操纵系统的人机工程学数据ppt课件

第五章第五章 操纵装置人机学设计操纵装置人机学设计1 1 操纵作业的空间范围操纵作业的空间范围2 2 操纵作业的生物力学与操纵力操纵作业的生物力学与操纵力3 3 操纵器的人机工程学设计操纵器的人机工程学设计第五章 操纵装置人机学设计1 操纵作业的空间范围2 11 1 操纵操纵作业的空间范围作业的空间范围 操作者在立姿或坐姿作业时，移动身体的运动器官在水平面上和垂直面内，所能触及的最大功能位置，其包络面称为“作业范围”。作业者操作机器，包括控制台、设备、工具、以及所需要的活动空间的总和，称为“作业空间”。1 操纵作业的空间范围 操作者在立姿或坐姿2一、作业功能可及范围一、作业功能可及范围1 1、坐姿操作手功能可及范围、坐姿操作手功能可及范围手最大可及范围：手最大可及范围：手中指所能触及到的所有点构成的三维空间。手抓捏功能可及范围：手抓捏功能可及范围：手三指抓捏状态下，抓捏中心所能达到的三维空间。手握轴功能可及范围：手握轴功能可及范围：手握轴状态下，握轴中心所能达到的三维空间。一、作业功能可及范围1、坐姿操作手功能可及范围手最大可及范围32 2、手抓捏功能可及范围尺寸常用数据：、手抓捏功能可及范围尺寸常用数据：通常，按第通常，按第5 5百分位数男子尺寸设计百分位数男子尺寸设计:坐姿肩关节中心高（以椅面为基准）：坐姿肩关节中心高（以椅面为基准）：530mm530mm躯干线距控制台台面前缘：躯干线距控制台台面前缘：100mm 100mm臂功能最大旋转半径：臂功能最大旋转半径：r rA A=610mm=610mm前臂功能最大旋转半径前臂功能最大旋转半径:r:rUAUA=350mm=350mm坐姿手功能可及范围坐姿手功能可及范围SDPSDP肩关节中心肩关节中心 EDPEDP肘关节中心肘关节中心2、手抓捏功能可及范围尺寸常用数据：坐姿手功能可及范围SDP43、水平面内坐姿手功能可及范围、水平面内坐姿手功能可及范围SDPSDPL LSDPSDPR R：肩关节中心距：肩关节中心距 330mm 330mmEDPEDPM M:肩关节水平面内，位于正中矢状面上的肘关节中心。肩关节水平面内，位于正中矢状面上的肘关节中心。EDPEDPM M：手在控制台面上时，位于正中矢状面上的肘关节中心。手在控制台面上时，位于正中矢状面上的肘关节中心。虚线范围虚线范围肩关节水平面内手功能可及范围肩关节水平面内手功能可及范围实线范围实线范围控制台台面上手功能可及范围控制台台面上手功能可及范围3、水平面内坐姿手功能可及范围SDPLSDPR：肩关节中心54、坐姿手功能可及范围的延伸、坐姿手功能可及范围的延伸SDPRE：延伸后的右肩关节中心rAE：延伸后的最大手功能可及半径以右肩关节为例延伸后的可能长度约为150200mm4、坐姿手功能可及范围的延伸SDPRE：延伸后的右肩关节中心6二、控制台台面上坐姿手操作区的划分二、控制台台面上坐姿手操作区的划分操作区划分：操作区划分：舒适操作区有效操作区可扩展操作区二、控制台台面上坐姿手操作区的划分操作区划分：7三、立姿操作手可及范围和操作区的划分三、立姿操作手可及范围和操作区的划分立姿手操作手可及范围的影响因素：1.操作方式：指端触及、三指抓捏、手握轴2.脚垫板高度和鞋底高度：3.脚距立式屏的距离：4.人体尺寸百分位数：5.操作姿势：正立、后仰、前倾、弯腰立姿操作手功能可及范围的确定，一般以男性第5百分位数为依据。