第六章控制器設(shè)計中的人因素

編寫者：李宏汀、劉玉麗第二篇界面設(shè)計第六章

控制器設(shè)計中的人因素本章目錄第一節(jié)控制器概述第二節(jié)傳統(tǒng)控制器第三節(jié)新型控制界面第四節(jié)控制器與顯示器的綜合設(shè)計第五節(jié)追蹤與監(jiān)控第一節(jié)控制器概述一、控制器定義及其分類二、控制器的設(shè)計要素三、控制器設(shè)計的一般原則第一節(jié)控制器概述一、控制器定義及其分類（一）控制器的定義及作用（二）控制器的分類第一節(jié)控制器概述一、控制器定義及其分類（一）控制器的定義及作用控制器是人用以將人的控制信息傳遞給機器，使之執(zhí)行控制功能，實現(xiàn)調(diào)整、改變機器運行狀態(tài)的裝置合理設(shè)計控制器將有利于提高人—機系統(tǒng)的工作效率，提高操作者操作的準確性、速度和安全性，同時減少操作者的緊張和疲勞第一節(jié)控制器概述一、控制器定義及其分類（一）控制器的定義及作用（二）控制器的分類根據(jù)輸入信息特點，控制器可分為連續(xù)調(diào)節(jié)控制器和離散位選控制器根據(jù)運動方式，控制器可分為平移控制器和旋轉(zhuǎn)控制器根據(jù)運動維度，控制器可分為一維控制器和多維控制器根據(jù)操作控制器的身體器官，控制器可分為手控制器、腳控制器和言語控制器第一節(jié)控制器概述一、控制器定義及其分類二、控制器的設(shè)計要素（一）控制器的編碼（二）控制器的大小和間距（三）控制器的阻力（四）控制器的位置和排列第一節(jié)控制器概述一、控制器定義及其分類二、控制器的設(shè)計要素（一）控制器的編碼1、常用的編碼方式2、控制器編碼中需注意的問題第一節(jié)控制器概述一、控制器定義及其分類二、控制器的設(shè)計要素（一）控制器的編碼1、常用的編碼方式控制器的常用編碼方式一般有形狀和表紋編碼、顏編碼色、位編碼置、標記編碼、大小及操作方法編碼等第一節(jié)控制器概述一、控制器定義及其分類二、控制器的設(shè)計要素（一）控制器的編碼1、常用的編碼方式

2、控制器編碼中需注意的問題控制器編碼需要注意編碼方式的選擇以及冗余編碼等問題第一節(jié)控制器概述一、控制器定義及其分類二、控制器的設(shè)計要素（一）控制器的編碼（二）控制器的大小和間距控制器的大小設(shè)計應(yīng)同人的肢體尺寸相適應(yīng)在控制器的排列中，控制器之間應(yīng)該有適當(dāng)?shù)拈g距控制器的尺寸和間距大小的設(shè)置可通過費茨定律來預(yù)測第一節(jié)控制器概述一、控制器定義及其分類二、控制器的設(shè)計要素（一）控制器的編碼（二）控制器的大小和間距（三）控制器的阻力1、阻力的類型2、阻力的大小和反饋第一節(jié)控制器概述一、控制器定義及其分類二、控制器的設(shè)計要素（一）控制器的編碼（二）控制器的大小和間距（三）控制器的阻力1、阻力的類型控制器的阻力主要有以下四種類型：靜摩擦和庫倫摩擦彈性阻力黏滯阻力慣性第一節(jié)控制器概述一、控制器定義及其分類二、控制器的設(shè)計要素（一）控制器的編碼（二）控制器的大小和間距（三）控制器的阻力1、阻力的類型

2、阻力的大小和反饋最大阻力不能超過操作者的用力能力，最小阻力也要防止控制器的偶然觸發(fā)反饋信息指操作者獲得調(diào)節(jié)控制器的結(jié)果，可以幫助操作者及時糾正錯誤反應(yīng)第一節(jié)控制器概述一、控制器定義及其分類二、控制器的設(shè)計要素（一）控制器的編碼（二）控制器的大小和間距（三）控制器的阻力（四）控制器的位置和排列1、人體測量學(xué)尺寸2、功能重要性和操作順序第一節(jié)控制器概述一、控制器定義及其分類二、控制器的設(shè)計要素（一）控制器的編碼（二）控制器的大小和間距（三）控制器的阻力（四）控制器的位置和排列1、人體測量學(xué)尺寸

