人机的信息界面设计课件

第7章控制器设计第7章控制器设计1本章内容控制器的定义及其分类控制器的设计要求主要控制器的设计手握式工具的设计本章内容控制器的定义及其分类2第一节控制器的定义及其分类控制器的定义

控制器是把人的控制意愿转化成机器运作命令的手段，按照控制的特点，控制器的定义又分为狭义的控制器和广义的控制器。

（1）狭义：只负责控制命令的传递，本身不具有分析选择的功能，即这样的控制器没有采用程序控制的机制。（2）广义：除了负责控制命令的传递外，还具有智能分析功能，这种控制器又被称作是智能控制器。

第一节控制器的定义及其分类控制器的定义3第一节控制器的定义及其分类控制器的分类控制器的分类方法很多。按操纵控制器的身体部位的不同，控制器分为手动控制器和脚动控制器；按功能可分为：开关类，转换类、调节类、紧急开关类；按控制器运动类别的不同，控制器又可分为旋转控制器、摆动控制器、按压控制器、滑动控制器和牵拉控制器。

第一节控制器的定义及其分类控制器的分类4第二节控制器的设计要求控制器的编码原则

（1）形状编码

形状编码是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特别是触觉辨识的编码方式。图7-1是旋钮的形状编码，在（a）和（b）之间不易混淆，（c）类适合任定位指示调节。

第二节控制器的设计要求控制器的编码原则5（a）圆形、多边型旋钮（b）部分旋转旋钮（c）定位指示旋钮图7-1旋钮的形状编码（a）圆形、多边型旋钮（b）部分旋转旋钮（c）定位6第二节控制器的设计要求（2）位置编码位置编码是通过位置安排不同来识别控制器的一种方式。（3）大小编码大小编码是通过控制器的尺寸大小不同来识别控制器的一种方式。这种编码可以为视觉和触觉提供信息，但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。第二节控制器的设计要求（2）位置编码7第二节控制器的设计要求（4）颜色编码颜色编码是利用颜色不同来识别控制器的一种方式。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，—般不超过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以及色调、明度与彩度三者的关系。第二节控制器的设计要求（4）颜色编码8第二节控制器的设计要求（5）标记编码标记编码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。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，需要一定的空间位置扣良好的照明条件，标记必须清晰可辨。第二节控制器的设计要求（5）标记编码9第二节控制器的设计要求（6）操作方法编码操作方法编码是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，而是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。

第二节控制器的设计要求（6）操作方法编码10第二节控制器的设计要求控制器的外形结构控制器的形状应便于人的使用，有利于人对控制器的施力。对于手动控制器，其形状设计应考虑手的生理特点。由于指球肌、大鱼际肌和小鱼际肌是手掌上肌肉最丰富的部位，是手部的天然减振器，而掌心是肌肉最少的部位，指骨间肌则是布满神经末梢的部位，如图7-2（a）所示。

第二节控制器的设计要求控制器的外形结构11IIIIIIIVVIV（a）手掌生理特点（b）手柄形状图7-2手掌生理特点与手柄形状第二节控制器的设计要求IIIIIIIVVIV（a）手掌生理特点12第二节控制器的设计要求控制器的外形结构

图7-2（b）中的Ⅰ、Ⅱ、III三种形状的手柄，适用于用力持续时间较长的操作；Ⅳ、Ⅴ、Ⅵ三种形状的手柄适用于瞬间操作或施力不大时的操作。

第二节控制器的设计要求控制器的外形结构13第二节控制器的设计原则控制器的偶发启动

控制器设计中另一个需要考虑的重要因素是如何防止控制器被意外触发，科研人员研究以下7种保护方法：（1）将控制器安装在陷入控制板的凹槽内；（2）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；

第二节控制器的设计原则控制器的偶发启动14第二节控制器的设计原则（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。

第二节控制器的设计原则（4）使控制器的运动方向向着最不可能15第三节主要控制器的设计一、手动控制器的设计（1）旋钮旋钮是用手指的拧转来进行操作的一种手动控制器。根据形状可分为：圆形旋钮、多边形旋钮、指针式旋钮、转盘式旋钮。第三节主要控制器的设计一、手动控制器的设计16第三节主要控制器的设计圆形旋钮。这种旋钮多呈圆柱状或圆锥台状。钮帽边缘有各种槽纹。常用于需要连续旋转一圈或一圈以上，定位精度要求不高的场合。多边形旋钮。这种旋钮一般用于不需连续旋转，旋转定位精度不高，调节范围不足一圈的地方。

