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1、,第五章 操纵装置设计,手足尺寸与人体关节活动,人体的施力与运动输出特性,操纵器设计的人机学原则,操纵器的设计,教学内容,第一节 手足尺寸与人体关节活动,一、手足尺寸 依据GB/T 10000-1988给出成人手足基本尺寸。,例：试求女5百分位掌长； 解：查表5-1:手长X1=159mm 查表5-3得:女5百分位掌长Y=3.20+0.55X1 = 90.65mm,二、人体关节的活动,1、手部关节活动范围 可分为：腕关节活动和指关节活动两类型。,两个自由度,2、人体的其他关节活动,第二节 人体的施力与运动输出特性,一、人体运动概述 1、人体的任何运动都是从肌成群共同收缩的结果； 2、肌力做功有“
2、等长收缩”和“非等长收缩”两种； 3、肌肉拉动骨关节产生运动，间接骨连接是杠杆运动的基础，骨杠杆运动分平衡、省力和速度三种形式。 二、人体的肌力及其影响因素 1、人体主要部位的肌肉力量 肌力-肌肉收缩产生的力量。,单条肌力能产生力量在1/10002/1000N之间。一束肌纤维可能含有十万条以上的肌纤维。,2030岁中等体力男女肌力值如下表,肌力差异 一般女性肌力比男性低20%30%； 右利者的右手肌力比左手约高10%； 左利者的左手肌力比右手约高6%7%； 操作机械用力称为操纵力，按用力部位分：臂力、握力、指力、腿力、或脚力，也有腰力。,2、坐姿的手臂操纵力,向着身体方向操纵力大于背向身体方向
3、； 上下方向，向下操纵力大。,结论：,3、立姿手臂操纵力,男/女瞬间向后拉力为：690N/380N； 男连续向后拉力为：300N； 男瞬间平均向前推力为：395N。,4、握力,测试条件:两臂自然下垂,手掌向内,手执握力器. 测试结果: 男子优势手握力约为自身体重的47%58%; 女子优势手握力约为自身体重的40%48%; 青年人瞬间时最大握力常高于这个水平; 非优势手的握力小于优势手; 掌心向上握力值大于掌心向下. 力量的大小与持续时间有关.如某些肌力持续4分钟就会减少到1/4.,由于有靠背支撑，蹬力大小与施力方向有关。,5、坐姿的脚蹬力,从俯视图看，腿蹬方向偏离正前方15度以上，蹬力大幅减少
4、。,三、反应时和运动时,发现信息到完成动作，由两个时间段构成，第一个时间段是感知时间，称为反应时；第二个时间段是动作时间，称动作时。 （一）反应时 定义：反应时指从剌激呈现到人开始作出反应的时间间隔，也称反应潜伏期。 影响反应时的因素：人主体因素、剌激的种类和强度等客体的因素。,1、简单反应时、辨别反应时和选择反应时,简单反应时：要求受剌激者对一个剌激作出反应，反应时间最短； 辨别反应时：要求受剌激者只对多个剌激中的特定剌激作出反应，对其它剌激不反应，事先不知特定剌激是哪种。反应时间长一些。 选择反应时：要求受剌激者对多个剌激都作出反应，剌激不同反应也不同，事先不知出现剌激是哪种。反应时间更长
5、一些。,表5-7,2、剌激类型与反应时间,从表可知触觉反应时最短，味觉和深部感觉最长。如，对苦反应时约为1082ms。,3、剌激强度与反应时间,任何一种剌激都要达到一定的强度才能被人感受到，这一强度下的剌激量值称为该种感觉阈限。 剌激强度变化感觉规律：刚达到感觉阈限值的反应时间长，强度增大，反应时减少，再增强度，反应时基本稳定。 剌激强度与反应时关系见表5-9,4、剌激的对比度与反应时,反应时还受到：剌激量值与背景量值对比度的影响。 背景量值有：背景噪声、背景色彩。 如表5-10颜色对比对反应的影响。 另外：剌激持续时间和是否有预备信号都影响反应时。,5、人的主体因素与反应时,主体个体的差异影
