《安全人机工程学》课件 第8章机器设计安全原则

安全人机工程学第八章

机器设计安全原则学习目标：1.掌握显示器的分类及选择原则；2.掌握控制装置的总体设计原则、分类及选择原则；3.了解虚拟环境与虚拟现实技术特征。目录CONTENTS01视觉显示器设计原则02听觉显示器设计原则03控制装置设计原则04显示与控制系统综合设计原则05虚拟环境与虚拟现实06习题第一节

视觉显示器设计原则视觉显示器的定义视觉显示器是一种利用视觉信号传递信息的设备或系统，它通过视觉界面，将数据或指令以直观、易理解的方式展现给操作者。人视觉显示器举例

简单的如红绿灯、指路牌等，复杂的如计算机的显示器、汽车驾驶仪表等。无论是何种形式的视觉显示器，都有一个共同点，即都必须通过可见光作用于人的眼睛才能达到信息传达的目的。第一节

视觉显示器设计原则1.1视觉显示器的分类（1）模拟显示器模拟显示器通过指针角度、滑块位置等连续的物理量来表示信息，能够直观呈现数据在全量程中的位置，是显示连续变化数据的经典方式。形象直观无需精确读数，即可快速判断数值在全量程中的大致范围，降低认知负荷。易察趋势能即时反映偏差量与变化方向，非常适合需要实时监控和过程控制的作业场景。技术成熟结构简单可靠，机械部件故障率低，日常维护操作简便，使用寿命较长。环境适应性强多数无需外接电力驱动，且不受电磁干扰影响，在复杂工业环境中表现稳定。第一节

视觉显示器设计原则1.1视觉显示器的分类（2）数字显示器数字显示器是一种将数字信息以电子方式显示的设备，它可以将电信号转换成可视（固定或动态变化）的数字字符。数字显示器分类可分为机械式与电子数字显示器。①机械式数字显示器机械式数字显示的字符变化装置常用的有两种：一种是把字符印制在卷筒上，用转动卷筒的办法变化字符显示；另一种是将字符印制在可翻转的薄金属片上，这种方法使用较方便，可以准确地控制显示。②电子数字显示器常用的电子显示装置有液晶显示（LCD）和发光二极管显示（LED）。第一节

视觉显示器设计原则1.1视觉显示器的分类（3）屏幕显示器屏幕显示器是一种将电子信号转换为可视图像的设备，它由一个或多个显示面板组成，能够显示由像素阵列构成的图像。屏幕显示器具有综合显示的独特优点，既能显示图形、符号、信号和文字，又能作追踪显示，还能显示动态画面，能够集成多种信息同时显示，且分辨率高，适合显示复杂的内容。现在很多企业的内操室及总控室，往往以巨型屏幕，显示多种信息，如右图。第一节

视觉显示器设计原则1.1视觉显示器的分类（3）屏幕显示器屏幕显示器常见的有荧光屏显示器与液晶显示器。①荧光显示器在信息显示方面，荧光屏的应用越来越多，如监视器、计算机显示器、示波器、雷达等。荧光显示器不仅占用空间小，显示格式灵活多变，而且具有综合显示的独特优点，既能显示图形、符号、信号和文字，又能作追踪显示，还能显示动态画面，因而得到迅速发展。②液晶显示器液晶显示器是在两片玻璃之间封装液晶材料，液晶晶格在外加电场作用下晶格的方向发生变化，以此来达到显示信息的目的。它已被广泛用作笔记本电脑以及部分台式电脑的显示器。第一节

视觉显示器设计原则1.1视觉显示器的分类（4）信号灯信号灯作为特殊的视觉显示器，通常用于指示状态或表达要求，有时也用于传递消息。常见的信号灯为红、绿、黄三种颜色，用以表示禁止、安全及警告等信息，一些特殊情况下，可能使用其他颜色的信号灯，如蓝色、紫色灯，用于指示特定信息。信号灯主要用于交通部门，常见有交通信号灯、铁路信号灯、紧急车辆信号灯、施工区域信号灯灯；在生产过程中，信号灯作为传递安全信息的一种方法，用于安全警示。如警告工人或操作人员即将进行的危险操作，如启动或停止机器。也用于指示危险区域，如高温、高压、易燃易爆区域等。第一节

