1、第五章 操纵装置设计第五章第五章 操纵装置设计操纵装置设计v手足尺寸与人体关节活动v人体的施力与运动输出特性v操纵器设计的人机学原则v操纵器的布置和控制台设计v常用操纵器的人机学要素v操纵与被操纵对象的互动协调关系一、按压式操纵器1、按钮和按键、按钮和按键 按钮是常见的小型按压式操纵器。多个连续排列在一起使用的按钮称为按键。2、按钮按键的人机学参量、按钮按键的人机学参量 按钮按键的主要人机学参量有截面尺寸、操纵力(按力)和工作行程。操纵器及操作方式操纵器及操作方式 直径直径d（圆形）（圆形） 边长边长a*b（矩形）（矩形） 操纵力操纵力/N 工作行程工作行程/mmV第五节第五节 常用操纵器的人
2、机学要素常用操纵器的人机学要素3、设计注意事项举例、设计注意事项举例按钮颜色的选取。附加显示当前状态的信号灯、指示按钮位置的光源。表面形状、触感、凸起高度、间距等。按钮的安置是否适合操作手型。V第五节第五节 常用操纵器的人机学要素常用操纵器的人机学要素图图 按键造型的一些要求按键造型的一些要求V第五节第五节 常用操纵器的人机学要素常用操纵器的人机学要素4、计算机键盘、计算机键盘 计算机键盘上按键的尺寸、形状等已经较为完善，但键盘整体却未必如此 。v 字符和按健的排布 v 操作尺侧偏与手腕伤害V第五节第五节 常用操纵器的人机学要素常用操纵器的人机学要素第五节第五节 常用操纵器的人机学要素常用操纵
3、器的人机学要素v DVORAK键盘，针对键盘各个手指之间的工作负荷不均衡等问题进行了改良，被美国国家标准局承认并作为现行标准键盘的替代键盘。v 自然态键盘，布局避免双手输入时腕部扭曲。v 和谐键盘，能同时接受代表几个字母或一个单词的多个按键。第五节第五节 常用操纵器的人机学要素常用操纵器的人机学要素课堂小练习课堂小练习（1）你发现了什么与键盘使用有关的人机学问题？（2）你见过“人体工程设计”的键盘产品吗？你对它们有何初步评价？（3）设计一款符合人机工程的键盘，并说明自己的设计理念。V第五节第五节 常用操纵器的人机学要素常用操纵器的人机学要素第五节第五节 常用操纵器的人机学要素常用操纵器的人机学
4、要素“即插即忘”型超便携USB接收器；具有高度抗干扰性能和自适应调频功能；贴和手型的弧度外形和柔软橡胶握槽配合左右对称设计，给左右手用户均带来卓越舒适体验；5个可编程按键使用户可以根据个人喜好和使用习惯，通过软件完成个性化设置，轻松实现一键式直达。 第五节第五节 常用操纵器的人机学要素常用操纵器的人机学要素v 苹果电脑MAC案例分析第五节第五节 常用操纵器的人机学要素常用操纵器的人机学要素Unibody机身工艺打造的完美外壳：看不到一颗螺丝、一个接缝，只有一块细磨砂铝合金。二、转动式操纵器1、旋钮、旋钮（1）式样与形态多样的造型方案 有利于施加操作力矩 有利于捏握转动操作 图图 三层旋钮的尺寸
5、关系和操作干扰三层旋钮的尺寸关系和操作干扰a)避免操作干扰的尺寸关系避免操作干扰的尺寸关系 b)产生操作干扰的几种情况产生操作干扰的几种情况V第五节第五节 常用操纵器的人机学要素常用操纵器的人机学要素（2）尺寸与操作力矩图图 两种常见的旋钮两种常见的旋钮a)捏握连续调节旋钮捏握连续调节旋钮 b)指握断续调节旋钮指握断续调节旋钮操纵方式操纵方式直径直径D/mm厚度厚度H/mm操作力矩操作力矩/N-m捏握和连续调节捏握和连续调节1010012250.020.5指握和断续调节指握和断续调节3575150.20.7V第五节第五节 常用操纵器的人机学要素常用操纵器的人机学要素2、手轮与带柄手轮、手轮与带
