人机工程3版课件3

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1、第五章 操纵装置,第一节 手足尺寸与人体关节活动,工业设计人机工程（3版）,阮宝湘等 编著,一、人体手足尺寸,图5-1 人体手部尺寸 图5-2 人体足部尺寸,表5-2 人体足部尺寸 （单位：mm）,1. 人体手足尺寸,（GB/T 100001988）,1,表5-1 人体手部尺寸 （单位：mm）,2、手部控制部位尺寸的回归方程,除手长、手宽外的其他手部尺寸称为手部控制部位尺寸。,GB/T 162521996成年人手部号型中，以手长和手宽两个 参数回归方程的形式，给出了20个手部控制部位尺寸的计算公式。,长度类尺寸：以手长为回归方程的自变量； 宽度、围度类尺寸：以手宽为回归方程的自变量。,2,表5

2、-3 男子、女 子手部控制部位 尺寸的回归方程 （单位：mm）,3,例 试求：1、女子5百分位数的掌厚， 2、男子95百分位数的掌厚， 3、男子95百分位数的掌围。,解 1、由表5-3，女子掌厚的回归方程为 Y 9.230.21X2 ，,式中 自变量 X2女子手宽,由表5-1：女子5百分位数的手宽为 X2 70mm，,代入上式，即得到女子5百分位数的掌厚为 Y9.230.21X2 9.23 （0.2170）24.14mm 。,2、同样方法计算男子95百分位数的掌厚：,Y6.510.27X26.51（0.2789）30.54mm 。,3、同样方法计算男子95百分位数的掌围：,Y29.302.12

3、X2 29.30（2.1289）mm217.98mm。,4,二、人体关节的活动,1手部关节活动范围,分腕关节活动和指关节活动两种。,腕关节活动有： 掌侧屈、背侧屈，桡侧偏、尺侧偏。,a）掌侧屈和背侧屈 b）桡侧偏和尺侧偏,图5-3 腕关节的活动范围,指关节活动有：握拳或伸开的伸屈活动，指间张开并拢的张合活动。,5,2. 人体的其他关节活动,表5-4 人体关节 最大的和能舒适 调节的范围,6,人 体 各 关 节 的 活 动,7,第二节 人体的施力与运动输出特性,一、人体的肌力及其影响因素,1人体主要部位的肌肉力量,人体施力来源于肌肉收缩的力量，称为肌力。,表5-5 身体主要部位肌肉能产生的力值

4、（单位：N）,（2030岁中等体力的男女青年的数据。）,女性的肌力比男性低2030。 右利者右手肌力比左手约高10；左利者左手肌力比右手约高67。,8,工作操纵力主要是臂力、握力、指力、腿脚力，有时也用腰力、背力等。 操纵力与施力的人体部位、施力方向和指向、体位姿势、施力位置、对 速度、频率、耐久性、准确性的要求等因素有关。,2坐姿的手臂操作力,图5-4 坐姿手臂操纵力的 测试方位和指向,9,表5-6 坐姿的手臂操纵力（中等体力男子，右利者）,图5-4和表5-6为对于中等体力的男子（右利者），坐姿下手臂在不 同角度、不同指向上的操纵力。,10,3立姿的手臂操纵力,图5-5 立姿屈臂操纵力的分布

5、,a）前后方向的推拉 b）左右方向的推拉,图5-6 立姿、前臂水平方向上的推拉力,4握力,男子优势手的握力约为自身体重的4758； 女子约为自身体重的4048。,所有肌力均随施力持续时间加长而逐渐减小。 例如某些肌力持续4分钟，会衰减到1/4左右； 肌力衰减到1/2所持续时间，对多数人是基本相同的。,11,5坐姿的脚蹬力,有座椅靠背的支撑，可以发挥较大的脚蹬操纵力。,图5-7 坐姿下不同侧视体位的脚蹬力,二、反应时和运动时,（一）反应时,指从刺激呈现到人开始作出外部反应的时间间隔，也称反应潜伏期。,1简单反应时、辨别反应时与选择反应时,简单反应时最短，辨别反应时次之，而选择反应时因既要辨别刺激

