人机工程学

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第五章　操作装置设计

第五章　操作装置设计大纲 手足尺寸与人体关节活动操纵器设计的人机学原则人体的施力与运动输出特性常用操纵器的设计操纵器设计中的其它因素中国地质大学安全工程系

本章重难点分析 　　本章重点在于了解掌握手足尺寸与人体关节活动；控制器的类型以及其选择标准；控制器设计中的人机因素；把握控制器的编码方法，如：形状编码、大小编码、位置编码等；要还介绍了一些典型控制器的设计以及握按钮、开关、方向盘以及操纵杆等的设计方法。　　人体的施力与运动输出特性作为高起专学生了解的内容不做要求。中国地质大学安全工程系

第一节　手足尺寸与人体关节活动 一、人体手足尺寸二、人体关节的活动中国地质大学安全工程系

1. 人体手足尺寸(a) 　　人在感知显示装置传示的信息以后，经大脑分析，作出判断，然后操纵机器的运行。在声控及其他非接触式智能控制技术充分发展以前，手足尤其是手动操纵，是主要的操纵方式。生活中的工具、设施也多由手脚使用。因此，操纵装置和器物设计中人的因素，主要是指手脚的操纵特性，包括人体手脚尺寸、肢体的施力与运动特性等。中国地质大学安全工程系

1. 人体手足尺寸(b) 　　人体手足尺寸是操纵器尺寸设计的基本依据。　　　GB／T l0000--1988给出了中国成年人的手部基本尺寸，和足部基本尺寸，参看图5-1、表5-1和图5-2、表5-2。中国地质大学安全工程系

图5－1　人体手部尺寸 图5-1 人体手部尺寸中国地质大学安全工程系

表5－1　人体手部尺寸 (单位：mm) 中国地质大学安全工程系

图5－2　人体足部尺寸 中国地质大学安全工程系

表5－2　人体足部尺寸 (单位：mm) 中国地质大学安全工程系

2　手部关节 2.1　手部关节活动范围(a) 　　手部的关节活动可分为腕关节活动和指关节活动两种类型。　　腕关节主要有两个自由度的活动：①向手心或手背方向的转动，分别称为掌侧屈、背侧屈，参看图5-3a；②向拇指或小手指方向的转动，分别称为桡侧偏、尺侧偏。中国地质大学安全工程系

图5－3　腕关节的活动范围(a) 掌侧屈和背侧屈中国地质大学安全工程系

图5－3　腕关节的活动范围(b) 桡侧偏正中尺侧偏中国地质大学安全工程系

2.1　手部关节活动范围(b) 　　与手掌相连的指关节有两个自由度的活动：手指握拳或伸开的伸屈活动；指间张开或并拢的张合活动。不与手掌相连的指关节只能作伸屈活动。中国地质大学安全工程系

2.2　人体的其他关节活动 　　人体全身还有其他很多关节，这些关节的最大活动范围和能轻松舒适调节的范围参看表5-3。表列数值适用于一般情况。年岁较高者，或衣着较厚者，关节活动范围有所减少。中国地质大学安全工程系

表5－3　人体主要关节的最大活动范围和能舒适调节的范围(a) 中国地质大学安全工程系

表5－3　人体主要关节的最大活动范围和能舒适调节的范围(b) 中国地质大学安全工程系

第二节　人体的施力与运动输出特性 一、人体的肌力及其影响因素二、反应时和运动时三、肢体的运动输出特性中国地质大学安全工程系

1. 人体的肌力及其影响因素 1 人体主要部位的肌肉力量 2.坐姿的手臂操作力 3.立姿的手臂操纵力 4.握力 5.坐姿的脚蹬力中国地质大学安全工程系

1.1　人体主要部位的肌肉力量(a) 　　人体施力均来源于人体肌肉收缩所产生的力量，称为肌力。决定肌力大小的主要生理因素是：　　①单条肌纤维的收缩力；　　②该部位肌肉中肌纤维的数量和体积；　　③肌肉收缩前的初长度；　　④中枢神经的机能状态；　　⑤肌肉对骨骼发生作用的机械条件，等等。中国地质大学安全工程系

1.1　人体主要部位的肌肉力量(b) 　　从上面所述可知，影响肌力大小的生理因素是复杂的。经测定，20—30岁中等体力的男女青年主要部位的肌力数值如表5-4所示。　　一般女性的肌力比男性低20％～30％。右利者右手肌力比左手约高l0％；左利者左手肌力比右手约高6％～7％。中国地质大学安全工程系

表5－4　身体主要部位肌肉能产生的力值 中国地质大学安全工程系

1.2 　人体主要部位的肌肉力量_操纵力 　　在工作和生活中，人们使用器械、操纵机器所使用的力称为操纵力。操纵力主要是肢体的臂力、握力、指力、腿力或脚力，有时也用到腰力、背力等躯干的力量。操纵力与施力的人体部位、施力方向和指向(转向)，施力时人的体位姿势、施力的位置以及施力时对速度、频率、耐久性、准确性的要求等多种因素有关，详尽全面的描述是很复杂的。中国地质大学安全工程系

