人體工程學(xué)操作

1、第五章操作裝置設(shè)計(jì)本章重難點(diǎn)分析本章重點(diǎn)在于了解掌握手足尺寸與人體關(guān)節(jié)活動(dòng)；控制器的類型以及其選擇標(biāo)準(zhǔn)；控制器設(shè)計(jì)中的人機(jī)因素；把握控制器的編碼方法，如：形狀編碼、大小編碼、位置編碼等；要還介紹了 一些典型控制器的設(shè)計(jì)以及握按鈕、開關(guān)、方向盤以及操縱桿等的設(shè)計(jì)方法。人體的施力與運(yùn)動(dòng)輸出特性作為高起專學(xué)生了解的內(nèi)容不做要求。第五章操作裝置設(shè)第一節(jié)手足尺寸與人體關(guān)節(jié)活動(dòng)一、人體手足尺寸人在感知顯示裝置傳示的信息以后，經(jīng)大腦分析，作岀判斷，然后操縱機(jī)器的運(yùn)行。在聲控及其他非接觸式智能控制技術(shù)充分發(fā)展以前，手足尤其是手動(dòng)操縱， 是主要的操縱方式。 生活中的工具、設(shè)施也多由手腳使用。因此，操縱裝置和器物

2、設(shè)計(jì)中人的因素，主要是指手腳的操縱特性，包括人體手腳尺寸、肢體的施力與運(yùn)動(dòng)特性等，因此本章首先給岀有關(guān)這方面的基本知識(shí)。人體手足尺寸是操縱器尺寸設(shè)計(jì)的基本依據(jù)。GB /T 10000 1988給岀了中國(guó)成年人的手部基本尺寸，和足部基本尺寸，參看圖5 1、表5 1和圖5 2、表5 2。人體足部尺寸圖5 1人體手部尺寸表5 1 人體手部尺寸（單位：mm ）表5 2 人體足部尺寸（單位：mm ） 二、人體關(guān)節(jié)的活動(dòng)1手部關(guān)節(jié)活動(dòng)范圍手部的關(guān)節(jié)活動(dòng)可分為腕關(guān)節(jié)活動(dòng)和指關(guān)節(jié)活動(dòng)兩種類型。腕關(guān)節(jié)主要有兩個(gè)自由度的活動(dòng)：向手心或手背方向的轉(zhuǎn)動(dòng)，分別稱為掌側(cè)屈、背側(cè)屈， 參看圖5 - 3a :向拇指或小手指方

3、向的轉(zhuǎn)動(dòng)，分別稱為橈側(cè)偏、尺側(cè)偏（兩根前臂骨中大拇指 一側(cè)的那一根叫 橈骨”小手指一側(cè)的那一根叫尺骨”橈側(cè)偏、尺側(cè)偏的名稱即由此而來），參看圖5 3b。腕關(guān)節(jié)雖能繞中指方向軸線作一點(diǎn)小角度的轉(zhuǎn)動(dòng)，但很費(fèi)力，實(shí)際上主要由小臂轉(zhuǎn)動(dòng)來完成這樣的活動(dòng)。圖5 3中標(biāo)注了經(jīng)實(shí)驗(yàn)測(cè)定的幾個(gè)可達(dá)”的參考數(shù)據(jù)，需要注意的是：人雖然能夠活動(dòng)到這個(gè)限度，但在接近此限度的狀態(tài)下工作卻是勞累的，時(shí)間長(zhǎng)了還容易致傷， 應(yīng)該避免。圖53 腕關(guān)節(jié)的活動(dòng)范圍a ）掌側(cè)屈和背側(cè)屈b）橈側(cè)偏和尺側(cè)偏與手掌相連的指關(guān)節(jié)有兩個(gè)自由度的活動(dòng)：手指握拳或伸開的伸屈活動(dòng)；指間張開或并攏的張合活動(dòng)。不與手掌相連的指關(guān)節(jié)只能作伸屈活動(dòng)。2 人體

4、的其他關(guān)節(jié)活動(dòng)人體全身還有其他很多關(guān)節(jié)，這些關(guān)節(jié)的最大活動(dòng)范圍和能輕松舒適調(diào)節(jié)的范圍參看表53。表列數(shù)值適用于一般情況。年歲較高者，或衣著較厚者，關(guān)節(jié)活動(dòng)范圍有所減少。人體可以 大體看作是由多個(gè)關(guān)節(jié)連接而成的一個(gè)連環(huán)結(jié)構(gòu)，正像腰關(guān)節(jié)總的轉(zhuǎn)動(dòng)角度是由幾對(duì)腰椎骨間的轉(zhuǎn)角累加的結(jié)果，全身各部位能夠達(dá)到的活動(dòng)角度，也是各有關(guān)關(guān)節(jié)轉(zhuǎn)動(dòng)角度累加的結(jié)果。表5 3 人體主要關(guān)節(jié)的最大活動(dòng)范圍和能舒適調(diào)節(jié)的范圍關(guān)節(jié)身體部位活動(dòng)方式最大角度/（ 最大活動(dòng)范圍/（舒適調(diào)節(jié)范圍/（低頭、仰頭+ 403575+ 12 一25頸關(guān)節(jié)頭至軀干左歪、右歪+ 55551100左轉(zhuǎn)、右轉(zhuǎn)+ 55551100前彎、后彎+ 100

