人机工程学操作装置设计

1、 中国地质大学安全工程系 人机工程学 安全工程系 中国地质大学安全工程系 第五章操作装置设计第五章操作装置设计 中国地质大学安全工程系 第五章操作装置设计大纲第五章操作装置设计大纲 手足尺寸与人体关节活动手足尺寸与人体关节活动 操纵器设计的人机学原则操纵器设计的人机学原则 人体的施力与运动输出特性人体的施力与运动输出特性 常用操纵器的设计常用操纵器的设计 操纵器设计中的其它因素操纵器设计中的其它因素 中国地质大学安全工程系 本章重难点分析本章重难点分析 本章重点在于了解掌握手足尺寸与人体关节活本章重点在于了解掌握手足尺寸与人体关节活 动；控制器的类型以及其选择标准；控制器设计中动；控制器的类型

2、以及其选择标准；控制器设计中 的人机因素；把握控制器的编码方法，如：形状编的人机因素；把握控制器的编码方法，如：形状编 码、大小编码、位置编码等；要还介绍了一些典型码、大小编码、位置编码等；要还介绍了一些典型 控制器的设计以及握按钮、开关、方向盘以及操纵控制器的设计以及握按钮、开关、方向盘以及操纵 杆等的设计方法。杆等的设计方法。 人体的施力与运动输出特性作为高起专学生了人体的施力与运动输出特性作为高起专学生了 解的内容不做要求。解的内容不做要求。 中国地质大学安全工程系 第一节手足尺寸与人体关节活动第一节手足尺寸与人体关节活动 一、人体手足尺寸一、人体手足尺寸 二、人体关节的活动二、人体关节

3、的活动 中国地质大学安全工程系 1. 人体手足尺寸人体手足尺寸(a) 人在感知显示装置传示的信息以后，经大脑分人在感知显示装置传示的信息以后，经大脑分 析，作出判断，然后操纵机器的运行。在声控及其析，作出判断，然后操纵机器的运行。在声控及其 他非接触式智能控制技术充分发展以前，手足尤其他非接触式智能控制技术充分发展以前，手足尤其 是手动操纵，是主要的操纵方式。生活中的工具、是手动操纵，是主要的操纵方式。生活中的工具、 设施也多由手脚使用。因此，操纵装置和器物设计设施也多由手脚使用。因此，操纵装置和器物设计 中人的因素，主要是指手脚的操纵特性，包括人体中人的因素，主要是指手脚的操纵特性，包括人体

4、 手脚尺寸、肢体的施力与运动特性等。手脚尺寸、肢体的施力与运动特性等。 中国地质大学安全工程系 1. 人体手足尺寸人体手足尺寸(b) 人体手足尺寸是操纵器尺寸设计的基本依据。人体手足尺寸是操纵器尺寸设计的基本依据。 gbt l0000-1988给出了中国成年人的手部基本尺给出了中国成年人的手部基本尺 寸，和足部基本尺寸，参看图寸，和足部基本尺寸，参看图5-1、表、表5-1和图和图5-2、表、表 5-2。 中国地质大学安全工程系 图图51人体手部尺寸人体手部尺寸 图5-1 人体手部尺寸 中国地质大学安全工程系 表表51人体手部尺寸人体手部尺寸 (单位：单位：mm) 中国地质大学安全工程系 图图5

5、2人体足部尺寸人体足部尺寸 中国地质大学安全工程系 表表52人体足部尺寸人体足部尺寸 (单位：单位：mm) 中国地质大学安全工程系 2手部关节手部关节 2.1手部关节活动范围手部关节活动范围(a) 手部的关节活动可分为腕关节活动和指关节活手部的关节活动可分为腕关节活动和指关节活 动两种类型。动两种类型。 腕关节主要有两个自由度的活动：腕关节主要有两个自由度的活动：向手心或向手心或 手背方向的转动，分别称为掌侧屈、背侧屈，参看手背方向的转动，分别称为掌侧屈、背侧屈，参看 图图5-3a；向拇指或小手指方向的转动，分别称为向拇指或小手指方向的转动，分别称为 桡侧偏、尺侧偏。桡侧偏、尺侧偏。 中国地质

6、大学安全工程系 图图53腕关节的活动范围腕关节的活动范围(a) 掌侧屈和背侧屈掌侧屈和背侧屈 中国地质大学安全工程系 图图53腕关节的活动范围腕关节的活动范围(b) 桡侧偏桡侧偏 正中正中 尺侧偏尺侧偏 中国地质大学安全工程系 2.1手部关节活动范围手部关节活动范围(b) 与手掌相连的指关节有两个自由度的活动：手与手掌相连的指关节有两个自由度的活动：手 指握拳或伸开的伸屈活动；指间张开或并拢的张合指握拳或伸开的伸屈活动；指间张开或并拢的张合 活动。不与手掌相连的指关节只能作伸屈活动。活动。不与手掌相连的指关节只能作伸屈活动。 中国地质大学安全工程系 2.2人体的其他关节活动人体的其他关节活动

7、人体全身还有其他很多关节，这些关节的最大人体全身还有其他很多关节，这些关节的最大 活动范围和能轻松舒适调节的范围参看表活动范围和能轻松舒适调节的范围参看表5-3。表列。表列 数值适用于一般情况。年岁较高者，或衣着较厚者，数值适用于一般情况。年岁较高者，或衣着较厚者， 关节活动范围有所减少。关节活动范围有所减少。 中国地质大学安全工程系 表表53人体主要关节的最大活动范围和能舒人体主要关节的最大活动范围和能舒 适调节的范围适调节的范围(a) 中国地质大学安全工程系 表表53人体主要关节的最大活动范围和能舒人体主要关节的最大活动范围和能舒 适调节的范围适调节的范围(b) 中国地质大学安全工程系 第

