第5章_人体运动与操纵装置设计(II)

1、53 手的运动特征和手动控制器的设计Motion characteristics and controls design of hand 531 手的运动特征Motion characteristics of handn1手的基本动作(Basic movements of) 握住动作；运物动作；定位动作；装配动作；应用（工具或设备）动作；分离动作（拆卸）；预定动作；放松动作；伸手动作（移空）；恒持动作。手的尺寸和活动范围Dimension and movement range of hand握住动作 2手的运动速度和习惯n手在垂直面比水平面的快，准确度也较高n从上往下比从下往上快；n在水平方向

2、前后比左右运动速度快n右手比左手快；右手向右比向左运动快。左、右手动作的最大频率 动 作 种 类最 大 频 率右 手左手旋转（r/s）4.84.0推压（次/s)6.75.3打击（次/s）5146.5手的运动速度和习惯n手朝身体方向的运动比离开身体方向的运动快，但后者精度高。n手从下往上和离开身体的运动速度最慢n单手在外侧60度左右的直线方向和双手在外侧30度左右进行的直线运动速度最快，效果最好。手操作时合理的轨迹范围Reasonable trajectory range of hand operationn一般手的运动速度和准确度成正比；最大速度同动作负荷成反比，到达最大速度所需要的时间同动作

3、的负荷成正比。如图5.18和表5.17。n开始或停止一项动作所需的时间通常不受距离长短的影响。n顺时针操作动作比逆时针方向快。n两手动作的频率随动作性质的不同而不同。如表5.18和表5.19。n从准确度和速度来看，单手操作比双手操作好。动作频率和动作性质的关系动 作 种 类最 大 频 率右 手左手旋转（r/s）4.84.0推压（次/s)6.75.3打击（次/s）5146.53手的操纵力Operation force of hands 手的操纵力与人体姿势、着力部位、用力方向和用力方式有关。（1）坐姿操作的操纵力n左手力量小于右手；n手臂处于侧面下方时，推、拉力量都较弱，但向上向下的力量却较大；

4、n拉力略大于推力；向下力量略大于向上的力量；向内力量则大于向外的力量。坐姿手臂在不同角度和方向上的操纵力（N)手臂的角度手臂的角度拉拉 力力推推 力力左手左手右手右手左手左手右手右手向后向后向前向前1802302401902301501902501401901201601901201609015017010016060110120100160向上向上向下向下1804060608015070808090120801101001209080901001206070908090向内侧向内侧向外侧向外侧18060904060150709040701209010050709070805070608090

5、6080（2）立姿操作的操纵力n手臂的最大拉力产生在肩的下方180和肩的上方0的方向上。同样，推力最大的方向是产生在肩的上方0方向上。n所以，以推拉形式操纵的控制装置，安装在这两个部位时将得到最大的操纵力。 立姿操作的操纵力n（3）握力n一般人右手握力380N，左手握力350Nn但是，一般青年男子右手瞬时最大握力有560N，左手有430N。握力与手的姿势和持续时间有关，当持续一段时间后，握力显著下降，如保持lmin后，右手平均握力约280N，左手约250N。n（4）拉力和推力 在站姿手臂水平向前自然伸直的情况下，男子平均瞬时拉力为703N，女子平均瞬时拉力为386N 图(a)。 当手作前后运动

6、时，瞬时最大拉力可达1100N，连续操作的拉力最大约300N。 当手作左右方向运动，最大的推力约400N图(b)。（5）扭力n直立：男子389+130N；女子204+80Nn屈身：男子555+249N；女子272+141Nn弯腰：男子962+342N；女子425+200N（6）肘弯曲的操纵力 握把式操纵器常用弯肘操作。n朝向身体的拉力比离开身体的推力大；左右方向推拉时，推力较拉力大n坐着拉力较站着拉力大n瞬时力比持续用力大n手的拉力大于手的握力和提力532 手动控制器的设计Design of hand controlsn常有的手动控制器： 旋钮、 按键、扳动开关、杠杆操纵器、转轮、 曲柄、 手

