人因工程第7章控制装置

湖南科技大学工业工程系吴海第七章1操纵控制器设计本章内容2湖南科技大学工业工程系控制器及其分类1控制器选择与设计的一般原则2控制器的编码方式3控制器的操作方向和用力4最佳的控制显示比576控制器和显示器布置原则控制器的选用与设计一、控制器及其分类1．定义：人用以将信息传递给机器，使之执行控制功能，实现调整、改变机器运行状态的装置，以及人通过自身感觉从控制器接收到完成操作所需要的某些反馈信息。是人机系统中的一种人机界面。2．合理设计控制器的目的：提高人机系统的工作效率；提高操作者操作的准确性、速度、安全性；减少操作者紧张和疲劳。3．控制器设计要考虑的因素：操作者的生理、心理、人体解剖和人体力学等特性。4湖南科技大学工业工程系4．控制器的分类（1）按操纵的身体部位：手动控制器、脚动控制器和声音控制器等；（2）按控制器的运动方式：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，如图所示。（3）按功能：开关类、转换类、调节类、紧急开关类；（4）按调节特征：离散型和连续型。5湖南科技大学工业工程系6湖南科技大学工业工程系基本类型动作类别举例说明旋转控制器旋转曲柄、手轮、旋钮、钥匙等控制器可以做360°以下旋转。近似平移控制器摆动开关杆、调节杆、拨动式开关、脚踏板等控制器受力后，围绕旋转点或轴摆动，或者倾倒到一个或数个其他位置，通过反向调节可返回起始位置。平移控制器按压按钮、按键、键盘等控制器受力后，在一个方向上运动。在施加的力被解除之前，停留在被压的位置上。通过反弹力可回到起始位置。滑动手闸、指拨滑块等控制器受力后，在一个方向上运动，并停留在运动后的位置上，只有在相同方向上继续向前推或者改变方向，才可使控制器做返回运动。牵拉拉环、拉手、拉钮控制器受力后，在一个方向上运动。回弹力可使其返回起始位置，或者用手使其在相反方向上运动。按运动方式的控制器的分类7湖南科技大学工业工程系各类控制器的形状8湖南科技大学工业工程系9湖南科技大学工业工程系特征控制器种类离散调节连续调节旋转选择开关拇指轮手按扭脚按钮肘节开关连续旋钮拇指轮手轮曲柄踏板手柄能形成大力－－－－－否否是是是是将控制器置位需要时间中至快－非常快快非常快－－－－－－推荐的控制位置（置位）数目3-243-24222-3－－－－－控制器的位置和操作的空间要求中小小大小小至中小大中至大大中至大偶发启动的可能性低低中高中中高高中中高控制运动的理想限度270°－0.3×3.8cm1.3×10.2cm120°无限180°±60°无限小±45°编码的有效性好差中至好差中好差中中差好常用控制器的特征比较二、控制器选用与设计的一般原则1．使用控制器时常发生的主要错误：①辨别错误。对不同的控制器分辨不清而发生操作失误；②调节错误。把开关等活动部分移动到错误的位置，或忘记检查、未加固定，触动了处于正确位置的控制器（偶发启动）；③逆转错误。把控制器移动到与要求相反的方向上去;④无意识引发。没加小心或或不注意造成的操作；⑤难以触及。控制器位置不合理，操作时需要大幅度改变身体姿势，影响控制速度和准确性。在设计与选择控制器时，不仅要考虑其本身的功能、转速、能耗、耐久性及外观等，还必须考虑与操作者有关的人的因素方面的一些基本原则。10湖南科技大学工业工程系2．控制器选用与设计时所要考虑的一般原则①控制器要利于操作，尽量减少或避免不必要的操作动作，保证系统工作效率。②控制器的运动方向应与预期的功能方向相一致。③控制器操纵部分的大小、形状及指向，必须便于把握和移动，外形应符合人手等部位的解剖学特征。④控制器的移动范围，要根据操作者的身体部位、活动范围和人体尺寸来确定。11湖南科技大学工业工程系2．控制器选用与设计时所要考虑的一般原则⑤控制器的阻力、惯性和转矩要适当，应在人的体力适宜范围内，要能避免无意识的操作而引起的危险,并确保安全。⑥在控制器较多的情况下，要根据系统的运行程序、作用的顺序来配置，以保证安全、准确和迅速地进行操作。⑦控制器的材质应符合卫生学要求，使触摸时安全和舒适。⑧利用编码提高对控制器的辨别效率，避免发生混同，减少操作失误。一般采用形状、位置、大小、操作方法、颜色和标记等方式进行控制器编码。13湖南科技大学工业工程系三、控制器的编码(P341)在具有多个控制器的系统中，为了提高操作者辨别控制器的效果，对控制器进行的合理编排称之为编码。编码方式主要有：形状、位置、大小、操作方法、颜色和标记等。每一种编码方式都有优点和弊端，往往把它们组合起来使用，以弥补各自的不足之处。控制器的编码1．形状编码2．位置编码3．大小编码4．操作方法编码5．颜色编码6．标记编码14湖南科技大学工业工程系1．形状编码定义：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和触觉辨识的编码方式。注意：控制器的形状与它的功能有逻辑上的联系，以便于形象记忆；控制器的形状应能在不用视觉或必须戴手套的情况下，凭触觉也可分辨清楚。表纹编码主要依赖于触觉反馈识别。图中可以看出控制器形状与其功能联系紧密、如起落架控制器形状如着陆的轮子，副翼开关则像飞机翅膀。形状独特，易于识别，能够减少误操作。15湖南科技大学工业工程系飞机控制器形状编码示例16湖南科技大学工业工程系17湖南科技大学工业工程系a)b)c)d)返回18湖南科技大学工业工程系abc2．位置编码定义：通过安排不同位置来识别控制器的一种方式。注意事项：控制器可按视觉定位、盲视定位（指操作者即使不直接注视控制器也能正确操作），控制器之间需有更大的间距。控制器位置分布，可按其功能组合排列；同一种控制器放在相同位置上，各区之间用位置、形状、颜色、标记等加以区分；尽可能使控制器与显示器具有相对应的位置；重要的控制器放在人肢体最佳活动范围内。19湖南科技大学工业工程系3．