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安 全 人 机 工 程 学 ︵ 第 五 章 ︶

第四节 控制器的设计 控制器是操作者用以控制机器运行状态的装 置或部件，是联系人和机的重要部件之一 生产中的许多事故是因控制器的设计未能充 分考虑人的因素所致 费茨(P.M.Fitts)和琼斯(R.E.Jones) 1947年在分析飞行驾驶中出现的460个操作失 误中，发现其中68%的错误是由于控制器设 计不当引起的。这足以说明控制器设计的重 要性2006.3

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一、控制器的类型与选择 安 全 人 机 工 程 学 ︵ 第 五 章 ︶ 1、按操纵的动力装置分，有三类： 手控装置 如按钮、开关、旋钮、曲柄、杠杆及手轮。 脚控装置 如脚踏板、脚踏钮、膝控制器等。 其它 如声控、光控。

2、按控制器的功能分，有四类： 开关控制器 用于简单的开或关，启动或停止的操纵 控制。常用的有按钮、踏板、手柄等。 转换控制装置 用于系统当中不同状态之间的转换操 纵控制。如手柄、选择开关、转换开关、操纵盘。 调整控制装置 用于调整系统中工作参数定量增加或 减少的操纵控制。如旋钮、手轮、操纵盘等。 紧急停车控制装置 用于紧急状态下启动或停止的 操纵控制。如制动闸、操纵杆、手柄。2006.3

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二、控制器设计的一般原则 1、控制器设计的一般要求 控制器设计要适应人体运动的特征，考虑 操作者的人体尺寸和体力。(表5-16、17) 控制器操纵方向应与预期的功能方向和机 器设备的被控制方向一致。 控制器要利于辨认和记忆。 尽量利用控制器的结构特点进行控制(如 弹簧等)或借助操作者体位的重力(如脚踏 开关)进行控制。 尽量设计多功能控制器，并把显示器与之 有机结合，如带指示灯按钮等。2006.3

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表5-16 常用操纵机构所允许的最大用力

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操纵结构的形式 轻型按钮 重型按钮 脚踏按钮 轻型转换开关 重型转换开关

允许的最大用力(N) 5 30 20~90 4.5 20

前后动作的杠杆左右动作的杠杆 手轮 方向盘

150130 150 150

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表5-17 平稳转动控制器的最大用力

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操作特征 用手操纵的转动机构 用手和前臂操纵的转动机构 用手和上肢操纵的转动机构 用手以最高速度旋转的机构 在精确安装时的转动工作

最大用力(N) < 10 19~38

78~98

8.8~19 19~29

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2、设计控制器时应考虑的因素 控制信息的反馈 来自人体自身反馈信息的部位：眼睛观察手 脚的位移；手、臂、肩或脚、腿、臀感受的 位移或压力信息。 来自机反馈的信息：仪表显示、音响显示、 振动变化及操纵阻力四种形式。 1)光显示。即在控制器上装有灯光显示，如图1所示。将按钮做成透明体，内设小灯，当按钮到位 时，按钮即发光。这样不仅可以表明操作控制器的 到位，还可以显示按钮的位置状态，提示操作者注 意。还可以在控制按钮以外的相应位置上用不同色 光的联动装置来表示操作控制器到位的情况。2006.3

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2)振动变化。可以反映在控制器上，也 可反映在体觉上(如机动车辆)。振动也 常常转化为噪声的形式传递给操作者。 3)音响显示。在控制器上设置到位音响装 置(如“卡嗒”声),这种音响常由控制 器定位机构中自动发出也可以装设专门的 联动音响装置。2006.3

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4)操纵阻力主要有静摩擦力、弹性 力、粘滯力、惯性力四种形式。其特 点见表5-18。 阻力大小与控制器的类型、位置、移 动的距离、操作频率、力的方向等有 关。表5-19列出了不同控制器的最小 阻力。

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表5-18 摩擦、弹性、粘滯性、惯性等 控制器的阻力特性

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类型

举 例

特性

优点

缺点

用途

摩 擦 力

闸 刀

开始时阻力大， 因阻力大可减少 开关滑动时阻 意外动作 力即下降 阻力随控制器 移动距离加长 而增大 阻力与控制器 移动速度相对 应 控制准确度高;控 制器能自动归回 空位 控制准确度高;运 动速度均匀;稳定 性好