视觉显示器设计原则1.2视觉显示器选择与设计原则在选择和设计视觉显示器时，需要考虑以下几个关键原则：

①显示器所显示的信息要有较好的可觉察性、可辨性，保证接受者能迅速、准确地感知和确认，显示

器传递的信息数量不宜过多，信息内容不应超过接受者的观察范围和注意能力。

②应考虑人接受信息能力的特性，当某一种感觉通道负荷过大时，可使用另一种通道协助接受信息。

③显示信息的量值应有足够的精度和可靠性。同种类的信息应尽量用同样方式传递。没有特殊原因，

不应采用不同的方法进行显示。

④有多种显示器的情况下，要根据技术过程、各种信息的重要程度和使用频数来布置，重要的显示器

应在醒目的位置上。

⑤各个国家、地区或行业部门使用的信息编码应尽可能做到统一和标准化。必须保证在特定作业环境

下实现显示信息的功能和作用，保证接受者有最佳的工作条件。第一节

视觉显示器设计原则1.2视觉显示器选择与设计原则在选择和设计视觉显示器时，需要考虑以下几个关键原则：

①显示器所显示的信息要有较好的可觉察性、可辨性，保证接受者能迅速、准确地感知和确认，显示

器传递的信息数量不宜过多，信息内容不应超过接受者的观察范围和注意能力。

②应考虑人接受信息能力的特性，当某一种感觉通道负荷过大时，可使用另一种通道协助接受信息。

③显示信息的量值应有足够的精度和可靠性。同种类的信息应尽量用同样方式传递。没有特殊原因，

不应采用不同的方法进行显示。

④有多种显示器的情况下，要根据技术过程、各种信息的重要程度和使用频数来布置，重要的显示器

应在醒目的位置上。

⑤各个国家、地区或行业部门使用的信息编码应尽可能做到统一和标准化。必须保证在特定作业环境

下实现显示信息的功能和作用，保证接受者有最佳的工作条件。第一节

视觉显示器设计原则1.3模拟显示器设计要素对于模拟式显示器，要使人能迅速而准确地接受信息，刻度盘、指针、字符和色彩匹配的设计与选择必须适合人的生理和心理特性。模拟显示器的设计要素包括以下三点：

①模拟显示器的大小与观察距离比例适当。指针式仪表的最佳直径与观察距离及监控者的视角有关，实验表明，最佳视角为2.5°~5°。

②刻度盘形状的选择主要根据显示方式和人的视觉特性。如从认读的准确性来说，开窗式刻度盘优于其他形式，圆形和半圆形刻度盘的识读效果优于直线形刻度盘，水平直线优于垂直直线式。

③刻度盘的刻度划分、数字和字母的形状、大小以及刻度盘色彩对比便于监控者迅速而准确地识读。刻度线上标度数字应符合人们的视觉特性及认知习惯。第一节

视觉显示器设计原则1.4数字显示器设计要素数字显示器的设计要素包括以下三点：

①应按照人的视觉特性设计数字显示器的数字尺寸，以确保在规定的观看距离内清晰可读，应考虑到不同文化背景下的阅读习惯，合理布局显示内容，应设置高对比度的颜色搭配，以确保在多种光照条件下都能清晰显示。

②应按照人的视觉特性设计数字显示器的数字尺寸，以确保在规定的观看距离内清晰可读，应考虑到不同文化背景下的阅读习惯，合理布局显示内容，应设置高对比度的颜色搭配，以确保在多种光照条件下都能清晰显示。

③应按照人的视觉特性设计数字显示器的数字尺寸，以确保在规定的观看距离内清晰可读，应考虑到不同文化背景下的阅读习惯，合理布局显示内容，应设置高对比度的颜色搭配，以确保在多种光照条件下都能清晰显示。第一节

视觉显示器设计原则1.5屏幕显示器设计要素屏幕显示器的设计要素包括以下三点：

①屏幕显示器显示多种信息时，信息呈现需要有焦点、有主次。应遵循“先总览后细节”的原则，首先展示核心数据，然后逐步展示更详细的内容，可以通过颜色、大小和布局来区分信息的重要性和层次。

②应保证适当的亮度和对比度，在各种光照条件下都有良好的可视性。应确保足够的像素密度，以支持清晰的图像和文字显示。实践证明，屏面亮度与周围亮度相一致时，目标观察、识别和追踪效率都达到最优。

