安全人机系统中的控制装置(讲稿)

安全人机工程学

第五章安全人机系统中的控制装置1/126第一节控制器的类型及选择（1学时）

一、控制器的类型 二、控制器的选择 第二节操作控制系统的安全因素（1学时）一、操作误差及相关因素 二、控制器的工效因素 三、控制器编码 第三节控制器的设计

（2学时）一、手操纵控制器的设计 二、脚操纵控制器的设计 三、控制器的布局第五章安全人机系统中的控制装置2/126将人的控制信息传输给机器。准确、迅速、安全操作控制装置的形式、位置、方向、精度、强度、作用力等参数都要适合于人的生理特点和心理习惯。控制装置3/126操纵控制器4/1265/126宝马318i图片资料6/126宝马325i车型资料(5)7/126法拉利Enzo脚踏板8/126三厢夏利N3车灯开关9/126三厢夏利N3电动窗按钮10/126三厢夏利N3后排车门11/126三厢夏利N3脚踏板12/126三厢夏利N3双蹦灯开关13/126三厢夏利N3雨刷控制杆14/126手柄15/126手柄16/126手柄17/126手轮18/126手轮19/126手轮20/126手轮21/126阀门手轮22/126旋钮23/126旋钮24/126旋钮25/126旋钮26/126旋钮27/126旋钮28/126旋钮29/126曲柄

30/126曲柄31/126曲柄32/126操纵杆控制器33/1263DForce振动操纵杆34/126键盘35/126键盘36/126键盘37/1265.1控制器的类型及选择一、控制器的类型1.按操纵方式划分(1)手动控制器,手柄、按钮、旋钮、选择器、杠杆、手轮等。(2)脚动控制器,如脚踏板、脚踏钮、膝控制器等。38/1262.按控制器的功能划分(1)开关控制器,简单的开、关,启动、停止，按钮、踏板、手柄等。(2)转换控制器,状态转换,如手柄、选择开关、转换开关、操纵盘等。(3)调整控制器,工作参数定量增加或减少。如旋钮、手轮、操纵盘等。(4)制动控制器,紧急状态下启动或停止。灵敏度高,可靠性强,如制动闸、操纵杆、手柄、按钮等。3.其他控制器主要有光控制器和声控制器39/126二、控制器的选择1.按功能选择表5-1、表5-2表5-l各种控制装置的使用功能控制装置名称使用功能启动不连续调节定量调节连续控制输入数据按钮O

钮子开关OO

旋钮选择开关

O

旋钮

OOO

踏钮O

踏板

OO曲柄

OO手轮

OO操纵杆

OO键盘

O40/126二、控制器的选择表5-2各种控制装置的使用情况比较使用情况按钮旋钮跨钮旋转旋纽开关纽子开关手摇把操纵杆子轮踏板需要的空间小小-中较小中小中-大中-大大大编码好好差好较好较好好较好差视觉辨别位置可好差好好可好较好差触觉辨别位置差可可好好可较好较好较好一排类似控制装置的检查差好差好好差好差差一排控制装置的操作好差差差好差好差差合并控制好好差较好好差好好差41/1262.按工作要求选择表5-3不同工作情况下选择控制装置的建议工作情况建议使用的控制器操纵力较小2个分开的装置按钮、踏钮、拨动开关、摇动开关4个分开的装置按钮、拨动开关、旋钮、选择开关4－24个分开的装置同心成层旋钮、键盘、拨动开关、旋转选择开关25个以上分开的装置键盘小区域的连续装置旋钮较大区域的连续装置曲柄操纵力较大2个分开的装置扳手、杠杆、大按钮、踏钮3－24个分开的装置扳手、杠杆小区域连续性装置手轮、踏板、杠杆大区域连续性装置大曲柄42/126表5-4用于追踪的控制装置选择追踪信号的运动形式适宜的控制器类型方案比较圆形圆形转动最好直线圆形转动好直线直线移动中等圆形直线移动一般43/126二、控制器的选择3.控制器的选择原则①快速而精确度高的操作一般采用手控或指控装置，用力的操作则采用手臂及下股控制；②手控制器应安排在肘和肩高度之间且容易接触到的位置，并且易于看见；③紧急制动的控制器要尽量与其他控制器有明显区分，避免混淆；④控制器的类型及方式应尽可能适合人的操作特性，避免操作失误。44/1265.2操作控制系统的安全因素一、操作误差及相关因素操作人员缺乏训练或思想不集中控制器设计没有充分考虑人机协调关系45/1261.操作误差的种类(1)置换差错。控制器位置安排不适当或控制器的识别标志不明显。(2)调节错误。(3)逆转错误。控制器的运动方向不合人的操作习惯,控制器的方向与机器的运转方向或与指示器的方向缺乏逻辑上的联系,或控制器本身缺乏醒目的导向标志。(4)无意的操作错误。控制器本身缺乏复位装置或某种报警信号系统；操纵部件的阻力不够,手感不强,操作时难以感觉出操纵量的大小；控制器的配置量和操纵力超过了人的操作能力,使人难以方便地操作。