三、立姿操作手可及范围和操作区的划分立姿手操作手可及范围的影8操作区划分：操作区划分：舒适操作区舒适操作区精确操作区精确操作区有效操作区有效操作区可扩展操作区可扩展操作区设计中考虑因素：设计中考虑因素：人体结构尺寸、人的视野、肢体有效活动范围、人体结构尺寸、人的视野、肢体有效活动范围、肢体用力范围、操作速度、作业精度要求等。肢体用力范围、操作速度、作业精度要求等。操作区划分：设计中考虑因素：9四、倾斜式作业面四、倾斜式作业面10种台面的形式、高度、倾斜度设计及其评价四、倾斜式作业面10种台面的形式、高度、倾斜度设计及其评价10五、脚的作业区域五、脚的作业区域设计中考虑因素：设计中考虑因素：人体结构尺寸、脚的水平移动尺寸、脚的出力人体结构尺寸、脚的水平移动尺寸、脚的出力大小、操作速度、动作频率、操作姿势、机械大小、操作速度、动作频率、操作姿势、机械型式等。型式等。表：青年男子右脚活动的最大角度表：青年男子右脚活动的最大角度脚的作业区五、脚的作业区域设计中考虑因素：表：青年男子右脚活动的最大角112 2 操纵作业的生物力学与操纵力操纵作业的生物力学与操纵力1、人体运动与生物力学 骨骼运动的杠杆运动的杠杆运动的杠杆运动的杠杆 关节运动的枢纽运动的枢纽运动的枢纽运动的枢纽 肌肉运动的动力运动的动力运动的动力运动的动力 骨杠杆生物力学阐明了人体的由来、人体运动的产生、操纵力的形成。各种操纵力都是以骨为杠杆，骨连接（包括关节）为支点，以肌肉的收缩为动力来实现的2 操纵作业的生物力学与操纵力1、人体运动与生物力学生物122 2、操纵力、操纵力肌力操纵控制力作用力操纵控制力和作用力 统称操纵力。由等功原理：得之于力则失之于速度，反之亦然。因此，最大的力量与最由等功原理：得之于力则失之于速度，反之亦然。因此，最大的力量与最由等功原理：得之于力则失之于速度，反之亦然。因此，最大的力量与最由等功原理：得之于力则失之于速度，反之亦然。因此，最大的力量与最大的运动范围两者是相矛盾的。大的运动范围两者是相矛盾的。大的运动范围两者是相矛盾的。大的运动范围两者是相矛盾的。2、操纵力肌力操纵控制力和作用力 统称操纵力。由等功原理：得13施力的原则与规律：施力的原则与规律：a.设计设备控制器，必须考虑机体用力的限度，宜小不宜大，否则会发生操作困难，甚至发生事故。b.出力的大小，决定于人体的姿势、着力部位、力的作用方向。c.所有动作应该是有节律的，各个关节要保持协调，以减轻疲劳。d.操作时，保持关节的协同、肌群的活动平衡，使得操纵动作获得最大准确性。f.初始的施力，产生的肌力最大，随着时间延长，肌力将逐步减小。g.指、腕、肘、肩关节依次活动时，指关节力量最小，但精确性最高；肩关节力量最大，但精度最差。h.坐姿用脚施力的大小，与下肢的位置、姿势、方向有关。用脚施加压力，动作的准确性是通过裸关节而不是用足关节来控制的。i.坐姿操作时，较难向下施力。通常考虑手的操作方式。k.手的操作力的一般规律是：左手力量小于右手；拉力大于推力；向下的力略大于向上的力；向内的力略大于向外的力。l.l.关节的活动范围有一定的限度，人体处于舒适时，关节必然处在一定的舒适关节的活动范围有一定的限度，人体处于舒适时，关节必然处在一定的舒适调节范围内。调节范围内。