湖南科技大學工業工程系吳海第七章支配控制器設計1本章內容控制器及其分類1控制器選擇與設計的普通原那么2控制器的編碼方式3控制器的操作方向和用力4最正確的控制顯示比576控制器和顯示器布置原那么控制器的選用與設計湖南科技大學工業工程系2一、控制器及其分類1．定義：人用以將信息傳送給機器，使之執行控制功能，實現調整、改動機器運轉形狀的安裝，以及人經過本身覺得從控制器接納到完成操作所需求的某些反響信息。是人機系統中的一種人機界面。2．合理設計控制器的目的：提高人機系統的任務效率；提高操作者操作的準確性、速度、平安性；減少操作者緊張和疲勞。3．控制器設計要思索的要素：操作者的生理、心思、人體解剖和人膂力學等特性。湖南科技大學工業工程系44．控制器的分類〔1〕按支配的身體部位：手動控制器、腳動控制器和聲音控制器等；〔2〕按控制器的運動方式：旋轉控制器、擺動控制器、按壓控制器、滑動控制器和牽拉控制器，如下圖。〔3〕按功能：開關類、轉換類、調理類、緊急開關類；〔4〕按調理特征：離散型和延續型。湖南科技大學工業工程系5基本類型動作類別舉例說明旋轉控制器旋轉曲柄、手輪、旋鈕、鑰匙等控制器可以做360°以下旋轉。近似平移控制器擺動開關桿、調節桿、撥動式開關、腳踏板等控制器受力后，圍繞旋轉點或軸擺動，或者傾倒到一個或數個其他位置，通過反向調節可返回起始位置。平移控制器按壓按鈕、按鍵、鍵盤等控制器受力后，在一個方向上運動。在施加的力被解除之前，停留在被壓的位置上。通過反彈力可回到起始位置。滑動手閘、指撥滑塊等控制器受力后，在一個方向上運動，并停留在運動后的位置上，只有在相同方向上繼續向前推或者改變方向，才可使控制器做返回運動。牽拉拉環、拉手、拉鈕控制器受力后，在一個方向上運動。回彈力可使其返回起始位置，或者用手使其在相反方向上運動。按運動方式的控制器的分類湖南科技大學工業工程系6湖南科技大學工業工程系7各類控制器的外形湖南科技大學工業工程系8特征控制器種類離散調節連續調節旋轉選擇開關拇指輪手按扭腳按鈕肘節開關連續旋鈕拇指輪手輪曲柄踏板手柄能形成大力－－－－－否否是是是是將控制器置位需要時間中至快－非常快快非常快－－－－－－推薦的控制位置（置位）數目3-243-24222-3－－－－－控制器的位置和操作的空間要求中小小大小小至中小大中至大大中至大偶發啟動的可能性低低中高中中高高中中高控制運動的理想限度270°－0.3×3.8cm1.3×10.2cm120°無限180°±60°無限小±45°編碼的有效性好差中至好差中好差中中差好常用控制器的特征比較湖南科技大學工業工程系9二、控制器選用與設計的普通原那么1．運用控制器時常發生的主要錯誤：①區分錯誤。對不同的控制器分辨不清而發生操作失誤；②調理錯誤。把開關等活動部分挪動到錯誤的位置，或忘記檢查、未加固定，觸動了處于正確位置的控制器〔偶發啟動〕；③逆轉錯誤。把控制器挪動到與要求相反的方向上去;④無認識引發。沒加小心或或不留意呵斥的操作；⑤難以觸及。控制器位置不合理，操作時需求大幅度改動身體姿態，影響控制速度和準確性。在設計與選擇控制器時，不僅要思索其本身的功能、轉速、能耗、耐久性及外觀等，還必需思索與操作者有關的人的要素方面的一些根本原那么。湖南科技大學工業工程系102．控制器選用與設計時所要思索的普通原那么①控制器要利于操作，盡量減少或防止不用要的操作動作，保證系統任務效率。