5、50 1500胸關(guān)節(jié)軀干左彎、右彎+ 50501000腰關(guān)節(jié)左轉(zhuǎn)、右轉(zhuǎn)+ 50501000前彎、后彎+ 120 一15135-0 (+ 85 + 100)髖關(guān)節(jié)大腿至髖關(guān)節(jié)外拐、內(nèi)拐+ 30 一15450膝關(guān)節(jié)小腿對(duì)大腿前擺、后擺+ 0 一 351350 ( 95 120)腳關(guān)節(jié)腳至小腿上擺、下擺+ 110 + 5555+ 85 + 95髖關(guān)節(jié)小腿關(guān)節(jié)腳至軀干外轉(zhuǎn)、內(nèi)轉(zhuǎn)+ 110 70 180+ 0 + 15腳關(guān)節(jié)外擺、內(nèi)擺+ 180 30 2100肩關(guān)節(jié)上臂至軀干上擺、下擺+ 180 45 225(+ 15 + 35)（鎖骨）前擺、后擺+ 140 40 180+ 40 + 90肘關(guān)節(jié)下臂至上

6、臂彎曲、伸展+ 145 0145+ 85 + 110外擺、內(nèi)擺+ 30 一20500腕關(guān)節(jié)手至上臂彎曲、伸展+ 75 一 601350肩關(guān)節(jié)，下臂手至軀干左轉(zhuǎn)、右轉(zhuǎn)+ 130 12025030 一60注釋見第二節(jié)人體的施力與運(yùn)動(dòng)輸出特性一、人體的肌力及其影響因素1 人體主要部位的肌肉力量人體施力均來源于人體肌肉收縮所產(chǎn)生的力量，稱為肌力。決定肌力大小的主要生理因素是：?jiǎn)螚l肌纖維的收縮力；該部位肌肉中肌纖維的數(shù)量和體積；肌肉收縮前的初長(zhǎng)度；中樞神經(jīng)的機(jī)能狀態(tài)；肌肉對(duì)骨骼發(fā)生作用的機(jī)械條件，等等。從上面所述可知，影響肌力大小的生理因素是復(fù)雜的。經(jīng)測(cè)定，20 30歲中等體力的男女青年主要部位的肌力數(shù)

7、值如表5- 4所示。表5 4身體主要部位肌肉能產(chǎn)生的力值肌肉的部位力/ N肌肉的部位力/ N男女男女手臂肌肉左370200手臂伸直時(shí)的肌肉左210170右390220右230180肱二頭肌左280130拇指肌肉左10080右290130右12090手臂彎曲時(shí)的肌肉左280200背部肌肉（軀干曲伸的肌肉）1220710右290210一般女性的肌力比男性低20 %30 %。右利者右手肌力比左手約高10 %;左利者左手肌力比右手約高6%7%。在工作和生活中， 人們使用器械、 操縱機(jī)器所使用的力稱為操縱力。操縱力主要是肢體的臂力、握力、指力、腿力或腳力，有時(shí)也用到腰力、背力等軀干的力量。操縱力與施力的

8、人體部位、施力方向和指向（轉(zhuǎn)向），施力時(shí)人的體位姿勢(shì)、施力的位置以及施力時(shí)對(duì)速度、頻率、耐久性、準(zhǔn)確性的要求等多種因素有關(guān)，詳盡全面的描述是很復(fù)雜的。各國(guó)人機(jī)學(xué)工作者對(duì)此進(jìn)行過大量立姿的手臂操縱力和坐姿測(cè)定研究，積累了大量數(shù)據(jù)資料。 下面依次簡(jiǎn)介的坐姿的手臂操縱力、 腳蹬力，僅是操縱力中與操縱裝置設(shè)計(jì)關(guān)系較為密切的部分。2 坐姿的手臂操作力對(duì)于中等體力的男子（右利者），坐姿下手臂在不同角度、不同指向上的操縱力，可對(duì)照參 看圖5-4和表5 5。圖5 4 坐姿手臂操縱力的測(cè)試方位和指表5 5坐姿的手臂操縱力（中等體力的男子，右利者）手臂的角度/（拉力/ N推力/ N左手右手左手右手向后向前1802

9、2523518622515018624513718612015718611815790147167981571576010811898向上向下18039595978150697878881207810898118907888981186069887888向內(nèi)側(cè)向外側(cè)18059883959150698839691208898496990697859696078885978分析表5-5中的數(shù)據(jù)，可以看岀：在前后方向和左右方向上，都是向著身體方向的操縱力大于背離身體方向的操縱力；在上下方向上，向下的操縱力一般大于向上的操縱力。表5 5是測(cè)試右利男子所得數(shù)據(jù)，所以右手操縱力大于左手操縱力；對(duì)于左利者，

10、情況應(yīng)該相反。3 立姿的手臂操縱力立姿屈臂操縱力的一項(xiàng)測(cè)試實(shí)驗(yàn)結(jié)果如圖5 - 5所示。實(shí)驗(yàn)研究了立姿屈臂從手鉤向肩部方向的操縱力與前臂、上臂問夾角的關(guān)系，從圖中可以看岀：前臂上臂間夾角約為70。時(shí)，具有最大的操縱力。像風(fēng)鎬、鑿巖機(jī)之類需手持的較重器具，大型閘門開啟裝置等設(shè)施的設(shè)計(jì)時(shí)，都應(yīng)注意適應(yīng)人體屈臂操縱力的這種特性。在圖5 -6a所示立姿、前臂基本水平的姿勢(shì)下，男子、女子的平均瞬時(shí)向后的拉力分別可 達(dá)約690N和380N ;男子連續(xù)操作的向后拉力約為300N ;向前的推力比向后的拉力小一些。在圖5-6b所示內(nèi)外方向的拉推，則向內(nèi)的推力大于向外的拉力，男子平均瞬時(shí)推力可達(dá)約395N。圖5-5