③应根据视距设计屏幕的大小，确保屏幕能够清晰、明确地展示信息。例如，当视距为35.5~71cm时，雷达屏面直径以12.7~17.8cm为最佳。第一节

视觉显示器设计原则1.6信号灯选择与设计原则信号灯的设计要素包括以下五点：

信号灯应该按照使用目的合理设计。不同目的的指示灯应当使用不同颜色，常用的10种信号灯编码颜色的不易混淆次序为：黄、紫、橙、浅蓝、红、浅黄、绿、紫红、蓝、黄粉。

信号灯应按照重要程度排列。重要信号灯必须安置在最佳视区视野中心3°范围。一般信号灯在20°内，极次要的信号灯才安排在离视野中心60°~80°外，但仍需在不必转头即能看到。

当多个信号灯同时使用时，不同目的的信号灯应从形状、标记上加以区别，而形状、标记应与其所代表的意义有逻辑联系，如“→”指向，“×”示禁，“！”示警，慢闪光表示慢速等。

为引起注意，可用强光和闪光信号，闪光频率为0.67~1.67Hz。闪光方式可为明灭、明暗、似动（并列两灯交替明灭）等，但闪光信号会造成分心，不宜滥用。

信号灯应考虑与操纵杆和其他显示器的配合。信号显示如与操纵或其他显示有关时，应与有关器件位置靠近，组成排列，而且信号灯的指示方向与操作方向保持一致，例如开关向上，上方灯亮等。第二节

听觉显示器设计原则2.1听觉显示器的分类（1）音响和报警装置音响和报警装置常用于发出警报声音，通过声音的频率变化提示紧急情况或事故，提供信息。（a）蜂鸣器

（b）消防警铃（c）景云钟（d）轮船汽笛（e）防空警报器抗干扰性强在有背景噪声的场合，宜采用音响和报警装置，音响和报警装置的频率选择在噪声掩蔽效应最小的范围内，使人们在噪声中也能辨别出听觉信号。警觉性高警报器的声音强度大，可传播很远，频率由低到高，发出的声调富有上升和下降的变化。传播距离远警报器的声音强度大，可传播很远。”同时，作为听觉信号，它具备声音传播的固有优势，不受光照和方向的限制。第二节

听觉显示器设计原则2.1听觉显示器的分类（2）语言传示装置人与机之间也可用语言来传递信息。传递和显示语言信号的装置称为语言传示装置，如麦克风、扬声器就是语言传示装置。用语言作为信息载体，可使传递和显示的信号含义准确、接受迅速、信息量大，不受方向和光照的影响，缺点是易受噪声的干扰。经常使用的语言传示系统有：无线电广播、电视电话、报话器和对话器及其他录音、放音的电声装置等。第二节

听觉显示器设计原则2.2听觉显示器选择与设计原则01信息复杂度适配当需要显示的听觉信息较多时，可以用一个语言传示装置可代替多个音响装置。语言传示装置表达准确，各信息不易混淆02抗环境噪声干扰在有背景噪声的场合，宜采用音响和报警装置，音响和报警装置的频率选择在噪声掩蔽效应最小的范围内，使人们在噪声中也能辨别出听觉信号。03强化警示注意力对于引起人们注意的音响显示装置，最好使用断续的声音信号；而对报警装置最好采用变频的方法，使音调有上升和下降的变化，更能引起人们注意。04规避信号互扰在小范围内使用听觉显示器时，应注意听觉显示器的多少。当听觉显示器太多时，会因同时显示而互相干扰、混淆，遮掩了需要的信息。05适配传播距离当要求听觉显示器传播距离很远和穿越障碍物时，应加大声波的强度，使用较低的频率。第二节

听觉显示器设计原则2.3音响和报警装置设计要素（1）音响信号必须保证使位于信号接收范围内的人员能够识别并按照规定的方式做出反应。因此，音响信号的声级必须超过听阈，最好能在一个或多个倍频程范围内超过听阈10dB（A）以上（2）音响信号必须易于识别，特别是有噪声干扰时，音响信号必须能够明显地听到并可与其他噪声和信号区别。因此，音响和报警装置的频率选择应在噪声掩蔽效应最小的范围内。（3）为引起人注意，可采用时间上均匀变化的脉冲声信号，其脉冲声信号频率不低于0.2Hz和不高于5Hz，其脉冲持续时间和脉冲重复频率不能与随时间周期性起伏的干扰声脉冲的持续时间和脉冲重复频率重合（4）报警装置最好采用变频的方式，使音调有上升和下降的变化（5）显示重要信号的音响装置和报警装置，最好与光信号同时作用，组成“视听”双重报警信号，以防信号遗漏。第二节