46/1262.操作误差的相关因素引起操作误差的因素除人机系统中的协调性不够之外,还有其他很多因素。1)手套：戴手套会防碍手部感受控制器的反馈信息。2)鞋：鞋底的性质也会影响脚对反馈信息的感受。过厚、过硬3)工作服：工作服的作用是,在生产中用于抵抗外界对人体的各种不利影响。47/126工作服装对安全性及效率的影响,主要有以下3个方面：(1)保证人的生命得以正常维持,

保温性能、隔热性能、透气性能、吸湿性能。(2)方便劳动：厚度、硬度、弹性、强度等、服装的样式、合体程度。(3)保障操作系统安全。防水、防火、防尘、防污染、不产生静电和绝缘有要求；式样要考虑到能防止衣服被机器绞住,以防意外伤害。48/126工作服49/126EFP隔离工作服50/126Mvc-033法国巴固51/126避火服52/126德军装甲兵防火工作服53/126防毒服54/126工作服55/126无尘工作服-蛙装56/126法国巴固消防战斗服57/126中国卫生监督标志服58/126二、控制器的工效因素1.控制反馈控制器的状态反馈给操作者。仪表显示之外,还常用以下几种形式。(1)光显示。59/126(2)音响显示。在控制器上设置、到位音响装置(如“卡嗒”声)。(3)操纵阻力。阻力过小、阻力过大表5-5摩擦、弹性、粘滞性等控制器的阻力特性阻力类型举例特性优点缺点用途摩擦力开关、闸刀开始时阻力较大，开关滑动时阻力即下降因阻力大，可减少意外动作控制准确度低宜作不连续控制弹力弹簧作用等阻力随控制器移动距离加长而增大1．控制准度确高

2．控制器能自动归回空位控制器移动到中间位置要定位时，需设定位装置可作连续控制粘滞力活塞作用等阻力与控制器移动速度相对应1．控制准确度高

2．运动速度均匀

3．稳定性好造价高宜作连续控制惯性力起重机的摇把等阻力由多级结构的惯性产生，一般较大1．允许平滑移动

2．因需较大作用力，故减少了意外移动的可能操作疲劳；移动准确性差可用于不精确控制60/126表5-6不同控制器所要求的最小阻力控制器类型所需最小阻力手动按钮2.8扳动开关2.8旋转选择开关3.3旋纽0～1.7摇柄9～22手轮22手柄9脚动按钮5.6(如果脚停留在控制器上)17.8(如果脚不停留在控制器上)脚踏板44.5(如果脚停留在控制器上)17.8(如果脚不停留在控制器上)61/126控制器到位时应使阻力发生一种变化,作为反馈信息传达给操纵者。

图5-2操纵阻力的变化62/1262.控制显示比B指控制器的操作量与显示器(指示器)的显示量之间的一种比例关系。B值小,适用于粗调或要求快速到位的场合；B值大,适用于精调的场合。

63/1263.控制运动方向与系统的关系

应尽量使控制器的操作方向与系统过程的变化方向相一致,这样可以使控制器的操作形象化。64/126图5-4给出几种操纵控制器与系统反应的对应方向的关系图。65/126表5-7是系统变化方向从下往上时,操作不同运动方向的控制器的准确性情况。

系统反应方向控制器操作方向操作错误数占实验总数的百分数单手操作双手操作从下往上向上5.07.0向前（离开自己）7.58.8向侧面（向左和向右）11.715.3向后（向自己）11.318.5向下13.319.866/126三、控制器编码两个目的:说明控制器的位置或状态,以便确认操作的准确性；使不同的控制器各具特点,便于记忆、寻找和感受信息,保证操作的正确性。

67/1261.形状编码形状与功能有直接的联系，如轮形的操纵器可用来操纵飞机的起落架，翼形操纵器则用于副翼或襟翼的操纵，这种形象化的操纵器有利于减少飞行事故。图5-6