8、二节人体的施力与运动输出特性第二节人体的施力与运动输出特性 一、人体的肌力及其影响因素一、人体的肌力及其影响因素 二、反应时和运动时二、反应时和运动时 三、肢体的运动输出特性三、肢体的运动输出特性 中国地质大学安全工程系 1. 人体的肌力及其影响因素人体的肌力及其影响因素 1 人体主要部位的肌肉力量人体主要部位的肌肉力量 2.坐姿的手臂操作力坐姿的手臂操作力 3.立姿的手臂操纵力立姿的手臂操纵力 4.握力握力 5.坐姿的脚蹬力坐姿的脚蹬力 中国地质大学安全工程系 1.1 人体主要部位的肌肉力量人体主要部位的肌肉力量(a) 人体施力均来源于人体肌肉收缩所产生的力量，人体施力均来源于人体肌肉收缩所

9、产生的力量， 称为肌力。决定肌力大小的主要生理因素是：称为肌力。决定肌力大小的主要生理因素是： 单条肌纤维的收缩力；单条肌纤维的收缩力； 该部位肌肉中肌纤维的数量和体积；该部位肌肉中肌纤维的数量和体积； 肌肉收缩前的初长度；肌肉收缩前的初长度； 中枢神经的机能状态；中枢神经的机能状态； 肌肉对骨骼发生作用的机械条件，等等。肌肉对骨骼发生作用的机械条件，等等。 中国地质大学安全工程系 1.1 人体主要部位的肌肉力量人体主要部位的肌肉力量(b) 从上面所述可知，影响肌力大小的生理因素是从上面所述可知，影响肌力大小的生理因素是 复杂的。经测定，复杂的。经测定，2030岁中等体力的男女青年主岁中等体力

10、的男女青年主 要部位的肌力数值如表要部位的肌力数值如表5-4所示。所示。 一般女性的肌力比男性低一般女性的肌力比男性低2030。右利者。右利者 右手肌力比左手约高右手肌力比左手约高l0；左利者左手肌力比右手约；左利者左手肌力比右手约 高高67。 中国地质大学安全工程系 表表54身体主要部位肌肉能产生的力值身体主要部位肌肉能产生的力值 中国地质大学安全工程系 1.2 人体主要部位的肌肉力量人体主要部位的肌肉力量_操纵力操纵力 在工作和生活中，人们使用器械、操纵机器所在工作和生活中，人们使用器械、操纵机器所 使用的力称为操纵力。操纵力主要是肢体的臂力、使用的力称为操纵力。操纵力主要是肢体的臂力、

11、握力、指力、腿力或脚力，有时也用到腰力、背力握力、指力、腿力或脚力，有时也用到腰力、背力 等躯干的力量。操纵力与施力的人体部位、施力方等躯干的力量。操纵力与施力的人体部位、施力方 向和指向向和指向(转向转向)，施力时人的体位姿势、施力的位置，施力时人的体位姿势、施力的位置 以及施力时对速度、频率、耐久性、准确性的要求以及施力时对速度、频率、耐久性、准确性的要求 等多种因素有关，详尽全面的描述是很复杂的。等多种因素有关，详尽全面的描述是很复杂的。 中国地质大学安全工程系 1.3坐姿的手臂操作力坐姿的手臂操作力 对于中等体力的男子对于中等体力的男子(右利者右利者)，坐姿下手臂在不，坐姿下手臂在不

12、同角度、不同指向上的操纵力，可对照参看图同角度、不同指向上的操纵力，可对照参看图5-4和和 表表5-5。 中国地质大学安全工程系 图图54坐姿手臂操纵力的测试方位和指向坐姿手臂操纵力的测试方位和指向 中国地质大学安全工程系 表表55坐姿的手臂操纵力坐姿的手臂操纵力 表表5-5坐姿的手臂操纵力坐姿的手臂操纵力(中等体力的男子，右利者中等体力的男子，右利者) 中国地质大学安全工程系 1.3.1坐姿的手臂操作力表坐姿的手臂操作力表5-5分析分析 分析表分析表5-5中的数据，可以看出：中的数据，可以看出：在前后方向在前后方向 和左右方向上，都是向着身体方向的操纵力大于背和左右方向上，都是向着身体方向的

13、操纵力大于背 离身体方向的操纵力；离身体方向的操纵力；在上下方向上，向下的操在上下方向上，向下的操 纵力一般大于向上的操纵力。表纵力一般大于向上的操纵力。表5-5是测试右利男子是测试右利男子 所得数据，所以右手操纵力大于左手操纵力；对于所得数据，所以右手操纵力大于左手操纵力；对于 左利者，情况应该相反。左利者，情况应该相反。 中国地质大学安全工程系 1.3.2立姿的手臂操纵力立姿的手臂操纵力(a) 立姿屈臂操纵力的一项测试实验结果如图立姿屈臂操纵力的一项测试实验结果如图5-5所所 示。实验研究了立姿屈臂从手钩向肩部方向的操纵示。实验研究了立姿屈臂从手钩向肩部方向的操纵 力与前臂、上臂问夹角的关

14、系，从图中可以看出：力与前臂、上臂问夹角的关系，从图中可以看出： 前臂上臂间夹角约为前臂上臂间夹角约为70。时，具有最大的操纵力。时，具有最大的操纵力。 像风镐、凿岩机之类需手持的较重器具，大型闸门像风镐、凿岩机之类需手持的较重器具，大型闸门 开启装置等设施的设计时，都应注意适应人体屈臂开启装置等设施的设计时，都应注意适应人体屈臂 操纵力的这种特性。操纵力的这种特性。 中国地质大学安全工程系 1.3.2立姿的手臂操纵力立姿的手臂操纵力(b) 在图在图5-6a所示立姿、前臂基本水平的姿势下，所示立姿、前臂基本水平的姿势下， 男子、女子的平均瞬时向后的拉力分别可达约男子、女子的平均瞬时向后的拉力分

15、别可达约690n 和和380n；男子连续操作的向后拉力约为；男子连续操作的向后拉力约为300n；向前；向前 的推力比向后的拉力小一些。在图的推力比向后的拉力小一些。在图46b所示内外方所示内外方 向的拉推，则向内的推力大于向外的拉力，男子平向的拉推，则向内的推力大于向外的拉力，男子平 均瞬时推力可达约均瞬时推力可达约395n。 中国地质大学安全工程系 图图55立姿屈臂操纵力的分布立姿屈臂操纵力的分布 中国地质大学安全工程系 图图56立姿、前臂在水平面两方向上的推力立姿、前臂在水平面两方向上的推力 a)前后方向的推拉前后方向的推拉 b)内外方向的推拉内外方向的推拉 a b 中国地质大学安全工程系