②控制器的運動方向應與預期的功能方向相一致。③控制器支配部分的大小、外形及指向，必需便于把握和挪動，外形應符合人手等部位的解剖學特征。④控制器的挪動范圍，要根據操作者的身體部位、活動范圍和人體尺寸來確定。湖南科技大學工業工程系112．控制器選用與設計時所要思索的普通原那么⑤控制器的阻力、慣性和轉矩要適當，應在人的膂力適宜范圍內，要能防止無認識的操作而引起的危險,并確保平安。⑥在控制器較多的情況下，要根據系統的運轉程序、作用的順序來配置，以保證平安、準確和迅速地進展操作。⑦控制器的材質應符合衛生學要求，使觸摸時平安和溫馨。⑧利用編碼提高對控制器的區分效率，防止發生混同，減少操作失誤。普通采用外形、位置、大小、操作方法、顏色和標志等方式進展控制器編碼。湖南科技大學工業工程系13三、控制器的編碼(P341)在具有多個控制器的系統中，為了提高操作者區分控制器的效果，對控制器進展的合理編排稱之為編碼。編碼方式主要有：外形、位置、大小、操作方法、顏色和標志等。每一種編碼方式都有優點和弊端，往往把它們組合起來運用，以彌補各自的缺乏之處。控制器的編碼1．形狀編碼2．位置編碼3．大小編碼4．操作方法編碼5．顏色編碼6．標記編碼湖南科技大學工業工程系141．外形編碼定義：將不同功能的控制器，設計成不同的外形及表紋，便于操作者識別，不易發生混淆。它是一種容易被視覺和觸覺辨識的編碼方式。留意：控制器的外形與它的功能有邏輯上的聯絡，以便于籠統記憶；控制器的外形應能在不用視覺或必需戴手套的情況下，憑觸覺也可分辨清楚。表紋編碼主要依賴于觸覺反響識別。圖中可以看出控制器外形與其功能聯絡嚴密、如起落架控制器外形如著陸的輪子，副翼開關那么像飛機翅膀。外形獨特，易于識別，可以減少誤操作。湖南科技大學工業工程系15飛機控制器外形編碼例如湖南科技大學工業工程系16a)b)c)d)前往湖南科技大學工業工程系17abc湖南科技大學工業工程系182．位置編碼定義：經過安排不同位置來識別控制器的一種方式。本卷須知：控制器可按視覺定位、盲視定位〔指操作者即使不直接凝視控制器也能正確操作〕，控制器之間需有更大的間距。控制器位置分布，可按其功能組合陳列；同一種控制器放在一樣位置上，各區之間用位置、外形、顏色、標志等加以區分；盡能夠使控制器與顯示器具有相對應的位置；重要的控制器放在人肢體最正確活動范圍內。湖南科技大學工業工程系193．大小編碼定義：經過控制器的尺寸大小不同來識別控制器的一種方式。作用：這種編碼可以為視覺和觸覺提供信息。缺陷：人僅憑觸覺識別大小的才干很低。如對圓形旋鈕，假設作相對識別，大旋鈕的直徑至少比小旋鈕大20%。假設作絕對識別，普通只用2至3種大小不同的控制器。因此，大小編碼往往與外形編碼等組合運用。大小編碼可用于指示控制器的相對重要性。湖南科技大學工業工程系2021湖南科技大學工業工程系4．顏色編碼定義：利用顏色不同來識別控制器的一種方式。顏色編碼特別有利于視覺搜索作業。但人對顏色的識別才干有限，普通不過10余種，顏色過多容易混淆，不利于識別。常用的顏色有紅、橙、黃、綠、藍等。顏色編碼普通不單獨運用，往往與外形、位置、大小編碼組合運用。同時應思索與照明條件相匹配；顏色、明度與彩度三者的關系；還要遵守顏色規范。22湖南科技大學工業工程系5．標志編碼定義：是經過標注圖形符號或文字來識別控制器的一種方式。