第三节主要控制器的设计圆形旋钮。这种旋钮多呈圆柱状或圆锥台17第三节主要控制器的设计指针式旋钮。这种旋钮可具有3～24个控制位置，调节范围不足一圈。在调节过程中，刻度盘不动，通过旋转指针形状的钮，确定旋钮的旋转位置转盘式旋钮。与指针式旋钮具有相同的功能，它与指针式旋钮的不同点仅在于，它是以指针不动而转动刻度盘，来达到预定控制位置的第三节主要控制器的设计指针式旋钮。这种旋钮可具有3～24个18第三节主要控制器的设计注：旋钮的大小应使手指和手与其有足够的接触面积，便于手捏紧和施力以及保证操作的速度和准确性。因此，旋钮的直径不宜太小，也不宜太大，一般以5cm为最佳。为了使手操纵旋钮时不打滑，常把手操作部分的钮帽做成各种齿纹，以增强手的握执力。第三节主要控制器的设计注：旋钮的大小应使手指和手与其有足够19第三节主要控制器的设计（2）按钮按钮是仅在一个方向操作的控制器，其尺寸主要根据人的手指端尺寸确定。用拇指操作的按钮，其最小直径建议采用19mm；用其他手指尖操作的按钮，其最小直径建议采用10mm。

第三节主要控制器的设计（2）按钮20第三节主要控制器的设计图a为外凸弧形按钮，操作时手的触感不适，只适用于小负荷而操作频率低的场合。按钮的端面形式以中凹的型式为优，如图d所示，它可增强手指的触感，便于操作，这种按钮适用于较大操作力的场合。第三节主要控制器的设计图a为外凸弧形按钮，操作时手的触感21第三节主要控制器的设计按钮应凸出面板一定的高度，过平不易感觉位置是否正确，如图b所示。各按钮之间应有一定的间距，否则容易同时按下，如图c所示。第三节主要控制器的设计按钮应凸出面板一定的高度，过平不易感22第三节主要控制器的设计（3）扳动开关

扳动开关一般只有开和关两种功能，但可分为两种控制位置(开和关)和三种控制位置(关一低速一高速)。对于有两种控制位置的扳动开关，其位移量α最小为30º、最大120º。对于有三种控制位置的扳动开关，其位移量α最小为18º、最大60º。扳手直径d为3～25mm、长度L为12.5～50mm。第三节主要控制器的设计（3）扳动开关23第三节主要控制器的设计（4）控制杆控制杆是一种需要用较大的力操纵的控制器。控制杆的运动多为前后推拉，左右推拉或做圆锥运动，因而需占用较大的操作空间。第三节主要控制器的设计（4）控制杆24第三节主要控制器的设计当操纵角度较大时，控制杆端部应设置球状手把。控制杆的操纵角度以30º为宜，一般不超过90º。

对于需要用力较大的控制杆，为便于施力，立姿作业时手把的位置应与肩同高，坐姿作业应与肘同高第三节主要控制器的设计当操纵角度较大时，控制杆端部应设置球25第三节主要控制器的设计二、脚动控制器的设计脚动控制器主要有脚踏板、脚踏钮等。当操纵力较小时，且不需要连续控制，宜选择脚踏钮。如需要较大操纵力，要求提供相当的速度时，多使用脚踏板。第三节主要控制器的设计二、脚动控制器的设计26第三节主要控制器的设计（1）脚踏板

脚踏板的形式可分为直动式、摆动式和回转式。第三节主要控制器的设计（1）脚踏板27第三节主要控制器的设计（2）脚踏钮

脚踏钮与按钮具有相同的功能。可用脚尖或脚掌操纵，踏压表面应有纹理，应能提供操作反馈信息

第三节主要控制器的设计（2）脚踏钮28第四节手握式工具的设计原则

人手是由骨、动脉、神经、韧带和肌腱等组成的复杂结构，如图所示第四节手握式工具的设计原则29当使用设计不当的手握式工具时，会导致多种累积损伤疾病，如腱鞘炎、腕道综合症、腱炎、滑囊炎、滑膜炎、痛性腱鞘炎、狭窄性腱鞘炎和网球肘等。第四节手握式工具的设计原则当使用设计不当的手握式工具时，会导致多种累积损伤疾病，如腱鞘30手握式工具（手柄）设计时应遵循的原则

1.避免静肌负荷当使用工具时，臂部上举或长时间抓握，会使肩、臂及手部肌肉承受静负荷，导致疲劳，降低作业效率。

第四节手握式工具的设计原则手握式工具（手柄）设计时应遵循的原则第四节手握式工具的设计31a）直杆式电烙铁b）弯把式电烙铁第四节手握式工具的设计原则a）直杆式电烙铁b）弯把式电烙322．保持手腕伸直一般情况下，手腕的中立位置是最佳的。在设计工具时，如果要用到手腕的力量，尽量使工具弯曲而不要使手腕弯曲，避免手腕的侧偏。