控制器位置的安放必須以使用者群體的人體測量資料為依據(jù)。這種資料包括人體尺寸和人體不同工作姿勢時的手、足最佳操作區(qū)域和最大操作區(qū)域等第一節(jié)控制器概述一、控制器定義及其分類二、控制器的設(shè)計要素（一）控制器的編碼（二）控制器的大小和間距（三）控制器的阻力（四）控制器的位置和排列1、人體測量學(xué)尺寸

2、功能重要性和操作順序控制器的位置排列可根據(jù)控制器的功能重要性、系統(tǒng)的操作順序等因素設(shè)置第一節(jié)控制器概述一、控制器定義及其分類二、控制器的設(shè)計要素三、控制器設(shè)計的一般原則可辨識性可達性反饋信息布局合理性第二節(jié)傳統(tǒng)控制器一、與人手相關(guān)的生物力學(xué)原則二、常見的手控制器三、腳控制器第二節(jié)傳統(tǒng)控制器一、與人手相關(guān)的生物力學(xué)原則（一）保持手腕伸直（二）避免組織的壓迫受力（三）避免重復(fù)的手指動作第二節(jié)傳統(tǒng)控制器一、與人手相關(guān)的生物力學(xué)原則（一）保持手腕伸直為避免疾病的發(fā)生，手工工具設(shè)計的重要原則是使手腕和前臂保持在一條直線上第二節(jié)傳統(tǒng)控制器一、與人手相關(guān)的生物力學(xué)原則（一）保持手腕伸直（二）避免組織的壓迫受力手工工具應(yīng)當(dāng)與手有較大的接觸面，以便在較大的區(qū)域分散壓力第二節(jié)傳統(tǒng)控制器一、與人手相關(guān)的生物力學(xué)原則（一）保持手腕伸直（二）避免組織的壓迫受力（三）避免重復(fù)的手指動作通常，應(yīng)避免頻繁地使用食指，可使部分動作分擔(dān)至其他手指第二節(jié)傳統(tǒng)控制器一、與人手相關(guān)的生物力學(xué)原則二、常見手控制器（一）手輪（二）曲柄（三）旋鈕（四）按鈕（五）扳鈕開關(guān)（六）手柄和操縱桿第二節(jié)傳統(tǒng)控制器一、與人手相關(guān)的生物力學(xué)原則二、常見的手控制器（一）手輪手輪的形狀一般是圓形的，常見的手輪控制器有汽車方向盤、液化氣閥門開關(guān)等第二節(jié)傳統(tǒng)控制器一、與人手相關(guān)的生物力學(xué)原則二、常見手控制器（一）手輪（二）曲柄常見的曲柄有自行車腳蹬。曲柄多應(yīng)用于需要多圈轉(zhuǎn)動控制，涉及高速度或大力量的場合第二節(jié)傳統(tǒng)控制器一、與人手相關(guān)的生物力學(xué)原則二、常見手控制器（一）手輪（二）曲柄（三）旋鈕旋鈕控制器在生活中比較多見，如音量控制器、風(fēng)扇轉(zhuǎn)速控制器等第二節(jié)傳統(tǒng)控制器一、與人手相關(guān)的生物力學(xué)原則二、常見手控制器（一）手輪（二）曲柄（三）旋鈕（四）按鈕按鈕的功能主要是啟動與關(guān)閉機器，接通與斷開某種操作狀態(tài)，或流量的分級調(diào)節(jié)等第二節(jié)傳統(tǒng)控制器一、與人手相關(guān)的生物力學(xué)原則二、常見手控制器（一）手輪（二）曲柄（三）旋鈕（四）按鈕（五）扳鈕開關(guān)扳鈕開關(guān)也稱撥動開關(guān)，它通常有兩到三個離散調(diào)節(jié)位置第二節(jié)傳統(tǒng)控制器一、與人手相關(guān)的生物力學(xué)原則二、常見手控制器（一）手輪（二）曲柄（三）旋鈕（四）按鈕（五）扳鈕開關(guān)（六）手柄和操縱桿手柄和操縱桿都是桿式控制器，常用于涉及大的力或位移，或要求多維度的控制運動的情境下.第二節(jié)傳統(tǒng)控制器一、與人手相關(guān)的生物力學(xué)原則二、常見的手控制器三、腳控制器腳的操作具有速度慢、準確性差的特點。但是腳控制器的使用能在一定程度上減輕手的控制負荷，并且適用于需要用大力氣操作的情況腳踏板一般在坐姿條件下使用，應(yīng)保證操縱舒適，用力方便腳踏板的踩踏平面應(yīng)為長方形或橢圓形，其大小與腳掌大小相符第三節(jié)新型控制界面一、語音控制界面二、眼動控制界面三、腦機接口第三節(jié)新型控制界面一、語音控制界面（一）語音識別系統(tǒng)（二）語音控制的功能（三）語音控制界面設(shè)計中應(yīng)注意的問題第三節(jié)新型控制界面一、語音控制界面（一）語音識別系統(tǒng)語音控制器實際上是通過計算機的言語識別技術(shù)，將語音識別為計算機可辨的指令，以執(zhí)行一定的控制功能的裝置，它由說話人、語音識別系統(tǒng)和輸出的識別結(jié)果等部分組成第三節(jié)新型控制界面一、語音控制界面（一）語音識別系統(tǒng)（二）語音控制的功能語音控制的優(yōu)勢在于其自然性語音輸入的優(yōu)勢體現(xiàn)在雙任務(wù)情形中，當(dāng)數(shù)據(jù)輸入和其他活動必須同時進行時，語音識別是最合適的語音識別系統(tǒng)也特別適合殘疾人使用第三節(jié)新型控制界面一、語音控制界面（一）語音識別系統(tǒng)（二）語音控制的功能（三）語音控制界面設(shè)計中應(yīng)注意的問題1、速度限制2、人的言語可變性3、環(huán)境噪聲第三節(jié)新型控制界面一、語音控制界面（一）語音識別系統(tǒng)（二）語音控制的功能（三）語音控制界面設(shè)計中應(yīng)注意的問題1、速度限制為提高識別的準確度，說話者需在每個詞尾處停頓一下，并及時給出輸入的反饋第三節(jié)新型控制界面一、語音控制界面（一）語音識別系統(tǒng)（二）語音控制的功能（三）語音控制界面設(shè)計中應(yīng)注意的問題1、速度限制