6、响反应时的因素有： 先天的因素：素质、性别、个性； 当时状态：年龄、健康、疲劳、情绪、生理节律（德国医生赫姆.弗里斯和奥地利心理学家赫尔曼.斯瓦波达提出节律概念：体力23天、情绪28天、智力33天）等因素； 培训状况：培训可减少反应时，特别对于驾车、打字、速记等工作影响明显，有效提高工作效率。,生物节律曲线：,（二）运动时,运动时：指人的外部反应运动开始到运动完成的时间间隔。 通常作为“人体功能”基础数据”进行测试。 影响因素：受运动部位、运动形式、运动距离、阻力、准确度、难度等不同而不同。,四、肢体的运动输出特性（一）运动速度与频率,1、运动部位、形式与运动速度,2、运动方向与运动速度,结论
7、： 人的肢体在某些方向上的运动会快一些。,快方向,3、运动负荷与运动速度,结论： 肢体各种运动的速度都随运动中阻力的增大而减少。,4、运动轨迹与运动速度,1） 人手水平面运动快于铅垂面运动； 前后的纵向运动快于左右横向运动； 从上往下运动快于从下往上运动； 顺时针转向运动快于逆时针转向； 2） 人手向里拉比向外推运动准确度高； 多数右利者右手向右运动快于左手向左； 多数左利者左手向左运动快于右手向右；,3）单手和双手自如运动区域。如图,4）连续改变方向的曲线运动快于突然改变方向的折线运动。,5、运动频率（人机学重点关注数据）,（二）运动准确性及其影响因素,1、问题提出 快速操作只有在准确前提下
8、才有意义。 2、运动准确性影响因素 除先天个体差异、当时健康和觉醒水平外的因素有： 运动速度与准确性 ：存在A点，能兼顾两者要求；,运动方向与准确性 测试表明：手运动在左右方向准确最高；上下方向次之；前后方向差。,动作类型与准确性 运动量与准确性 准确性还与运动量有关，如手臂运动量大准确性较低，次之是手掌运动，准确性最高是手指运动。,优,差,第三节 操纵器设计的人机学原则,一、操纵器的类型 按操作方式分类： 手动、脚动和声控操纵器等。 按操纵器运动轨迹分类： 旋转式：如施钮、摇柄、十字把手、手轮等； 移动式：操纵杆、手柄、推板开关等； 按压式：按钮、按键等。 按操纵器功能分类： 开关式、转换式
9、、调节式、紧急停车操纵器。,摘自GB/T14775-1993,二、操纵器选用原则 手控操纵器适于精细、快速调节，也可用于分级和连续调节。 脚控操纵器适于运动简单、快速、需用较大操纵力的调节。需坐姿有靠背条件下选用。,尺寸、形状应适应人的手脚尺寸及生理学解剖学条件； 形状、尺寸大小、色彩、质感及安置位置方面，尽量给出明显区别，易于识别； 合理的体位操作，考虑操作的依托要求，减轻操作疲劳和单调感觉； 操纵器与显示器或被控对象应有正确的互动协调关系； 形状美观、式样新颖、结构简单。合理设计多功能操纵器。,三、操纵器的形状、样式、尺寸、操纵力,手动操纵器手握部位应为圆滑的圆柱等便于抓握形状,; 脚控操
10、纵器不应使躅踝关节操作时过分弯曲; 样式应便于使用和施力; 有定位或保险装置; 对它的功能最好有所隐喻和暗示; 尺寸和行程适应人的静态和动态尺寸； 操纵力设计主要应适宜人的肌力、操纵准确度要求。 操纵阻力设计常见有：摩擦力、弹性变形力、粘滞阻力、惯性力。,四、操纵装置的特征编码与识别,形状编码,大小编码,颜色编码,字符编码,形状编码,形象化的飞机操纵器,形状与功能有直接的联系，如轮形的操纵器可用来操纵飞机的起落架，翼形操纵器则用于副翼或襟翼的操纵，这种形象化的操纵器有利于减少飞行事故。,形状编码,旋纽的形状编码,在(a)、(b)、(c) 三类旋纽之间不易混淆，而同一类之间容易混淆；(a)和 (
