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安全人机工程学(5.4)


第五章 人机系统的安全设计
-4.控制器设计 4.控制器设计

控制器是操作者用以控制机器运行状态的装 置或部件,是联系人与机的重要部件之一, 置或部件,是联系人与机的重要部件之一, 生产中的许多事故是因控制器的设计未能充 分考虑人的因素所致。因此, 分考虑人的因素所致。因此,在控制器设计 重视人的因素,保证操作者能方便、 中,重视人的因素,保证操作

者能方便、准 安全可靠地实施连续控制, 确、安全可靠地实施连续控制,也是人机系 统安全设计的一个重要内容。 统安全设计的一个重要内容。 设计和制造机器设备时,不仅要考虑其性能、 设计和制造机器设备时,不仅要考虑其性能、 寿命、可靠性、经济性和外观造型等问题, 寿命、可靠性、经济性和外观造型等问题, 还应考虑其安全性。 还应考虑其安全性。

1.控制器的类型 1.控制器的类型
控制器的类型很多,分类方法也很多。 控制器的类型很多,

1)按人体操作部位: 按人体操作部位:
手动控制器:凡是用手操作的如各种旋钮、按键、手柄等; 手动控制器:凡是用手操作的如各种旋钮、按键、手柄等; 脚动控制器:凡是用脚操作的,如脚踏板、钮等。 脚动控制器:凡是用脚操作的,如脚踏板、钮等。

2)按其操纵的运动方式: 按其操纵的运动方式:
旋转式控制器:如手轮、旋钮、摇柄、十字把手等; 旋转式控制器:如手轮、旋钮、摇柄、十字把手等; 移动式控制器:如按钮、操纵杆、手柄和刀闸开关等; 移动式控制器:如按钮、操纵杆、手柄和刀闸开关等; 按压式控制器:如按钮、按键和钢丝脱扣器等。 按压式控制器:如按钮、按键和钢丝脱扣器等。

3)按控制器的功能: 按控制器的功能:
开关控制器:适用于通过简单的开、关就能实现启动、停止的操纵控制; 开关控制器:适用于通过简单的开、关就能实现启动、停止的操纵控制; 转换控制器: 转换控制器:适用把系统从一个工作状态转到另一个工作状态的操纵控 如选择开关等。 制;如选择开关等。 调整控制器:可使系统的工作参数稳定地增加或减少; 调整控制器:可使系统的工作参数稳定地增加或减少; 紧急停车控制器:此类控制器无论在仪表盘上还是在控制台上, 紧急停车控制器:此类控制器无论在仪表盘上还是在控制台上,都不宜与 开关控制器布置在一起,以免紧急操作时发生混乱。 开关控制器布置在一起,以免紧急操作时发生混乱。

一般来说,对这些控制器的要求是:其外形形状、大小、运 一般来说,对这些控制器的要求是:其外形形状、大小、 动方向、运动范围和操作力等,要适合手或脚的生理特征, 动方向、运动范围和操作力等,要适合手或脚的生理特征, 能方便手或脚的操作。 能方便手或脚的操作。

2.控制器设计的一般原则 2.控制器设计的一般原则
1)控制器设计的一般要求(从安全人机工程的角度): 控制器设计的一般要求(从安全人机工程的角度) 要适应人体运动特征,考虑操作者的人体尺寸和体力; 要适应人体运动特征,考虑操作者的人体尺寸和体力; 控制器的操纵方向与预期的功能方向和机器设备的被控制方 向一致; 向一致; 控制器要利于辨认和记忆; 控制器要利于辨认和记忆; 尽量利用控制器的结构特点进行控制或借助操作者体位的重 力进行控制 ; 尽量设计多功能控制器,并把显示器与之有机结合。 尽量设计多功能控制器,并把显示器与之有机结合。

2.设计控制器时应考虑的因素 2.设计控制器时应考虑的因素
(1)控制信息的反馈: 控制信息的反馈:
①人体自身的反馈信息; 人体自身的反馈信息; 机的反馈信息;仪表、音响显示,振动变化及操纵阻力; ②机的反馈信息;仪表、音响显示,振动变化及操纵阻力; 音响显示:机器运行噪声——经验 噪声诊断系统; 经验、 音响显示:机器运行噪声——经验、噪声诊断系统;控制器 上设置到位音响——定位机构自动发出 联动音响装置。 定位机构自动发出、 上设置到位音响——定位机构自动发出、联动音响装置。 振动变化:控制器上反应、体觉上反应; 振动变化:控制器上反应、体觉上反应; 操作阻力:静摩擦力、弹性力、粘滞力、惯性力; 操作阻力:静摩擦力、弹性力、粘滞力、惯性力;阻力大小 与控制器的类型、位置、移动的距离、操作频率、力的方向 与控制器的类型、位置、移动的距离、操作频率、 等有关。 等有关。一般操纵力必须控制在该施力方向的最佳施力范围 而最小阻力应大于操纵者手脚的最小敏感压力。 内,而最小阻力应大于操纵者手脚的最小敏感压力。 过小 的阻力会使操作者感觉不到反馈信息而对操作情况心中无数, 的阻力会使操作者感觉不到反馈信息而对操作情况心中无数, 过大的阻力又会使控制器动作不灵敏而难以驾驭, 过大的阻力又会使控制器动作不灵敏而难以驾驭,而且会使 操作者提前产生疲劳。 操作者提前产生疲劳。