16、 1.4握力握力(a) 在两臂自然下垂、手掌向内在两臂自然下垂、手掌向内(即手掌朝向大腿即手掌朝向大腿)执执 握握力器的条件下测试，一般男子优势手的握力约握握力器的条件下测试，一般男子优势手的握力约 为自身体重的为自身体重的4758；女子约为自身体重的；女子约为自身体重的40 48。但年轻人的瞬时最大握力常高于这个水。但年轻人的瞬时最大握力常高于这个水 平。非优势手的握力小于优势手。若手掌朝上测试，平。非优势手的握力小于优势手。若手掌朝上测试， 握力值增大一些；手掌朝下测试，握力值减小一些。握力值增大一些；手掌朝下测试，握力值减小一些。 中国地质大学安全工程系 1.4握力握力(b) 人体所有的

17、施力状态下，力量的大小都与持续人体所有的施力状态下，力量的大小都与持续 的时间有关。随着施力持续时间加长，力量逐渐减的时间有关。随着施力持续时间加长，力量逐渐减 小。例如某些类型的肌力持续到小。例如某些类型的肌力持续到4min时，就会衰减时，就会衰减 到最大值的到最大值的14左右；且肌力衰减到最大值左右；且肌力衰减到最大值12所所 经历的持续时间，对多数人是基本相同的。经历的持续时间，对多数人是基本相同的。 中国地质大学安全工程系 1.5坐姿的脚蹬力坐姿的脚蹬力(a) 在有靠背的座椅上，由于靠背的支撑，可以发挥在有靠背的座椅上，由于靠背的支撑，可以发挥 较大的脚蹬操纵力。脚蹬操纵力的大小与施力

18、点位置、较大的脚蹬操纵力。脚蹬操纵力的大小与施力点位置、 施力方向有关，一项实测的结果见图施力方向有关，一项实测的结果见图5-7。 中国地质大学安全工程系 图图47坐姿下不同侧视体位的脚蹬力坐姿下不同侧视体位的脚蹬力 该图是坐姿下不同侧视体位脚蹬力的分布情况；该图是坐姿下不同侧视体位脚蹬力的分布情况； 中国地质大学安全工程系 1.5坐姿的脚蹬力坐姿的脚蹬力(b) 由于靠背对接近水平的施力方向能提供最有利由于靠背对接近水平的施力方向能提供最有利 的支撑，所以能够达到最大的脚蹬操纵力。但工作的支撑，所以能够达到最大的脚蹬操纵力。但工作 时把脚举得过高，腿部肌肉将难以长久坚持；因此时把脚举得过高，腿

19、部肌肉将难以长久坚持；因此 实际上图实际上图5-7中粗线箭头所画、与铅垂线约成中粗线箭头所画、与铅垂线约成70的的 方向才是最适宜的脚蹬方向。此时大腿并不完全水方向才是最适宜的脚蹬方向。此时大腿并不完全水 平，而是前端膝部略有上抬，大小腿在膝部的夹角平，而是前端膝部略有上抬，大小腿在膝部的夹角 在在140l50之间。从俯视的方向来看，腿的蹬踩之间。从俯视的方向来看，腿的蹬踩 方向偏离正前方方向偏离正前方l5以上，脚蹬操纵力就大幅度减小，以上，脚蹬操纵力就大幅度减小， 操作灵敏度也明显降低。操作灵敏度也明显降低。 中国地质大学安全工程系 2. 反应时和运动时反应时和运动时 从汽车驾驶者发现障碍，

20、到完成一定操作，例从汽车驾驶者发现障碍，到完成一定操作，例 如转动转向盘急速转向避让，或脚踩制动器立即制如转动转向盘急速转向避让，或脚踩制动器立即制 动，这段时间实际上由两个时间段构成：第一个时动，这段时间实际上由两个时间段构成：第一个时 间段是感知的时间，称为反应时；第二个时间段是间段是感知的时间，称为反应时；第二个时间段是 动作的时间，称为运动时。人机系统中其他各种操动作的时间，称为运动时。人机系统中其他各种操 作的时间均由这样两部分构成。作的时间均由这样两部分构成。 中国地质大学安全工程系 2.1反应时反应时(a) 反应时指从刺激呈现，到人开始作出外部反应反应时指从刺激呈现，到人开始作出

21、外部反应 的时间间隔，也称为反应潜伏期。这实际是如下知的时间间隔，也称为反应潜伏期。这实际是如下知 觉过程所经历的全部时间：感觉器官接收外界刺激，觉过程所经历的全部时间：感觉器官接收外界刺激， 刺激经由传人神经传至大脑神经中枢，神经中枢综刺激经由传人神经传至大脑神经中枢，神经中枢综 合处理发出反应指令，指令经由传出神经传至肌肉，合处理发出反应指令，指令经由传出神经传至肌肉， 直至肌肉收缩开始反应运动。直至肌肉收缩开始反应运动。 中国地质大学安全工程系 2.1反应时反应时_影响反应时主客体因素影响反应时主客体因素(b) 影响反应时的有人的主体因素，也有刺激的各影响反应时的有人的主体因素，也有刺激

22、的各 种客体因素种客体因素 1简单反应时、辨别反应时与选择反应时简单反应时、辨别反应时与选择反应时 2刺激类型与反应时刺激类型与反应时 3刺激强度与反应时刺激强度与反应时 4刺激的对比度与反应时刺激的对比度与反应时 5人的主体因素与反应时人的主体因素与反应时 分述如下分述如下: 中国地质大学安全工程系 2.1.1简单反应时、辨别反应时与选择反应简单反应时、辨别反应时与选择反应(a) 如果呈现的刺激只有一个，要求接受刺激者作如果呈现的刺激只有一个，要求接受刺激者作 出的反应也是一个，且两者都是固定不变的，这种出的反应也是一个，且两者都是固定不变的，这种 条件下的反应时称为简单反应时。条件下的反应