控制准确度低

宜作连续 控制

弹力

弹 簧

控制器移到中间 位置要定位时， 需设定位装置

可作连续 控制

粘 滞 力

活 塞

造价高

宜作连续 控制

惯 性 力

摇 把

允许平滑移动;因 阻力由多级结 需较大作用力故 构的惯性产生， 减少了意外移动 一般较大 的可能

操作疲劳;移动准 确性差

可用于不 精确控制

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控制器类型手动按钮

所需最小阻力(N)2.8

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扳动开关旋转选择开关

2.83.3

表 5 - 19 不 同 控 制 器 所 要 求 的 最 小 阻 力第 10 页

旋钮摇柄 手轮 手柄 脚动按钮

0~1.79~22 22 9 5.6 (如果脚停留在控制器上) 17.8(如果脚不停留在控制器上) 44.5(如果脚停留在控制器上) 17.8(如果脚不停留在控制器

上)

脚踏板

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控制器的运动 由于控制器的主要目的是控制系统的 变化，因此，应尽量使控制器的操作 方向与系统过程的变化方向相一致， 这样可以使控制器的操作形象化，又 可使控制器的操作和系统的变化之间 产生一定的逻辑关系，有利于操作人 员记忆和辨认，提高操作效率。下图 给出几种操纵控制器与系统反应的对 应方向的关系。安全与环境工程系

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操 纵 控 制 与 系 统 反 应 的 对 应 方 向

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控制器上手或脚的使用部位的尺寸和结 构 安 全 人 机 工 程 学 ︵ 第 五 章 ︶ 手或脚操作的控制器尺寸，首先取决于控制器上 手或脚使用部位的尺寸，其次需根据操作时是否 戴手套，或作业时鞋的形式来决定放宽的尺寸。 显然对不同的控制器，由于压或握的用力方式不 同，操纵件尺寸和形状也不同。 手或脚使用的部位还决定于控制器的重量分配。 必须在保证空位时操纵者可以离开控制器自由活 动，工作位时，不会因负担控制器的重量而引起 疲劳。 如果是手用工具，又不是利用重力工作的，就应 尽量使工作的重心落在手握的部位上，以免手腕 肌肉承担较大的静力负荷而引起疲劳。2006.3

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握把部位不宜太光滑或太粗糙，若过于光滑， 操纵时不易抓稳或握住，特别是手上有油或 水的情况下更加不利，易发生失手事故，或 因长时间过大的静力负荷而使手疲劳，故一 般选用无光泽的软纹皮包层为宜。 手柄的形状应尽量使手腕保持自然状态， 使手与小臂处于一条直线上，如果使手腕向 某一方向弯曲，就会使骨骼肌产生静力疲劳。 因此设计原则是“宁肯弯曲手柄也不要使手 臂弯曲”。对手动工具也是这样，更需要使 握力充分发挥出来。影响握力的主要因素是 手柄直径，手柄直径为50mm时欧洲人握力 最 大 ， 对 亚 洲 人 而 言 手 柄 直 径 可 取 40 ~ 50mm之间。2006.3

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由于脚对动作和压力的敏感度均较低，因此 脚用按钮或踏板应有足够大的行程，以减小 误踏时产生误动作的可能。脚用按钮还应有 足够大的接触平面，以便于寻找和踩稳。脚 踏板应有增加摩擦力的网纹。 将控制器进行合理编码，使每个控制器都 有自己的特征，以便于操作者确认不误，是 减少差错的有效措施之一。控制器编码一般 有6种方式：形状、位置、

大小、操作方法、 色彩和文字符号编码。可根据需要，采用一 种或几种方式的编码组合。

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① 形状编码 图5-20给出了常用旋钮的形状编码实例。 安 全 人 机 工 程 学 ︵ 第 五 章 ︶

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连续旋转钮(控制范围超过360o)2006.3

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部分旋转钮(控制范围不超过360o)

定位指示旋钮(控制范围有固定的边界限范 围有固定的边界限制)2006.3

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下图(左)是美国空军常用的操纵杆的形 状编码。 下图(右)为海军雷达系统中常用的控制钮。

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② 大小编码 以相同形状而不同大小来区别控制器的功 能和用途，这种形式的编码应用范围较小， 通常在同一系统中只能设计大、中、小三 种规格。由于大小编码的视觉和触觉感知 度小的原因，常与其他形式编码一起使用。 ③ 位置编码 在人机操纵系统中，利用控制器相对于人 的不同位置进行编码。汽车上的离合器、 制动器和加速器的踏板，就是以位置编码 的。通常，位置编码的控制器数量不多， 并须与人的操作顺序和操作习惯相一致， 这样可以使人不用眼看，就可能正确地进 行操作。2006.3

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④ 操作方法编码 ⑤ 色彩编码 利用不同颜色来区别控制器的功能。 色彩编码一般不单独使用，常与形状 编码、大小编码等合并使用。由于色 彩只能靠视觉辨认，有时也配以不同 的色光照明，以增加视认度。同时色 彩编码的色相种类不宜过多，颜色过 多，会降低对控制器的视认度。 ⑥ 文字、符号编码2006.3

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