向、移动量和阻力等有明显区别。25湖南科技大学工业工程系(二)控制器的外形结构手操纵控制器的六种方式如图14-16；对于手动控制器，其形状设计应考虑手的生理特点，如图14-17所示。27湖南科技大学工业工程系(三)控制器的阻力

12、操作反馈 操作者在操纵控制器的过程中，从控制器和自身获得的信息，协助操作者判定自身或身体一部分的空间位置、姿势及操作的情况。在手动控制中，操作者可以从眼睛、肩、手臂、手腕以及手指的活动过程得到反馈，告知操作者动作的距离、位置等。 反馈来源：第一是控制器的操作阻力；第二是肌肉的运动觉反馈。 控制器都有不同的内设阻力，操作时需要经常对其施力。操作者根据阻力的性质和大小，控制感觉的变化，可以保证操作的正确位置和平稳性；改变控制操作的精确度和速度；改变控制器对意外情况的敏感性等。28湖南科技大学工业工程系摩擦 力运动开始时阻力最大，此后显著降低，可用以减少控制器的偶发启动。但控制准确度低，不能提供控制

13、反馈信息。弹性阻力阻力与控制器位移距离成正比，可作为有用的反馈源。控制准确度高，放手时，控制器可自动返回零位，特别适用于瞬时触发或紧急停车等操作，可用以减少控制器的偶发启动。粘滞阻力阻力与控制运动的速度成正比。控制准确度高、运动速度均匀，能帮助稳定的控制，防止控制器的偶发启动。惯 性阻力与控制运动的加速度成正比例，能帮助稳定的控制，防止控制器的偶发启动。但惯性可阻止控制运动的速度和方向的快速变化，易引起控制器调节过度，也易引起操作者疲劳。(三)控制器的阻力29湖南科技大学工业工程系（三）控制器的阻力（三）控制器的阻力 (四)控制器的偶发启动防范措施： 1）将控制器安装在陷入控制板的凹槽内；2）

14、在控制器上加保护罩；3）将控制器安装在不易被碰撞的位置；4）使控制器的运动方向向着最不可能发生意外用力的方向；5）操作者必须连续做两种操作运动，才能使控制器被启动，而后一种操作运动与前一种操作运动的方向不同，以此将控制器锁定在位置上；6）一组控制器必须按正确的顺序操作时才能被启动，使控制器彼此之间具有连锁作用。如配电柜上的油开关和刀闸开关的操作顺序连锁；7）适当增大控制器的操作阻力。四、控制器的操作方向和用力四、控制器的操作方向和用力 1控制器与指针移动的组合关系 控制器操作与相关显示器的指针移动方向之间存在的固定关系。 控制器转动与指针移动方向的关系如图所示。对8种组合，通过测定被试者平均读

15、取误差进行评价，其中(b)误差最小，其次按(a)，(f)，(e)，(d)，(g)，(c)和(h)的次序增大。 31湖南科技大学工业工程系32湖南科技大学工业工程系33湖南科技大学工业工程系34湖南科技大学工业工程系2 2手轮的操作方向与功能手轮的操作方向与功能35湖南科技大学工业工程系减少或向左旋转增加或向右旋转一般控制器动作方向与功能一般控制器动作方向与功能功能控制器动作方向开关向右向左向上、升向下、降增加减小前进后退开车刹车向上、向右、向前、右转、拉出向下、向左、向后、左转、按进向右、右转向左、左转向上向下向前、向上、向右、右转向后、向下、向左、左转向上、向右向下、向左向上、向右、向前、右

16、转向下、向左、向后、左转36湖南科技大学工业工程系五、控制量与显示量的比率五、控制量与显示量的比率 控制/显示比(C/D)：指控制器的移动距离与显示器的运动部分动程的比率。控制器较大的移动引起显示元素较小的移动称为高C/D比，如5/1，表示控制器灵敏度较低。反之，则表示灵敏度较高。 控制/反应比(C/R)：指在没有显示器装置的系统中，控制器移动距离与系统输出量的比率。 例如：方向盘的转动与车身转弯程度，自行车龙头。 通过连续调节控制，把显示元素移动到目标位置，包括两个操作过程。（粗调）大幅度地移动控制器，将显示元素移到目标位置附近；（精调）仔细调节控制器，让显示元素对准目标位置。 最佳的C/D