2、人的言語可變性人的言語的可變性不僅包括不同國家的語言差異，還包括同種語言方言的差異、個人語型差異以及由生理、心理或環(huán)境因素引起的個人語型在時間上的變化為了解決言語可變性問題，可在系統(tǒng)中增加發(fā)音相近詞語，來增加識別的容錯性第三節(jié)新型控制界面一、語音控制界面（一）語音識別系統(tǒng)（二）語音控制的功能（三）語音控制界面設(shè)計中應(yīng)注意的問題1、速度限制2、人的言語可變性

3、環(huán)境噪聲環(huán)境噪聲會大大降低語音系統(tǒng)的識別率除了盡量將語音控制界面應(yīng)用在環(huán)境噪聲較低的情境中，還應(yīng)在需要精確識別的場合，盡量使用觸發(fā)識別模式，或者口令觸發(fā)模式第三節(jié)新型控制界面一、語音控制界面二、眼動控制界面（一）眼動控制界面的原理（二）眼動控制界面的功能與應(yīng)用第三節(jié)新型控制界面一、語音控制界面二、眼動控制界面（一）眼動控制界面的原理較常使用的技術(shù)是角膜反射跟蹤法、虹膜—鞏膜邊緣跟蹤技術(shù)和瞳孔—角膜跟蹤法第三節(jié)新型控制界面一、語音控制界面二、眼動控制界面（一）眼動控制界面的原理（二）眼動控制界面的功能與應(yīng)用1、視覺指向2、文字輸入3、虛擬現(xiàn)實和游戲第三節(jié)新型控制界面一、語音控制界面二、眼動控制界面（一）眼動控制界面的原理（二）眼動控制界面的功能與應(yīng)用1、視覺指向大多數(shù)的眼動控制都應(yīng)用在軍事領(lǐng)域，“眼睛瞄準系統(tǒng)”或“視覺跟蹤系統(tǒng)”就是很好的例子第三節(jié)新型控制界面一、語音控制界面二、眼動控制界面（一）眼動控制界面的原理（二）眼動控制界面的功能與應(yīng)用1、視覺指向

