5.4 操纵装置设计

1

5.4 操纵装置设计• 操纵装置 ( 控制装置、调节装置 ) ：是在人机系统中，通过人的

动作 ( 直接或间接 ) 来使机器起动、停车或改变运行状态的各种元件、器件、部件、机构以及它们的组合等环节。

• 基本功能：把操作者的响应（信息）输出转换成机器设备的输入信息，从而控制机器设备的运行状态。

• 设计要求：充分考虑操作者的体形、生理、心理、体力和能力特征。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。使操作者能在其一个作业班次内，安全、准确、迅速、舒适、方便地持续操纵而不产生早期疲劳。

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操纵装置的类型

按人体操作部位的不

同

脚控操纵装

置

旋转式操纵器 : 手轮、旋钮、摇柄、十字把手。手

操纵装

置移动式操纵器 : 操纵杆、手柄、扳钮开关、刀闸开关等。

按压式操纵器 : 主要是各式各样的按钮、按键。

整个脚踏：脚踏板

脚掌踏：脚踏钮

脚跟踏：脚踏钮

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按操纵装置的功能的不同

1 、开关式操纵器：用于实现开或关、接合或分离、接通或切断等功能，如按钮、开关等。 2 、转换式操纵器：用于把系统从一个工况转换到另一个工况，如选择开关、选择旋钮等。车辆上的前大灯变光开关、预热—起动旋钮等都属于转换式操纵器。

3 、调节式操纵器：用于使系统的工作参数稳定地改变，如手柄、旋钮、踏板等，汽车的加速踏板、方向盘等都属于调节式操纵器。

4 、紧急停车操纵器：要求在最短时间内产生效果，启动必须十分灵敏，具有“一触即发”的特点。所用的操纵器与开关式操纵器基本相同，但布置的位置不应与普通的开关式操纵器相靠近，以免紧急操作时产生误动作。


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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

控制器可以作 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力的方向，才可使控制器作返回运动

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

按操作作方式分类


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5.4.1 5.4.1 常用的操纵装置常用的操纵装置

图 5-9 常用的操纵装置

功能参阅表 5-17 和 B4

6常用操纵装置


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返回

8

B4 常用操纵装置的适用范围

9返回

B4 常用操纵装置的适用范围

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不太敏感：触觉的精确度低于视觉，且辨别时间较长，有可能辨别错误，故其应用存在一定的局限性。一般只适用于视觉通道负荷过重的情况下，用来减轻视觉通道的负担。

适应迅速：通过对形状的重复认识，可提高操作反映的速度。

有立体感：能被触觉辨认的物体，应有一定的形状和大小，要能被手触及。其形状需有利于保持清洁，不易粘满灰尘。无论是几何形体、数字还是拉丁字母，其外廓都必须是立体的。

5.4.2 5.4.2 手控操纵装置设计手控操纵装置设计

1. 触觉功能和触觉特性

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设计合理的手把，应考虑下述几点：（ 1 ）手把的形状应与手的生理特点相适应根据手的结构：把手的形状，操纵把手时，着力方向和振动方向不应集中于掌心和指骨间肌。见图5-10

控制器在机器上的位置，应保证对手控制操纵器的操作符合人手的生理解剖学特点，如手指适于向前，手掌适于向下等。按钮的方向指示对手来说应当很明确．如掌心向下，拇指在右手左边；掌心向上，拇指在右手右边等。

2. 操纵手把的设计5.4.2 5.4.2 手控操纵装置设计手控操纵装置设计

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图 5-10 手的生理结构及把手形状设计　　　（ a）人手的结构（ b）～（ g）各种把手的形状设计

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（ 2 ）手把的形状便于触觉对其进行识别

　　简单的形状比复杂的形状更易被准确辨别；外形轮廓相差较大者比外形轮廓类似者更易被准确辨别。其形状应反映功能要求，同时考虑在特殊环境和戴手套也能分辨和方便操纵。见图5-11　（ 3）尺寸应符合人手尺度　　把手的长度：必须接近或超过手掌的宽度 (71-97mm),100-125mm；　把手的径向尺寸：必须等于或小于手握尺度；　把手的形状、结构：必须保持手的自然操纵状态。见图5-12


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（ 1 ）最大操纵力操纵装置的最大操纵力取决于操纵器的工作要求，同时受限于

操纵者在一定的姿势下所能产生的最大出力。一般青年男女左、右手的用力范围和脚产生的蹬力。见第三章表 3-7和图 3-23。参阅教材表 5-18、表 5-19.