听觉显示器设计原则2.3语言传示装置设计要素（1）在设计语言传示装置时，应考虑语言的清晰度。所谓语言的清晰度，是指人耳通过语言传达能听清的语言（音节、词或语句）的百分数。表3-1语言清晰度与主观感觉的关系（2）在设计语言传示装置时，应考虑语言的强度。当语言强度接近120dB(A）时，受话者将有不舒服的感觉；当达到130dB(A）时，受话者耳中有发痒的感觉，再高便达到痛阈，将有损耳朵的机能。因此，语言传示装置的语言强度最好在60~80dB(A）之间。（3）在设计语言传示装置时，应考虑噪声的掩蔽作用。当语言传示装置在噪声环境中工作时，噪声将影响语言传示的清晰度。研究表明，当噪声声压级大于40dB(A）时，噪声对语言信号有掩蔽作用，从而影响语言传示的效果。第三节

控制装置设计原则一、控制器的类型及选择二、控制器的设计三、手动控制器设计四、脚动控制器设计五、显示器和控制器配置设计控制器的类型按人体操作部位按实现的功能手动控制器脚动控制器开关式控制器转换式控制器调节式控制器紧急停车控制器旋转式控制器移动式控制器按压式控制器1控制器的类型第三节

控制装置设计原则第三节

控制装置设计原则3.1控制装置分类（1）手动控制装置手动控制装置包括旋转式控制装置、按压式控制装置、移动式控制装置等。常用的手动旋转式装置有旋钮、手轮、摇柄、舵轮等，常用的手动移动式控制装置有操纵杆、手闸、扳钮开关和指拨滑块等。按压式控制装置按其外形和使用情况，大体上分为按钮和按键两类。传统的控制装置，按人体操作部位的不同，可分为手动控制装置和脚动控制装置两大类。（a）多倍旋钮（c）按钮（d）键盘1脚动控制器的型式和操纵特点脚动控制器有两种类型:脚踏板和脚踏钮脚踏板又分直动式、摆动式和回转式(包括单曲柄式和双曲柄式。直动式中,有以脚跟为支点的脚踏板,如汽车的加速踏板；有脚悬空的脚踏板,如汽车的制动踏板。

脚踏板的型式第三节控制装置设计原则脚悬空的踏板第三节

控制装置设计原则3.1控制装置分类近年来，出现了一些新型的控制装置，如语音控制装置、眼动控制装置、脑电波控制器、体感控制器等。近年来，随着计算机技术、互联网、大数据等技术的发展，推动了语音识别技术的飞速发展。语音识别技术，通过对语音信号处理、模式识别，将声音信号转变为相应的指令，驱动机器执行，实现机器理解人类的语言。相比于传统操作方式，语音控制装置具有输入快速、无须动手、即时操作的特性，在某些应用场景具有独特的优势。语音控制装置

（a）语音电视遥控器

（b）语音鼠标第三节

控制装置设计原则3.1控制装置分类近年来，出现了一些新型的控制装置，如语音控制装置、眼动控制装置、脑电波控制器、体感控制器等。眼动控制是基于眼球运动追踪技术的一种新型的人机交互方式；其原理是使用红外线照射用户眼睛，利用摄像传感器捕捉图像，根据图像数据确定瞳孔的位置，计算（诸如注视点、注视时间和次数、眼跳距离、瞳孔大小等）数据，以此来跟踪视线方向、判断眼部动作，从而实现控制机器的目的。眼动控制装置

（a）眼动仪

（b）语音鼠标第三节

控制装置设计原则3.1控制装置分类近年来，出现了一些新型的控制装置，如语音控制装置、眼动控制装置、脑电波控制器、体感控制器等。体感控制器是一种智能运动感应设备，采用动作捕捉技术，识别、跟踪、记录人体的真实运动状态，触发相应的机器控制功能。体感控制器（a）体感控制手环