2、文字輸入劍橋大學(xué)卡文迪許實驗室的研究人員開發(fā)出一種用來取代計算機標準鍵盤布局的Dasher軟件新版本第三節(jié)新型控制界面一、語音控制界面二、眼動控制界面（一）眼動控制界面的原理（二）眼動控制界面的功能與應(yīng)用1、視覺指向2、文字輸入

3、虛擬現(xiàn)實和游戲視線跟蹤技術(shù)未來的一個誘人的應(yīng)用領(lǐng)域就是虛擬現(xiàn)實和游戲第三節(jié)新型控制界面一、語音控制界面（一）語音識別系統(tǒng)（二）語音控制的功能（三）語音控制界面設(shè)計中應(yīng)注意的問題1、視覺負荷過重2、精度與自由度問題3、米達斯接觸問題4、時間延遲第三節(jié)新型控制界面一、語音控制界面（一）語音識別系統(tǒng)（二）語音控制的功能（三）語音控制界面設(shè)計中應(yīng)注意的問題1、視覺負荷過重眼動控制界面的設(shè)計中，應(yīng)適當(dāng)降低視覺閱讀任務(wù)的難度，以降低視覺負荷第三節(jié)新型控制界面一、語音控制界面（一）語音識別系統(tǒng)（二）語音控制的功能（三）語音控制界面設(shè)計中應(yīng)注意的問題1、視覺負荷

2、精度與自由度問題對精度要求較高的眼動控制系統(tǒng)，可使用固定頭部的支架，減少頭部運動帶來的干擾。對自由度要求較高的系統(tǒng)，如眼動控制的智能家電系統(tǒng)，可適當(dāng)降低系統(tǒng)的精度第三節(jié)新型控制界面一、語音控制界面（一）語音識別系統(tǒng)（二）語音控制的功能（三）語音控制界面設(shè)計中應(yīng)注意的問題1、視覺負荷2、精度與自由度

3、米達斯接觸問題米達斯接觸問題：指的是由于用戶隨意的視線運動而造成計算機對用戶意圖識別的困難基于視線跟蹤技術(shù)建立有效的用戶界面的挑戰(zhàn)之一，就是避免米達斯接觸問題第三節(jié)新型控制界面一、語音控制界面（一）語音識別系統(tǒng)（二）語音控制的功能（三）語音控制界面設(shè)計中應(yīng)注意的問題1、視覺負荷2、精度與自由度3、米達斯接觸

4、時間延遲當(dāng)前由于視線跟蹤技術(shù)還沒有完全成熟，系統(tǒng)感應(yīng)并計算視線所需要的時間，會相應(yīng)延遲“物體已被選中”的反饋時間；而且操作員必須保持凝視一小段時間，系統(tǒng)作出反應(yīng)才能降低意外激活的可能性第三節(jié)新型控制界面一、語音控制界面二、眼動控制界面三、腦機接口（一）腦機接口的原理（二）腦機接口的應(yīng)用（三）腦機接口設(shè)計中的人因素第三節(jié)新型控制界面一、語音控制界面二、眼動控制界面三、腦機接口（一）腦機接口的原理腦機接口一般包括信號采集系統(tǒng)、信號處理系統(tǒng)、信號輸出系統(tǒng)和反饋系統(tǒng)等部分第三節(jié)新型控制界面一、語音控制界面二、眼動控制界面三、腦機接口（一）腦機接口的原理（二）腦機接口的應(yīng)用1、指點輸入和書寫系統(tǒng)2、方向控制3、其他領(lǐng)域第三節(jié)新型控制界面一、語音控制界面二、眼動控制界面三、腦機接口（一）腦機接口的原理（二）腦機接口的應(yīng)用1、指點輸入和書寫系統(tǒng)沃爾帕（Wolpaw）等利用基于μ或β節(jié)律的腦機接口實現(xiàn)了對光標的二維控制法維爾（Farwell）和鄧金（Donchin）等最早將P300作為控制信號應(yīng)用于腦機接口第三節(jié)新型控制界面一、語音控制界面二、眼動控制界面三、腦機接口（一）腦機接口的原理（二）腦機接口的應(yīng)用1、指點輸入和書寫系統(tǒng)