海军雷达系统中常用的控制钮68/126常用的旋钮控制器，一般可分为三种类型连续旋转钮（控制范围超过360°）部分旋转钮（控制范围不超过360°）定位指示旋钮（控制范围有固定的边界限范围有固定的边界限制）69/126通常在设计形状编码时要注意以下几点：(1)形状编码要尽量简单易识别。(2)形状编码的形态设计要尽量与其使用功能的特点相吻合,以使人容易识别控制器的功能和用途。(3)控制器的形状编码的手感要好,不会引起人的不舒适；当戴手套操作时,也应能较好地分辨和使用。70/1262.大小编码操纵器采用大小编码时，一般说来，大操作器的尺寸要比小操纵器的大20%以上，才有准确操纵的把握，而这一点是较难保证的，所以，大小编码形式的使用是有限的。由于大小编码的视觉和触觉感知度小的原因,常与其他形式编码一起使用。71/1263.位置编码在人机操纵系统中,利用控制器相对于人的不同位置进行编码。72/1264.色彩编码不单独使用色相种类不宜过多73/1265.符号编码在控制器上标以不同的文字或图形符号以区别不同的控制器。这种编码的优点是,可以用示意性符号对每个控制器的作用给以直观性指示,不需要事先去记忆每个控制器的功能和用途,减少了大脑译码的过程,因此效率和准确度都较高。在设计符号编码时,这些符号应力求简单、达意、明显、易认。控制器上的编码（汽车门）74/1265.3控制器的设计按操作人员的普遍能力和一般习惯进行设计。75/126一、手操纵控制器的设计1.手的操作尺度及特征(1)手的尺寸及范围,图5-8(2)手臂的运动尺度,单手操作时为侧向60°,双手操作时为左右各30。(3)人的手部操纵力的大小与手的用力方向、姿势、时间、年龄、性别等有很大关系。76/126(4)手的运动特征①手的垂直运动速度比水平运动速度快,且准确度也高；②手自上往下运动速度比自下往上运动速度快；③在水平面上,手的前后运动比左右运动快,旋转运动比直线运动快；④一般人,右手运动比左手快,且右手向右运动比向左运动快；⑤手朝向身体运动比离开身体运动速度快；⑥手臂的顺时针方向操作动作比逆时针方向操作动作要快。77/1262.旋钮设计适用场合:操作时要求不大的力量,缓慢平稳地旋转360°,精确定位、切换和完成几个稳定状态的作用。78/1261)旋钮的形态连续平稳旋转的旋钮一般设计成圆柱形或锥台形；轮缘的外形为槽形和齿形,以防止转动时打滑；旋钮的顶面标有动作位置的标记。79/1261)旋钮的形态80/126切换或分级旋钮一般设计成长型或长与圆的综合型,外部形状要明显地指示出切换和分级的位置。81/1262)旋钮的尺寸

人操作的方便性82/1262)旋钮的尺寸

人操作的方便性83/1263.按钮设计用于需要接通或切断的设备,使机器或者动力机械运行或停止。按钮有两种结构：一种是揿则下降，松则弹起，这是单作用按钮；还有一种揿下之后可以锁住，再揿时才能弹回，这是具有保持位的双作用按钮。84/1261)按钮的形态通常按钮的手触及的端面为圆形或方形,并应符合按压时手指的形状,使手指与它们接触时有舒适感。85/1261)按钮的形态对于重要的按钮,为了防止误操作,可将按钮设计为凹坑式或加防护装置86/1262)按钮的尺寸及操纵力对于小型的食指按压的圆按钮直径为8～18mm,方形边长为10～20mm,压人深度为5～20mm,压力为5～15N；对于中型的大姆指按压的按钮直径为25～30mm,压人深度为15mm,压力为10～20N；对于大型的用于手掌按压的按钮,直径为30～50mm,压进深度为10mm,压力为100～150N。87/1263)多按钮的键盘形状88/1263)多按钮的键盘形状89/1263)多按钮的键盘形状90/1263)多按钮的键盘形状91/1263)多按钮的键盘形状92/1264.切换开关设计一般只有开和关两个切换位置,特殊情况下也有三个切换位置。切换力一般为3-5N。用手指切换,最大力为12N；用全手切换时,最大力不超过20N。图5-19中为切换开关扳手的最小极限尺寸、适宜的尺寸及最大极限尺寸,单位为m；扳动的最小角度、适宜角度及最大角度,三个切换位置时所允许的扳动角度。常以不同颜色加以区分如(ON)、(OFF)等。图5-20为几种切换开关的形态。93/1265.手柄设计要防止手柄的形状丝毫不差地贴合于手的握持空间,尤其不能紧贴掌心；如果掌心长期受压受振,可能会引起痉挛和疲劳。图5-22图5-23图5-21手柄形式和着力方式比较94/1266.操纵杆设计操纵杆的自由端装有把手或手柄,另一端与机器或设备连接。它可以利用较大的杠杆比,操纵阻力较大的控制器。常用操纵杆的形式见图5-2595/126三厢夏利N3转向灯控制杆96/126三厢夏利N3座椅调节杆97/1267.曲柄设计用于以迅速转动的方式来改变机器或机构的状态,且在变化时需要较大操纵力的场合。曲柄臂杆的长度最小极限为30mm,见图5-26,通常,在大负荷时臂长为150—400mm,小负荷时臂长为60—120mm。曲柄手柄的直径与长度关系见表5-12。98/1267.曲柄设计99/1268.转轮设计1)摇把式手轮摇把式手轮用于操纵力不大的情况下完成较精确的定位和调节。图5-27所示摇把式手轮的最大许用力为10-40N,直径为125-200mm。100/1268.转轮设计2)转盘式手轮操纵力较大双手操作101/126二、脚操纵控制器的设计脚操纵控制器常用于:①用于系统或机器的快速接通和断开启动和停车；②用于操纵力较大,或机构的就位精度要求不高的场合；③为了减轻手操纵的过量负荷,需要脚操纵配合的情况。102/126二、脚操纵控制器的设计1.脚及腿的特征(1)脚的运动主要靠膝关节和脚掌的运动。图5-33为膝关节和脚掌的运动及有关数据。