11、 立姿屈臂操縱力的分布圖5-6立姿、前臂在水平面兩方向上的推拉力a ）前后方向的推拉b）內(nèi)外方向的推拉4 握力在兩臂自然下垂、手掌向內(nèi)（即手掌朝向大腿）執(zhí)握握力器的條件下測(cè)試，一般男子優(yōu)勢(shì)手的握力約為自身體重的 47 %58 %;女子約為自身體重的 40 %48 %。但年輕人的瞬時(shí)最大握 力常高于這個(gè)水平。非優(yōu)勢(shì)手的握力小于優(yōu)勢(shì)手。若手掌朝上測(cè)試，握力值增大一些；手掌朝下測(cè)試，握力值減小一些。人體所有的施力狀態(tài)下，力量的大小都與持續(xù)的時(shí)間有關(guān)。隨著施力持續(xù)時(shí)間加長(zhǎng)，力量逐漸減小。例如某些類型的肌力持續(xù)到4min時(shí)，就會(huì)衰減到最大值的1 /4左右；且肌力衰減到最大值1/2所經(jīng)歷的持續(xù)時(shí)間，對(duì)多數(shù)

12、人是基本相同的。5坐姿的腳蹬力在有靠背的座椅上，由于靠背的支撐，可以發(fā)揮較大的腳蹬操縱力。腳蹬操縱力的大小與施力點(diǎn)位置、施力方向有關(guān)，一項(xiàng)實(shí)測(cè)的結(jié)果見圖5-7。該圖是坐姿下不同側(cè)視體位腳蹬力的分布情況；由于靠背對(duì)接近水平的施力方向能提供最有利的支撐，所以能夠達(dá)到最大的腳蹬操縱力。但工作時(shí)把腳舉得過高，腿部肌肉將難以長(zhǎng)久堅(jiān)持；因此實(shí)際上圖5-7中粗線箭頭所畫、 與鉛垂線約成70的方向才是最適宜的腳蹬方向。此時(shí)大腿并不完全水平，而是前端膝部略有上抬，大 小腿在膝部的夾角在 140 150之間。從俯視的方向來看，腿的蹬踩方向偏離正前方15以上,腳蹬操縱力就大幅度減小，操作靈敏度也明顯降低。圖5-7坐

13、姿下不同側(cè)視體位的腳蹬力二、反應(yīng)時(shí)和運(yùn)動(dòng)時(shí)從汽車駕駛者發(fā)現(xiàn)障礙，到完成一定操作，例如轉(zhuǎn)動(dòng)轉(zhuǎn)向盤急速轉(zhuǎn)向避讓，或腳踩制動(dòng)器立即制動(dòng)，這段時(shí)間實(shí)際上由兩個(gè)時(shí)間段構(gòu)成：第一個(gè)時(shí)間段是感知的時(shí)間，稱為反應(yīng)時(shí)；第二個(gè)時(shí)間段是動(dòng)作的時(shí)間，稱為運(yùn)動(dòng)時(shí)。人機(jī)系統(tǒng)中其他各種操作的時(shí)間均由這樣兩部分構(gòu)成。（一）反應(yīng)時(shí)反應(yīng)時(shí)指從刺激呈現(xiàn)， 到人開始作岀外部反應(yīng)的時(shí)間間隔，也稱為反應(yīng)潛伏期。 這實(shí)際是如下知覺過程所經(jīng)歷的全部時(shí)間：感覺器官接收外界刺激，刺激經(jīng)由傳人神經(jīng)傳至大腦神經(jīng)中樞， 神經(jīng)中樞綜合處理發(fā)岀反應(yīng)指令，指令經(jīng)由傳岀神經(jīng)傳至肌肉，直至肌肉收縮開始反應(yīng)運(yùn)動(dòng)。影響反應(yīng)時(shí)的有人的主體因素，也有刺激的各種客體因素

14、，分述如下：1 簡(jiǎn)單反應(yīng)時(shí)、辨別反應(yīng)時(shí)與選擇反應(yīng)時(shí)如果呈現(xiàn)的刺激只有一個(gè)，要求接受刺激者作岀的反應(yīng)也是一個(gè)，且兩者都是固定不變的，這種條件下的反應(yīng)時(shí)稱為簡(jiǎn)單反應(yīng)時(shí)。如果呈現(xiàn)的刺激可能多于一種，要求刺激接受者只對(duì)其中特定刺激作岀反應(yīng)，而對(duì)其他刺激不作反應(yīng)，且即將岀現(xiàn)哪種刺激事先并不知道，這種條件下的反應(yīng)時(shí)稱為辨別反應(yīng)時(shí)。如果可能呈現(xiàn)的刺激不止一種，要求接受刺激者對(duì)不同的刺激作岀一一對(duì)應(yīng)的不同反應(yīng)，且即將岀現(xiàn)哪種刺激事先并不知道，這種條件下的反應(yīng)時(shí)稱為選擇反應(yīng)時(shí)。三種反應(yīng)時(shí)中，簡(jiǎn)單反應(yīng)時(shí)最短，辨別反應(yīng)時(shí)次之，而選擇反應(yīng)時(shí)因?yàn)榧纫鎰e刺激種類，又要確定相應(yīng)的反應(yīng)形式，所以時(shí)間最長(zhǎng)。辨別反應(yīng)時(shí)和選擇反

15、應(yīng)時(shí)都隨可能呈現(xiàn)的刺激數(shù)目增 多而延長(zhǎng)。表5- 6是刺激數(shù)目對(duì)辨別反應(yīng)時(shí)影響的一項(xiàng)測(cè)試結(jié)果。表5-6 關(guān)于辨別反應(yīng)時(shí)與刺激數(shù)目相關(guān)性的一項(xiàng)測(cè)試結(jié)果刺激數(shù)目12345678910辨別反應(yīng)時(shí)/ ms1873163644344855325706036196222刺激類型與反應(yīng)時(shí)反應(yīng)時(shí)隨刺激類型即接受刺激的感覺器官不同而不同。各種感覺器官對(duì)應(yīng)的簡(jiǎn)單反應(yīng)時(shí)一般范圍見表5 - 7。表5 - 7 各種刺激類型（感覺器官）的簡(jiǎn)單反應(yīng)時(shí)范圍刺激類型觸覺（觸壓、冷熱）聽覺（聲音）視覺（光色）嗅覺（物質(zhì)微粒）味覺（唾液可溶物）深部感覺（撞擊、重力）感覺器官皮膚、皮下組織耳朵眼腈鼻子舌頭肌肉神經(jīng)和關(guān)節(jié)簡(jiǎn)單反應(yīng)時(shí)/ m