2、方向控制通過想象左手或右手運動，可在左右大腦半球產(chǎn)生不同的同步化或去同步化，以此就可以控制光標在屏幕上的運動或選擇屏幕上方或下方的字母第三節(jié)新型控制界面一、語音控制界面二、眼動控制界面三、腦機接口（一）腦機接口的原理（二）腦機接口的應(yīng)用1、指點輸入和書寫系統(tǒng)2、方向控制

3、其他領(lǐng)域BCI系統(tǒng)也可應(yīng)用于其他領(lǐng)域，尤其是特殊環(huán)境下的作業(yè)，如無人駕駛的汽車或飛機等，同時，腦機界面也可能給電子游戲帶來一場革命第三節(jié)新型控制界面一、語音控制界面二、眼動控制界面三、腦機接口（一）腦機接口的原理（二）腦機接口的應(yīng)用（三）腦機接口設(shè)計中的人因素1、輸入信號的選擇2、腦力負荷3、訓(xùn)練第三節(jié)新型控制界面一、語音控制界面二、眼動控制界面三、腦機接口（一）腦機接口的原理（二）腦機接口的應(yīng)用（三）腦機接口設(shè)計中的人因素1、輸入信號的選擇要考慮可分辨的控制指令的個數(shù)，系統(tǒng)的實時性要求等方面第三節(jié)新型控制界面一、語音控制界面二、眼動控制界面三、腦機接口（一）腦機接口的原理（二）腦機接口的應(yīng)用（三）腦機接口設(shè)計中的人因素1、輸入信號的選擇

2、腦力負荷如果大腦也要同時接受其他感覺通道的輸入信息并進行處理，那么，BCI輸出控制時，同時進行的大腦認知活動應(yīng)降低，以保持控制的效率第三節(jié)新型控制界面一、語音控制界面二、眼動控制界面三、腦機接口（一）腦機接口的原理（二）腦機接口的應(yīng)用（三）腦機接口設(shè)計中的人因素1、輸入信號的選擇2、腦力負荷

3、訓(xùn)練目前，為使用者建立腦電波模板時要經(jīng)過很長的預(yù)實驗階段才能正確地辨認與腦電波對應(yīng)的功能第四節(jié)控制器與顯示器的綜合設(shè)計一、控制-顯示比二、控制與顯示兼容性第四節(jié)控制器與顯示器的綜合設(shè)計一、控制-顯示比控制-顯示比（controldisplayratio，簡稱C/D比）指控制與顯示的動程之比?？刂?顯示比的倒數(shù)也稱為系統(tǒng)增益（systemgain）對于單一的連續(xù)控制器，在設(shè)計時應(yīng)該選擇對于特定操作任務(wù)的最佳C/D比，過高或過低的C/D比均會降低任務(wù)績效最佳C/D比受到顯示器大小、調(diào)節(jié)誤差容限、控制運動與系統(tǒng)輸出的時滯等因素的影響第四節(jié)控制器與顯示器的綜合設(shè)計一、控制-顯示比二、控制與顯示兼容性（一）空間兼容性（二）運動兼容性第四節(jié)控制器與顯示器的綜合設(shè)計一、控制-顯示比二、控制與顯示兼容性（一）空間兼容性空間兼容性指顯示器與控制器的空間關(guān)系與人們對這種關(guān)系預(yù)測的一致性。控制器與顯示器的空間位置關(guān)系往往是一一對應(yīng)的，它們的位置關(guān)系兼容與否將影響到控制器或顯示器的使用效果第四節(jié)控制器與顯示器的綜合設(shè)計一、控制-顯示比二、控制與顯示兼容性（一）空間兼容性（二）運動兼容性1、相同平面的旋轉(zhuǎn)式控制器和旋轉(zhuǎn)式顯示器的運動兼容性2、相同平面的旋轉(zhuǎn)式控制器和長條形顯示器3、不同平面的顯示器與控制器的運動兼容性第四節(jié)控制器與顯示器的綜合設(shè)計一、控制-顯示比二、控制與顯示兼容性（一）空間兼容性（二）運動兼容性1、相同平面旋轉(zhuǎn)式控制器和旋轉(zhuǎn)式顯示器的運動兼容性一般來說，對于顯示器是圓形或扇形，控制器是旋鈕時，其運動兼容性表盤固定、指針運動和指針固定、表盤運動兩種情況第四節(jié)控制器與顯示器的綜合設(shè)計一、控制-顯示比二、控制與顯示兼容性（一）空間兼容性（二）運動兼容性1、旋轉(zhuǎn)式控制器與顯示器