在控制器的上面或旁邊，用符號或文字標明其功能，有助于提高識別效率。留意：①假設標注圖形符號，應采用常規通用的標志符號，簡明易辨；②假設標注文字，應通俗易懂，簡單明了，盡量防止用難懂的專業術語。③運用標志編碼，需求一定的空間位置和良好的照明條件，標志必需明晰可辨。湖南科技大學工業工程系23湖南科技大學工業工程系246．操作方法編碼定義：經過來自不同操作方法產生的運動覺差別來識別控制器的一種方式。這種編碼很少單獨運用，作為與其他編碼組合運用時的一種備用方式，以證明控制器最初的選擇能否正確。它不能用于時間緊迫或準確度高的控制場所。為了有效地運用這種編碼，需求使每個控制器的動作方向、挪動量和阻力等有明顯區別。湖南科技大學工業工程系25(二)控制器的外形構造手支配控制器的六種方式如圖14-16；對于手動控制器，其外形設計應思索手的生理特點，如圖14-17所示。27湖南科技大學工業工程系(三)控制器的阻力操作反響操作者在支配控制器的過程中，從控制器和本身獲得的信息，協助操作者斷定本身或身體一部分的空間位置、姿態及操作的情況。在手動控制中，操作者可以從眼睛、肩、手臂、手腕以及手指的活動過程得到反響，告知操作者動作的間隔、位置等。反響來源：第一是控制器的操作阻力；第二是肌肉的運動覺反響。控制器都有不同的內設阻力，操作時需求經常對其施力。操作者根據阻力的性質和大小，控制覺得的變化，可以保證操作的正確位置和平穩性；改動控制操作的準確度和速度；改動控制器對不測情況的敏感性等。28湖南科技大學工業工程系阻力類型特性使用舉例摩擦力運動開始時阻力最大，此后顯著降低，可用以減少控制器的偶發啟動。但控制準確度低，不能提供控制反饋信息。開關、閘刀等彈性阻力阻力與控制器位移距離成正比，可作為有用的反饋源。控制準確度高，放手時，控制器可自動返回零位，特別適用于瞬時觸發或緊急停車等操作，可用以減少控制器的偶發啟動。鍵盤、剎車等粘滯阻力阻力與控制運動的速度成正比。控制準確度高、運動速度均勻，能幫助穩定的控制，防止控制器的偶發啟動。活塞等慣性阻力與控制運動的加速度成正比例，能幫助穩定的控制，防止控制器的偶發啟動。但慣性可阻止控制運動的速度和方向的快速變化，易引起控制器調節過度，也易引起操作者疲勞。調節旋鈕等(三)控制器的阻力29湖南科技大學工業工程系〔三〕控制器的阻力控制器類型最小阻力/N手動按鈕2.8腳動按鈕5.6（腳停留在控制器上）17.8（腳不停留在控制器上）扳動開關2.8旋轉選擇開關3.3旋鈕0～1.7曲柄9～22手輪

22手柄9腳踏板17.8（腳不停留在控制在控制器上）44.5（腳停留在控制器上）(四)控制器的偶發啟動防備措施：1〕將控制器安裝在墮入控制板的凹槽內；2〕在控制器上加維護罩；3〕將控制器安裝在不易被碰撞的位置；4〕使控制器的運動方向向著最不能夠發生不測用力的方向；5〕操作者必需延續做兩種操作運動，才干使控制器被啟動，而后一種操作運動與前一種操作運動的方向不同，以此將控制器鎖定在位置上；6〕一組控制器必需按正確的順序操作時才干被啟動，使控制器彼此之間具有連鎖作用。如配電柜上的油開關和刀閘開關的操作順序連鎖；7〕適當增大控制器的操作阻力。四、控制器的操作方向和用力1．控制器與指針挪動的組合關系控制器操作與相關顯示器的指針挪動方向之間存在的固定關系。控制器轉動與指針挪動方向的關系如下圖。