(2)脚的操纵力与人的工作姿式及膝关节弯曲程度有很大关系,同时还与人的左脚或右脚、男性或女性有关。图5-34为腿部处于不同折角时的蹬力情况。103/126二、脚操纵控制器的设计2.脚操纵器设计1)脚操纵器的形式按脚不同部位的操作情况、使用条件和用力大小,脚操纵器的形式主要有如图5-35所示的几种情况。(a)、(b)两种形式适用于用力较大的操作状态(如汽车刹车制动器),并且操作不频繁的情况下,脚不能经常落在上面,着力完后即离开。(c)、(d)两种形式用于操作频繁且用力不大的情况下(如脚踏开关),脚可以不离开踏板,靠脚跟支持,脚尖动作来完成操作。104/126二、脚操纵控制器的设计2)脚操纵器的尺度及布置范围

脚操纵器应布置在人正对位置,其高度应在脚能得力蹬踩的位置,前后位置应在人脚所能及的距离内。脚操纵器相对于人的布置见图5-36。105/126二、脚操纵控制器的设计3)操纵力脚操纵器的操纵力应适合于人在不同操作场合下不同情况。表5-14中列出不同脚操纵器的用力建议。除上述脚控制操纵器外,生产中还有用膝控制的操纵器。图5-37膝控制器106/126三、控制器的布局1、控制器的位置排列(1)按人的操作范围布置控制器(2)按人的操纵习惯布置控制器。(3)按控制器的不同功能区分排列(4)控制器之间要保持一定的间隔距离

107/126三、控制器的布局2.控制器的协调性布置(1)控制器的运动形式应与机器或设备的运行状态相协调一致。(2)控制器的操纵方式应与显示器的方式协调一致。(3)控制器的运动方向应与显示器指针的运动方向一致。(4)控制器的排列形式应与显示器的排列形式相对应。(5)为了提高生产效率,常采用复合操作显示器。(6)操纵控制台的空间尺度要适合人的生理特点(7)操纵控制台的形式要尽可能适合多种操作特点。108/126工作椅设计主要依据坐姿的优点

当人站立时，人体的足踝、腰部、臀部和脊椎等关节部位受到静肌力作用，以维持直立状态，而坐时，可免除这些肌力，减少人体能耗，消除疲劳，坐姿态比站立更有利于血液循环，而且有利于保持身体的稳定。

目前，大多数办公室人员、脑力劳动者、部分体力劳动者都采用坐姿工作。随着技术的进步，愈来愈多的体力劳动者也将采取坐姿工作，因而工作坐椅设计和相关的坐姿分析日益成为人机工程学工作者和设计师们关注的研究课题。109/126工作椅设计主要依据脊柱结构—坐姿生理学712554110/126工作椅设计主要依据腰弧曲线—坐姿生理学从坐姿生理学角度，应保证腰弧曲线正常。111/126工作椅设计主要依据—坐姿生理学腰椎后突