（b）光学体感控制器体感控制器在虚拟现实、人体工程学研究、动画制作、模拟训练等领域有着广阔的应用前景。第三节

控制装置设计原则3.2控制装置选择与设计原则（1）控制装置选择原则要选择控制装置，需要首先了解下列方面的问题。即操纵作业的要求、控制装置的功能特点、控制装置安装场地的特点以及控制装置的安全要求等。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●

钮子开关●●

旋钮选择开关

●

旋钮

●●●

踏钮●

踏板

●●曲柄

●●手轮

●●操纵杆

●●键盘

●表3-1各种控制装置的使用功能使用情况按钮旋钮旋钮选择开关钮子开关手摇把操纵杆子轮踏板需要的空间小小-中中小中-大中-大大大编码小好好较好较好好较好差视觉辨别位置可好好好可好较好差触觉辨别位置差可好好可较好较好较好一排类似控制装置的检查差好好好差好差差一排控制装置的操作好差差好差好差差合并控制好好较好好差好好差3.2控制装置选择与设计原则第三节

控制装置设计原则表3-2各种控制装置使用情况比较根据表3-1与表3-2，以此为基础，可按下列原则选择：（1）需要作出快速、精确的控制时，应选用手控控制装置，手控装置应安排在肘、肩高度之间的容易接触到距离处，并要易于看到。（2）控制装置的操作运动与显示装置的显示运动在位置和方向上有关联的场合，适合采用线性运动或旋转运动的控制装置。（3）需要在整个操纵范围内进行精确操纵的场合，宜选用多圈转动的控制装置。（4）操纵杆、曲柄、手轮及脚控制装置适用于费力、低精度和幅度大的操作。（5）手撤按钮、钮子开关或旋钮开关适用于用力小，移动幅度不大及高精度的阶梯式或连续式调节。（6）在操作过程中，只有在用脚动控制装置优于用手动控制器时才选用脚动控制装置。3.2控制装置选择与设计原则第三节

控制装置设计原则（2）控制装置设计原则

①控制器要适应于人的生理特点，便于大多数人使用操作。②控制器的运动方向要同机器的运行状态相协调。③控制器要容易辨认。④尽量利用自然的操纵动作或借助操作者身体部位的重力进行操纵。⑤在条件许可的情况下，尽量设计多功能的控制器。⑥控制器的造型设计，要求尺寸大小适当、形状美观大方、式样新颖、

结构简单，并且给操作者以舒适的感觉。3.2控制装置选择与设计原则第三节

控制装置设计原则3.2控制装置选择与设计原则第三节

控制装置设计原则（1）控制信息的反馈音响显示-噪声变化-音响定位装置振动变化-控制器-机器本体操作阻力-静摩擦力-弹性力-粘滞力-惯性力视觉显示-灯光

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控制器的阻力特性控制器的适宜用力(1)最大操纵力与最小操纵力:取决于操纵器的工作要求，受限于操作者在一定姿势下所能产生的力。操纵结构的形式允许的最大用力（N）轻型按钮5重型按钮30脚踏按钮20～90轻型转换开关4.5重型转换开关20前后动作的杠杆150左右动作的杠杆130手轮150方向盘150常用操纵机构所允许的最大用力控制器类型所需最小阻力（N）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)不同控制器的最小阻力（2）

控制器的尺寸：控制器的大小应适合于人的手或脚进行操作。提示：与使用目的和使用方法有关。根据人体尺寸及人体生物力学知识设计。（3）控制器的运动：符合人们的心理特性。

功能运动方向功能运动方向接通向上,向右,向前,顺时针,拉(推-拉型开关)切断向下,向左,向后,逆时针,推(推-拉型开关)开通向上,向前,向右,提拉,顺时针*关闭向下,向后,向左,按压,逆时针*增加向前,向上,向右,顺时针减少向后,向下,向左,逆时针向左向左,逆时针(左旋)向右向右,顺时针(右旋)前进向上,向右,向前后退向下,向左,向后向上升向上,向后向下降向下,向前开车向上,向右,向前,顺时针刹车向下,向左,向后,逆时针3.2控制装置选择与设计原则第三节

控制装置设计原则①形状编码：不同用途控制器设计不同形状。②大小编码：要求相差20%以上。因此对旋钮、按钮等只有大中小三类。一般很少单独使用。③位置编码：安装位置区分控制器。垂直布置优于水平布置，间距一般不宜小于125mm。④颜色编码：一般不单独使用，而要同形状或大小编码合并使用。⑤符号编码：在控制器上刻入不同符号区分。要求：仅凭触觉便可辨别。农用机操纵杆的编码3.2控制装置选择与设计原则第三节