對8種組合，經過測定被試者平均讀取誤差進展評價，其中(b)誤差最小，其次按(a)，(f)，(e)，(d)，(g)，(c)和(h)的次序增大。湖南科技大學工業工程系31湖南科技大學工業工程系32湖南科技大學工業工程系33湖南科技大學工業工程系342．手輪的操作方向與功能減少或向左旋轉添加或向右旋轉湖南科技大學工業工程系35普通控制器動作方向與功能功能控制器動作方向開關向右向左向上、升向下、降增加減小前進后退開車剎車向上、向右、向前、右轉、拉出向下、向左、向后、左轉、按進向右、右轉向左、左轉向上向下向前、向上、向右、右轉向后、向下、向左、左轉向上、向右向下、向左向上、向右、向前、右轉向下、向左、向后、左轉湖南科技大學工業工程系36五、控制量與顯示量的比率控制/顯示比(C/D)：指控制器的挪動間隔與顯示器的運動部分動程的比率。控制器較大的挪動引起顯示元素較小的挪動稱為高C/D比，如5/1，表示控制器靈敏度較低。反之，那么表示靈敏度較高。控制/反響比(C/R)：指在沒有顯示器安裝的系統中，控制器挪動間隔與系統輸出量的比率。例如：方向盤的轉動與車身轉彎程度，自行車龍頭。經過延續調理控制，把顯示元素挪動到目的位置，包括兩個操作過程。①〔粗調〕大幅度地挪動控制器，將顯示元素移到目的位置附近；②〔精調〕仔細調理控制器，讓顯示元素對準目的位置。最正確的C/D比：使顯示元素移到目的位置所需求的操作時間最短，也就是粗調與精調的時間之和為最少。湖南科技大學工業工程系37前往湖南科技大學工業工程系38C/D比與操作時間總時間=粗調時間+精調時間時間高低C/D比精調時間粗調時間最正確C/D總時間湖南科技大學工業工程系39影響最正確C/D比選擇的要素。如顯示器的大小，控制器的類型、觀測間隔以及允許誤差范圍等。普通應根據設備的特性和要求，經過實驗確定最正確的C/D比。國際研討結果闡明：旋鈕的最正確控制/顯示比與旋鈕的直徑無關，普通是0.2-0.8，支配桿或手柄的最正確C/D：2.5-4.0。湖南科技大學工業工程系40-換4K顯示器需求換鼠標嗎？4K分辨率下鼠標DPI怎樣調理？科普：鼠標DPI和屏幕分辨率的關系DPI，鼠標在桌面上每挪動1英寸〔2.54厘米〕，鼠標指針在屏幕上挪動像素點個數。如：800DPI的鼠標挪動一英寸，在屏幕上就挪動了800個像素點。假設顯示器分辨率較高，而果鼠標DPI較低，那么用戶需求挪動較長的間隔才干完成鼠標指針的定位，用戶會覺得鼠標挪動起來很費力。同時鼠標的DPI不是越大越好，假設DPI過高，略微一挪動鼠標，指針就會挪動大段間隔，覺得鼠標指針很“飄〞，很難定位精準定位。案例普通分辨率：6*768顯示器：1920*10804k顯示器：3840×2160湖南科技大學工業工程系41-換4K顯示器需求換鼠標嗎？4K分辨率下鼠標DPI怎樣調理？1920×1080的顯示器上，假設鼠標的DPI為1000，那么用戶將鼠標從最左端移到最右端需求1920÷1000×2.54〔用顯示器橫向顯示點數除以鼠標的DPI，所得值單位為英寸，由于1英寸＝2.54厘米，再乘以2.54即為鼠標要挪動的厘米數〕≈4.87厘米。假設屏幕分辨率猛增至3840×2160，那么用同樣的鼠標完成同樣的操作，只需求挪動約9.75厘米，操作間隔長了一倍，使得操作體驗也會有明顯的變化。案例普通分辨率：6*768顯示器：1920*10804k顯示器：3840×2160湖南科技大學工業工程系42六、控制器的選用與設計1．