(2)控制器的适宜用力
控制器的适宜用力与控制器的性质和操 纵方式有关。 纵方式有关。对于只求快而精度要求不 高的工作,操纵力越小越好; 高的工作,操纵力越小越好;如果操纵 要求很高,则操纵器应有一定的阻力。 要求很高,则操纵器应有一定的阻力。

(3)控制器的运动
控制器的运动方向应与人们在社会上与 心理上的固定概念一致。 心理上的固定概念一致。控制器的移动 范围不能超过操作者可能的活动范围, 范围不能超过操作者可能的活动范围, 并要给操作者留出足够的活动空间。 并要给操作者留出足够的活动空间。

(4)控制器上手或脚的使用部位的 尺寸和结构 (5)控制器的特征编码与识别
控制器合理编码,使每个控制器都有自 控制器合理编码, 己的特征,以便于操作者确认不误, 己的特征,以便于操作者确认不误,是 减少差错的有效措施之一。 减少差错的有效措施之一。

①形状编码:不同性质、用途的控制器设计成不同形状。尽量简单易识 形状编码:不同性质、用途的控制器设计成不同形状。 简单的形状要比复杂形状识别的准确性高,易记忆,识别速度快。 别;简单的形状要比复杂形状识别的准确性高,易记忆,识别速度快。

旋 钮 的 形 状 编 码

连续旋转钮(控制范围超过360o) 连续旋转钮(控制范围超过360

美国空军常用的控制器形状编码

部分旋转钮(控制范围不超过360o) 部分旋转钮(控制范围不超过360o)

定位指示旋钮

海军雷达系统中常用的控制钮

②大小编码:按控制器尺寸大小编码;大小之间差20%; 大小编码:按控制器尺寸大小编码;大小之间差20%; 位置编码:安装位置不同; 汽车上的离合器、 ③位置编码:安装位置不同;如汽车上的离合器、制动器和 加速器的踏板。 加速器的踏板。 颜色编码:靠视觉辨认( ④颜色编码:靠视觉辨认(红、橙、黄、绿、蓝)。 标志编码:在控制器上刻以适当的符号以视区别。 ⑤标志编码:在控制器上刻以适当的符号以视区别。在设计符 号码时,应力求简单、达意、明显、易认。 号码时,应力求简单、达意、明显、易认。

3.控制器的设计 3.控制器的设计 1)手动控制器的设计 手动控制器的设计不 仅涉及到人体测量学 与人体生物力学两方 面因素, 面因素,而且要考虑 习惯、 习惯、风俗等民族特 点以及技术审美要求 等,是一种较为细致 的工作。 的工作。 (1)旋钮 它是供单手操纵的控 制器, 制器,是各类操纵装 置中使用较多的一种。 置中使用较多的一种。 其外形特征由功能确 定,尺寸大小由手的 操作部位决定。 操作部位决定。

旋钮的操纵力和适宜尺寸

指示型旋钮的尺寸和式样

(2)按钮
通常用做系统的启动和关停。其外形常为圆形或矩形,工作 通常用做系统的启动和关停。其外形常为圆形或矩形, 状态有单工位和双工位。选用时应注意二者的区别。 状态有单工位和双工位。选用时应注意二者的区别。 按钮直径:按钮的尺寸按成人手指端的尺寸和操作要求而定。 按钮直径:按钮的尺寸按成人手指端的尺寸和操作要求而定。 一般圆弧形以8~18mm为宜 矩形以(10×10)、 为宜; 一般圆弧形以8~18mm为宜;矩形以(10×10)、 10×15)、( ×20)mm为宜 )、(10 为宜; (10×15)、(10×20)mm为宜;按狃应高出盘面 5~12mm,行程3~6mm,按钮间距一般为12.5~25mm。 5~12mm,行程3~6mm,按钮间距一般为12.5~25mm。 按钮阻力:对于单指按钮的阻力,大拇指可取2.94~19.6N, 按钮阻力:对于单指按钮的阻力,大拇指可取2.94~19.6N, 其它手指可取为1.47~5.89N 1.47~5.89N。 其它手指可取为1.47~5.89N。