16、s110 ， 230120 160150 200210 390330 1100400 1000從表5-7可以看岀，觸覺、聽覺和視覺反應(yīng)時(shí)比較短，味覺和深部感覺反應(yīng)時(shí)比較長(zhǎng)。另外 觸覺反應(yīng)時(shí)與接受刺激的人體部位有關(guān)，臉部、手指的反應(yīng)時(shí)短，腿部腳部的反應(yīng)時(shí)長(zhǎng)。味覺反應(yīng)時(shí)中，對(duì)咸、甜、酸的反應(yīng)時(shí)分別約為 308ms、446ms和536ms，而對(duì)苦的反應(yīng)時(shí)則長(zhǎng)得多， 約為 1082ms。3刺激強(qiáng)度與反應(yīng)時(shí)人的聽覺能夠感受到的最弱的聲音稱為聽閾”。其實(shí)任何一種外界刺激都要達(dá)到一定的強(qiáng)度才能被人感受到，這一強(qiáng)度下的刺激量值稱為該種感覺的感覺閾值。反應(yīng)時(shí)與刺激的強(qiáng)度有關(guān)， 一般的變化規(guī)律是：刺激很弱、剛剛達(dá)

17、到閾值的條件下，反應(yīng)時(shí)比正常值長(zhǎng)得多；隨著刺激強(qiáng)度加大，反應(yīng)時(shí)逐漸縮短，但變化越來越??；到達(dá)一定的刺激強(qiáng)度以后，反應(yīng)時(shí)就基本穩(wěn)定不再縮短了。對(duì)比表5-8中不同強(qiáng)度聲刺激的反應(yīng)時(shí)，可以看出這一變化規(guī)律。表5-8刺激強(qiáng)度與反應(yīng)時(shí)的關(guān)系刺激類型刺激強(qiáng)度簡(jiǎn)單反應(yīng)時(shí)/ ms剛超過閾值779聽覺聲刺激較弱的強(qiáng)度184中等強(qiáng)度119視覺光刺激弱光照強(qiáng)光照2051624 刺激的對(duì)比度與反應(yīng)時(shí)除了刺激本身的強(qiáng)度以外，反應(yīng)時(shí)還受刺激量值與背景量值對(duì)比度的影響，這種對(duì)比度常直接關(guān)系到刺激的可辨性。例如同樣的聲刺激，因背景噪聲的強(qiáng)度、頻率不同而有不同可辨性，反應(yīng)時(shí)也隨之不同。視覺刺激中，朿y激顏色與背景色的對(duì)比影響刺

18、激的可辨性，因而也影響反應(yīng)時(shí)，一項(xiàng)測(cè)試結(jié)果見表 5-9。從表5-9可以看岀，紅一橙顏色對(duì)比下反應(yīng)時(shí)較長(zhǎng)，原因不難理解， 是因?yàn)檫@兩種刺激的對(duì)比較弱。表5-9 顏色對(duì)比對(duì)反應(yīng)時(shí)的影響顏色對(duì)比白一黑紅一綠紅一黃紅一橙簡(jiǎn)單反應(yīng)時(shí)/ ms197208217246影響反應(yīng)時(shí)的其他刺激因素還有：刺激持續(xù)的時(shí)間，是否有預(yù)備信號(hào)等5 人的主體因素與反應(yīng)時(shí)影響反應(yīng)時(shí)的人的主體方面，有先天性的個(gè)體差異，當(dāng)時(shí)的狀況和培訓(xùn)造成的差異等幾方面。 先天性的個(gè)體差異來源于素質(zhì)、性別、個(gè)性等因素；當(dāng)時(shí)狀況指年齡、健康狀況、疲勞狀況、情 緒、生理節(jié)律等狀態(tài)；培訓(xùn)對(duì)反應(yīng)時(shí)的影響更是明顯，駕駛汽車、打字、速記等工作都可以通過 培訓(xùn)

19、減少反應(yīng)時(shí)，從而有效地提高工作效率。（二）運(yùn)動(dòng)時(shí)運(yùn)動(dòng)時(shí)指從人的外部反應(yīng)運(yùn)動(dòng)開始到運(yùn)動(dòng)完成的時(shí)間間隔。運(yùn)動(dòng)時(shí)的時(shí)間組成，也包含著神經(jīng)傳導(dǎo)時(shí)間、肌肉活動(dòng)時(shí)間及兩者交互的時(shí)間等部分。由于知覺和運(yùn)動(dòng)是人體兩種性質(zhì)不同的過程，所以反應(yīng)時(shí)和運(yùn)動(dòng)時(shí)之間沒有顯著的相關(guān)性。運(yùn)動(dòng)時(shí)隨著人體運(yùn)動(dòng)部位、運(yùn)動(dòng)形式、運(yùn)動(dòng)距離、阻力、準(zhǔn)確度、難度等的不同而不同，影響因素非常多。通常作為人體功能”基礎(chǔ)數(shù)據(jù)進(jìn)行測(cè)試的，只是最簡(jiǎn)單的運(yùn)動(dòng)，例如用手按壓或觸摸身體前方不遠(yuǎn)的某物、某點(diǎn)；而這對(duì)于操縱裝置設(shè)計(jì)的應(yīng)用顯然是不夠的。實(shí)際操縱運(yùn)動(dòng)的情況很復(fù)雜，各種不同的操作類型和操作要求，運(yùn)動(dòng)部位、形式、距離、阻力、要求的準(zhǔn)確度、難度都不相同