手動控制器控制器的支配大多都是由手來完成的。手動控制器的設計應符合手的人體丈量學、生物力學和生理學等方面的特性。選用和設計手動控制器可援用：國家規范GB/T14775—93，即<支配器普通人類工效學要求>。湖南科技大學工業工程系43手控支配器的設計湖南科技大學工業工程系44湖南科技大學工業工程系45適宜的支配力范圍操縱器允許最大用力，N操縱器允許最大用力，N輕型按鈕重型按鈕輕型轉換開關重型轉換開關5304.520前后向杠桿左右向杠桿手輪方向盤150130150150轉動部位與特征最大用力,N轉動部位與特征最大用力,N用手轉動用手和前臂轉動用手和全臂轉動1023~4080~100用手最快轉動精確安裝時的轉動9~2323~25平穩旋轉支配的最大用力手控支配器的最大用力湖南科技大學工業工程系46名稱尺寸,cm位移,cm阻力,N按鈕開關指尖操作:Dmin=1.25拇指按壓:Dmin=1.8x=0.3~1.252.85~11.35定位旋鈕D=3.5~7.5h=2~5視覺定位:θ≥15°盲目定位:θ≥30°12~18支配器的適宜尺寸舉例湖南科技大學工業工程系47支配器的適宜尺寸湖南科技大學工業工程系48(1)旋鈕一種圓柱形控制器，用拇指和食指進展操作，使其轉動到一定位置，可作精調、延續調理或旋轉選擇開關。設計要求：直徑普通以5cm為宜，太小不易捏緊和旋轉，過大又浪費時間。假設在一個同心軸上安裝三種組合旋鈕，中間旋鈕直徑為5cm，那么前一個直徑應小于2.5cm，后一個直徑應在8cm左右。中間和前面的旋鈕厚度最好不小1.9cm，而后部的那么應不小于0.6cm。轉軸要有足夠大的摩擦力以防止無意觸動。湖南科技大學工業工程系49湖南科技大學工業工程系50湖南科技大學工業工程系51(2)按鈕在一個方向操作的控制器。按鈕有三種類型：閉鎖式(按一開，斷一開)；瞬時式(按一開，斷一關)；間歇式(按一開，按一關)。按鈕尺寸的大小，主要限制要素是手指的大小，普通食指按鈕直徑為10一20mm；拇指按鈕為30mm；手掌按鈕為50mm。按鈕的阻力不能太小，以防止無意觸動；但也不能太大，防止延續運用會產生疲勞。普通食指按鈕阻力不小于2.85N；手掌按鈕那么不大于50N。(3)開關開關普通有兩種：旋轉開關和扳動開關。旋轉開關可有多種分擋，運用擋次可設置3—24種。湖南科技大學工業工程系52a)b)c)d)e)f)湖南科技大學工業工程系53(4)支配桿一種用較大的力支配的控制器。其運動多為前后或左右推拉。適用于在較小范圍內快速準確調理。支配桿的長度根據設定的位移量和支配力決議。支配角度在30°~60°之間，不宜超越90°。支配桿在任何方向上都應有一定的阻力。支配桿的支點應在手腕處，這樣可使操作時手腕得到休憩。對于需求用力較大的支配桿，為便于施力，手把的位置，對于立姿作業應與肩同高；對于坐姿作業應與肘同高，并應在操作者的臀部和腳部設置支撐，如下圖。湖南科技大學工業工程系54湖南科技大學工業工程系552、腳控支配安裝的設計〔1〕運用場所需求較大支配力，如F≥50~150N；需求延續操作又不便用手；手的操作負荷太大，如汽車油門、制動控制等；普通用在坐姿且有靠背時。湖南科技大學工業工程系56〔2〕適宜的支配力為防無意踩動，至少45N阻力〔3〕構造方式及尺寸設計長、寬、行程；布置位置效率：187178176140