23、时称为简单反应时。 中国地质大学安全工程系 2.1.1简单反应时、辨别反应时与选择反应简单反应时、辨别反应时与选择反应(b) 如果呈现的刺激可能多于一种，要求刺激接受如果呈现的刺激可能多于一种，要求刺激接受 者只对其中特定刺激作出反应，而对其他刺激不作者只对其中特定刺激作出反应，而对其他刺激不作 反应，且即将出现哪种刺激事先并不知道，这种条反应，且即将出现哪种刺激事先并不知道，这种条 件下的反应时称为辨别反应时。件下的反应时称为辨别反应时。 中国地质大学安全工程系 2.1.1简单反应时、辨别反应时与选择反应简单反应时、辨别反应时与选择反应(c) 如果可能呈现的刺激不止一种，要求接受刺激如果可能

24、呈现的刺激不止一种，要求接受刺激 者对不同的刺激作出一一对应的不同反应，且即将者对不同的刺激作出一一对应的不同反应，且即将 出现哪种刺激事先并不知道，这种条件下的反应时出现哪种刺激事先并不知道，这种条件下的反应时 称为选择反应时。称为选择反应时。 中国地质大学安全工程系 2.1.1简单反应时、辨别反应时与选择反应简单反应时、辨别反应时与选择反应(d) 三种反应时中，简单反应时最短，辨别反应时三种反应时中，简单反应时最短，辨别反应时 次之，而选择反应时因为既要辨别刺激种类，又要次之，而选择反应时因为既要辨别刺激种类，又要 确定相应的反应形式，所以时间最长。辨别反应时确定相应的反应形式，所以时间最

25、长。辨别反应时 和选择反应时都随可能呈现的刺激数目增多而延长。和选择反应时都随可能呈现的刺激数目增多而延长。 表表5-6是刺激数目对辨别反应时影响的一项测试结果。是刺激数目对辨别反应时影响的一项测试结果。 中国地质大学安全工程系 表表46关于辨别反应时与刺激数目相关性的关于辨别反应时与刺激数目相关性的 一项测试结果一项测试结果 刺激数目刺激数目12345678910 变别反应变别反应 时时ms 187316364 434 485 532 570 603 619 622 中国地质大学安全工程系 2.1.2刺激类型与反应时刺激类型与反应时(a) 反应时随刺激类型即接受刺激的感觉器官不同反应时随刺激

26、类型即接受刺激的感觉器官不同 而不同。各种感觉器官对应的简单反应时一般范围而不同。各种感觉器官对应的简单反应时一般范围 见表见表5-7。 中国地质大学安全工程系 表表57各种刺激类型各种刺激类型(感觉器官感觉器官)的简单反应的简单反应 时范围时范围 刺激类型刺激类型 触觉触觉 (触压、触压、 冷热冷热) 听觉听觉 (声音声音) 视觉视觉 (光色光色) 嗅觉嗅觉 (物质物质 微粒微粒) 味觉味觉 (唾液唾液 可溶物可溶物) 深部感深部感 觉觉(撞撞 击、重击、重 力力) 感觉器官感觉器官 皮肤、皮肤、 皮下皮下 组织组织 耳朵耳朵眼腈眼腈鼻子鼻子舌头舌头 肌肉神肌肉神 经和关经和关 节节 简单反

27、应简单反应 时时ms 110 230 120 l60 150 200 210 390 330 ll00 400 1000 中国地质大学安全工程系 2.1.2刺激类型与反应时刺激类型与反应时(b) 从表从表5-7可以看出，触觉、听觉和视觉反应时比可以看出，触觉、听觉和视觉反应时比 较短，味觉和深部感觉反应时比较长。另外触觉反较短，味觉和深部感觉反应时比较长。另外触觉反 应时与接受刺激的人体部位有关，脸部、手指的反应时与接受刺激的人体部位有关，脸部、手指的反 应时短，腿部脚部的反应时长。味觉反应时中，对应时短，腿部脚部的反应时长。味觉反应时中，对 咸、甜、酸的反应时分别约为咸、甜、酸的反应时分别约

28、为308ms、446ms和和 536ms，而对苦的反应时则长得多，约为，而对苦的反应时则长得多，约为1082ms。 中国地质大学安全工程系 2.1.3刺激强度与反应时刺激强度与反应时(a) 人的听觉能够感受到的最弱的声音称为人的听觉能够感受到的最弱的声音称为“听听 阈阈”。其实任何一种外界刺激都要达到一定的强度。其实任何一种外界刺激都要达到一定的强度 才能被人感受到，这一强度下的刺激量值称为该种才能被人感受到，这一强度下的刺激量值称为该种 感觉的感觉阈值。感觉的感觉阈值。 中国地质大学安全工程系 2.1.3刺激强度与反应时刺激强度与反应时(b) 反应时与刺激的强度有关，一般的变化规律是：反应时

29、与刺激的强度有关，一般的变化规律是： 刺激很弱、刚刚达到阈值的条件下，反应时比正常刺激很弱、刚刚达到阈值的条件下，反应时比正常 值长得多；随着刺激强度加大，反应时逐渐缩短，值长得多；随着刺激强度加大，反应时逐渐缩短， 但变化越来越小；到达一定的刺激强度以后，反应但变化越来越小；到达一定的刺激强度以后，反应 时就基本稳定不再缩短了。对比表时就基本稳定不再缩短了。对比表5-8中不同强度声中不同强度声 刺激的反应时，可以看出这一变化规律。刺激的反应时，可以看出这一变化规律。 中国地质大学安全工程系 表表58刺激强度与反应时的关系刺激强度与反应时的关系 刺激类型刺激类型 刺激强度刺激强度 简单反应时简