17、比：使显示元素移到目标位置所需要的操作时间最短，也就是粗调与精调的时间之和为最少。 37湖南科技大学工业工程系38湖南科技大学工业工程系返回39湖南科技大学工业工程系C/DC/D比与操作时间比与操作时间总时间总时间= =粗调时间粗调时间+ +精调时间精调时间时间时间高高低低C/DC/D比比精调时间精调时间粗调时间粗调时间最佳最佳C/DC/D总时间总时间 影响最佳C/D比选择的因素。如显示器的大小，控制器的类型、观测距离以及允许误差范围等。 一般应根据设备的特性和要求，通过实验确定最佳的C/D比。 国际研究结果表明：旋钮的最佳控制/显示比与旋钮的直径无关，一般是0.2-0.8，操纵杆或手柄的最佳

18、C/D：2.5-4.0。 40湖南科技大学工业工程系-换4K显示器需要换鼠标吗？4K分辨率下鼠标DPI怎样调节？科普：鼠标DPI和屏幕分辨率的关系 DPI，鼠标在桌面上每移动1英寸（2.54厘米），鼠标指针在屏幕上移动像素点个数。如：800DPI的鼠标移动一英寸，在屏幕上就移动了800个像素点。如果显示器分辨率较高，而果鼠标DPI较低，那么用户需要移动较长的距离才能完成鼠标指针的定位，用户会觉得鼠标移动起来很费劲。同时鼠标的DPI不是越大越好，如果DPI过高，稍微一移动鼠标，指针就会移动大段距离，感觉鼠标指针很“飘”，很难定位精准定位。案例案例41湖南科技大学工业工程系-换4K显示器需要换鼠标

19、吗？4K分辨率下鼠标DPI怎样调节？19201080的显示器上，假如鼠标的DPI为1000，那么用户将鼠标从最左端移到最右端需要192010002.54（用显示器横向显示点数除以鼠标的DPI，所得值单位为英寸，由于1英寸2.54厘米，再乘以2.54即为鼠标要移动的厘米数）4.87厘米。如果屏幕分辨率猛增至38402160，那么用同样的鼠标完成同样的操作，只需要移动约9.75厘米，操作距离长了一倍，使得操作体验也会有明显的变化。案例案例42湖南科技大学工业工程系六、控制器的选用与设计六、控制器的选用与设计 1手动控制器 控制器的操纵大多都是由手来完成的。手动控制器的设计应符合手的人体测量学、生物

20、力学和生理学等方面的特性。 选用和设计手动控制器可引用： 国家标准GB/T 1477593，即操纵器一般人类工效学要求。43湖南科技大学工业工程系手控操纵器的设计手控操纵器的设计44湖南科技大学工业工程系45湖南科技大学工业工程系适宜的操纵力范围适宜的操纵力范围操纵器操纵器允许最大用力，允许最大用力，N N操纵器操纵器允许最大用力，允许最大用力，N N轻型按钮轻型按钮重型按钮重型按钮轻型转换开关轻型转换开关重重型转换开关型转换开关5 530304.54.52020前后向杠杆前后向杠杆左右向杠杆左右向杠杆手轮手轮方向盘方向盘150150130130150150150150转动部位与特征转动部位与

21、特征最大用力最大用力,N,N转转动部位与动部位与特特征征最最大用力大用力,N,N用手转动用手转动用手和前臂转动用手和前臂转动用用手手和和全全臂转动臂转动10102323 40408080 100100用手最快转动用手最快转动精确安装时的转动精确安装时的转动9 9 23232323 252546湖南科技大学工业工程系平稳旋转操纵的最大用力平稳旋转操纵的最大用力手控操纵器的最大用力手控操纵器的最大用力47湖南科技大学工业工程系名称尺寸,cm位移,cm阻力,N按钮开关指尖操作:Dmin=1.25拇指按压:Dmin=1.8x=0.31.252.8511.35定位旋钮 D=3.57.5h=25 视觉定位

22、:15盲目定位:30 1218操纵器的适宜尺寸举例 操纵器的适宜尺寸操纵器的适宜尺寸48湖南科技大学工业工程系 (1)旋钮 一种圆柱形控制器，用拇指和食指进行操作，使其转动到一定位置，可作精调、连续调节或旋转选择开关。 设计要求： 直径一般以5cm为宜，太小不易捏紧和旋转，过大又浪费时间。 如果在一个同心轴上安装三种组合旋钮，中间旋钮直径为5cm，则前一个直径应小于2.5cm，后一个直径应在8cm左右。中间和前面的旋钮厚度最好不小1.9cm，而后部的则应不小于0.6cm。 。49湖南科技大学工业工程系50湖南科技大学工业工程系51湖南科技大学工业工程系 (2)按钮 在一个方向操作的控制器。按钮