7、柄1 旋钮n旋钮是用手指捏住拧转来实现控制的，可以旋转一圈(360)，一圈以上或不满一圈，可以连续多次旋转，也可以定位旋转。n分为圆形旋钮、多边形旋钮、指针形旋钮和手动转盘等。多倍旋转按钮多倍旋转按钮多倍旋转按钮多倍旋转按钮部分旋转按钮部分旋转按钮部分旋转按钮部分旋转按钮圆形与多边形圆形与多边形定位指示旋钮定位指示旋钮指示型与转盘指示型与转盘同心成层旋钮注意避免无意碰触操纵力与旋钮设计尺寸关系2 按键Push buttonn(1) 按键类型n形状：圆柱形键、方形键、弧形键n用途：代码键、功能键、间隔键n开关接触情况：接触式、非接触式n(2) 按键尺寸n圆形键尺寸8-18mm, 方形键10-20

8、mm, 突出键盘面高度为5-12mm,升降行程3-6mm,键与键空隙不少于0.6mm。2 按键n(3)按键的颜色n表示“停止”“断电”功能的用红色键；n表示“启动”“通电”功能的用绿色键或白、灰、黑键。n连续按压改变功能的键用黑、灰色键，忌用红色和绿色。n按下为开、抬起为停或递进的用黑色，忌用红色。n单一功能的复位用蓝色、黑色、白色或灰色键，同时具有“停止”“断电”功能的应用红色键。按键设计中的人机工学问题 Ergonomics Design of push buttonn按钮的颜色。n按钮在完成两种状态转换，应附加当前状态指示灯。n按钮表面形状、触感、凸起高度、间隔等都需要加以考虑。n按钮的

9、安置应考虑操作时的手型。按键设计中的人机工学问题计算机键盘上的人机工学问题 Ergonomics Design of Keyboard1. 字符和按键的排布n常用的是“QWERTY”键盘；n左右手负担比例为57：43，对大多数人不利。n“A” “S” “I” “O”等间没有分配给中、食指。n顶行字母过多计算机键盘上的人机工学问题n2. 操作的尺侧偏和手腕损害3 扳动开关 toggle switch一般用于快速接通、断开和快速就位的场合。一般用于快速接通、断开和快速就位的场合。钮子开关，滑动开关，棒形开关，船形开关，推拉式钮子开关，滑动开关，棒形开关，船形开关，推拉式开关开关4杠杆操纵器 lev

10、el controln一般机械操作的杠杆操纵器有前后左右进退的功能。n操纵角度3060度为佳，不宜超过90度。n汽车上变速杆是典型杠杆操纵器5 转轮 wheel 转轮的功能相当于旋钮和曲柄，但是转动力量较大。适用单手和双手操作，可以做连续性回转。转轮直径15-52cm，握把直径 20-30mm。单手操作的操纵力为20-130N,双手操纵力不超过250N。6 曲柄crankn具有快速回转和连续调节的特点。n把柄直径一般为25-75mm.n适用于操纵力较大的场合。n7 手柄 handlen一般单手紧握进行操作。n可以单独使用也可以与其他控制器配合使用。n机床用于进刀手柄。n手柄操作力与其他因素的关

11、系见表5.23。手柄操作速度见表5.24。54 脚的运动特征和脚动控制器的设计Motion characteristics and control design of footn汽车的离合器踏板，刹车踏板，以及加工机床的脚踏控制器等。n脚踏板，脚踏钮n2 脚的运动(foot motion) 脚操作时，其运动主要是膝关节的运动和脚掌的运动。围绕膝关节的额状轴，小腿可以做屈伸运动。n1脚的运动541脚的运动特征Motion characteristics n2 脚的出力 foot forcen脚的出力同人的姿势、脚的位置和方向有关。坐姿有靠背支撑时产生最大的力。立姿时脚的用力比坐姿脚的用力大。一般

12、坐姿时右腿的最大力平均可达2620N,左腿最大力可达2410N。n据测定膝部伸展角度在130150度和160180度时，脚的出力最大。 2 脚的出力n脚的伸出力大于屈曲力； 右脚力大于左脚力； 男的脚力大于女的脚力。 (如表5.25)542脚动控制器的选用和设计Choice and design of foot controls1何时选用脚动控制器 只有当脚动控制器优于手动控制器时才采用n需要连续进行操作，而用手不太方便的场合；n无论连续操作或间断操作，操纵力较大的情况；n手控制的工作量过大，不能完成控制任务时。2 采用何种脚动控制器 脚踏板、脚踏钮和脚动开关n操纵力大于50150N,或操纵力