6、柄手轮（1）式样和形态 多样的造型方案 手轮和带柄手轮造型要考虑尺寸大小、操作力矩和速度、操作体位与姿势等。带柄手轮还要在造型时加以质量平衡。V第五节第五节 常用操纵器的人机学要素常用操纵器的人机学要素图图 手轮造型方案示例手轮造型方案示例合理的操作姿势与体位涉及手轮位置的高低、中心轴在空间的方向、操作者的姿势和体位等多种因素。 图图 操作手轮的体位操作手轮的体位V第五节第五节 常用操纵器的人机学要素常用操纵器的人机学要素图图 方向盘的位置与操作姿势方向盘的位置与操作姿势V第五节第五节 常用操纵器的人机学要素常用操纵器的人机学要素 适宜于抓握操作手轮(包括方向盘)的轮缘及带柄手轮的手柄，其大小
7、应与人手的尺寸适合，其形状应适合人手的解剖特性。 V第五节第五节 常用操纵器的人机学要素常用操纵器的人机学要素V第五节第五节 常用操纵器的人机学要素常用操纵器的人机学要素第五节第五节 常用操纵器的人机学要素常用操纵器的人机学要素v 手套：v 会影响手的敏感度，手套的设计和材料能影响力量的发挥，氯丁（二烯）橡胶手指灵活性降低较少，但保暖性很差。v 穿戴合适的手套可以增加手与手柄间的摩擦力。 图图 Phaser重型条形码扫描器重型条形码扫描器多功能手轮 示例：如图所示的现代汽车转向盘。 （2）尺寸和操作力V第五节第五节 常用操纵器的人机学要素常用操纵器的人机学要素图图 汽车转向盘汽车转向盘多个操纵
8、器的综合多个操纵器的综合三、移动、扳动式操纵器（1）操纵杆）操纵杆 操纵杆一端与机器的受控部件联结，手执操作的另一端有一个端头(也可称为手柄)。操纵杆能取得较大的杠杆比，克服较大的工作阻力，常用于几个工作位置的转换操纵，例如汽车速度的换档等。 形态和尺寸形态和尺寸 工作阻力大时用长操纵杆，操作频率高时用短操纵杆。操纵杆手握的端头有球形、梨形、锥形等形状，大小与人手相适合。 V第五节第五节 常用操纵器的人机学要素常用操纵器的人机学要素v 行程和扳动角度行程和扳动角度 操纵杆操作时应该只用手臂而不移动身躯，以此原则来确定操纵杆的操作行程和扳动角度。如图所示短操纵杆设在座椅扶手前边，前臂在扶手上靠转
9、动手腕操作，比较轻松。500600mm长操纵杆的操作行程为300350mm，转动角度3060为宜。图图 坐姿下的短操纵杆以及手腕易达的转角坐姿下的短操纵杆以及手腕易达的转角V第五节第五节 常用操纵器的人机学要素常用操纵器的人机学要素v 操纵力操纵杆的操纵力设计要考虑其操作频率操纵力操纵杆的操纵力设计要考虑其操作频率 用前臂和手操作的操纵杆，操纵力一般在2060N的范围内，例如汽车变速杆的操纵力常为3050N，若每个班次中操作达到1000次，则操纵力应不超过15N。v 操纵杆的安置位置操纵杆的安置位置 立姿下在肩部高度操作最为有力，坐姿下则在腰肘部的高度施力最适宜，图a， 操纵力较小时，在上臂自
10、然下垂的位置斜向操作更为轻松，图b V第五节第五节 常用操纵器的人机学要素常用操纵器的人机学要素a) b)图图 操纵杆的操作位置操纵杆的操作位置v 多功能操纵杆多功能操纵杆 在操纵对象较复杂时，应尽量设计多功能操纵杆。V第五节第五节 常用操纵器的人机学要素常用操纵器的人机学要素 图图 两种多功能操纵杆两种多功能操纵杆2、扳钮开关、扳钮开关 通常用拇指和食指捏住扳钮开关的柄部扳动操作，腕关节配合着有点微动。图为二工位扳钮开关顶端直径d=38mm者，扳钮长度=1225mm，顶端直径d8mm者，扳钮长度=2550mm，需戴手套操作者，最小长度为35mm。适宜的力值范围为26.2N。V第五节第五节 常