常用操纵器的操纵力要求可查阅 GB／ T14775—93 《操纵器一般人类工效学要求》中的 5.4 节及相应的表格中的数据。

（ 2）最优操纵力（适宜的操纵力）最优操纵力的大小同操纵器的性质和操作方式密切相关。一般推荐最优操纵力的范围为：手操纵 5—20 N；手指操纵 2—5N；脚操纵 45—90 N；脚尖操纵 20—45N。

3. 适宜的操纵力

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最优 ( 或最适宜 ) 操纵力的选定应兼顾能量消耗、操纵精确度、操纵速度及获取操纵量的反馈信息等四方面的要求，谋求最高的操纵工效。从能量利用的角度考虑，在不同的用力条件下，以使用最大肌力的 1/2 和最大收缩速度的 1／ 4 操作，能量利用率最高，人较长时间工作也不会感到疲劳影响最优操纵力的主要因素如下： (a) 操纵器的结构型式及其位置：脚控操纵器的最优操纵力大于手控操纵器。变速杆的最优操纵力在 20—140 N 范围内；直径为 200 mm 的手轮的最优操纵力不大于 100 N ，手柄的最优操纵力不大于 80 N 。


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　 (b) 人体的姿势：对于坐姿与立姿、手或脚的位置和用力方向、左与右等不同情况，最优操纵力的大小均有所不同。

　 (c) 操纵器的性质和使用要求：对于只求动作快而对操纵精确度要求不高的操纵器，其最优操纵力应当是越小越好。要求操纵精确度较高的操纵器，则必须要有一定的操纵力，以便取得操纵量的反馈信息。

　 (d)静态施力操纵：有些操纵器的操作，要求人的施力部位始终保持在特定的位置，这类操作称为静态操纵。为使必要的静态施力能持续较长时间而不致疲劳，最好使施力大小保持在人体最大肌力的 15％— 20 ％。


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4. 操纵器的适宜尺寸操纵器的大小应适合于人的手或脚进行操作，以达到使用效率最优。

操纵器的尺寸应符合 GB1000—88 中有关操作者动作肢体的人体测量学指标。常用操纵器的尺寸范围及优先选用规范，可查阅 GB／ T14775—93《操纵器一般人类工效学要求》。中的 5.2 节及相应的图、表数据。


常用手控操纵器的尺寸参阅图 5-13 和表 5-20

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图 5-11 便于触觉辨认的把手形状

返回


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图 5-12 各种不同把手的握持状态返回


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图 5-13 常用手控操纵器的尺寸（ a ）按钮（ b ）拨钮开关（ c ）箭头旋钮（ d ）旋钮（ e ）操纵杆（ f ）曲柄（ g ）手轮

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　　脚操纵器主要用于需要较大操纵力的情况 ,主要有两种形式：脚踏板和脚踏钮。脚踏板的形式又有直动式、摆动式和迥转式 (包括单曲柄和双曲柄 )

5.4.3 脚控操纵器的设计

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1. 适宜的操纵力操纵阻力应至少 40N; 脚操纵器的适宜用力 ,参阅表 5-21(P113) 。2. 脚控操纵器的尺寸为便于脚施力，脚踏板多采用矩形和椭圆形平面板，而脚踏钮有矩形、也有圆形 . 尺寸如下 :