30、单反应时ms 听觉声刺激听觉声刺激 刚超过阈值刚超过阈值 较弱的强度较弱的强度 中等强度中等强度 779 184 119 视觉光刺激视觉光刺激弱光照弱光照 强光照强光照 205 162 中国地质大学安全工程系 2.1.4刺激的对比度与反应刺激的对比度与反应时时 除了刺激本身的强度以外，反应时还受刺激量除了刺激本身的强度以外，反应时还受刺激量 值与背景量值对比度的影响，这种对比度常直接关值与背景量值对比度的影响，这种对比度常直接关 系到刺激的可辨性。系到刺激的可辨性。 例如同样的声刺激，因背景噪声的强度、频率例如同样的声刺激，因背景噪声的强度、频率 不同而有不同可辨性，反应时也随之不同。视觉刺不

31、同而有不同可辨性，反应时也随之不同。视觉刺 激中，刺激颜色与背景色的对比影响刺激的可辨性，激中，刺激颜色与背景色的对比影响刺激的可辨性， 因而也影响反应时，一项测试结果见表因而也影响反应时，一项测试结果见表5-9。从表。从表5-9 可以看出，红一橙颜色对比下反应时较长，原因不可以看出，红一橙颜色对比下反应时较长，原因不 难理解，是因为这两种刺激的对比较弱。难理解，是因为这两种刺激的对比较弱。 中国地质大学安全工程系 表表59颜色对比对反应时的影响颜色对比对反应时的影响 颜色对比颜色对比 白一黑白一黑 红一绿红一绿 红一黄红一黄 红一橙红一橙 简单反应简单反应 时时ms 197 208 217

32、246 影响反应时的其他刺激因素还有：刺激持续的影响反应时的其他刺激因素还有：刺激持续的 时间，是否有预备信号等。时间，是否有预备信号等。 中国地质大学安全工程系 2.1.5人的主体因素与反应人的主体因素与反应时时 影响反应时的人的主体方面，有先天性的个体影响反应时的人的主体方面，有先天性的个体 差异，当时的状况和培训造成的差异等几方面。先差异，当时的状况和培训造成的差异等几方面。先 天性的个体差异来源于素质、性别、个性等因素；天性的个体差异来源于素质、性别、个性等因素； 当时状况指年龄、健康状况、疲劳状况、情绪、生当时状况指年龄、健康状况、疲劳状况、情绪、生 理节律等状态；培训对反应时的影响

33、更是明显，驾理节律等状态；培训对反应时的影响更是明显，驾 驶汽车、打字、速记等工作都可以通过培训减少反驶汽车、打字、速记等工作都可以通过培训减少反 应时，从而有效地提高工作效率。应时，从而有效地提高工作效率。 中国地质大学安全工程系 2.2运动时运动时 运动时指从人的外部反应运动开始到运动完成运动时指从人的外部反应运动开始到运动完成 的时间间隔。运动时的时间组成，也包含着神经传的时间间隔。运动时的时间组成，也包含着神经传 导时间、肌肉活动时间及两者交互的时间等部分。导时间、肌肉活动时间及两者交互的时间等部分。 由于知觉和运动是人体两种性质不同的过程，所以由于知觉和运动是人体两种性质不同的过程，

34、所以 反应时和运动时之间没有显著的相关性。反应时和运动时之间没有显著的相关性。 中国地质大学安全工程系 2.2.1运动时受人体运动的影响因素运动时受人体运动的影响因素 运动时随着人体运动部位、运动形式、运动距离、运动时随着人体运动部位、运动形式、运动距离、 阻力、准确度、难度等的不同而不同，影响因素非常多。阻力、准确度、难度等的不同而不同，影响因素非常多。 通常作为通常作为“人体功能人体功能”基础数据进行测试的，只是最简基础数据进行测试的，只是最简 单的运动，例如用手按压或触摸身体前方不远的某物、单的运动，例如用手按压或触摸身体前方不远的某物、 某点；而这对于操纵装置设计的应用显然是不够的。某

35、点；而这对于操纵装置设计的应用显然是不够的。 中国地质大学安全工程系 2.2.2运动时受实际操纵运动的影响因素运动时受实际操纵运动的影响因素 运动时受实际操纵运动影响因素的情况很复杂，运动时受实际操纵运动影响因素的情况很复杂， 各种不同的操作类型和操作要求，运动部位、形式、各种不同的操作类型和操作要求，运动部位、形式、 距离、阻力、要求的准确度、难度都不相同，例如距离、阻力、要求的准确度、难度都不相同，例如 单单就旋转旋钮而言，由于旋钮尺寸、阻力、安放单单就旋转旋钮而言，由于旋钮尺寸、阻力、安放 位置、要求调节准确度等条件不同，操作运动时间位置、要求调节准确度等条件不同，操作运动时间 就大有差

36、异。所以各种操作运动的时间一般不作为就大有差异。所以各种操作运动的时间一般不作为 人体功能基础数据、而属于操纵设计中肢体运动输人体功能基础数据、而属于操纵设计中肢体运动输 出数据的范围。出数据的范围。 中国地质大学安全工程系 3. 肢体的运动输出特性肢体的运动输出特性 肢体运动的输出特性包括： 1、运动速度与频率 2、运动准确性及其影响因素 中国地质大学安全工程系 3.1运动速度与频率运动速度与频率 与肢体运动速度、频率有关的因素较多，下面与肢体运动速度、频率有关的因素较多，下面 就人体运动部位、运动形式、运动方向、阻力就人体运动部位、运动形式、运动方向、阻力(阻力阻力 矩矩)、运动轨迹等因素

37、的影响，各举一些实测数据的、运动轨迹等因素的影响，各举一些实测数据的 例子来作简要说明。例子来作简要说明。 中国地质大学安全工程系 3.1.1人体运动部位、运动形式与运动速度人体运动部位、运动形式与运动速度 表表5-10给出了主要人体部位完成一次简单运动给出了主要人体部位完成一次简单运动 最少平均时间的参考数据。从这些数据的对比，可最少平均时间的参考数据。从这些数据的对比，可 以了解人体不同部位、不同形式和条件下运动时问以了解人体不同部位、不同形式和条件下运动时问 的相对差异。但与具体运动距离、运动角度、阻力、的相对差异。但与具体运动距离、运动角度、阻力、 阻力矩有关的运动时间数据，尚需查阅详