第四节手握式工具的设计原则2．保持手腕伸直第四节手握式工具的设计原则33第四节手握式工具的设计原则第四节手握式工具的设计原则34两种钳子方案的比较第四节手握式工具的设计原则两种钳子方案的比较第四节手握式工具的设计原则353．使组织压迫最小

手在操作工具时，有时需要用力较大。所以，在工作时要尽量分散力量，如增大手和工具的接触面积，以减小对血管和神经(如手掌)的压力。第四节手握式工具的设计原则3．使组织压迫最小第四节手握式工具的设计原则364．减小手指的重复活动由于在生理上，拇指的活动是由局部的肌肉控制的，所以重复拇指的动作，其危害性比重复食指的动作要小，过多重复食指的动作能引起手指的腱鞘炎。第四节手握式工具的设计原则4．减小手指的重复活动第四节手握式工具的设计原则37本章重点掌握：控制器的各种设计原则本章重点掌握：控制器的各种设计原则38谢谢！谢谢！39第7章控制器设计第7章控制器设计40本章内容控制器的定义及其分类控制器的设计要求主要控制器的设计手握式工具的设计本章内容控制器的定义及其分类41第一节控制器的定义及其分类控制器的定义

控制器是把人的控制意愿转化成机器运作命令的手段，按照控制的特点，控制器的定义又分为狭义的控制器和广义的控制器。

（1）狭义：只负责控制命令的传递，本身不具有分析选择的功能，即这样的控制器没有采用程序控制的机制。（2）广义：除了负责控制命令的传递外，还具有智能分析功能，这种控制器又被称作是智能控制器。

第一节控制器的定义及其分类控制器的定义42第一节控制器的定义及其分类控制器的分类控制器的分类方法很多。按操纵控制器的身体部位的不同，控制器分为手动控制器和脚动控制器；按功能可分为：开关类，转换类、调节类、紧急开关类；按控制器运动类别的不同，控制器又可分为旋转控制器、摆动控制器、按压控制器、滑动控制器和牵拉控制器。

第一节控制器的定义及其分类控制器的分类43第二节控制器的设计要求控制器的编码原则

（1）形状编码

形状编码是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特别是触觉辨识的编码方式。图7-1是旋钮的形状编码，在（a）和（b）之间不易混淆，（c）类适合任定位指示调节。

第二节控制器的设计要求控制器的编码原则44（a）圆形、多边型旋钮（b）部分旋转旋钮（c）定位指示旋钮图7-1旋钮的形状编码（a）圆形、多边型旋钮（b）部分旋转旋钮（c）定位45第二节控制器的设计要求（2）位置编码位置编码是通过位置安排不同来识别控制器的一种方式。（3）大小编码大小编码是通过控制器的尺寸大小不同来识别控制器的一种方式。这种编码可以为视觉和触觉提供信息，但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。第二节控制器的设计要求（2）位置编码46第二节控制器的设计要求（4）颜色编码颜色编码是利用颜色不同来识别控制器的一种方式。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，—般不超过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以及色调、明度与彩度三者的关系。第二节控制器的设计要求（4）颜色编码47第二节控制器的设计要求（5）标记编码标记编码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。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，需要一定的空间位置扣良好的照明条件，标记必须清晰可辨。第二节控制器的设计要求（5）标记编码48第二节控制器的设计要求（6）操作方法编码操作方法编码是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，而是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。

第二节控制器的设计要求（6）操作方法编码49第二节控制器的设计要求控制器的外形结构控制器的形状应便于人的使用，有利于人对控制器的施力。对于手动控制器，其形状设计应考虑手的生理特点。由于指球肌、大鱼际肌和小鱼际肌是手掌上肌肉最丰富的部位，是手部的天然减振器，而掌心是肌肉最少的部位，指骨间肌则是布满神经末梢的部位，如图7-2（a）所示。

第二节控制器的设计要求控制器的外形结构50IIIIIIIVVIV（a）手掌生理特点（b）手柄形状图7-2手掌生理特点与手柄形状第二节控制器的设计要求IIIIIIIVVIV（a）手掌生理特点51第二节控制器的设计要求控制器的外形结构