控制装置设计原则（4）控制器的编码3.3手动控制装置设计要素第三节

控制装置设计原则（1）旋转式控制装置设计要素旋转式控制装置，广泛应用于各种设备中，用于调节设置或导航。从安全角度，设计旋转式控制装置时应当考虑的原则如下：①符合人体生理及生物力学特性。设计时应考虑手的形状和大小，确保握持舒适。旋转所需的力度应在操作者的舒适范围内，不过于紧涩也不过于松动。要考虑操作者操作时的角度和姿势，避免造成手部疲劳。②符合人体的认知及操作习惯。旋转的方向和角度应与调整的功能一致，例如，顺时针旋转通常用于增加音量。③要减少误操作的可能性。设计应减少误操作的可能性，例如，通过锁定机制防止意外旋转。3.3手动控制装置设计要素第三节

控制装置设计原则（2）按压式控制装置的设计原则从安全角度，设计按压式控制装置时应当考虑的原则如下：①按压式控制装置的尺寸应根据人的手指端的尺寸和操作要求而定。按压所需的力度应在人体操作力的舒适范围内，避免过重或过轻。如按钮表面宜设计成凹形，以符合手指的表面形状。按钮阻力不宜太小，以免稍有误触就会起作用，造成事故，不宜过大，以避免造成操作的不舒适感及手部疲劳。②

按压式控制装置之间应保持一定距离，避免手部误触碰引起的误操作，应提供清晰的按压感，以确定操作被执行。③应根据颜色编码，合理选择按压式控制装置的颜色。如电灯开关按钮，则宜采用白色、黑色，忌用红色，但可在按钮上标上红色或绿色标记。单一功能的复位按钮，可用蓝色、黑色、白色或灰色；对同时具有“停止”或“断电”功能的按钮应采用红色。（3）移动式控制装置的设计原则移动式控制装置，如滑块、滚轮、操纵杆等，常用于需要精确或连续调节的场合。从安全角度，设计移动式控制装置时应当考虑的原则如下：①应根据机器的功能选择和设计移动式控制装置。如扳动开关具有操作简便、运动迅速的优点，较适合用于开和关两种功能，操纵杆通常用于机械操作。②移动式控制装置应能够支持连续的调节，应根据设定的位移量与操作力确定移动式控制装置的长度。③应该合适设计操作用力与操作位置。如由于右手推拉力比左手推拉力大，通常将操纵杆设计在右侧，前后操作用力比左右操纵用力大，所以用力大的操纵杆设计为前后推拉式。3.3手动控制装置设计要素第三节

控制装置设计原则3.4脚动控制装置设计要素第三节

控制装置设计原则脚动控制装置的设计要素如下：（1）应合理设计脚动控制器的操作姿势。一般的脚动控制装置都采用坐姿操作，只有少数操纵力较小（小于50N）才允许采用站姿操作。

（2）应合理设计脚动控制器的用力。一般的脚蹬（或脚踏板）采用14N/cm²的阻力为好。用脚的前端进行操纵时，脚踏板上允许的用力不超过60N,用脚和腿同时操作时可达1200N，对于需要快速动作的脚踏板，用力应减少到20N。

（3）脚踏板和脚踏钮的表面都应设计成齿纹状，以避免脚在用力时滑脱。

（a）脚踏板

（b）脚踏钮3.4脚动控制装置设计要素第三节

控制装置设计原则（4）脚动控制器的适宜用力脚控操纵装置在坐姿操作的情况下,当脚蹬用力小于227N

时,腿的屈折角以107°为宜；当脚蹬用力大于227N时,腿的屈折角以130°为宜。用脚的前端进行操作时,脚踏板上的允许用力不宜超过60N；用脚和腿同时进行操作时,脚踏板上的允许用力可达1200N；对于快速动作的脚踏板,用力应减少到20N。在操纵过程中,操作者往往会将脚放在脚踏板上,为了防止脚踏板被无意碰移而发生误操作,脚踏板应有一定的起动阻力,该起动阻力至少应当超过脚休息时脚踏板的承受力。