20、，例如單單就旋轉(zhuǎn)旋鈕而言，由于旋 鈕尺寸、阻力、安放位置、要求調(diào)節(jié)準(zhǔn)確度等條件不同，操作運(yùn)動(dòng)時(shí)間就大有差異。所以各種操 作運(yùn)動(dòng)的時(shí)間一般不作為人體功能基礎(chǔ)數(shù)據(jù)、而屬于操縱設(shè)計(jì)中肢體運(yùn)動(dòng)輸岀數(shù)據(jù)的范圍。三、肢體的運(yùn)動(dòng)輸出特性（一）運(yùn)動(dòng)速度與頻率與肢體運(yùn)動(dòng)速度、頻率有關(guān)的因素較多，下面就人體運(yùn)動(dòng)部位、運(yùn)動(dòng)形式、運(yùn)動(dòng)方向、阻力（阻力矩）、運(yùn)動(dòng)軌跡等因素的影響，各舉一些實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)的例子來作簡(jiǎn)要說明。1 人體運(yùn)動(dòng)部位、運(yùn)動(dòng)形式與運(yùn)動(dòng)速度表5 - 10給岀了主要人體部位完成一次簡(jiǎn)單運(yùn)動(dòng)最少平均時(shí)間的參考數(shù)據(jù)。從這些數(shù)據(jù)的對(duì)比，可以了解人體不同部位、不同形式和條件下運(yùn)動(dòng)時(shí)問的相對(duì)差異。但與具體運(yùn)動(dòng)距離、 運(yùn)動(dòng)

21、角度、阻力、阻力矩有關(guān)的運(yùn)動(dòng)時(shí)間數(shù)據(jù)，尚需查閱詳盡的資料或進(jìn)行實(shí)測(cè)研究。表5 - 10 人體完成一次動(dòng)作的最少平均時(shí)間人體運(yùn)動(dòng)部位運(yùn)動(dòng)形式和條件最少平均時(shí)間/ ms直線運(yùn)動(dòng)抓取70手曲線運(yùn)動(dòng)抓取220極微小的阻力矩旋轉(zhuǎn)220有一定的阻力矩旋轉(zhuǎn)720向前方、極小阻力踩踏360腿腳向前方、一定阻力踩踏720向側(cè)方、一定阻力踩踏7201460軀干向前或后彎曲向左或右側(cè)彎720162012602 運(yùn)動(dòng)方向與運(yùn)動(dòng)速度由于人體結(jié)構(gòu)的原因，人的肢體在某些方向上的運(yùn)動(dòng)快于另一些方向。一個(gè)測(cè)試實(shí)驗(yàn)的情況和結(jié)果如圖5-8所示：從水平平面上某定點(diǎn)起始，用右手向8個(gè)方向上的8個(gè)等距離的點(diǎn)運(yùn)動(dòng)；8個(gè)方向分別是：從正右方

22、的0方向開始，每隔45作為一個(gè)方向。測(cè)定不同方向上的平均運(yùn)動(dòng)時(shí)間，成比例地以到中心點(diǎn)的距離用黑圓點(diǎn)標(biāo)定在該方向上，得到8個(gè)黑點(diǎn)；這8個(gè)點(diǎn)可連接成一個(gè)橢圓，橢圓的短軸大約在55235的方向上，長(zhǎng)軸大約在145325。的方向上，如圖5-8中兩條互相垂直的虛線所標(biāo)示。這表明，右手在55235。方向，即在 右上一左下”方向運(yùn)動(dòng)較快；而在145325方向，即在 左上一右下方向運(yùn)動(dòng)較慢。應(yīng)該說，這一結(jié)果從生物力 學(xué)來看是不難理解的。圖5-8 右手在水平面內(nèi) 8個(gè)方向上運(yùn)動(dòng)時(shí)間的對(duì)比3 運(yùn)動(dòng)負(fù)荷與運(yùn)動(dòng)速度肢體各種運(yùn)動(dòng)的速度都隨運(yùn)動(dòng)中阻力的增大而減小。表 5 - 11所列數(shù)據(jù)是反映這種關(guān)系的 一個(gè)例子：掌心向

23、上持握一個(gè)物體，在物體的三個(gè)不同質(zhì)量等級(jí)下， 測(cè)定記錄手掌旋轉(zhuǎn)一定角度 所需要的時(shí)間。表5 11不同持握質(zhì)量下手掌的轉(zhuǎn)動(dòng)角度與轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)間 （單位：ms）持握的質(zhì)量/ kg306090120150180 0.91101501902402903401.0 4.51602303103804605504.6 1630044058073087010204 運(yùn)動(dòng)軌跡與運(yùn)動(dòng)速度基于人體構(gòu)造的原因，運(yùn)動(dòng)軌跡對(duì)運(yùn)動(dòng)速度的影響有以下幾點(diǎn):1 ）人手在水平面內(nèi)的運(yùn)動(dòng)快于鉛垂面內(nèi)的運(yùn)動(dòng)；前后的縱向運(yùn)動(dòng)快于左右的橫向運(yùn)動(dòng)；從 上往下的運(yùn)動(dòng)快于從下往上；順時(shí)針轉(zhuǎn)向的運(yùn)動(dòng)快于逆時(shí)針轉(zhuǎn)向。2 ）人手向著身體方向的運(yùn)動(dòng)（向里拉）