图7-2（b）中的Ⅰ、Ⅱ、III三种形状的手柄，适用于用力持续时间较长的操作；Ⅳ、Ⅴ、Ⅵ三种形状的手柄适用于瞬间操作或施力不大时的操作。

第二节控制器的设计要求控制器的外形结构52第二节控制器的设计原则控制器的偶发启动

控制器设计中另一个需要考虑的重要因素是如何防止控制器被意外触发，科研人员研究以下7种保护方法：（1）将控制器安装在陷入控制板的凹槽内；（2）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；

第二节控制器的设计原则控制器的偶发启动53第二节控制器的设计原则（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。

第二节控制器的设计原则（4）使控制器的运动方向向着最不可能54第三节主要控制器的设计一、手动控制器的设计（1）旋钮旋钮是用手指的拧转来进行操作的一种手动控制器。根据形状可分为：圆形旋钮、多边形旋钮、指针式旋钮、转盘式旋钮。第三节主要控制器的设计一、手动控制器的设计55第三节主要控制器的设计圆形旋钮。这种旋钮多呈圆柱状或圆锥台状。钮帽边缘有各种槽纹。常用于需要连续旋转一圈或一圈以上，定位精度要求不高的场合。多边形旋钮。这种旋钮一般用于不需连续旋转，旋转定位精度不高，调节范围不足一圈的地方。

第三节主要控制器的设计圆形旋钮。这种旋钮多呈圆柱状或圆锥台56第三节主要控制器的设计指针式旋钮。这种旋钮可具有3～24个控制位置，调节范围不足一圈。在调节过程中，刻度盘不动，通过旋转指针形状的钮，确定旋钮的旋转位置转盘式旋钮。与指针式旋钮具有相同的功能，它与指针式旋钮的不同点仅在于，它是以指针不动而转动刻度盘，来达到预定控制位置的第三节主要控制器的设计指针式旋钮。这种旋钮可具有3～24个57第三节主要控制器的设计注：旋钮的大小应使手指和手与其有足够的接触面积，便于手捏紧和施力以及保证操作的速度和准确性。因此，旋钮的直径不宜太小，也不宜太大，一般以5cm为最佳。为了使手操纵旋钮时不打滑，常把手操作部分的钮帽做成各种齿纹，以增强手的握执力。第三节主要控制器的设计注：旋钮的大小应使手指和手与其有足够58第三节主要控制器的设计（2）按钮按钮是仅在一个方向操作的控制器，其尺寸主要根据人的手指端尺寸确定。用拇指操作的按钮，其最小直径建议采用19mm；用其他手指尖操作的按钮，其最小直径建议采用10mm。

第三节主要控制器的设计（2）按钮59第三节主要控制器的设计图a为外凸弧形按钮，操作时手的触感不适，只适用于小负荷而操作频率低的场合。按钮的端面形式以中凹的型式为优，如图d所示，它可增强手指的触感，便于操作，这种按钮适用于较大操作力的场合。第三节主要控制器的设计图a为外凸弧形按钮，操作时手的触感60第三节主要控制器的设计按钮应凸出面板一定的高度，过平不易感觉位置是否正确，如图b所示。各按钮之间应有一定的间距，否则容易同时按下，如图c所示。第三节主要控制器的设计按钮应凸出面板一定的高度，过平不易感61第三节主要控制器的设计（3）扳动开关

扳动开关一般只有开和关两种功能，但可分为两种控制位置(开和关)和三种控制位置(关一低速一高速)。对于有两种控制位置的扳动开关，其位移量α最小为30º、最大120º。对于有三种控制位置的扳动开关，其位移量α最小为18º、最大60º。扳手直径d为3～25mm、长度L为12.5～50mm。第三节主要控制器的设计（3）扳动开关62第三节主要控制器的设计（4）控制杆控制杆是一种需要用较大的力操纵的控制器。控制杆的运动多为前后推拉，左右推拉或做圆锥运动，因而需占用较大的操作空间。第三节主要控制器的设计（4）控制杆63第三节主要控制器的设计当操纵角度较大时，控制杆端部应设置球状手把。控制杆的操纵角度以30º为宜，一般不超过90º。

对于需要用力较大的控制杆，为便于施力，立姿作业时手把的位置应与肩同高，坐姿作业应与肘同高第三节主要控制器的设计当操纵角度较大时，控制杆端部应设置球64第三节主要控制器的设计二、脚动控制器的设计脚动控制器主要有脚踏板、脚踏钮等。当操纵力较小时，且不需要连续控制，宜选择脚踏钮。如需要较大操纵力，要求提供相当的速度时，多使用脚踏板。第三节主要控制器的设计二、脚动控制器的设计65第三节主要控制器的设计（1）脚踏板

脚踏板的形式可分为直动式、摆动式和回转式。第三节主要控制器的设计（