38、尽的资料阻力矩有关的运动时间数据，尚需查阅详尽的资料 或进行实测研究。或进行实测研究。 中国地质大学安全工程系 表表510人体完成一次动作的最少平均时间人体完成一次动作的最少平均时间 人体运动部位人体运动部位 运动形式和条件运动形式和条件 最少平均时间最少平均时间ms 手手 直线运动抓取直线运动抓取 曲线运动抓取曲线运动抓取 极微小的阻力矩旋转极微小的阻力矩旋转 有一定的阻力矩旋转有一定的阻力矩旋转 70 220 220 720 腿脚腿脚 向前方、极小阻力踩踏向前方、极小阻力踩踏 向前方、一定阻力踩踏向前方、一定阻力踩踏 向侧方、一定阻力踩踏向侧方、一定阻力踩踏 360 720 7201460

39、 躯干躯干 向前或后弯曲向前或后弯曲 向左或右侧弯向左或右侧弯 720l620 1260 中国地质大学安全工程系 3.1.2运动方向与运动速度运动方向与运动速度(a) 由于人体结构的原因，人的肢体在某些方向上由于人体结构的原因，人的肢体在某些方向上 的运动快于另一些方向。一个测试实验的情况和结的运动快于另一些方向。一个测试实验的情况和结 果如图果如图5-8所示所示 中国地质大学安全工程系 图图58右手在水平面内右手在水平面内8个方向上运动时间个方向上运动时间 的对比的对比 中国地质大学安全工程系 3.1.2运动方向与运动速度运动方向与运动速度(b) 从水平平面上某定点起始，用右手向从水平平面上

40、某定点起始，用右手向8个方向上个方向上 的的8个等距离的点运动；个等距离的点运动；8个方向分别是：从正右方个方向分别是：从正右方 的的0方向开始，每隔方向开始，每隔45作为一个方向。测定不同作为一个方向。测定不同 方向上的平均运动时间，成比例地以到中心点的距方向上的平均运动时间，成比例地以到中心点的距 离用黑圆点标定在该方向上，得到离用黑圆点标定在该方向上，得到8 个黑点；这个黑点；这8个个 点可连接成一个椭圆，椭圆的短轴大约在点可连接成一个椭圆，椭圆的短轴大约在55 235的方向上，长轴大约在的方向上，长轴大约在145325 的方向上，的方向上， 如图如图48中两条互相垂直的虚线所标示。中两

41、条互相垂直的虚线所标示。 中国地质大学安全工程系 3.1.2运动方向与运动速度运动方向与运动速度(c) 这表明，右手在这表明，右手在55235方向，即在方向，即在“右上右上 一左下一左下”方向运动较快；而在方向运动较快；而在145325方向，方向， 即在即在“左上一右下左上一右下”方向运动较慢。应该说，这一方向运动较慢。应该说，这一 结果从生物力学来看是不难理解的。结果从生物力学来看是不难理解的。 中国地质大学安全工程系 3.1.3运动负荷与运动速度运动负荷与运动速度 肢体各种运动的速度都随运动中阻力的增大而肢体各种运动的速度都随运动中阻力的增大而 减小。表减小。表5-11所列数据是反映这种关

42、系的一个例子：所列数据是反映这种关系的一个例子： 掌心向上持握一个物体，在物体的三个不同质量等掌心向上持握一个物体，在物体的三个不同质量等 级下，测定记录手掌旋转一定角度所需要的时间。级下，测定记录手掌旋转一定角度所需要的时间。 中国地质大学安全工程系 表表511不同持握质量下手掌的转动角度与不同持握质量下手掌的转动角度与 转动时间转动时间 (单位：单位：ms) 持握的质量持握的质量kg 30 60 90 120 150 180 0.9110150190240290340 1.04.5160230310380460550 4.6163004405807308701020 中国地质大学安全工程系

43、 3.1.4运动轨迹与运动速度运动轨迹与运动速度1) 基于人体构造的原因，运动轨迹对运动速度的基于人体构造的原因，运动轨迹对运动速度的 影响有以下几点：影响有以下几点： 1)人手在水平面内的运动快于铅垂面内的运动；人手在水平面内的运动快于铅垂面内的运动； 前后的纵向运动快于左右的横向运动；从上往下的前后的纵向运动快于左右的横向运动；从上往下的 运动快于从下往上；顺时针转向的运动快于逆时针运动快于从下往上；顺时针转向的运动快于逆时针 转向。转向。 中国地质大学安全工程系 3.1.4运动轨迹与运动速度运动轨迹与运动速度2) 2)人手向着身体方向的运动人手向着身体方向的运动(向里拉向里拉)比背离身体

44、比背离身体 方向的运动方向的运动(向外推向外推) 准确度高。多数右利者右手向准确度高。多数右利者右手向 右的运动快于左手向左运动，多数左利者左手向左右的运动快于左手向左运动，多数左利者左手向左 的运动快于右手向右运动。的运动快于右手向右运动。 中国地质大学安全工程系 3.1.4运动轨迹与运动速度运动轨迹与运动速度 3)、 4) 3)单手可以在此手一侧偏离正中单手可以在此手一侧偏离正中60的范围之内的范围之内 较快地自如运动，见图较快地自如运动，见图5-9a；而双手同时运动，则；而双手同时运动，则 只在正中左右各只在正中左右各30 的范围以内能较快地自如运动，的范围以内能较快地自如运动， 见图见

45、图5-9b。当然，正中方向及其附近是单手和双手。当然，正中方向及其附近是单手和双手 能较快自如运动的区域，见图能较快自如运动的区域，见图5-9c。 4)连续改变方向的曲线运动快于突然改变方向连续改变方向的曲线运动快于突然改变方向 的折线运动。的折线运动。 中国地质大学安全工程系 图图59单手与双手能较快自如运动的区域单手与双手能较快自如运动的区域 中国地质大学安全工程系 3.1.5运动频率运动频率 人体各部位的运动频率也是人机工程设计关注的人体各部位的运动频率也是人机工程设计关注的 数据。表数据。表5-12是人体不同部位、几种常用操作动作是人体不同部位、几种常用操作动作 能够达到的最高频率。能