11、用操纵器的人机学要素常用操纵器的人机学要素 图图 二工位扳钮开关二工位扳钮开关 第五节第五节 常用操纵器的人机学要素常用操纵器的人机学要素v 握持姿势和力量P112四、脚动操纵器（1）脚踏板 分调节脚踏板和踏板开关两类。v 调节踏板调节踏板 操纵阻力一般随踏板移动距离的加大而增加，如汽车的制动踏板、油门踏板。踏板开关踏板开关 只有接通、断开两个工位，如冲压机、剪床或汽车上的踏板开关。V第五节第五节 常用操纵器的人机学要素常用操纵器的人机学要素调节踏板v 左图为以脚后跟为支点调节踏板，转动踝关节下踩，使踏板绕轴转动，如汽车油门踏板，图中已标出参考尺寸。未踩踏时脚与小腿基本成90，操作脚的转动角度
12、不应大于20。踏板安置位置离正中100mm180mm为宜，对应大小腿偏离角度为1015，如右图。 V第五节第五节 常用操纵器的人机学要素常用操纵器的人机学要素图图 后跟支撑踩踏的脚踏板及其操作位置后跟支撑踩踏的脚踏板及其操作位置v 下图为操作中脚部无支撑的脚踏板，如汽车制动踏板，其安置高度和角度主要取决于操纵力的大小，一般可分为操纵力小、中、大三种类型。V第五节第五节 常用操纵器的人机学要素常用操纵器的人机学要素图图 悬空踩踏的踏板的高度与操纵力悬空踩踏的踏板的高度与操纵力a)操纵力操纵力90N b)操纵力操纵力90180N c)操纵力操纵力180Nv 蹬踩踏板的大小腿间夹角为135155，大
13、小腿两端在图中标有符号“ ”的两点处，蹬踩力很大，男性操作者可达800N甚至更大。V第五节第五节 常用操纵器的人机学要素常用操纵器的人机学要素图图 实现大蹬踩力的坐姿与蹬踩位置实现大蹬踩力的坐姿与蹬踩位置 (2)踏板开关v 面积大的踏板开关可不用眼看进行操作，适用于像冲压机、剪床之类需要双手集中精神的工作。如需用左右脚轮替操作，或在站立位置有移动的情况下也能操作，可采用杠杆式的脚踏开关。V第五节第五节 常用操纵器的人机学要素常用操纵器的人机学要素图图 踏板开关的参考尺寸踏板开关的参考尺寸 图图 两脚均可操作的开关两脚均可操作的开关2、脚踏钮、脚踏钮 脚踏按钮是取代手控按钮的一种脚控操纵器，可以
14、快速操作。脚踏钮的尺寸、行程、操纵力均应大于手动按钮，其直径为58cm，行程为1.26cm。 为避免踩踏时的滑脱，脚踏钮的表面宜加垫一层防滑材料，或在表面做有能防踩滑的齿纹。 V第五节第五节 常用操纵器的人机学要素常用操纵器的人机学要素图图 脚踏钮及其参数脚踏钮及其参数第五节第五节 常用操纵器的人机学要素常用操纵器的人机学要素第五节第五节 常用操纵器的人机学要素常用操纵器的人机学要素八代美版雅阁 采用传统双圆设计，仪表板的上方曲线予以削扁，以提供更佳的驾驶视野。 第五节第五节 常用操纵器的人机学要素常用操纵器的人机学要素v 在控台方面进行了一些优化，在夜晚可用灯光表示出按钮的位置，上方的空调接
15、口以浅绿色处理，下方的空调系统则以白色为主，操作直观。 第五节第五节 常用操纵器的人机学要素常用操纵器的人机学要素多功能方向盘 2011款奥迪TT/TTS 雷克萨斯LX570 奥迪 Q5 新的奥迪混合动力仪表群，在仪表群的左侧是一个电能消耗表，它取代了传统的转速表。中间是一个混合电能显示图形，其中绿色的部分显示的是正在回收的电能和路径，而黄色的部分是正在消耗的电能。右侧是传统的速度表。 第六节第六节 操纵与被操纵对象的互动协调关系操纵与被操纵对象的互动协调关系一、引例：操控主从协调关系的重要性1971年发人深省的经典事例水压机事故。对比：汽车方向盘的操控主从关系。V二、操纵主从协调的一般原则