3.5新型控制装置设计要素第三节

控制装置设计原则（1）语音控制装置设计要素①准确性。确保语音识别系统有高识别率，能够准确无误地识别用户的语音命令。②快速响应能力。语音控制器的响应时间应尽可能短，以便于在危险情况发生时能够及时反应，做出正确操作。③交互性。语音控制器能够理解自然语言和语境，可以根据当前的使用环境和上下文来优化命令的理解和执行，提高交互的自然性和效率。（2）眼动控制装置设计要素①需考虑人自身生理因素的制约，设计符合人的生理心理特点眼动控制器。②需保证高精度跟踪与快速响度，能够在不同的光线条件下正常工作。要确保眼动跟踪系统能够精确地检测眼球运动，并能快速响应眼睛的微小运动。③考虑到用户可能需要长时间使用，设计应减少视觉疲劳。3.5新型控制装置设计要素第三节

控制装置设计原则（3）脑电波控制器设计要素①设备应适应不同头型和大小，必须确保所有组件对人体无害，符合医疗设备的安全标准。应设计轻便、舒适的穿戴设备，以适应长时间使用。②确保信号采集设备具有高精度，能够准确捕捉脑电活动，采用有效的信号处理算法，以减少噪声干扰，提高信号质量。③应设计直观的脑电波控制界面，使得操作者能够轻松理解如何通过思维来控制设备。（4）体感控制器设计要素①设计应直观，操作简单，操作者应能快速理解如何通过身体动作来控制设备，需确保体感控制器能够精确地捕捉和转换操作者的动作。②应使用对人体无害的材料，避免设计中可能造成伤害的尖锐边缘或过热问题。③控制器应能在不同的使用环境中（如室内、室外、光线变化等）正常工作。第四节

显示与控制系统综合设计原则4.1显示器布局设计原则一个控制室内有多块仪表盘，而每一块仪表盘上又装有许多仪表时，则仪表盘和仅表布置得是否合理，是否适合人的生理和心理特性，关系到识读效果、巡检时间、工作效率和安全。

（1）

仪表盘的识读特点与最佳识读区人眼的分辨能力随视区而异。以视中心线为基准，在其上下各15°的区域内误读概率最小，视角增大差错率增高。若仪表盘上的仪表布局为：4只仪表位于监控者中心视线15°角区域内，5只仪表位于15°~30°角区域内，1只仪表位于30°~45°角区域内，则各仪表识读一次均不发生误读的概率为（〖1-0.0001）〗^4×〖（1-0.001）〗^5×（1-0.0015）=0.99312。当视距为800mm时，若眼球不动，水平视野20°范围为最佳识读范围，其正确识读时间为1s。当水平视野超过24°以外范围的仪表时，需通过头部区域，然后再观察右部区域，所以24°角以外区域的左半部正确识读时间比右半部正确识读时间短。第四节

显示与控制系统综合设计原则4.1显示器布局设计原则（2）仪表盘的总体设计原则如果许多块仪表一字排开，结果是盘面增大，眼睛至盘面上各点的视距不一样。盘面的中心部位视距最短，在其他条件相同的情况下，识读效率最高，盘面的边沿部位由于视距延长，因而识读效率最差。虽然可以通过监控者的移动、眼球或头部的运动改善，终不如中心部位的识读效率高，而且人体的运动也会加速疲劳。

为保证工效和减少疲劳，一目了然地看清全部仪表，一般可根据仪表盘的数量选择一字形、弧形、弯折形布置形式。

一字开布置的结构简单，安装方便，适用于仪表盘较少的小型控制室。弧形布置的结构比较复杂，它既可以是整体弧形，也可以是组合弧形，这种弧形结构改善了视距变化较大的缺点，常用于10块盘以上的中型控制室。弯折式布置由多个一字形构成，其结构比弧形式简单，又使视距变化较大的缺点得到克服。因此，该种布置形式常用于大中型控制室。第四节

显示与控制系统综合设计原则4.2控制装置布局设计原则控制装置布局主要考虑两个问题：一是控制装置的布局方便操纵，且与相关显示装置匹配；二是防止控制装置之间相互干扰，意外误操作。（1）控制装置平面布局设计原则首先应按操作程序及其功能逻辑关系进行合理安排；其次在此基础上把经常反复使用和重要程度高的控制装置安排在手脚最灵敏、识别程度最高、反应速度最快、用力最适当的区域和方位上。（2）控制装置垂直面布局设计原则操纵界面应与操作者身高相适应，或其工作台或控制装置高度可按劳动者的身高进行调节。大多数操作高度最好设置在作业者肘关节水平。这一“肘关节原则”可用于确定作业者操作时手的正确高度。（3）手工流水线操控平面布局设计原则控制装置手的主要活动范围是在肘关节水平身体前150~400mm之间和侧面400mm之内。手的次要活动范围超出主要范围，是体侧肘关节水平600mm以内。第四节