24、比背離身體方向的運(yùn)動(dòng)（向外推）準(zhǔn)確度高。多數(shù)右利者右手向右的運(yùn)動(dòng)快于左手向左運(yùn)動(dòng)，多數(shù)左利者左手向左的運(yùn)動(dòng)快于右手向右運(yùn)動(dòng)。3 ）單手可以在此手一側(cè)偏離正中 60的范圍之內(nèi)較快地自如運(yùn)動(dòng)，見圖 5 9a ;而雙手同時(shí)運(yùn)動(dòng)，則只在正中左右各 30的范圍以內(nèi)能較快地自如運(yùn)動(dòng)，見圖 5 9b。當(dāng)然，正中方向及 其附近是單手和雙手能較快自如運(yùn)動(dòng)的區(qū)域，見圖5 9c。圖5 9 單手與雙手能較快自如運(yùn)動(dòng)的區(qū)域4 ）連續(xù)改變方向的曲線運(yùn)動(dòng)快于突然改變方向的折線運(yùn)動(dòng)。5 運(yùn)動(dòng)頻率人體各部位的運(yùn)動(dòng)頻率也是人機(jī)工程設(shè)計(jì)關(guān)注的數(shù)據(jù)。表5 12是人體不同部位、幾種常用操作動(dòng)作能夠達(dá)到的最高頻率。表列數(shù)據(jù)對(duì)應(yīng)的條件是：

25、運(yùn)動(dòng)阻力（或阻力矩）極為微小，運(yùn)動(dòng)行程（或轉(zhuǎn)動(dòng)角度）很小，由優(yōu)勢(shì)手或優(yōu)勢(shì)腳進(jìn)行測(cè)試。表列數(shù)據(jù)是一般人運(yùn)動(dòng)能 達(dá)到的上限值，工作時(shí)適宜的操作頻率應(yīng)該小于這個(gè)數(shù)值，長(zhǎng)時(shí)問工作的操作頻率只能更小。表5 12 人體各部位的最高運(yùn)動(dòng)頻率（單位：次/ s）運(yùn)動(dòng)部位運(yùn)動(dòng)形式最高頻率運(yùn)動(dòng)部位運(yùn)動(dòng)形式最高頻率小指敲擊3.7手旋轉(zhuǎn)4.8無名指敲擊4.1前臂伸屈4.7中指敲擊4.6上臂前后擺動(dòng)3.7食指敲擊4.7腳以腳跟為支點(diǎn)蹬踩5.7手拍打9.5腳抬放5.8手推壓6.7（二）運(yùn)動(dòng)準(zhǔn)確性及其影響因素1 運(yùn)動(dòng)準(zhǔn)確性準(zhǔn)確性是人體運(yùn)動(dòng)輸岀質(zhì)量的重要指標(biāo)。準(zhǔn)確地操作是人機(jī)系統(tǒng)正常運(yùn)行的基本要求；快速操作只有在準(zhǔn)確的前提才有

26、意義。操作運(yùn)動(dòng)準(zhǔn)確性要求主要包括以下幾個(gè)方面： 運(yùn)動(dòng)方向的準(zhǔn)確性；運(yùn)動(dòng)量(操縱量)，如運(yùn)動(dòng)距離、旋轉(zhuǎn)角度的準(zhǔn)確性；操作運(yùn)動(dòng)速度的準(zhǔn)確性(一般 操作都要求實(shí)現(xiàn)平穩(wěn)的速度變化，跟蹤調(diào)節(jié)操作則要求更準(zhǔn)確的操作速度)；操縱力的準(zhǔn)確性(在有一定阻力或阻力矩的操作中，準(zhǔn)確的操縱量通常依賴準(zhǔn)確的操縱力才能達(dá)到)。2 運(yùn)動(dòng)準(zhǔn)確性的影響因素除了人們種種先天性的個(gè)體差異、當(dāng)時(shí)的健康和覺醒水平、培訓(xùn)練習(xí)狀況以外，運(yùn)動(dòng)準(zhǔn)確性與運(yùn)動(dòng)本身的速度、方向、位置、動(dòng)作類型等因素有關(guān)，下面僅就部分因素作簡(jiǎn)略的說明。(1)運(yùn)動(dòng)速度與準(zhǔn)確性隨著運(yùn)動(dòng)速度加快，準(zhǔn)確性通常將會(huì)降低。但兩者的變化一般呈圖4 一 10所示的速度準(zhǔn)確性特性曲線

27、關(guān)系：在曲線 A點(diǎn)的附近，運(yùn)動(dòng)速度變化對(duì)準(zhǔn)確性的影 響很小，因此降低速度對(duì)提高準(zhǔn)確性并無明顯作用。速度高到一定數(shù)值以后，圖5-10的曲線下降明顯，表明運(yùn)動(dòng)準(zhǔn)確性加速降低。因此在圖5-10中A點(diǎn)附近選點(diǎn)，能兼顧到速度和準(zhǔn)確性兩方面的要求。圖5 10 運(yùn)動(dòng)速度一準(zhǔn)確性特性曲線(2 )運(yùn)動(dòng)方向與準(zhǔn)確性圖5 11是關(guān)于手臂運(yùn)動(dòng)方向?qū)?zhǔn)確性影響的一個(gè)實(shí)測(cè)例子：讓受試者手握細(xì)桿沿圖示的幾種槽縫中運(yùn)動(dòng)，記錄細(xì)桿觸碰槽壁的次數(shù)，觸碰次數(shù)多表示細(xì)桿在槽中運(yùn)動(dòng)準(zhǔn)確性低。在同樣的測(cè)試設(shè)置下，四種運(yùn)動(dòng)方向的觸碰次數(shù)已標(biāo)注在圖5 11a、b、c、d各分圖下面，觸碰次數(shù)之比為247 : 202 : 45 : 32。可見手

