1、1,第8章 显示器与控制器的设计,2,控制器是操作者用以控制机器运行状态的装置或部件，是联系人和机的重要部件之一。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。费茨（PMFitts）和琼斯（REJones）1947年在分析飞行驾驶中出现的460个操作失误中，发现其中68的错误是由于控制器设计不当引起的。这足以说明控制器设计的重要性,8.4 控制器的设计,3,1、按操纵的动力装置分，有三类： 手控装置 如按钮、开关、旋钮、曲柄、杠杆及手轮。 脚控装置 如脚踏板、脚踏钮、膝控制器等。 其它 如声控、光控。 2、按控制器的功能分，有四类： 开关控制器 用于简单的开或关，启动或停止的操纵控
2、制。常用的有按钮、踏板、手柄等。 转换控制装置 用于系统当中不同状态之间的转换操纵控制。如手柄、选择开关、转换开关、操纵盘。 调整控制装置 用于调整系统中工作参数定量增加或减少的操纵控制。如旋钮、手轮、操纵盘等。 紧急停车控制装置 用于紧急状态下启动或停止的操纵控制。如制动闸、操纵杆、手柄。,8.4.1 控制器的类型与选择,4,1、控制器设计的一般要求 控制器设计要适应人体运动的特征，考虑操作者的人体尺寸和体力。(表8-16、17) 控制器操纵方向应与预期的功能方向和机器设备的被控制方向一致。 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（如弹簧等）或借助操作者体位的重力（如脚踏
3、开关）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，如带指示灯按钮等。,8.4.2 控制器设计的一般原则,NEXT,5,表816 常用操纵机构所允许的最大用力,6,表817 平稳转动控制器的最大用力,返回,7,2、设计控制器时应考虑的因素 控制信息的反馈 来自人体自身反馈信息的部位：眼睛观察手脚的位移；手、臂、肩或脚、腿、臀感受的位移或压力信息。 来自机反馈的信息：仪表显示、音响显示、振动变化及操纵阻力四种形式。 1）光显示。即在控制器上装有灯光显示，如图1所示。将按钮做成透明体，内设小灯，当按钮到位时，按钮即发光。这样不仅可以表明操作控制器的到位，还可以显示按钮的位置状态，提示操
4、作者注意。还可以在控制按钮以外的相应位置上用不同色光的联动装置来表示操作控制器到位的情况。,8,2）振动变化。可以反映在控制器上，也可反映在体觉上（如机动车辆）。振动也常常转化为噪声的形式传递给操作者。 3）音响显示。在控制器上设置到位音响装置（如“卡嗒”声），这种音响常由控制器定位机构中自动发出也可以装设专门的联动音响装置。,9,4）操纵阻力主要有静摩擦力、弹性力、粘滯力、惯性力四种形式。其特点见表8-18。阻力大小与控制器的类型、位置、移动的距离、操作频率、力的方向等有关。表8-19列出了不同控制器的最小阻力。,NEXT,10,表818 摩擦、弹性、粘滯性、惯性等 控制器的阻力特性,返回,
5、11,表819 不同控制器所要求的最小阻力,返回,12, 控制器的运动由于控制器的主要目的是控制系统的变化，因此，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，又可使控制器的操作和系统的变化之间产生一定的逻辑关系，有利于操作人员记忆和辨认，提高操作效率。下图给出几种操纵控制器与系统反应的对应方向的关系。,13,操纵控制与系统反应的对应方向,14, 控制器上手或脚的使用部位的尺寸和结构手或脚操作的控制器尺寸，首先取决于控制器上手或脚使用部位的尺寸，其次需根据操作时是否戴手套，或作业时鞋的形式来决定放宽的尺寸。显然对不同的控制器，由于压或握的用力方式不同，操纵件
6、尺寸和形状也不同。手或脚使用的部位还决定于控制器的重量分配。必须在保证空位时操纵者可以离开控制器自由活动，工作位时，不会因负担控制器的重量而引起疲劳。如果是手用工具，又不是利用重力工作的，就应尽量使工作的重心落在手握的部位上，以免手腕肌肉承担较大的静力负荷而引起疲劳。,15,握把部位不宜太光滑或太粗糙，若过于光滑，操纵时不易抓稳或握住，特别是手上有油或水的情况下更加不利，易发生失手事故，或因长时间过大的静力负荷而使手疲劳，故一般选用无光泽的软纹皮包层为宜。手柄的形状应尽量使手腕保持自然状态，使手与小臂处于一条直线上，如果使手腕向某一方向弯曲，就会使骨骼肌产生静力疲劳。因此设计原则是“宁肯弯曲手