凹坑按钮

加装护栏的按钮

若按钮的关系重大,为防止疏忽,可将按钮设置在一凹坑中, 若按钮的关系重大,为防止疏忽,可将按钮设置在一凹坑中, 这时按钮直径应不小于25mm,若需戴手套操作, 这时按钮直径应不小于25mm,若需戴手套操作,则按钮直 径不应小于50mm 对于发生疏忽会产生严重事故的按钮, 径不应小于50mm 。对于发生疏忽会产生严重事故的按钮, 应加防护装置。防护装置种类很多,例如可以加装小盖, 应加防护装置。防护装置种类很多,例如可以加装小盖,还 可以加固装护栏。 可以加固装护栏。

(3)按键
按键的尺寸应按手指的尺寸和指端弧形设计,保证操作舒适, 按键的尺寸应按手指的尺寸和指端弧形设计,保证操作舒适, 如下图。 如下图。 为外凸弧形,只适用于小负荷而操作频率低的场合; (a)为外凸弧形,只适用于小负荷而操作频率低的场合; 按键应凸出面板一定高度,过平不易感觉位置是否正确; (b)按键应凸出面板一定高度,过平不易感觉位置是否正确; 各按键之间应有一定间距,否则易同时按两个键; (c)各按键之间应有一定间距,否则易同时按两个键; 按键的端面形式以中凹为优,增强手指的触感; (d)按键的端面形式以中凹为优,增强手指的触感;

按键的形式和尺寸

(4)开关(板动开关和旋转式选择开关) 开关(板动开关和旋转式选择开关) 板动开关只有开和关两种功能,常见的有纽子开关、棒状板动开关、滑动开关、船形开 只有开和关两种功能,常见的有纽子开关、棒状板动开关、滑动开关、 开和关两种功能
关和推拉开关;其中以船形开关翻转速度最快, 关和推拉开关;其中以船形开关翻转速度最快,推拉开关和滑动开关由于行程和阻力的原 动作时间较长。总之,板动开关具有操作简单、动作迅速的优点。 因,动作时间较长。总之,板动开关具有操作简单、动作迅速的优点。 旋转选择开关的结构有两种:一种是刻度盘固定不动,旋钮带指针一起转动; 旋转选择开关的结构有两种:一种是刻度盘固定不动,旋钮带指针一起转动;另一种是指 针不动,旋钮带动刻度盘一起转动。 针不动,旋钮带动刻度盘一起转动。

(5)杠杆
杠杆控制器通常用于机械操作,具有多种控制功能,其操纵 杠杆控制器通常用于机械操作,具有多种控制功能, 角度通常为30°~60° 操纵用力与操纵功能有关, 角度通常为30°~60°。操纵用力与操纵功能有关,前后操 纵用力比左右大,右手用力比左手大。 纵用力比左右大,右手用力比左手大。因此杠杆控制器通常 安置在右侧。操纵杆的用力还与体位和姿势有关。 安置在右侧。操纵杆的用力还与体位和姿势有关。

(6)转轮、手柄和曲柄 转轮、
这三种控制器的功能与旋钮相当,用于需要较大的操作扭矩 这三种控制器的功能与旋钮相当, 的条件下。转轮可单手或双手自由连续旋转操作。 的条件下。转轮可单手或双手自由连续旋转操作。手柄操作 其操纵力的大小与手柄距地面的高度、操纵方向, 其操纵力的大小与手柄距地面的高度、操纵方向,左、右手 等因素有关。 等因素有关。 控制器的大小受操作者有效用力范围及其尺寸的限制, 控制器的大小受操作者有效用力范围及其尺寸的限制,在设 计时必须充分考虑。手柄和曲柄可以认为是转轮的变形设计, 计时必须充分考虑。手柄和曲柄可以认为是转轮的变形设计, 此时应注意它们的合理尺寸,使之握持舒适、用力有效、 此时应注意它们的合理尺寸,使之握持舒适、用力有效、不 产生滑动。 产生滑动。

转轮、曲柄、 转轮、曲柄、手柄

现代摇把的选型和尺寸

2)脚动控制器的设计 脚动控制器的形式(脚踏板和脚踏钮) (1)脚动控制器的形式(脚踏板和脚踏钮) 由于脚动控制器的特征、式样、和布置的位置不同, 由于脚动控制器的特征、式样、和布置的位置不同,脚的操 纵方式也不相同。对于用力大、速度快和准确性高的操作, 纵方式也不相同。对于用力大、速度快和准确性高的操作, 宜用右脚;但对于操作频繁、容易疲劳, 宜用右脚;但对于操作频繁、容易疲劳,且不是很重要的操 作,应考虑两脚能交替进行。 应考虑两脚能交替进行。