16、1、操纵主从运动方向一致性、操纵主从运动方向一致性（1）操纵主从运动方向一致性的基本形式 运动方向一致即要求被操纵对象向右运动，则操作方向也向右；其他向左、向上、向下、向前、向后、顺时转、逆时转，均相同。V第六节第六节 操纵与被操纵对象的互动协调关系操纵与被操纵对象的互动协调关系（2）操控主从运动方向一致性的其他形式 若操纵器和显示器都是旋转运动，且两者离得很近，“主从运动方向一致”将体现为两者临近(相切)那个点都向同一方向运动，如图所示。（3）以旋转运动操纵直线运动时，应使操纵器上靠近被操纵对象那个点与被操纵的运动方向一致。右图的左、中、右三种情况均为示例。 图图 两者相切的点同向运动两者相
17、切的点同向运动 图图 主从两者靠近那个点的运动方向相一致主从两者靠近那个点的运动方向相一致V第六节第六节 操纵与被操纵对象的互动协调关系操纵与被操纵对象的互动协调关系2、操纵与显示在不同平面时的互动协调、操纵与显示在不同平面时的互动协调 V第六节第六节 操纵与被操纵对象的互动协调关系操纵与被操纵对象的互动协调关系图图 操控主从在不同平面时的互动协调示例操控主从在不同平面时的互动协调示例 3、操纵方向与某些功能要求的协调关系、操纵方向与某些功能要求的协调关系 V第六节第六节 操纵与被操纵对象的互动协调关系操纵与被操纵对象的互动协调关系图图 操纵方向与功能的协调关系操纵方向与功能的协调关系4、操控
18、主从在空间的相似对应、顺序对应原则、操控主从在空间的相似对应、顺序对应原则 相似、一一对应关系 如果做不到这个程度，则提高两者的顺序对应性。 如果还做不到，可用图形符号、文字或指引线等进行标识，以改善主从协调关系。示例：煤气灶旋钮开关的测试研究。图图 操控主从在空间的相似操控主从在空间的相似对应或顺序对应对应或顺序对应V第六节第六节 操纵与被操纵对象的互动协调关系操纵与被操纵对象的互动协调关系图图 开关与灶眼的对应开关与灶眼的对应 图图 指引线增强主从对应性指引线增强主从对应性V第六节第六节 操纵与被操纵对象的互动协调关系操纵与被操纵对象的互动协调关系5、遵循右旋螺纹运动的规则、遵循右旋螺纹运
19、动的规则v 在空间任意方向，右旋运动对应着“前进”、“向前”，正逐渐成为人们的一种潜意识。因此，符合按右旋运动规则的操控主从关系一般是协调的。 图图 符合右旋螺纹规则的主从关系符合右旋螺纹规则的主从关系V第六节第六节 操纵与被操纵对象的互动协调关系操纵与被操纵对象的互动协调关系第六节第六节 操纵与被操纵对象的互动协调关系操纵与被操纵对象的互动协调关系6、匹配原则、匹配原则v 匹配与自然匹配匹配与自然匹配匹配是指两种事物之间的关系，在设计中特指控制器、控制器操作及其产生的结果之间的关系。自然匹配是指利用物理环境和文化标准理念设计出让用户一看就明白如何使用的产品。V图图 容易误操作的燃气灶容易误操
20、作的燃气灶第六节第六节 操纵与被操纵对象的互动协调关系操纵与被操纵对象的互动协调关系v 自然匹配可以减轻记忆负担。 设计人员应当利用自然匹配，确保用户能看出下列关系：v 操作意图与可能操作行为之间的关系。v 操作行为与操作效果之间的关系。v 系统实际状态与用户通过视觉和触觉所感知的关系系统状态这两者间的关系。v 所感知到的系统状态与用户的需求、意图和期望之间的关系。图图 旋钮与炉膛的排列方式旋钮与炉膛的排列方式 具有匹配性，用户易理解具有匹配性，用户易理解第六节第六节 操纵与被操纵对象的互动协调关系操纵与被操纵对象的互动协调关系v 操纵钮本身带有灯光信号，操纵钮本身带有灯光信号，若不能采用钮本