7、柄也不要使手臂弯曲”。对手动工具也是这样，更需要使握力充分发挥出来。影响握力的主要因素是手柄直径，手柄直径为50mm时欧洲人握力最大，对亚洲人而言手柄直径可取4050mm之间。,16,由于脚对动作和压力的敏感度均较低，因此脚用按钮或踏板应有足够大的行程，以减小误踏时产生误动作的可能。脚用按钮还应有足够大的接触平面，以便于寻找和踩稳。脚踏板应有增加摩擦力的网纹。将控制器进行合理编码，使每个控制器都有自己的特征，以便于操作者确认不误，是减少差错的有效措施之一。控制器编码一般有6种方式：形状、位置、大小、操作方法、色彩和文字符号编码。可根据需要，采用一种或几种方式的编码组合。,17,形状编码 图82
8、0给出了常用旋钮的形状编码实例。,18,连续旋转钮（控制范围超过360o）,19,部分旋转钮（控制范围不超过360o）,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）,20,下图（左）是美国空军常用的操纵杆的形状编码。 下图（右）为海军雷达系统中常用的控制钮。,21, 大小编码 以相同形状而不同大小来区别控制器的功能和用途，这种形式的编码应用范围较小，通常在同一系统中只能设计大、中、小三种规格。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。 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。汽车上的离合器、制动器和加速器的踏板，就是以位置编码的。
9、通常，位置编码的控制器数量不多，并须与人的操作顺序和操作习惯相一致，这样可以使人不用眼看，就可能正确地进行操作。,22, 操作方法编码 色彩编码 利用不同颜色来区别控制器的功能。色彩编码一般不单独使用，常与形状编码、大小编码等合并使用。由于色彩只能靠视觉辨认，有时也配以不同的色光照明，以增加视认度。同时色彩编码的色相种类不宜过多，颜色过多，会降低对控制器的视认度。 文字、符号编码,23,1、手动控制器设计 旋钮设计 按钮设计 按钮直径拇指操作：最小19mm其他手指操作：最小10mm 按钮阻力 拇指操作：322N食指操作：311N各指均可操作：1.55.5N,8.4.3 控制器设计,24, 扳动
10、开关(肘节开关),25, 杠杆,26, 转轮、手柄和曲柄,27,补充内容-方向盘的设计 方向盘的要用于机动车辆的转向。方向盘设计中的主要问题有：方向盘平面间的夹角a、方向盘的直径D和方向盘的构造三个问题，夹角的大小取决于不同车型驾驶员的位置，直径的大小取决于司机施力的舒适性限度。 1a、D的取值范围 对于卡车及公共汽车，为了得到司机舒适位置，a角可取为15o30o,D值可取为400mm左右。这也是一般车辆的取值范围。 对于大型载重车辆，需要较大的操作力矩，为了施力的需要，可将方向盘的a值取到接近0o，直径D可取450500mm。 对于小卧车，小卡车等因司机座椅较低，方向盘的操纵力也较小，a可取
11、45o60o, D值取为350400mm。 以上所述就是各种方向盘与驾驶员之间的舒适相对位置，这是设计时要注意的。,28,2方向盘的构造 手握轮缘截面为圆形，直径在1928mm之间。轮辐截面为椭圆形，如图1所示。重型车辆的驾驶盘为便于用力常在轮缘下部作出波浪形，其节距为19mm左右。图2为两条轮幅的方向盘形状。,图1 方向盘的椭圆形截面轮辐,图2 两条轮辐的方向盘,29,汽车方向盘最大转角为120o ，这样可以保证在急转弯时，驾驶员能双手握住方向盘而不必倒手。汽车方向盘与车轮转动角度的比值可取1.53.0，如图3所示（方向盘与车轮 ）。,30,为驾驶中省力，同时也为车辆自动保持直线前进，转向机
12、构应设有自动归复到保持直线前进位置的复位装置。 有些小型车辆设计了可调整方向盘角度的结构，方向盘立柱的倾角可调，一般可调范围在15o以内。调整方向盘的角度，一是为了应不同体形驾驶员的舒适度需要；二是为了使方向盘不遮挡观察仪表的视线，如图4（可调节方向盘 ）。,31,3安全设施 发生撞车事故时方向盘对司机最为危险，方向盘的安全设计： 轮缘外层应用软体材料，驾驶部位的仪表及台面及台面均应较软的包敷材料； 立柱应低于手轮平面，以免撞车时插到司机的胸部，对于高速汽车需要低得多些； 高级轿车在方向盘中央设置了一个空气袋，平时折合在立柱顶端的一个圆盆中，一旦汽车发生碰撞使汽车骤然停止时气袋就会自动充气，以
13、保护司机的面部和胸部，如图5。同时还应保证快速排气，及时排气，以免造成司机窒息。,32,2、脚动控制器的设计,脚动控制器按功能和运动机构分为直动式、往复式和回转式三种（见下图）,33,脚踏板的设计 脚踏板有两种：一种是调节用脚踏板，如汽车的制动踏板等，这种踏板应使之随移动距离而增加阻力以便产生增量的反馈，如图1；另一种是开关踏板，如汽车起动马达脚踏按钮等。,34,图1 刹车反应时间,35,1）调节踏板 调节踏板有以鞋跟为转轴的（见图1）和脚悬空的两种。 以鞋跟为转轴的踏板典型例子如汽车的油门踏板等，踏板下的舒适角不大于20o，一般控制在15o左右，每脚与人的中线叉开10o15o为宜（见图2）