23、有三种类型：闭锁式(按一开，断一开)；瞬时式(按一开，断一关)；间歇式(按一开，按一关)。 按钮尺寸的大小，主要限制因素是手指的大小，一般食指按钮直径为10一20mm；拇指按钮为30mm；手掌按钮为50mm。按钮的阻力不能太小，以防止无意触动；但也不能太大，避免连续使用会产生疲劳。一般食指按钮阻力不小于2.85N；手掌按钮则不大于50N。 (3)开关 开关一般有两种：旋转开关和扳动开关。旋转开关可有多种分挡，使用挡次可设置324种。52湖南科技大学工业工程系53湖南科技大学工业工程系 a) b) c) d) e) f) (4)操纵杆 一种用较大的力操纵的控制器。其运动多为前后或左右推拉。适用于

24、在较小范围内快速精确调节。操纵杆的长度根据设定的位移量和操纵力决定。操纵角度在3060之间，不宜超过90。 操纵杆在任何方向上都应有一定的阻力。 操纵杆的支点应在手腕处，这样可使操作时手腕得到休息。 对于需要用力较大的操纵杆，为便于施力，手把的位置，对于立姿作业应与肩同高；对于坐姿作业应与肘同高，并应在操作者的臀部和脚部设置支撑，如图所示。 54湖南科技大学工业工程系55湖南科技大学工业工程系 2 2、脚控操纵装置的设计、脚控操纵装置的设计（1）应用场合需要较大操纵力，如F50150N；需要连续操作又不便用手；手的操作负荷太大，如汽车油门、制动控制等；一般用在坐姿且有靠背时。56湖南科技大学工

25、业工程系（2）适宜的操纵力 为防无意踩动，至少45N阻力（3）结构形式及尺寸设计长、宽、行程；布置位置57湖南科技大学工业工程系 效率：效率：187 178 176 140 171次次/min （4）操纵装置的选择 考虑： 人的操纵能力：速度、肌力、连续工作能力等； 操纵装置的功能、形状、布置、运动状态、经济因素等。58湖南科技大学工业工程系59湖南科技大学工业工程系60湖南科技大学工业工程系七、控制器和显示器布置原则七、控制器和显示器布置原则1监控板设计的一般注意事项监控板按不同功能分区，各区按位置、颜色、形状和图示等方法加以区别。重要的显示器和控制器设置在附近显眼的位置，以方便寻找、观察和

26、操作。监控板布置要考虑操作频率和使用时间。控制器操作方向与显示器移动方向应具有一致性。按操作的顺序配置装置。信号灯多时，应采用集中式布局。注意视距、视角、照明及防止眩光等影响因素。61湖南科技大学工业工程系62湖南科技大学工业工程系63湖南科技大学工业工程系 2控制器和显示器的布置 (1)控制器和显示器的布置原则 按重要程度布置。按照控制器或显示器对实现系统目标的重要程度布置。对于重要的控制器或显示器应安排在认读或操作最为方便的区域。 按使用频率布置。将使用频率高的显示器或控制器布置在操作者的最佳视区或最佳操作区域。 按功能布置。按照控制器或显示器的功能关系安排其位置。将功能相同或相关的控制器

27、和显示器，按其逻辑关系组合在一起。 按使用顺序布置。如果控制器或显示器是按一定使用顺序操作的，则控制器或显示器也应按同一顺序排列布置，以方便操作者的记忆和操作。顺序的安排应符合人的习惯定型。64湖南科技大学工业工程系 （2）最适视区的监控板布置 考虑了最佳视野区域的监控板形状如图所示。监控板分为上、中、下三部分。65湖南科技大学工业工程系66湖南科技大学工业工程系67湖南科技大学工业工程系本节课的思考题：一、控制器的含义及其分类，并举例说明。一、控制器的含义及其分类，并举例说明。二、控制器的设计原则。二、控制器的设计原则。三、控制器的编码，并举例说明。三、控制器的编码，并举例说明。四、操作反馈、控制四、操作反馈、控制/ /显示比，设计时如何选择。显示比，设计时如何选择。五、手动控制器的类型。五、手动控制器的类型。六、手机设计中的人因工程原理。六、手机设计中的人因工程原理。