11、b) 类旋纽适合作360度以上旋转操作；(c) 类旋纽适合360度以内旋转操作；(d)类适合作定位指示调节。,大小编码,操纵器采用大小编码时，一般说来，大操作器的尺寸要比小操纵器的大20%以上，才有准确操纵的把握，而这一点是较难保证的，所以，大小编码形式的使用是有限的。,颜色编码,形体和颜色是物体的外部特征，因此，可用颜色编码来区分操纵器，人眼虽然分辨各种颜色,但用于操纵器的编码颜色，一般只有红、橙、黄、绿等五种，色相多了，容易混淆。 操纵器的颜色编码一般只能同形状和大小编码合并使用，而且只能靠视觉辨认，还容易受照度的影响，故使用范围有限。,颜色编码,字符编码,当操纵器数量很多，而形状又难区分
12、时，可采用字符编码，即在操纵器上刻以适当的符号以示区别，符号的设计应只靠触觉就能清楚地识别。因此，符号应当简明易辨，有很强的外形特征。如下列所示：,可用触觉辨别的字符编码,其他编码方法,位置编码 根据操纵器在控制台位置来分辨的一种编码方法，把操纵器拉开足够距离（水平为20cm左右），不用眼睛就能操作。 操作方法编码 用不同的操作方法（按压、旋转、扳动、推拉）、操作方向和阻力大小等因素的变化进行编码，通过手感、脚感加以识别。 质地编码：可用表面不同质地进行编码。研究认为光滑、凹槽、有凸隆的三类质地可用于编码。,讨论：,应该 使用 什么 编码 方式,旋纽、手柄、按纽、按键设计,旋纽的形体设计,旋纽
13、的操纵力和适宜尺寸（mm),第四节 操纵器的设计,旋纽、手柄、按纽、按键设计,旋纽的形体设计,指示型旋纽的尺寸和式样,旋纽、手柄、按纽、按键设计,手柄的形体设计,手柄形式和着力方式比较,要求：手握舒适、施力方便，不产生滑动，同时还需控制它的动作，因此，手柄和尺寸应按手的结构特征设计：,旋纽、手柄、按纽、按键设计,手柄的形体设计,转动手柄的推荐尺寸,旋纽、手柄、按纽、按键设计,按钮的形体设计,其外形常为圆心和矩形，有的还带有信号灯。按纽通常用作系统的启动和关停。其工作状态有单工位和双工位，单工位按纽是手按后，它处于工作状态，手指一离开按纽就自动脱离工作状态，回复原位；双工位的按纽是一经手指按下就
14、一直处于工作状态，当手指在按一下时，它才回复原位。在选用时，要注意它们的区别。 按纽的尺寸主要按成人手指端的尺寸和操作要求而定。一般圆弧形按纽直径以818mm 为宜，矩形按纽以10*10、10*15或15*20为宜，按纽应高出盘面512mm，行程为36mm,按纽间距一般为12.525mm,最小不得小于6mm。,旋纽、手柄、按纽、按键设计,按键的形体设计,常用计算机键盘（QWERTY),键盘的设计应考虑人手指按压键盘的力度、回弹时间及使用频度、手指移动距离等因素。人们使用键盘的最高击键速度可以达到15次/s,一个熟练的使用者平均击键速度为5次/s.,旋纽、手柄、按纽、按键设计,按键的形体设计,按键的形式和尺寸,电话数字键盘与计算器数字键盘为什么不一样？,实验设计题: “操纵器或工具设计” 任选一种产品设计其操纵器，如汽车方向盘、电器控制键盘等。 要求：按人体尺寸、运动范围和施力大小及方向等为依据，进行设计。画出其形状，给出设计尺寸。,