6、 种类，又要确定相应的反应形式，时间最长。,影响反应时的有人体主观因素，和外界刺激客观因素。,脚蹬力测定,12,表5-7 辨别反应时与刺激数目的相关性,2. 刺激类型与反应时,表5-8 各种刺激类型（感觉器官）的简单反应时,3刺激强度与反应时,刺激强度加大，反应时缩短；但到一定刺激强度后，反应时趋于稳定。,表5-9 刺激强度与反应时的关系,13,4刺激的对比度与反应时,声刺激 背景噪声的强度、频率不同而影响可辨性和反应时； 视觉刺激 刺激颜色与背景色的对比而影响可辨性和反应时。,表5-10 颜色对比对反应时的影响,5人的主体因素与反应时,影响反应时的主体因素，有先天的差异，当时的状况和培训的效

7、果等。,先天性的个体差异指素质、性别、个性等方面。 当时状况指年龄、健康状况、疲劳状况、情绪、生理节律等状态； 培训对反应时的效果更是明显。,14,（二）运动时,运动时指从人的外部反应运动开始到运动完成的时间间隔。,运动时因运动部位、运动形式、距离、阻力、准确度、难度等而不同。 因此各种操作运动的时间不属于人体功能数据，而属于操纵设计中的 肢体运动数据。,15,三、肢体的运动输出特性,（一）运动速度与频率,1人体运动部位、运动形式与运动速度,表5-11 完成一次动作的最少平均时间（单位：ms）,16,2运动方向与运动速度,肢体在不同方向上的运动快慢有所差异。,图5-8 右手在水平面内 8个方向

8、上运动时间的对比,17,4运动轨迹与运动速度,人手水平运动快于铅垂运动；前后运动快于左右运动；往下快于往 上；顺时针转快于逆时针。,人手向里拉准确度高于往外推。右利者右手向右快于左手向左，左 利者有对应的特性。,单手可在此手一侧60内自如运动；双手在左右各30内自如运动。 正中方向及附近单、双手运动最自如。,图5-9 单手与双手能自如运动的区域,圆弧曲线运动快于突然改变方向的折线运动。,18,5运动频率,表5-12 人体各部位的最高运动频率 （单位：次/s）,19,（二）运动准确性及其影响因素,1运动准确性,包括： 运动方向准确性； 运动量（如距离、角度）准确性； 操作速度准确性； 操纵力准确

9、性。,2运动准确性的影响因素,运动速度与准确性,图5-10 运动速度-准确性 特性曲线,运动方向与准确性,颤抖方向 上下 左右 前后（进出） 前后（进出）,图5-11 手臂运动方向对准确性的影响,触碰次数 247 202 45 32,20,动作类型与准确性,图5-12 准确性随动作类型不同的例子,上面三个图的操作准确 性优于对应的下图。,运动量与准确性,手臂移动量100mm以内时，移动距离有超出的倾向，相对误差较大；移动量较大时，有移动距离不足的倾向，相对误差较小。 旋转运动量与准确性的关系类似。,21,第三节 操纵器设计的人机学原则,一、操纵器的类型与选用,（一）操纵器的类型,1按操控方式分

10、,可分为手动、脚动、声控操纵器等操控类型。 也可以分为直动、遥控操纵器等操控方式。,2按操控运动轨迹分,旋转式操纵器： 如旋钮、摇柄、十字把手、手轮等。 移动式操纵器： 如操纵杆、手柄、推扳开关等。 按压式操纵器： 如按钮、按键等。,3按操控功能分,分为开关式、转换式、调节式操纵器等类型。,22,（二）操纵器的选用,GB/T 147751993给出了手控、脚控操纵器的选用原则（略）。,表5-13 常用操纵器的使用功能,23,表5-14 常用操纵器的使用功能对比,24,二、操纵器设计的一般人机学原则,早年某“杂牌”货车上，前灯和雨刷两个开关的例子 某企业冲压机上连续三次断指、伤臂事故的例子,操纵