脚踏板脚踏钮

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脚操纵器推荐的用力值 /N

脚休息时脚踏板的承受力悬挂的脚蹬（如汽车的加速器）功率制动器离合器和机械制动器飞机方向舵可允许脚蹬力最大值创记录的脚蹬力最大值

18 ～ 3245 ～ 68直至 68直至 13627222684082

表 5-21 脚操纵器适宜用力的推荐值


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名称最小最大

踏板大小 /mm 长度宽度 75

2530090

踏板行程 /mm 一般操作穿靴操作踝关节弯曲整体运动

13252525

656565180

阻力（ N ）脚不停在踏板上脚停在踏板上踝关节弯曲整腿运动

1845—45

909045800

踏板间距（ mm ）单脚任意操作单脚顺序操作 100

50150100

脚踏板设计参数推荐值


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3. 脚踏板结构形式的选择见图5-14

4 、脚踏板的空间布置

脚踏钮的尺寸


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名称最小最大

直径尺寸 d/mm 12.5 无特殊界限

操纵位移 L/mm 12.5 ～25①

65( 正常操作、穿靴操作 )100 （转动胫部而进行控制时）

阻力（ N ）脚不停在脚踏钮上 9.8

88 （正常操作时）阻力（ N ）脚停在脚踏钮上 44

脚踏钮设计参数推荐值

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不同位置下的蹬

力


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100cm2


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各形式的脚踏板操纵效率比较


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图 5-14 不同类型脚踏板操纵效率的比较

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5.4.4 操纵装置编码与选择1. 操纵装置编码

为避免控制系统中众多控制器的相互混淆，提高操作效率和防止误操作，应以适当的视觉、触觉、听觉刺激为代码，标定控制器的功能特点，即对控制器进行编码。编码方式主要有形状编码、表面纹理编码、大小编码、位置编码、颜色编码、标记编码和声音编码，在实际应用中往往是将上述两种以上的编码方式结合使用，以提高控制器的可分辨性，特别是对于重要的控制器。

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1 ）形状编码：对各种不同用途的操纵器，设计成多种多样的形状以进行区分。形状编码要尽可能使各种形状的设计反映操纵器的功能要求，另外还要尽可能考虑到操作者戴手套和在特殊情况下也能分辨形状和方便操作。见图 5-14

2 ）位置编码：根据操纵器在产品面板或控制台上的位置的不同来分辨操纵器的。相邻操纵器间应有一定的间距以利于辨别。

3 ）尺寸编码：通过操纵器的尺寸大小不同来分辨操纵器，在尺寸上分为大、中、小三挡，超过三档就不容易辨别。实验表明，旋钮直径差达到 12.5mm ，厚度相差达 9.5mm左右时，人即可通过触觉非常准确地加以辨别。

4 ）颜色编码：将不同功能的操纵器，涂上不同的颜色，以示彼此之间的区别。一般只使用红、橙、黄、蓝、绿五种颜色，操纵器的功能与其颜色之间有一定的匹配关系。

5.4.4 操纵装置编码与选择

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5 ）符号编码：在操纵器上面或侧旁，用文字或符号作出标志以标明其功能，标志本身应当简单明了，易于理解。文字和数字必须采用清晰的字体。 6）表面纹理编码：用不同的表面纹理对操纵器进行编码，实验表明，光滑的、带槽纹的和压花纹的三类表面可用作操纵器的纹理编码。 7）声音编码：对于不同的操纵器在操纵过程中，给予不同的声音区别不同控制器。2. 操纵器的选择选择依据：用户的能力（操作能力、视觉和听觉能力、认知、学习等能力）；基于任务基础的控制要求和产品操作要求；其他因素：外观、成本。选择依据参阅表 5-22 ，表 5-23 ，表 5-24

5.4.4 操纵装置编码与选择

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3 、防止操纵器的偶发启动在操纵过程中，由于操作者的无意碰撞或牵拉操纵器或外界振动等而意外地驱动了操纵器，为避免偶发启动造成事故。在设计操纵器时，应考虑防范措施。以下是防范的 7种方法，可供设计时选用：

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（ 1 ）将操纵器安装在陷入控制板的凹槽内。（ 2 ）在操纵器上加保护罩。 (3) 将操纵器安装在不易被碰撞的位置上。 (4) 使操纵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，才能使操纵器被启动，而后一种操作运动与前一种操作运动的方向不同，以次此将操纵器锁定在位置上。（ 6 ）一组操纵器必须按正确的顺序操作时才能被启动，使操纵器之间彼此具有连锁的作用。如配电柜上的油开关和刀闸开关的操作顺序连锁。（ 7 ）适当增大操纵器的操作阻力。

防止操纵器的偶发启动

48返回

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编码示例返回

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编码示例

返回

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5.5 操纵与显示相合性

相合性：协调性、匹配性

显示器 - 操纵器相合性设计的原因 :

1 、与人的机体特性有关2 、与人的信息加工复杂程度有关3 、与人的习惯有关

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操纵－显示比（ C/D）：是操纵器和显示器位移动量之比。位移量可以是直线距离，（如直线刻度盘的显示量，操作杆的移动量），也可以是旋转的角度和圈数（如圆形刻度盘的指针显示量，旋扭的旋转圈数等）。

用 C/D来表示操纵 -显示系统的灵敏度， C/D之比高，说明系统的灵敏度低， C/D之比低，说明系统的灵敏度高。

见图5-16

5.5.1 操纵－显示比

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操作时间应分为反应知觉时间、粗调时间和精调时间。反应知觉时间为决定操作时间与手握到控制器时间之和，与操纵 -显示无关，粗调时间和精调时间与 C/D有关。如图 5-17 C/D的选择要考虑精调和粗调的时间，而不是简单的选择高的或低的 C/D比。最佳的 C/D比则是两种时间曲线的相交处，这样可以使调节的时间降低。从而提高操作效率。