施力的原则与规律：141 1、控制器编码、控制器编码 编码编码设计者赋予每个控制器以特征和代码，以便操作者对其设计者赋予每个控制器以特征和代码，以便操作者对其功能进行分辨，防止失误。功能进行分辨，防止失误。1）编码方式编码方式:形状编码形状编码大小（尺寸）编码大小（尺寸）编码颜色编码颜色编码位置编码位置编码表面质地编码表面质地编码标记（字符）编码标记（字符）编码操作方式编码操作方式编码用触用触觉易觉易于识于识别的别的形状形状编码编码飞机飞机操纵操纵控制控制器的器的形状形状编码编码3 3 操纵器的人机工程学设计操纵器的人机工程学设计1、控制器编码 编码设计者赋予每个控制器以152）编码方式的选择编码方式的选择编码方式选择考虑的条件：编码方式选择考虑的条件：操作者使用控制器时的任务要求操作者使用控制器时的任务要求辨认控制器的速度和准确性要求辨认控制器的速度和准确性要求该种编码在相关系统或设备上使用程度该种编码在相关系统或设备上使用程度需要编码的控制其数量需要编码的控制其数量照明条件照明条件可用的面板空间可用的面板空间所用控制器的结构特征所用控制器的结构特征2）编码方式的选择编码方式选择考虑的条件：16（1 1）指导原则）指导原则a.a.以人为本以人为本b.b.考虑人的能力、特性、技能、考虑人的能力、特性、技能、任务、心理要求任务、心理要求c.c.控制器要求针对某一功能充分控制器要求针对某一功能充分有效，易于识别，反应敏捷，有效，易于识别，反应敏捷，并与显示器、设备的运动方并与显示器、设备的运动方向一致。向一致。2 2、控制器设计的一般原则、控制器设计的一般原则（2 2）人机学因素）人机学因素a.a.控制器必须符合人手的生理结构特征控制器必须符合人手的生理结构特征b.b.控制器的设计应根据人体测量数据、生物控制器的设计应根据人体测量数据、生物力学基础、人体运动特征等进行。力学基础、人体运动特征等进行。c.c.控制器的设计必须符合人体出力特征。控制器的设计必须符合人体出力特征。d.d.分级调节用控制器的设计，从一个位置到分级调节用控制器的设计，从一个位置到另一个位置时，应具有一定的阻力特性。另一个位置时，应具有一定的阻力特性。e.e.脚控制器的设计要符合脚的生理特征。脚控制器的设计要符合脚的生理特征。f.f.控制器的设计应易于识别，相互之间具有控制器的设计应易于识别，相互之间具有明显标志，操纵与控制具有良好的显示明显标志，操纵与控制具有良好的显示运动运动相合性相合性。g.g.控制器的尺寸和安装位置的确定，要综合控制器的尺寸和安装位置的确定，要综合考虑人的出力、操作方便性、作业准确性、考虑人的出力、操作方便性、作业准确性、缓解疲劳可能性、舒适性等因素缓解疲劳可能性、舒适性等因素h.h.控制器的数量易少不宜多，控制动作简单控制器的数量易少不宜多，控制动作简单易行。易行。i.i.注意符合必要的非常规设计要求。注意符合必要的非常规设计要求。（1）指导原则2、控制器设计的一般原则（2）人机学因素17（3）设计原则）设计原则a.控制器的外形结构与尺寸控制器的外形结构与尺寸控制器大小控制器大小控制器形状控制器形状控制器的表面质地控制器的表面质地b.操纵控制器的依托支点操纵控制器的依托支点肘部肘部前臂前臂手腕手腕脚后跟脚后跟c.制作控制器的原材料制作控制器的原材料d.控制器的操纵阻力控制器的操纵阻力弹性阻力弹性阻力静摩擦力和滑动摩擦力静摩擦力和滑动摩擦力粘滞阻力粘滞阻力惯性力惯性力e.