46、够达到的最高频率。 表列数据对应的条件是：运动阻力表列数据对应的条件是：运动阻力(或阻力矩或阻力矩) 极为微小，运动行程极为微小，运动行程(或转动角度或转动角度)很小，由优势手或很小，由优势手或 优势脚进行测试。表列数据是一般人运动能达到的优势脚进行测试。表列数据是一般人运动能达到的 上限值，工作时适宜的操作频率应该小于这个数值，上限值，工作时适宜的操作频率应该小于这个数值， 长时问工作的操作频率只能更小。长时问工作的操作频率只能更小。 中国地质大学安全工程系 表表512人体各部位的最高运动频率人体各部位的最高运动频率 运动部运动部 位位 运动形运动形 式式 最高最高 频率频率 运动部运动部

47、位位 运动形式运动形式 最高频最高频 率率 小指小指敲击敲击3.7手手旋转旋转4.8 无名指无名指敲击敲击4.1前臂前臂伸屈伸屈4.7 中指中指敲击敲击4.6上臂上臂前后摆动前后摆动3.7 食指食指敲击敲击4.7脚脚 以脚跟为支点以脚跟为支点 蹬踩蹬踩 5.7 手手拍打拍打9.5脚脚抬放抬放5.8 手手推压推压6.7 (单位：次单位：次s) 中国地质大学安全工程系 3.2运动准确性及其影响因素运动准确性及其影响因素 1运动准确性运动准确性 准确性是人体运动输出质量的重要指标。准确准确性是人体运动输出质量的重要指标。准确 地操作是人机系统正常运行的基本要求；快速操作地操作是人机系统正常运行的基本

48、要求；快速操作 只有在准确的前提才有意义。操作运动准确性要求只有在准确的前提才有意义。操作运动准确性要求 主要包括以下几个方面：主要包括以下几个方面： 中国地质大学安全工程系 3.2.1运动准确性运动准确性 运动方向的准确性；运动方向的准确性； 运动量运动量(操纵量操纵量)，如运动距离、旋转角度的准确性；，如运动距离、旋转角度的准确性； 操作运动速度的准确性操作运动速度的准确性(一般操作都要求实现平稳一般操作都要求实现平稳 的速度变化，跟踪调节操作则要求更准确的操作速的速度变化，跟踪调节操作则要求更准确的操作速 度度)； 操纵力的准确性操纵力的准确性(在有一定阻力或阻力矩的操作中，在有一定阻力

49、或阻力矩的操作中， 准确的操纵量通常依赖准确的操纵力才能达到准确的操纵量通常依赖准确的操纵力才能达到)。 中国地质大学安全工程系 3.2.2运动准确性的影响因素运动准确性的影响因素 除了人们种种先天性的个体差异、当时的健康除了人们种种先天性的个体差异、当时的健康 和觉醒水平、培训练习状况以外，运动准确性与运和觉醒水平、培训练习状况以外，运动准确性与运 动本身的速度、方向、位置、动作类型等因素有关，动本身的速度、方向、位置、动作类型等因素有关， 下面仅就部分因素作简略的说明。下面仅就部分因素作简略的说明。 中国地质大学安全工程系 3.2.2.1运动速度与准确性运动速度与准确性(a) 图图5-10

50、运动速度准确性特性曲线运动速度准确性特性曲线 随着运动速度加快，准确性通常将会降低。但随着运动速度加快，准确性通常将会降低。但 两者的变化一般呈图两者的变化一般呈图4一一l0 所示的速度准确性特性所示的速度准确性特性 曲线关系：曲线关系： 中国地质大学安全工程系 3.2.2.1运动速度与准确性运动速度与准确性(b) 在曲线在曲线a点的附近，运动速度变化对准确性的点的附近，运动速度变化对准确性的 影响很小，因此降低速度对提高准确性并无明显作影响很小，因此降低速度对提高准确性并无明显作 用。速度高到一定数值以后，图用。速度高到一定数值以后，图5-10的曲线下降明的曲线下降明 显，表明运动准确性加速

51、降低。因此在图显，表明运动准确性加速降低。因此在图5-10中中a点点 附近选点，能兼顾到速度和准确性两方面的要求。附近选点，能兼顾到速度和准确性两方面的要求。 中国地质大学安全工程系 3.2.2.2运动方向与准确性运动方向与准确性 图图5-11是关于手臂运动方向对准确性影响的一个是关于手臂运动方向对准确性影响的一个 实测例子：让受试者手握细杆沿图示的几种槽缝中实测例子：让受试者手握细杆沿图示的几种槽缝中 运动，记录细杆触碰槽壁的次数，触碰次数多表示运动，记录细杆触碰槽壁的次数，触碰次数多表示 细杆在槽中运动准确性低。细杆在槽中运动准确性低。 中国地质大学安全工程系 图图511手臂运动方向对准确

52、性影响的实例手臂运动方向对准确性影响的实例 中国地质大学安全工程系 3.2.2.3动作类型与准确性动作类型与准确性(a) 使用操纵器和工具可能有各种不同的动作类型，使用操纵器和工具可能有各种不同的动作类型， 由于解剖学的特点，肢体控制不同类型动作的准确由于解剖学的特点，肢体控制不同类型动作的准确 性、灵活性是不同的。图性、灵活性是不同的。图5-12给出了优劣不同的三给出了优劣不同的三 组对比：上面三个图所示操作的准确性，均优于对组对比：上面三个图所示操作的准确性，均优于对 应的下图。应的下图。 中国地质大学安全工程系 图图512准确性随动作类型不同的例子准确性随动作类型不同的例子 中国地质大学

53、安全工程系 3.2.2.3动作类型与准确性动作类型与准确性(b) 图图512a上图为在水平面内的转动操作，其准上图为在水平面内的转动操作，其准 确性优于下图所画的在铅垂面内的转动操作；图确性优于下图所画的在铅垂面内的转动操作；图5 12b上图为对水平面的按压操作，其准确性优于下图上图为对水平面的按压操作，其准确性优于下图 所画对铅垂面的按压操作；图所画对铅垂面的按压操作；图5-12c上图为手握弯曲上图为手握弯曲 把手由大小臂控制的绕轴转动，其准确性优于下图把手由大小臂控制的绕轴转动，其准确性优于下图 所画手抓球体由手腕控制的绕轴转动。准确性随动所画手抓球体由手腕控制的绕轴转动。准确性随动 作类