显示与控制系统综合设计原则4.3控制和显示装置的协调性机器、设备的显示与控制装置在大多数情况下相互关联，我们把这种显示与控制之间的相互关联称为控制一显示的协调性。1）运动协调性控制装置的运动方向与相应显示器的运动方向符合人的习惯模式时，对于提高操作质量、减轻人的疲劳，尤其是对于防止人在紧急情况下的误操作，具有重要意义。控制装置与显示器的运动方向一致，操作起来速度快、错误少，两者运动方向不一致，容易发生差错。显示与控制装置运动方向的协调关系如图8-13所示。（1）位于同一平面上的圆形显示器指针的旋转方向应与旋钮同方向旋转。指针从左至右以及旋钮顺时针旋转表示增加，反之表示减少。（2）同一平面上的控制装置，其顺时针运动方向应与直线型显示器的从左至右、从上至下、从前往后等运动方向相配合；而控制装置的逆时针运动方向应与显示器的从右至左、从下至上、从后往前等运动方向相配合。图4-1显示与控制装置运动方向的协调关系第四节

显示与控制系统综合设计原则4.3控制和显示装置的协调性2）空间协调性控制装置和显示器的空间相合性是指两者在空间排列上保持一致的关系。图4-2为四种旋钮和四种仪表的位置对应关系，对它们进行的1200次操作试验表明，对应关系优劣次序依次为a、c、b、d，出现操作差错的次数分别为0、76、116、129。图4-2四种旋钮和四种仪表的位置对应关系3）习惯协调性习惯相合性是指控制装置的使用方法与人们已经形成的习惯相一致，如顺时针旋转或自上而下，人自然认为是增加的方向。4）编码和编排协调性控制和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，提高工作效率。如控制装置与显示器都可用箭头表示方向，两者都应用“↑”和“↓”表示向上和向下，用“←”和“→”表示向左和向右。5）避免操作对显示的干扰

有些控制装置使用频率较高或一次使用时间较长时，因肢体遮挡了操纵者自己的视线，会漏掉某些信息而造成事故;显示器受控制装置的照明灯干扰，特别是操纵过程中，手臂灯影的不断变化影响显示效果。第五节

虚拟环境与虚拟现实5.1虚拟环境与虚拟现实技术概述（1）虚拟环境虚拟环境是指，由计算机技术所创建的可视化三维环境。这个环境既可以是虚拟想象的三维环境，也可以是对真实世界的三维模拟，是一个既是物理的又是心理的空间。学者们往往将虚拟环境与虚拟现实等同。图5-1

虚拟环境与虚拟现实（2）虚拟现实技术虚拟现实技术是一种综合了计算机图形技术、多媒体技术、传感与测量技术、人机交互技术、网络技术、微电子技术、立体显示技术以及仿真技术等多种科学技术而发展起来的计算机领域的最新技术，也是力学、数学、光学、机构运动学等各种学科的综合应用。虚拟现实技术的兴起，为人机交互界面的发展开创了新的研究领域，为智能工程的应用提供了新的界面工具，为各类工程的大规模数据可视化提供了新的描述方法。第五节

虚拟环境与虚拟现实5.2虚拟现实技术的特征（1）沉浸感沉浸感指虚拟现实技术系统不再像传统的计算机接口技术一样，用户与计算机的交互方式已经是自然的，就像现实中人与自然交互一样，完全沉浸在通过计算机所创建的虚拟环境中，使用户成为系统中的一部分，有身临其境的真实感觉。（2）交互性交互性指虚拟现实技术系统区别于传统三维动画的特征，用户不再是被动地接受计算机所给予的信息或者只是旁观者，而是能够使用交互输入设备来操纵虚拟物体，改变虚拟世界。例如，用户可以用手直接抓取虚拟环境中的物体，这时手有触摸感，并可以感觉物体的质量，场景中被抓