28、臂在左右方向的運(yùn)動(dòng)準(zhǔn)確性高，上下方向次之，而前后方向的運(yùn)動(dòng)準(zhǔn)確性差，而且互相對(duì)比的差別是相當(dāng)明顯的。圖5 11手臂運(yùn)動(dòng)方向?qū)?zhǔn)確性影響的一個(gè)實(shí)例(3)動(dòng)作類型與準(zhǔn)確性使用操縱器和工具可能有各種不同的動(dòng)作類型，由于解剖學(xué)的特點(diǎn)，肢體控制不同類型動(dòng)作的準(zhǔn)確性、靈活性是不同的。圖5 12給岀了優(yōu)劣不同的三組對(duì)比：上面三個(gè)圖所示操作的準(zhǔn)確性，均優(yōu)于對(duì)應(yīng)的下圖。圖5 12a上圖為在水平面內(nèi)的轉(zhuǎn)動(dòng)操作，其準(zhǔn)確性優(yōu)于下圖所畫的在鉛垂面內(nèi)的轉(zhuǎn)動(dòng)操作；圖512b上圖為對(duì)水平面的按壓操作，其準(zhǔn)確性優(yōu)于下圖所畫對(duì)鉛垂面的按壓操作；圖5 12c上圖為手握彎曲把手由大小臂控制的繞軸轉(zhuǎn)動(dòng)，其準(zhǔn)確性優(yōu)于下圖所畫手抓球體由手

29、腕控制的繞軸轉(zhuǎn)動(dòng)。準(zhǔn)確性隨動(dòng)作類型而不同的現(xiàn)象很多，圖5 12所示只是其中的少數(shù)幾個(gè)示例。圖5 12 準(zhǔn)確性隨動(dòng)作類型不同的例子（4 ）運(yùn)動(dòng)量與準(zhǔn)確性準(zhǔn)確性一般還與運(yùn)動(dòng)量大小有關(guān)，例如手臂伸岀和收回的移動(dòng)量較?。ㄈ?00mm以內(nèi)）時(shí)，常有移動(dòng)距離超岀的傾向，相對(duì)誤差較大；移動(dòng)量較大時(shí)，則常有移 動(dòng)距離不足的傾向，相對(duì)誤差較小。旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)量與準(zhǔn)確性的關(guān)系與此類似。第三節(jié)操縱器設(shè)計(jì)的人機(jī)學(xué)原則一、操縱器的類型與選用操縱器又稱為操縱裝置、控制器、控制裝置。（一）操縱器的類型操縱器種類很多，為便于分析研究，可以從不同的角度進(jìn)行分類，簡(jiǎn)述如下。1按操控方式分可以分為手動(dòng)操縱器、腳動(dòng)操縱器、聲控操縱器等操控

30、類型。也可以分為直動(dòng)操縱器、遙控操縱器等操控方式。2 .按操控運(yùn)動(dòng)軌跡分手動(dòng)操縱器按操控運(yùn)動(dòng)的軌跡，可分為：旋轉(zhuǎn)式操縱器：如旋鈕、搖柄、十字把手、手輪（轉(zhuǎn)向盤）等。移動(dòng)式操縱器：如操縱桿、手柄、推扳開關(guān)等。按壓式操縱器：如按鈕、按鍵等。3 按操控功能分一般分為開關(guān)式操縱器、轉(zhuǎn)換式操縱器、調(diào)節(jié)式操縱器、緊急停車操縱器等類型。（二）操縱器的選用原則GB /T 14775 1993操縱器一般人類工效學(xué)要求給岀的操縱器選用原則如下：1 ）手控操縱器適用于精細(xì)、快速調(diào)節(jié)，也可用于分級(jí)和連續(xù)調(diào)節(jié)。2 ）腳控操縱器適用于動(dòng)作簡(jiǎn)單、快速、需用較大操縱力的調(diào)節(jié)。腳控操縱器一般在坐姿有 靠背的條件下選用。二、操縱

31、器設(shè)計(jì)的一般人機(jī)學(xué)原則在下這里先簡(jiǎn)要分幾條概述操縱器設(shè)計(jì)的一般人機(jī)學(xué)原則，關(guān)于其中每一條較詳細(xì)的內(nèi)容，面或在具體講述各種操縱器時(shí)再作進(jìn)一步說明。1 ）操縱器的尺寸、形狀，應(yīng)適合人的手腳尺寸及生理學(xué)解剖學(xué)條件。2 ）操縱器的操作力、操作方向、操作速度、操作行程（包括線位移行程和角位移行程）、 操作準(zhǔn)確度控制要求，都應(yīng)與人的施力和運(yùn)動(dòng)輸出特性相適應(yīng)。3 ）在有多個(gè)操縱器的情況下，各操縱器在形狀、尺寸大小、色彩、質(zhì)感以及安置位置等方 面，盡量給予明顯區(qū)別，使它們易于識(shí)別，以避免互相混淆。4 ）讓操作者在合理的體位下操作，考慮操縱器操作的依托支撐要求，減輕操作者疲勞和單 調(diào)厭倦的感覺。5 ）操縱器的操