54图 5-16 操纵 -显示比返回

国外实验：旋钮， C/D为 0.2—0.8 ；操纵杆， C/D为 2.5—4.0 。


55图 5-17 粗调时间与微调时间和 C/D比的关系返回


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5.5.2 操纵与显示运动相合性原则

显示器的指针（或光点）的运动方向与操纵器的运动方向应当相互适合（协调），操纵效率才能达到最优。人对操纵器和显示器的运动方向有一定的习惯定式。相合性设计应遵循的原则： P117 ，见图5-18

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图 5-18 操纵器与显示器方向相合性及操作习惯模式（ a）操纵器与显示器方向相合性；（ b）操纵习惯模式

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操纵器和显示器配合使用时，操纵器和显示器的空间位置编码的协调性好，可以减少操作发生错误的次数，缩短操作时间，对提高操作质量有明显的效果。在中央控制室中，通常有很多信号灯分别用相应的操纵扭作反应的情况，最好的一种编码方式是操纵按钮本身带有灯光信号，那一个操纵灯亮，就按下这个操纵扭作出反应。图5-19

5.5.3 操纵－显示的编码和编排相合性

60汽车转弯灯的操纵与显示


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图 5-18 旋钮与仪表的位置对应关系返回


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人机信息交流界面设计

可视性、可听性、可触性设计正确的概念模型信息反馈设计匹配性设计

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国际标准化组织 ISO 8124-1 ： 2000 玩具安全－第 1 部分：机械和物理性能相关的安全要求 ISO 8124-2 ： 1994 玩具安全－第 2 部分：阻燃 ISO 8124-3 ： 1997 玩具安全－第 3 部分：某些元素的转移 ISO 8098 ： 1989＋ Amdt 1 ： 1992 儿童自行车的安全要求

澳大利亚 AS 1647.1-1990 儿童玩具安全要求第 1 部分：一般要求 AS 1647.2-1992＋Admt.1-1995 儿童玩具安全要求第2部分：结构要求 AS 1647.3-1995 儿童玩具安全要求第 3部分：毒性要求 AS 1647.4-1980 儿童玩具安全要求第 4 部分：阻燃要求 AS 1990-1991 儿童用漂浮玩具和游泳辅助物的安全要求

世界玩具安全法令、标准一览表

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巴西 NBR 11786/1998 玩具安全

加拿大 C.R.C.,c.931 危险产品（玩具）法案

美国 CPSC 16CFR Part1000 to End 联邦消费品安全法令 ASTM F963-96a 玩具安全 ANSI Z315.1-1996 三轮车安全要求 ANSI/UL 696 电动玩具安全新西兰 NZS 5820： 1982＋Amendment No.1+COPR1 玩具安全要求 NZS 5822： 1992 3岁以下儿童使用玩具的吞入和窒息危险预防

66

欧盟 88/378/EEC 玩具安全法令 93/68/EEC CE标记加贴和使用规定 EN71-1 ： 1998＋A1 ： 2001＋A2： 2000 玩具安全－第 1 部分：物理和机械性能 EN71-2： 1993 玩具安全－第 2部分：阻燃性能 EN71-3： 1994＋A1 ： 2000 玩具安全－第 3部分：某些元素的转移 EN71-4 ： 1990＋A1 ： 1998 玩具安全－第 4 部分：化学和有关活动用的试验装置 EN71-5 ： 1993 玩具安全－第 5 部分：化学玩具（试验装置除外） EN71-6： 1994 玩具安全－第 6部分：年龄标志的图形表示 EN50088/A1 ： 1996 电动玩具的安全

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香港玩具和儿童产品安全要求

日本日本玩具协会标准玩具安全第 1 部分：物理和机械性能第 2部分：阻燃性能第 3部分：化学性能

68

中国 GB 6675-86 玩具安全要求 GB 9832-93 毛绒、布制玩具质量和安全 GB 5296.5-96 玩具的标识和使用说明 GB 14746-93 儿童自行车安全要求 GB 14747-93 儿童三轮车安全要求 GB 14748-93 儿童推车安全要求 GB 14749-93 婴儿学步车安全要求 GB 13472-92 BMX儿童自行车安全要求

南非 SABS ISO 8124-1 ： 2000 玩具安全－第 1 部分：机械和物理性能相关的安全要求 SABS ISO 8124-2： 2000 玩具安全－第 2部分：阻燃 SABS ISO 8124-3： 2000 玩具安全－第 3部分：某些元素的转移

5.4 操纵装置设计

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