21、身带灯，则可若不能采用钮本身带灯，则可将钮集中在操纵板上，信号灯将钮集中在操纵板上，信号灯集中在显示板上，但两者的空集中在显示板上，但两者的空间排列必须相互对应，否则会间排列必须相互对应，否则会影响工作效率。影响工作效率。V第六节第六节 操纵与被操纵对象的互动协调关系操纵与被操纵对象的互动协调关系三、操控主从协调与行为科学简述 人机工程与行为科学有密切的关系，产品设计中的操控主从协调关系问题，也与行为科学有关。 前述操控主从协调的几条原则，多来自人们的习惯、来自人的自然行为倾向，而习惯和自然行为倾向比较复杂，影响因素很多，还具有国家、民族、地域、时国家、民族、地域、时代的差异性和不稳定性。代的
22、差异性和不稳定性。 例：电灯开关 英国、美国人的习惯V第六节第六节 操纵与被操纵对象的互动协调关系操纵与被操纵对象的互动协调关系v 强迫性功能强迫性功能v 只有用车钥匙才能把车门锁上，迫使用户不得不把钥匙带在身上。”强迫性功能”v 强迫性功能是利用各种方法来减少用户使用物品的操作可能性，或者当用户的操作或使用不正确时，用户就不能进行下一步的动作。V第六节第六节 操纵与被操纵对象的互动协调关系操纵与被操纵对象的互动协调关系v 强迫性概念是一种物理量限制因素，用户如果不执行某一项操作，就无法进行下一步的操作。 例：发动汽车v 在设计强迫性功能时，要认真考虑其后果，设想一下用户会不会故意破坏产品的强
23、迫性功能。 例：汽车安全带连锁装置V第六节第六节 操纵与被操纵对象的互动协调关系操纵与被操纵对象的互动协调关系v 强迫性功能设计方法强迫性功能设计方法 连锁装置连锁装置使操作必须按照一定的顺序进行， 微波炉和电视机 内锁装置内锁装置可使系统保持运转状态，防止用户过早地将其关闭。 例：word关闭时忘记存档计算机上若设有内锁装置，电源开关设计成“软”开关，只有所有完备确定后才切断电源。 外锁装置外锁装置可以阻止人们进入某个危险的地方或是防止某件事情的发生。 例：美国火灾法规定，在通往地下室的楼梯口要装一个横杆。 公共卫生间隔间门后面有一个架子，一根弹簧把架子固定在垂直位置。V第六节第六节 操纵与
24、被操纵对象的互动协调关系操纵与被操纵对象的互动协调关系v 增加操作难度增加操作难度在生活中经常需要一些故意难用的设计：1. 不允许随便进出的门；2. 严格特定人士使用的安全系统；3. 可能会带来生命危险的操作行为；4. 故意把控制器设计得很大，且分散，以免被小孩误用；5. 火车上的门。 有时必须忽视优秀设计的原则，否则那些用于保密的产品就会丧失其存在的价值。V第六节第六节 操纵与被操纵对象的互动协调关系操纵与被操纵对象的互动协调关系v 该类物品通常某一部位设计得很难使用，以便控制该物品的用户范围，但物品的其他部分仍遵循优秀设计的原则；即使要增加使用某类物品的难度，也应让操作有章可循。为确保计算机信息的安全，为确保计算机信息的安全，在使用时鼠标需要用指纹验在使用时鼠标需要用指纹验证，才能进入系统。证，才能进入系统。V第六节第六节 操纵与被操纵对象的互动协调关系操纵与被操纵对象的互动协调关系v 设计方法：把优秀设计的规则反过来1. 隐藏关键部位；使用户看不出相关的操作信息；2. 在任务执行阶段利用不自然的匹配关系，使控制器和受控物之间的关系具有任意性；3. 用户必须把握非常精确的操作时机和操作步骤；4. 不提供任何反馈信息；5. 在任务评估阶段利用不自然的匹配关系，使用户难以理解系统所处的状态。V第六节第六节 操纵与被操纵对象的互动协调关系操纵与被操纵对象的互动协调关系