11、器设计的一般人机学原则如下：,尺寸形状适合手脚尺寸及解剖学条件。 操作力、操作方向、速度、行程、准确度控制要求，与人出特性适应。 不同操纵器易于识别，避免互相混淆。 操作体位合理，减轻疲劳和厌倦感。 操纵器与显示器有正确的互动协调关系；且与人的自然行为倾向一致。 形状美观、式样新颖，结构简单。合理设计多功能操纵器。,25,三、操纵器的形状和式样,手握部位得有尖角、锐棱、缺口，持握牢靠、方便、无不适感。 脚控操纵器便于施力，踝关节的活动不大于25。 式样便于使用，便于施力。 有定位的操纵器，有标记或止动限位机构，或设置自锁、连锁机构。 形状最好能对功能有隐喻、暗示，以利于辨认和记忆。,26,四、

12、操纵器的尺寸和操作行程,操纵器上握持、触压、抓捏、抠挖部位的尺寸，与手脚尺寸适应； 操作行程，与人的关节、肢体活动范围适应。,图5-13 操纵器尺寸与人体尺寸的关系,手轮轮缘直径2530mm； 手轮一次转动角度不超过120。 操纵杆球形杆端球径3250mm： 长度150250mm的短操纵杆， 左右转动角度不大于45， 前后转动角度不大于30； 长度500700mm的长操纵杆， 转动角度1015。,27,五、操纵器的操纵力,（一）操纵力与肌力体能的适宜性,一个班次中，高频次操纵力不大于最大肌力的1/2；低频次操纵力可略大。,表5-15 农业拖拉机操纵装置的最大作用力,28,（二）操纵力与操纵准确

13、度,1操纵力大小与操纵准确度,操纵力小则省力且操纵速度快。但操纵力过小引起以下问题： 易引发误触动事故； 信息反馈太弱，使人对操纵是否完成不放心； 不容易精确地跟踪、调节与控制。,表5-16 各种操纵器的最小操纵阻力参考值,29,2位移-操纵力特性,操纵阻力为摩擦力 启动阻力大，位移后阻力下降并趋稳定。 难准确操纵，但有利于减少启动事故。 操纵阻力为弹性变形力 阻力与位移量成正比，易于准确操纵； 可自动返零，适用瞬时触发和紧急停止。 液体的粘滞阻力 阻力与运动速度成正比，易于准确操纵。 构件的惯性阻力 阻力与运动加速度成正比，易于平稳操纵， 防止偶发启动事故。但快速反向不方便。,30,（三）施

14、力体位与操纵依托支点,1. 合理的施力体位,施力的身体姿势、施力位置、指向等综合因素称为施力体位，应合理。,2避免静态施力,工作中肌肉交替地收缩和放松，才能在血液循环中维持正常的新陈代谢。,肌肉固定在收缩状态下持续用力，称为静态施力。静态施力中肌肉的血 液循环与代谢受阻，易感觉酸累，无法持续，应避免。,3提供操纵依托支点,为操作能平稳准确，应使施力肢体获得支撑： 肘部作为前臂和手关节运动时的依托支点。 前臂作为手关节运动时的依托支点。 手腕作为手指运动时的依托支点。 脚后跟作为踝关节运动时的依托支点。,脚踏板,31,六、操纵器的识别编码,编码是使一类事物中的个体具有特征或特定代号，以互相区别，

15、避免混淆。,1形状编码,使不同操纵器具有各自不同的形状特征，便于识别，避免混淆。注意：,形状对其功能有隐喻、暗示。 照明不良时也能分辨，戴薄手套时能靠触觉辨别。,图5-14 美空军操纵器形状编码,图5-15 旋钮的 形状编码,32,2大小编码（尺寸编码）,通过操纵器尺寸的差异来使之互相易于区别。,大小编码一般只能分为大、中、小3个档级。,3色彩编码,一般只用红、黄、蓝、绿及黑、 白等有限几种色彩用于色彩编码。,4位置编码,把操纵器安置在不同位置，以避免混淆。 最好不用眼看能伸手举脚操作而不错位。,色彩编码,位置编码,33,5操作方法编码,用不同操作方法（按压、旋转、扳动、 推拉等）、操作方向等因素进行编码识别。,6字符编码,以文字、符号作标示的编码方法。 优点：编码量可以很大； 缺点：要求较高照明，不易快速识别。,操作方法编码,字符编码,34,编码方法虽多，还