54、型而不同的现象很多，图作类型而不同的现象很多，图512所示只是其中的所示只是其中的 少数几个示例。少数几个示例。 中国地质大学安全工程系 3.2.2.4运动量与准确性运动量与准确性 准确性一般还与运动量大小有关，例如手臂伸准确性一般还与运动量大小有关，例如手臂伸 出和收回的移动量较小出和收回的移动量较小(如如l00mm以内以内)时，常有移动时，常有移动 距离超出的倾向，相对误差较大；移动量较大时，距离超出的倾向，相对误差较大；移动量较大时， 则常有移动距离不足的倾向，相对误差较小。旋转则常有移动距离不足的倾向，相对误差较小。旋转 运动量与准确性的关系与此类似。运动量与准确性的关系与此类似。 中

55、国地质大学安全工程系 第三节操纵器设计的人机学原则第三节操纵器设计的人机学原则 一、操纵器的类型与选用一、操纵器的类型与选用 二、操纵器设计的一般人机学原则二、操纵器设计的一般人机学原则 三、操纵器的形状和式样三、操纵器的形状和式样 四、操纵器的尺寸和操作行程四、操纵器的尺寸和操作行程 五、操纵器的识别编码五、操纵器的识别编码 中国地质大学安全工程系 1. 操纵器的类型与选用操纵器的类型与选用 操纵器又称为操纵装置、控制器、控制装置。操纵器又称为操纵装置、控制器、控制装置。 (一一)操纵器的类型操纵器的类型 操纵器种类很多，为便于分析研究，可以从不操纵器种类很多，为便于分析研究，可以从不 同的

56、角度进行分类，简述如下。同的角度进行分类，简述如下。 中国地质大学安全工程系 1.1 按操控方式分按操控方式分 可以分为手动操纵器、脚动操纵器、声控操纵可以分为手动操纵器、脚动操纵器、声控操纵 器等操控类型。器等操控类型。 也可以分为直动操纵器、遥控操纵器等操控方也可以分为直动操纵器、遥控操纵器等操控方 式。式。 中国地质大学安全工程系 1.2按操控运动轨迹分按操控运动轨迹分 手动操纵器按操控运动的轨迹，可分为：手动操纵器按操控运动的轨迹，可分为： 旋转式操纵器：如旋钮、摇柄、十字把手、手旋转式操纵器：如旋钮、摇柄、十字把手、手 轮轮(转向盘转向盘)等。等。 移动式操纵器：如操纵杆、手柄、推扳

57、开关等。移动式操纵器：如操纵杆、手柄、推扳开关等。 按压式操纵器：如按钮、按键等。按压式操纵器：如按钮、按键等。 中国地质大学安全工程系 1.3按操控功能分按操控功能分 一般分为开关式操纵器、转换式操纵器、调节式操一般分为开关式操纵器、转换式操纵器、调节式操 纵器、紧急停车操纵器等类型。纵器、紧急停车操纵器等类型。 中国地质大学安全工程系 1.2操纵器的选用原则操纵器的选用原则 gbt l4775-1993操纵器一般人类工效学要操纵器一般人类工效学要 求求给出的操纵器选用原则如下：给出的操纵器选用原则如下： 1)手控操纵器适用于精细、快速调节，也可用手控操纵器适用于精细、快速调节，也可用 于分

58、级和连续调节。于分级和连续调节。 2)脚控操纵器适用于动作简单、快速、需用较脚控操纵器适用于动作简单、快速、需用较 大操纵力的调节。脚控操纵器一般在坐姿有靠背的大操纵力的调节。脚控操纵器一般在坐姿有靠背的 条件下选用。条件下选用。 中国地质大学安全工程系 2. 操纵器设计的一般人机学原则操纵器设计的一般人机学原则 这里先简要分几条概述操纵器设计的一般人机这里先简要分几条概述操纵器设计的一般人机 学原则，关于其中每一条较详细的内容，在下面或学原则，关于其中每一条较详细的内容，在下面或 在具体讲述各种操纵器时再作进一步说明。在具体讲述各种操纵器时再作进一步说明。 中国地质大学安全工程系 2.1一般

59、人机学原则一般人机学原则1) 2) 1)操纵器的尺寸、形状，应适合人的手脚尺寸及操纵器的尺寸、形状，应适合人的手脚尺寸及 生理学解剖学条件。生理学解剖学条件。 2)操纵器的操作力、操作方向、操作速度、操操纵器的操作力、操作方向、操作速度、操 作行程作行程(包括线位移行程和角位移行程包括线位移行程和角位移行程)、操作准确度、操作准确度 控制要求，都应与人的施力和运动输出特性相适应。控制要求，都应与人的施力和运动输出特性相适应。 中国地质大学安全工程系 2.2一般人机学原则一般人机学原则3) 4) 3)在有多个操纵器的情况下，各操纵器在形状、在有多个操纵器的情况下，各操纵器在形状、 尺寸大小、色彩

60、、质感以及安置位置等方面，尽量尺寸大小、色彩、质感以及安置位置等方面，尽量 给予明显区别，使它们易于识别，以避免互相混淆。给予明显区别，使它们易于识别，以避免互相混淆。 4)让操作者在合理的体位下操作，考虑操纵器让操作者在合理的体位下操作，考虑操纵器 操作的依托支撑要求，减轻操作者疲劳和单调厌倦操作的依托支撑要求，减轻操作者疲劳和单调厌倦 的感觉。的感觉。 中国地质大学安全工程系 2.3一般人机学原则一般人机学原则5) 6) 5)操纵器的操作运动与显示器或与被控对象，应操纵器的操作运动与显示器或与被控对象，应 有正确的互动协调关系。此种互动关系应与人的自有正确的互动协调关系。此种互动关系应与人