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1、第五章,操纵装置设计,1,高等课堂,第三节 操纵装置设计中的人机学原则,2,高等课堂,3,高等课堂,4,高等课堂,5,高等课堂,6,高等课堂,7,高等课堂,8,高等课堂,肌肉的运动特征,收缩与放松,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,9,高等课堂,各种动作特征,a
2、.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。,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,10,高等课堂,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 ）,1）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
3、最差。,2.反复动作特征,例如：人用小锤钉钉子： 13 次/s （最快 ） 1.5 5 次/s （一般 ）,11,高等课堂,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%,平稳转动控制器的最大用力,12,高等课堂,特征编码与识别,形
4、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,13,高等课堂,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。,14,高等课堂,选择原则,15,高等课堂,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:,16,高等课堂,实验
5、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。,17,高等课堂, 操纵器编码尽可能与显示器编码相一致,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。,18,高等课堂,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。CD比高，,说明操纵显示系统灵敏度低， CD比低，灵敏度高。,对于最佳CD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。,旋钮最佳CD比为 0.2 0.8,操纵杆
6、最佳CD比为 2.5 4.0,19,高等课堂,第四节 操纵器的布置控制台设计,20,高等课堂,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1060度角；,以前臂运动转动的带轮手轮转动平面与前臂形成1090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1045度角；,21,高等课堂,22,高等课堂,23,高等课堂,24,高等课堂,25,高等课堂,一 、控制台的形式,控制台设计,26,高等课堂,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
7、。 即需计算干涉点的高度:,h =,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,27,高等课堂,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,28,高等课堂,标准控制台的尺寸,29,高等课堂,电子化办公
8、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,30,高等课堂,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：,31,高等课堂,演播厅,监测中心,广 电 系 统 控 制 室（台）,制作机房,32,高等课堂,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）,33,高等课堂,旋钮,供
9、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,第五节 常用操作器的人机学要素,旋转式操纵装置,34,高等课堂,35,高等课堂,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,36,高等课堂,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,旋转式控制器的适宜用力,不同直径的手轮、摇把适宜扭力,37,高等课堂,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
10、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,38,高等课堂,新式摇把的造型和尺寸,39,高等课堂,汽车空调控制器,汽车空调控制器,大指拨控制器,移动式操纵装置,40,高等课堂,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,手柄的适宜用力,41,高等课堂,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
11、，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。,42,高等课堂,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：,43,高等课堂,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：,44,高等课堂,操纵杆的长度与操纵的频率有
12、关：,形状设计,操纵杆执握柄的尺寸,操作杆,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,45,高等课堂,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,46,高等课堂,用力较小一般只有10 20 N 。,用力特征,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。,按键形式,按压式操纵器,47,高等课堂,48,高等课堂,停止、断电红；起动、通电绿；（也可白、灰、黑色）,盲打者左右手分,49,高等课堂,50,高等课堂,51,高等课堂,5
13、2,高等课堂,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,53,高等课堂,54,高等课堂,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,55,高等课堂,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：,手握式工具设计,56,高等课堂,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）,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
14、生多种上肢职业病。,57,高等课堂,一般原则,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 小等不适。, 避免掌部组织受压力杆工具。,58,高等课堂,女：6080mm 男：7090mm,59,高等课堂,60,高等课堂,61,高等课堂,利用虎口施力，避免掌部压力的把手设计,62,高等课堂, 避免掌部组织受压力：防碍血液在尺动脉的循环，引起局部缺血，导致 麻木、刺痛感。, 避免手指重复动作： 反复用食指操作扳机式控指器， 会导
15、致扳机指症状。,63,高等课堂,64,高等课堂,65,高等课堂,66,高等课堂,剪刀产品欣赏 注意把手的设计,园艺剪刀,直径,取决于工具的用途和手的尺寸：,着力抓握： 30 40 mm,精确抓握： 8 16mm,67,高等课堂,手握姿式,用力,精确,按钮的设计,长度,取决于手掌宽度的尺寸：,掌宽： 71 97 mm,把手长度： 100 125mm,68,高等课堂,69,高等课堂,70,高等课堂,71,高等课堂,72,高等课堂,73,高等课堂,74,高等课堂,控制特征,各形式的脚踏板操纵效率,脚动式操纵器,75,高等课堂,脚踏板的操纵方式：,脚踏操纵器的适宜用力：,脚的前端操作时 用力 60 N,用脚和腿同时操作时 用力 1200 N,76,高等课堂,脚动式操纵器,医用脚踏板,脚踏式点焊机,77,高等课堂,78,高等课堂,79,高等课堂,上下压柄把手,手握式压柄把手,80,高等课堂,幼儿自学进食餐具的设计,81,高等课堂,游戏控制器 特别注意手握的舒适度 以及按键使用的灵活度,82,高等课堂,这些按键都是经过精心考虑的，把手的孤度参照人机参数来设计,83,高等课堂,