2、相同平面的旋轉(zhuǎn)式控制器和長條形顯示器采用旋轉(zhuǎn)式控制器配以長條形固定標尺移動指針的顯示器運動兼容關(guān)系，存在三條原則：瓦里克原則刻度同側(cè)原則右旋增加原則第四節(jié)控制器與顯示器的綜合設(shè)計一、控制-顯示比二、控制與顯示兼容性（一）空間兼容性（二）運動兼容性1、旋轉(zhuǎn)式控制器與顯示器2、旋轉(zhuǎn)式控制器和長條形顯示器3、不同平面的顯示器與控制器的運動兼容性側(cè)相切或垂直相切時，其運動兼容性原則是：順（逆）時針旋轉(zhuǎn)與背對（朝向）人的直線移動相聯(lián)系；順時針選擇表示增加；設(shè)計一致性；控制-顯示關(guān)系的邏輯性；選擇最合適的備選方案第五節(jié)追蹤與監(jiān)控一、追蹤及追蹤環(huán)的基本要素二、影響追蹤績效的因素三、監(jiān)控第五節(jié)追蹤與監(jiān)控一、追蹤及追蹤環(huán)的基本要素（一）追蹤的概念（二）追蹤環(huán)的基本要素第五節(jié)追蹤與監(jiān)控一、追蹤及追蹤環(huán)的基本要素（一）追蹤的概念在執(zhí)行手動操作任務(wù)中，往往需要操縱目標裝置來追蹤某一動態(tài)目標，使其按照坐標標示的時空軌跡運行手工控制系統(tǒng)一般都是閉環(huán)系統(tǒng)。它需要通過反饋，即將輸出信息反饋給系統(tǒng)輸入，以穩(wěn)定或控制輸出第五節(jié)追蹤與監(jiān)控一、追蹤及追蹤環(huán)的基本要素（一）追蹤的概念（二）追蹤環(huán)的基本要素第五節(jié)追蹤與監(jiān)控一、追蹤及追蹤環(huán)的基本要素（一）追蹤的概念（二）追蹤環(huán)的基本要素追蹤環(huán)包括四個基本要素：顯示操作者控制器受控元素第五節(jié)追蹤與監(jiān)控一、追蹤及追蹤環(huán)的基本要素二、影響追蹤績效的因素（一）輸入類型（二）動力學(xué)特點（三）顯示第五節(jié)追蹤與監(jiān)控一、追蹤及追蹤環(huán)的基本要素二、影響追蹤績效的因素（一）輸入類型追蹤作業(yè)的輸入可以是常量，也可以是變量根據(jù)輸入隨時間變化的特性，輸入的基本類型可以分為：階躍輸入（stepinput）斜坡輸入（rampinput）正弦輸入（sineinput）第五節(jié)追蹤與監(jiān)控一、追蹤及追蹤環(huán)的基本要素二、影響追蹤績效的因素（一）輸入類型（二）動力學(xué)特點1、增益2、延時3、控制階第五節(jié)追蹤與監(jiān)控一、追蹤及追蹤環(huán)的基本要素二、影響追蹤績效的因素（一）輸入類型（二）動力學(xué)特點1、增益增益是描述系統(tǒng)輸出與輸入之比，即O/I，是控制—顯示比的倒數(shù)追蹤誤差和用戶的主觀評價，似乎都與系統(tǒng)增益呈U形關(guān)系第五節(jié)追蹤與監(jiān)控一、追蹤及追蹤環(huán)的基本要素二、影響追蹤績效的因素（一）輸入類型（二）動力學(xué)特點1、增益

2、延時系統(tǒng)的延時有三種類型：傳遞延時指數(shù)延遲S形延遲第五節(jié)追蹤與監(jiān)控一、追蹤及追蹤環(huán)的基本要素二、影響追蹤績效的因素（一）輸入類型（二）動力學(xué)特點1、增益2、延時

3、控制階零階系統(tǒng)：零階控制也稱為位置控制。這種控制器的位移變