汽车的制动踏板和刹车反应时间

4.控制器的选择 4.控制器的选择
主要以功能和操作要求为依据,正确选择控制装置的类型对 主要以功能和操作要求为依据, 于安全生产,提高工作效率极为重要啊。一般来说, 于安全生产,提高工作效率极为重要啊。一般来说,选择的 原则如下: 原则如下: 主要采用手控或手指控制装置, 快速而精确的操作 主要采用手控或手指控制装置,用 力的操作则采用手臂及下肢控制 ; 手控装置应安排在肘、肩高度之间而容易接触到的位置处, 手控装置应安排在肘、肩高度之间而容易接触到的位置处, 并易于看 到; 手指控制装置之间的间距为15mm, 手指控制装置之间的间距为15mm,手控装置之间的间距为 50mm; 50mm; 手掀按钮、钮子开关或旋钮开关适用于用力小、 手掀按钮、钮子开关或旋钮开关适用于用力小、移动幅度不 高精度的阶梯式或连续式调节; 大、高精度的阶梯式或连续式调节; 长臂杠杆、曲柄、手轮及踏板则适合于用力、 长臂杠杆、曲柄、手轮及踏板则适合于用力、移动幅度大和 地精度的操作。在操作过程中:以下可采用脚动控制器。 地精度的操作。在操作过程中:以下可采用脚动控制器。 需要进行连续操作,而用手操作又不方便; 需要进行连续操作,而用手操作又不方便;操纵力大于 50~150N;手的工作控制量太大,不足以完成控制任务。 50~150N;手的工作控制量太大,不足以完成控制任务。

5.显示器和控制器的配置设计 5.显示器和控制器的配置设计
显示器和控制器的配置设计主要考虑其相合性, 显示器和控制器的配置设计主要考虑其相合性,它是反映人 机关系的一种方式,涉及人机间的信息传递 信息传递、 机关系的一种方式,涉及人机间的信息传递、信息处理与控 制指令的执行,以及人的习惯定式,其中“相合性” 制指令的执行,以及人的习惯定式,其中“相合性”受人的 习惯因素影响很大。对于显示器和控制器的相合性设计, 习惯因素影响很大。对于显示器和控制器的相合性设计,应 根据人机工程学原理和人的习惯定式等生理、心理特点, 根据人机工程学原理和人的习惯定式等生理、心理特点,并 考虑以下因素: 考虑以下因素:

1)运动相合性
控制器的运动方向与执行系统或显示器的运动方向在逻辑上是一致 控制器的运动方向与执行系统或显示器的运动方向在逻辑上是一致的。 运动方向在逻辑上是一致的

直线运动和圆周运动的轨迹相切

直线运动与圆周运动的轨迹相交

2)空间相合性 控制器和显示器配合使用时, 控制器和显示器配合使用时,控制器应该与其相联系的显示 器紧密布置在一起,最好布置在显示器的下方或右方( 器紧密布置在一起,最好布置在显示器的下方或右方(右手 操作)。当布置受限时, )。当布置受限时 操作)。当布置受限时,控制器和显示器的布置在空间位置 上应有逻辑关系。 上应有逻辑关系。

旋钮与仪表的位置对应关系

J o n s g a r d 仪 表 阵

Dashevsky仪表阵 Dashevsky仪表阵

过分拥挤的布局造成标示混淆

3)控制—显示比 控制— 控制器的位移量与对应的显示器可动元件的位移量之比, 控制器的位移量与对应的显示器可动元件的位移量之比,它 表示系统的灵敏度。 表示系统的灵敏度。 微小的控制运动可引起较大的显示运动, C/D比低 比低, 微小的控制运动可引起较大的显示运动,即C/D比低,表示 系统的灵敏度高 粗调时间短,微调时间长) 灵敏度高( 系统的灵敏度高(粗调时间短,微调时间长); 较大的控制运动可引起较小的显示运动, C/D比高 比高, 较大的控制运动可引起较小的显示运动,即C/D比高,表示 系统的灵敏度低 粗调时间长,微调时间短) 灵敏度低( 系统的灵敏度低(粗调时间长,微调时间短) 。在使用与 显示器运动相联系的连续的或定量的控制器时, 显示器运动相联系的连续的或定量的控制器时,人的操作效 率明显地受C/D比的影响 比的影响。 率明显地受C/D比的影响。

最佳 C/D比 C/D比 的选择受许 多因素的影 响,因此在 选择最佳C/D 选择最佳C/D 比时, 比时,应综 合考虑粗调 时间和微调 时间, 时间,当两 个时间和为 最少时, 最少时,系 C/D比 统的 C/D比 为最佳。 为最佳。也 可以通过实 验获得。 验获得。

控制— 控制—显示比率与操作时间的关系


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