32、作運(yùn)動(dòng)與顯示器或與被控對(duì)象，應(yīng)有正確的互動(dòng)協(xié)調(diào)關(guān)系。此種互動(dòng)關(guān)系應(yīng) 與人的自然行為傾向一致。6 ）形狀美觀、式樣新穎，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單。合理設(shè)計(jì)多功能操縱器，如帶指示燈的按鈕，能把操 縱和顯示功能結(jié)合起來等。三、操縱器的形狀和式樣1 ）手動(dòng)操縱器上手的握持部位應(yīng)為端部圓滑的圓柱、圓錐、卵形、橢球等便于抓握的形狀，橫截面為圓形或橢圓，表面不得有尖角、銳棱、缺口，以求得持握牢靠、方便、無不適感。用手掌按壓操作的操縱器的表面，采用蘑菇樣的球面凸起形狀。用手指按壓的表面要有適合指形的凹陷輪廓。按鈕的水平截面應(yīng)為圓形或矩形，按鍵應(yīng)為矩形。矩形按鈕和直徑35mm的按鈕可做成球面或平面形狀；在需要互相區(qū)別、避免混淆

33、而進(jìn)行編碼的情況下允許制成其他形狀。用手指操作的扳鈕開關(guān)、轉(zhuǎn)換開關(guān)的柄部應(yīng)為圓柱形、圓錐形或棱柱形，柄部外端呈凸球形表面；圓錐形柄部的大頭朝外（參看后面圖5 28 ）。2 ）腳控操縱器不應(yīng)使踝關(guān)節(jié)在操作時(shí)過分彎曲，腳踏板與地面的最佳傾角約為30操作時(shí)腳掌宜與小腿接近垂直，踝關(guān)節(jié)的活動(dòng)范圍不大于25 （參看后面圖5 29a、圖5 30、圖534 ） o3 ）操縱器的式樣應(yīng)便于使用，便于施力。例如操縱阻力較大的旋鈕，其周邊不宜為光滑的表面，而應(yīng)制成棱形波紋或壓制滾花（參看后面圖5 19 ）o4 ）有定位或保險(xiǎn)裝置的操縱器，其終點(diǎn)位置應(yīng)有標(biāo)記或?qū)ｉT的止動(dòng)限位機(jī)構(gòu)。分級(jí)調(diào)節(jié)的操縱器還應(yīng)有中間各擋位置的

34、標(biāo)記，以及各擋位置的定位、自鎖、連鎖機(jī)構(gòu)，以免工作中的意外觸動(dòng)或振動(dòng)產(chǎn)生誤操作。5 ）操縱器的形狀最好能對(duì)它的功能有所隱喻、有所暗示（參看后面圖5 13 ），以利于辨認(rèn)和記憶。這屬于造型語義方面的要求和課題。四、操縱器的尺寸和操作行程操縱器尺寸與人體尺寸的適應(yīng)性主要包括兩個(gè)方面：第一，操縱器上，人的手腳握持、 觸壓、抓捏、摳挖部位的尺寸，應(yīng)與人的手腳尺寸相適應(yīng)，需參照GB/T 10000 1988中國(guó)成年人人體尺寸、GB / T 16252 1996成年人手部號(hào)型等國(guó)標(biāo)進(jìn)行設(shè)計(jì)。第二，操縱器的操作行 程，例如按鈕、按鍵的按壓距離，旋鈕、轉(zhuǎn)向盤、手輪的轉(zhuǎn)動(dòng)角度，扳鈕開關(guān)、操縱桿的線位移 和角位移

35、等，應(yīng)與人的關(guān)節(jié)活動(dòng)范圍、肢體活動(dòng)范圍相適應(yīng)，需參照GB /T 13547 1992工作空間人體尺寸、GB /T 14775 1993操縱器一般人類工效學(xué)要求等綜合類國(guó)標(biāo)，還可參考一些專門行業(yè)的國(guó)標(biāo)、行業(yè)的技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)和人體功能方面的文獻(xiàn)資料。操縱器上與人體尺寸有關(guān)的上述兩個(gè)方面，也可以說前者是操縱器上與手腳直接接觸部位的靜態(tài)尺寸”，后者則是肢體操作操縱器時(shí)的動(dòng)態(tài)尺寸”，下面舉例說明。對(duì)圖 5 13a所示雙手扶輪緣的手輪（轉(zhuǎn)向盤、轉(zhuǎn)向把）來說，手握部位的輪緣直徑優(yōu)選值為25 30mm，其依據(jù)是人手部尺寸中的 手長(zhǎng)”這種手輪一次手握連續(xù)轉(zhuǎn)動(dòng)的角度一般宜在90以內(nèi)，最大不得超過 120其依據(jù)則是關(guān)節(jié)活

36、動(dòng)范圍或肢體活動(dòng)范圍。對(duì)圖5 13b所示的操縱桿來說，手握部位的球形桿端球徑常取值為 3250mm，其依據(jù)是人手抓握多大的物體較為舒適并能較自如地施力。而操 縱桿的適宜 動(dòng)態(tài)尺寸是：對(duì)于長(zhǎng)度150250mm的短操縱桿，在人體左右方向的轉(zhuǎn)動(dòng)角度不 宜大于45前后方向的轉(zhuǎn)動(dòng)角度不宜大于30對(duì)于長(zhǎng)度500700mm的長(zhǎng)操縱桿，轉(zhuǎn)動(dòng)角度適宜值為1015其依據(jù)便是人的肢體活動(dòng)范圍。圖5 - 13 操縱器尺寸與人體尺寸的關(guān)系幾種常用操縱器的尺寸和操作行程數(shù)據(jù)，將結(jié)合具體操縱器在稍后介紹。五、操縱器的識(shí)別編碼編碼（coding ）是指特定信號(hào)的系統(tǒng)表示或符合定義規(guī)則的信號(hào)其他設(shè)定值。通俗地說，對(duì) 一類事物進(jìn)行編碼，就是使其中每一事物具有特征或給予特定代號(hào)，以互相區(qū)別，避免混淆。常用的操縱器編碼方式有：形狀編碼、大小編碼、色彩編碼、操作方法編碼、位置編碼、符 號(hào)編碼等。1 形狀編碼使不同功能的操縱器具有各自不同、鮮明的形狀特征，便