14、。,图1 以鞋跟为转轴的踏板,图2 脚的舒适叉开角度,36,2）开关踏板设计 脚踏开关多用于定位操纵，要很好地安排它的位置，使操作者在不影响稳定性的情况下即能使用，还要避免发生误踏的危险。给出了踏板开关的形状和尺寸，踏板的转角不宜超过10o,转角太大需将脚抬离地面才能操作，操作者单脚承重，很不安全。 如果要求双脚均能踏动，或操作者连续不断改换位置时也能踏动，最好采用踏动标杆，踏动标杆距地面不应超过15cm，但伸长度不要大于15cm。,37,踏板开关操纵,38,机器设备的不同运行状态决定了控制器的功能。如系统工作状态的启闭，选择按钮开关就比较方便；系统的定量调节，宜选用旋钮和手轮的形式；计算机的
15、数据输人则必须使用键盘等等。 表l列出各种控制器适用不同功能的情况， 表2为各种控制器的使用情况比较。 （见教材183页表8-16，8-178-21）,8.4.4 控制器的选择,NEXT,39,表l 各种控制装置的使用功能,40,表2 各种控制装置的使用情况比较,返回,41,在操作过程中，只有在用脚动控制器优于用手动控制器时才选用。一般在下列情况时考虑选用： 1）需要连续进行操作，而用手操作又不方便的场合； 2）无论是连续性控制还是间歇性控制，其操纵力超过50100N的情况下； 3）手的控制工作量太大，不足以完成控制任务时。 脚动控制器主要有脚踏板，脚踏钮和脚动开关等。当操纵力超过50150N
16、，或操纵力小于50N，但需要连续操作时，宜选用脚踏板。对于操纵力较小，且不需连续控制时，宜选用脚踏钮或脚踏开关。,42,1、运动兼容性,8.5 显示器和控制器配备设计,43,2、空间兼容性,44,3、控制显示比设计,45,8.6.1 仪表面板形式及其布置最佳观察角度7090度，视距5071cm。 组合形式面板见图8-5 其布置参阅表8-4。 仪表板上的仪表位置设计原则如下： (1)按仪表的重要程度排列 (2)按使用顺序排列 (3)按功能进行组合排列，见图T3 (4)按最佳零点方向排列，见图8-6 (5)按视觉特性排列 (6)按显示和操纵相合性（协调性）排列，见图8-7,8.6 控制台的设计,N
17、EXT,46,图8-5 控制台面的形式及其布置 （a）多块组合式,A,B,I,47,（b）三块折式,返回,48,返回,表8-4 多块组合和三块组合式面板的布置,49,图 T3,返回,50,图8-6 零点标志的最优方向,返回,51,图8-7 仪表不同排列方式的比较,返回,52,1. 控制台的形式 1） 桌式控制台 2） 直柜式控制台 3） 组合式控制台 4） 弯折式控制台见 图8-19,控制台（工作台）： 是包含操纵装置和显示装置的作业单元。它小到一台便携式打字机，大到一个房间（控制室或控制中心）。,8.6.2 控制台的设计,NEXT,53,图8-19 控制台的形式（a） 桌式控制台;（b）直柜
18、式控制台；（c）组合式控制台;（d）弯折式控制台,返回,54,2.控制台设计要点,控制台设计的主要内容：工作台尺寸宜人、造型美观、方便使用、给人以舒适感。关键：根据人体尺度，将控制器与显示器布置在作业者正常的作业空间范围内。保证作业者能良好地观察必要的显示器，操作所有的控制器，以及为长时间作业提供舒适的作业姿势。控制台有时在操作者前侧上方也有作业区，所有这些区域都必须在可视可及区内。,55,控制台作业面见图8-20 2. 显示器面板形式见图8-21 3. 控制台上方干涉点高度见图8-22,式中 h干涉点高度k操作者眼高H显示面板下端高度d操作者眼点与干涉点的投影距离D干涉点与显示面板的投影距离
19、,NEXT,56,图8-20 推荐的控制台作业面布置区域,返回,长：110120cm 宽：40cm,女性：P2.5,57,图8-21 显示面板的型式,返回,58,图8-22 控制台干涉点高度,返回,59,60,3.常用控制台设计,坐姿低台式控制台见图8-23（a） 2. 坐姿高台式控制台见图8-23 （b） 3. 坐立两用控制台见图8-24 4. 立姿控制台见图8-24 5. 标准控制台 见图8-25，尺寸参阅表8-13,NEXT,61,图8-23 坐姿控制台 (a) 坐姿低台式控制台; (b) 坐姿高台式控制台,返回,男性:P50,62,火车驾驶室,返回,63,图8-24 坐立两用 控制台,返回,男性:P50,64,图8-25 一种标准控制台的设计,返回,65,返回,66,67,轮船驾驶室中控台,机舱控制台,结束,68,1.旋钮分类：根据功能分为旋转一圈或一圈以上、不满一圈、旋转型定位开关根据形状分为圆形、多边形、指针型、手动转盘等。,