13、小于50N但需要连续操作，选用脚踏板。n操纵力较小且不需要连续操作，选用脚踏钮和脚踏开关 。脚踏板、脚踏钮和脚动开关3何种姿态 n站姿和坐姿比，尽量采用坐姿操作，这样不但身体容易保持平衡，而且容易出力。坐椅有靠背，单脚操作时，另一只脚也应有靠板。n右脚和左脚比，在用力大小、速度和准确度方面，一般右脚均优于左脚。对于频繁操作、容易疲劳，而且不重要的情况，考虑双脚交替操作。n脚掌和脚趾比，操作力大时采用脚掌着力，操纵里较小或需要快速连续操作时，脚趾着力，脚后跟保持不动。4 脚动控制器的设计n脚踏板，脚踏钮 n（1）脚踏板n分为直动式、往复式和回转式。n直动式、往复式运动范围受限，故不做精密控制用。

14、n回转式运动范围大，加适当 机构可以做精密控制用。n 脚踏板尺寸见图5.45各种踏板的效率frequencies of different pedalsa 时间最短，b、, c、 e 其次，d 最长，比a长34%。n脚出力与座椅距离的关系见图5.47。n（2）脚踏钮n用手不方便的情况下，脚踏钮是取代手按钮的一种控制器。但是空间需要较大。542脚动控制器的布置Arrangement of foot controln脚动操作器布置要求省力而又舒适。n人正坐操作时，脚踏板应在正中面所在位置上。一般偏离人体正中面不超过7.512.5cm坐姿脚的作业范围C脚踏钮D-542脚动控制器的布置n坐姿踏板的高度

15、应在脚能出最大力的位置上，操纵力较大时可以与椅面相平，或稍低一点。但不能超过椅面。站姿脚踏板不得超过25cm，一般少于20cm。一般座位和脚操纵的座位的比较55 重体力作业的设计Design of heavy workn提举作业 lift taskn搬运作业 Carrying taskn负重作业 Heavy taking taskn推运作业 Push task551 提举作业1 提举作业高度与能量消耗能量消耗=f a w c/1000 (KJ/h)nf 每小时提举次数（次/h）na 提举高度（m）nw 提举物的重量nc 提举每米. 公斤所消耗的能量（ j /m.kg）2 提举频率和提举重量n一

16、般来说，提举的频率越高，提举的重量应当轻一些。3 提举作业的人机学设计n重物地抓握位置比地平面高出50mm为好n避免手指出力的提举方法n手臂连同重物要尽量靠近身体n提举时两腿适当分开，直腰屈膝，提举过程中平稳，不要摇摆。提举物体把手设计Design of lifting handleCervicalVertebrae(C1 to C7)ThoracicVertebrae(T1 to T12)LumbarVertebrae(L1 to L5)Sacrum(S1 to S5)Hall, 1999Example Lifting & the Lower BackHall, 1999XYWeightsH

17、ead = 50 NTrunk = 280 NArms = 65 NBox = 100 NFmuscle= ?FmuscleS16cm22cm42cm25cm12cmL5-S1 = 2.86 x Body Weight Solution Lifting & the Lower BackExample Lifting & the Lower BackWhat is the compressive force FC on disc L5/S1?Hall, 1999WeightsHead = 50 NTrunk = 280 NArms = 65 NBox = 100 NFM = 1.7 kN = m

18、uscleFC = disc compressionFS = 128 N = disc shearXYFMS16cm22cm42cm25cm12cmFCFS15O15O552 搬运作业n用手将物体从一个地方不停顿地搬到另外一个地方的作业n搬运重量与搬运频率和搬运距离有关，尤其搬运频率对搬运重量有明显影响,参考图5.52 。553 负重作业不同负重方式的能量消耗Double pack Head Rucksack Sherpa Rice bag Yoke Hands554 推运作业 在地面上平移物体，与推运频率和推运距离有关。 男女推运重量相差不大尤其对于短距离。 参考图5.54,p212小结n1人的运动和操作动作n2操纵器设计的人机学问题n3 手的运动特征和手动控制器n4 脚的运动特征和脚动控制器作业工具的设计Hand tool design尺神经n作业工具是人类生理能力的极大扩展，增加了动作范围和力度。n适当的劳动工具不仅能有效提高工作效率，而且能保证作业者工作舒适、安全、健康。n不适当工具会导致多种职业病和全身伤害，如腱鞘炎、腕管综合症、腱炎、网球肘等。1 一般原则n必须有效实现预定的功能；n必须与操作者身体成适当