大小编码定义：通过控制器的尺寸大小不同来识别控制器的一种方式。作用：这种编码可以为视觉和触觉提供信息。缺点：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。大小编码可用于指示控制器的相对重要性。20湖南科技大学工业工程系21湖南科技大学工业工程系4．颜色编码定义：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，一般不过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；色调、明度与彩度三者的关系；还要遵守颜色标准。22湖南科技大学工业工程系5．标记编码定义：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。注意：①若标注图形符号，应采用常规通用的标志符号，简明易辨；②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。③使用标记编码，需要一定的空间位置和良好的照明条件，标记必须清晰可辨。23湖南科技大学工业工程系24湖南科技大学工业工程系6．操作方法编码定义：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，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。它不能用于时间紧迫或准确度高的控制场合。为了有效地使用这种编码，需要使每个控制器的动作方向、移动量和阻力等有明显区别。25湖南科技大学工业工程系(二)控制器的外形结构手操纵控制器的六种方式如图14-16；对于手动控制器，其形状设计应考虑手的生理特点，如图14-17所示。27湖南科技大学工业工程系(三)控制器的阻力操作反馈操作者在操纵控制器的过程中，从控制器和自身获得的信息，协助操作者判定自身或身体一部分的空间位置、姿势及操作的情况。在手动控制中，操作者可以从眼睛、肩、手臂、手腕以及手指的活动过程得到反馈，告知操作者动作的距离、位置等。反馈来源：第一是控制器的操作阻力；第二是肌肉的运动觉反馈。控制器都有不同的内设阻力，操作时需要经常对其施力。操作者根据阻力的性质和大小，控制感觉的变化，可以保证操作的正确位置和平稳性；改变控制操作的精确度和速度；改变控制器对意外情况的敏感性等。28湖南科技大学工业工程系阻力类型特性使用举例摩擦力运动开始时阻力最大，此后显著降低，可用以减少控制器的偶发启动。但控制准确度低，不能提供控制反馈信息。开关、闸刀等弹性阻力阻力与控制器位移距离成正比，可作为有用的反馈源。控制准确度高，放手时，控制器可自动返回零位，特别适用于瞬时触发或紧急停车等操作，可用以减少控制器的偶发启动。键盘、刹车等粘滞阻力阻力与控制运动的速度成正比。控制准确度高、运动速度均匀，能帮助稳定的控制，防止控制器的偶发启动。活塞等惯性阻力与控制运动的加速度成正比例，能帮助稳定的控制，防止控制器的偶发启动。但惯性可阻止控制运动的速度和方向的快速变化，易引起控制器调节过度，也易引起操作者疲劳。调节旋钮等(三)控制器的阻力29湖南科技大学工业工程系（三）控制器的阻力控制器类型最小阻力/N手动按钮2.8脚动按钮5.6（脚停留在控制器上）17.8（脚不停留在控制器上）扳动开关2.8旋转选择开关3.3旋钮0～1.7曲柄9～22手轮22手柄9脚踏板17.8（脚不停留在控制在控制器上）44.5（脚停留在控制器上）(四)控制器的偶发启动防范措施：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；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。四、控制器的操作方向和用力1．控制器与指针移动的组合关系控制器操作与相关显示器的指针移动方向之间存在的固定关系。控制器转动与指针移动方向的关系如图所示。对8种组合，通过测定被试者平均读取误差进行评价，其中(b)误差最小，其次按(a)，(f)，(e)，(d)，(g)，(c)和(h)的次序增大。31湖南科技大学工业工程系32湖南科技大学工业工程系33湖南科技大学工业工程系34湖南科技大学工业工程系2．手轮的操作方向与功能35湖南科技大学工业工程系减少或向左旋转增加或向右旋转一般控制器动作方向与功能功能控制器动作方向开关向右向左向上、升向下、降增加减小前进后退开车刹车向上、向右、向前、右转、拉出向下、向左、向后、左转、按进向右、右转向左、左转向上向下向前、向上、向右、右转向后、向下、向左、左转向上、向右向下、向左向上、向右、向前、右转向下、向左、向后、左转36湖南科技大学工业工程系五、控制量与显示量的比率控制/显示比(C/D)：指控制器的移动距离与显示器的运动部分动程的比率。控制器较大的移动引起显示元素较小的移动称为高C/D比，如5/1，表示控制器灵敏度较低。反之，则表示灵敏度较高。控制/反应比(C/R)：指在没有显示器装置的系统中，控制器移动距离与系统输出量的比率。例如：方向盘的转动与车身转弯程度，自行车龙头。通过连续调节控制，把显示元素移动到目标位置，包括两个操作过程。①（粗调）大幅度地移动控制器，将显示元素移到目标位置附近；②（精调）仔细调节控制器，让显示元素对准目标位置。最佳的C/D比：使显示元素移到目标位置所需要的操作时间最短，也就是粗调与精调的时间之和为最少。37湖南科技大学工业工程系38湖南科技大学工业工程系返回39湖南科技大学工业工程系C/D比与操作时间总时间=粗调时间+精调时间时间高低C/D比精调时间粗调时间最佳C/D总时间影响最佳C/D比选择的因素。如显示器的大小，控制器的类型、观测距离以及允许误差范围等。一般应根据设备的特性和要求，通过实验确定最佳的C/D比。