控制器的操纵反馈控制器的操纵反馈视觉显示视觉显示音响显示音响显示震动变化震动变化阻力变化阻力变化f.控制器偶发启动的防止控制器偶发启动的防止（3）设计原则d.控制器的操纵阻力18g.控制器布局的设计控制器布局的设计控制器的布置区域控制器的布置区域控制器的排列控制器的排列控制器的编组控制器的编组控制器之间的间距控制器之间的间距手动控制器布置区域手动控制器布置区域控制器之间的最小间距控制器之间的最小间距(mm)g.控制器布局的设计手动控制器布置区域控制器之间的最小间距(19h.使用控制器时常见的错误使用控制器时常见的错误辨认错误辨认错误调节错误调节错误逆转错误逆转错误置换错误置换错误不慎误触不慎误触忘却错误忘却错误无法触及无法触及h.使用控制器时常见的错误20 要求：手握舒适、施力方便，不产生滑动，同要求：手握舒适、施力方便，不产生滑动，同时还需控制它的动作。因此，手动控制器应按手的时还需控制它的动作。因此，手动控制器应按手的结构特征设计。结构特征设计。3 3、手动控制器设计及其主要参数、手动控制器设计及其主要参数 要求：手握舒适、施力方便，不产生滑动，同时还21旋旋纽纽的的形形体体设设计计旋钮的操纵力和适宜的尺寸旋钮的操纵力和适宜的尺寸(mm)旋纽的形体设计旋钮的操纵力和适宜的尺寸(mm)22按按键键的的形形体体设设计计按键的形式和尺寸按键的形式和尺寸思考：电话数字键盘与计算器数字键盘为什么不一样？思考：电话数字键盘与计算器数字键盘为什么不一样？按键的形体设计按键的形式和尺寸思考：电话数字键盘与计算器数字234 4、脚踏控制器设计及其主要参数、脚踏控制器设计及其主要参数 设计合理的脚踏装置，应考虑下述几点：设计合理的脚踏装置，应考虑下述几点：适宜的操纵力；适宜的操纵力；脚控操纵器的尺寸；脚控操纵器的尺寸；脚踏板结构形式的选择；脚踏板结构形式的选择；脚踏控制器脚踏控制器4、脚踏控制器设计及其主要参数 设计合理的脚踏装置，应考虑24下肢的活动范围下肢的活动范围下肢的活动范围25坐姿下，坐姿下，整个腿的位移量为整个腿的位移量为25180mm25180mm；阻力为阻力为45800N45800N。脚踏控制器优选尺寸脚踏控制器优选尺寸坐姿下，脚踏控制器优选尺寸265 5、控制器设计与选择一般步骤、控制器设计与选择一般步骤5、控制器设计与选择一般步骤27常见常见6 6种关节种关节关节运动的基本形式关节运动的基本形式常见常见6 6种关节的种关节的说明与举例说明与举例返回常见6种关节关节运动的基本形式常见6种关节的说明与举例返回28骨杠杆种类骨杠杆种类a.平衡杠杆：b.省力杠杆：c.速度杠杆：骨杠杆原理骨杠杆原理在人体运动链中，骨在肌肉的拉动下，绕关节运动，它的结构域杠杆类似，称为骨杠杆。阻力矩POD拉力矩FOC杠杆效率OC/OD返回骨杠杆种类a.平衡杠杆：骨杠杆原理在人体运动链中，骨在肌肉的29返回返回30操纵操纵显示相合性显示相合性 a a、操纵显示比、操纵显示比 操纵显示比是操纵器和显示器操纵显示比是操纵器和显示器移动量之比，即移动量之比，即C/D;C/D;b b、操纵与显示相合性原则、操纵与显示相合性原则 相合性设计应遵循的原则相合性设计应遵循的原则c c、操纵显示的编码和编排相合性、操纵显示的编码和编排相合性 重要的原则是操纵显示的编码重要的原则是操纵显示的编码应尽可能一致应尽可能一致返回返回操纵显示相合性返回31