1.3　坐姿的手臂操作力 　　对于中等体力的男子(右利者)，坐姿下手臂在不同角度、不同指向上的操纵力，可对照参看图5-4和表5-5。中国地质大学安全工程系

图5－4　坐姿手臂操纵力的测试方位和指向 中国地质大学安全工程系

表5－5　坐姿的手臂操纵力 表5-5坐姿的手臂操纵力(中等体力的男子，右利者) 中国地质大学安全工程系

1.3.1　坐姿的手臂操作力　表5-5分析 　　分析表5-5中的数据，可以看出：①在前后方向和左右方向上，都是向着身体方向的操纵力大于背离身体方向的操纵力；②在上下方向上，向下的操纵力一般大于向上的操纵力。表5-5是测试右利男子所得数据，所以右手操纵力大于左手操纵力；对于左利者，情况应该相反。中国地质大学安全工程系

1.3.2　立姿的手臂操纵力(a) 　　立姿屈臂操纵力的一项测试实验结果如图5-5所示。实验研究了立姿屈臂从手钩向肩部方向的操纵力与前臂、上臂问夹角的关系，从图中可以看出：前臂上臂间夹角约为70。时，具有最大的操纵力。像风镐、凿岩机之类需手持的较重器具，大型闸门开启装置等设施的设计时，都应注意适应人体屈臂操纵力的这种特性。中国地质大学安全工程系

1.3.2　立姿的手臂操纵力(b) 　　在图5-6a所示立姿、前臂基本水平的姿势下，男子、女子的平均瞬时向后的拉力分别可达约690N和380N；男子连续操作的向后拉力约为300N；向前的推力比向后的拉力小一些。在图4—6b所示内外方向的拉推，则向内的推力大于向外的拉力，男子平均瞬时推力可达约395N。中国地质大学安全工程系

图5－5　立姿屈臂操纵力的分布 中国地质大学安全工程系

图5－6　立姿、前臂在水平面两方向上的推力 a b a)前后方向的推拉 b)内外方向的推拉中国地质大学安全工程系

1.4　握力(a) 　　在两臂自然下垂、手掌向内(即手掌朝向大腿)执握握力器的条件下测试，一般男子优势手的握力约为自身体重的47％～58％；女子约为自身体重的40％～48％。但年轻人的瞬时最大握力常高于这个水平。非优势手的握力小于优势手。若手掌朝上测试，握力值增大一些；手掌朝下测试，握力值减小一些。中国地质大学安全工程系

1.4　握力(b) 　　人体所有的施力状态下，力量的大小都与持续的时间有关。随着施力持续时间加长，力量逐渐减小。例如某些类型的肌力持续到4min时，就会衰减到最大值的1／4左右；且肌力衰减到最大值1／2所经历的持续时间，对多数人是基本相同的。中国地质大学安全工程系

1.5　坐姿的脚蹬力(a) 　　在有靠背的座椅上，由于靠背的支撑，可以发挥较大的脚蹬操纵力。脚蹬操纵力的大小与施力点位置、施力方向有关，一项实测的结果见图5-7。中国地质大学安全工程系

图4－7　坐姿下不同侧视体位的脚蹬力 该图是坐姿下不同侧视体位脚蹬力的分布情况；中国地质大学安全工程系

1.5　坐姿的脚蹬力(b) 　　由于靠背对接近水平的施力方向能提供最有利的支撑，所以能够达到最大的脚蹬操纵力。但工作时把脚举得过高，腿部肌肉将难以长久坚持；因此实际上图5-7中粗线箭头所画、与铅垂线约成70°的方向才是最适宜的脚蹬方向。此时大腿并不完全水平，而是前端膝部略有上抬，大小腿在膝部的夹角在140°－l50°之间。从俯视的方向来看，腿的蹬踩方向偏离正前方l5°以上，脚蹬操纵力就大幅度减小，操作灵敏度也明显降低。中国地质大学安全工程系

2. 反应时和运动时 　　从汽车驾驶者发现障碍，到完成一定操作，例如转动转向盘急速转向避让，或脚踩制动器立即制动，这段时间实际上由两个时间段构成：第一个时间段是感知的时间，称为反应时；第二个时间段是动作的时间，称为运动时。人机系统中其他各种操作的时间均由这样两部分构成。中国地质大学安全工程系

2.1　反应时(a) 　　反应时指从刺激呈现，到人开始作出外部反应的时间间隔，也称为反应潜伏期。这实际是如下知觉过程所经历的全部时间：感觉器官接收外界刺激，刺激经由传人神经传至大脑神经中枢，神经中枢综合处理发出反应指令，指令经由传出神经传至肌肉，直至肌肉收缩开始反应运动。中国地质大学安全工程系

2.1　反应时_影响反应时主客体因素(b) 　　影响反应时的有人的主体因素，也有刺激的各种客体因素 1．简单反应时、辨别反应时与选择反应时 2．刺激类型与反应时 3．刺激强度与反应时 4．刺激的对比度与反应时 5．人的主体因素与反应时　　分述如下: 中国地质大学安全工程系

2.1.1　简单反应时、辨别反应时与选择反应(a) 　　如果呈现的刺激只有一个，要求接受刺激者作出的反应也是一个，且两者都是固定不变的，这种条件下的反应时称为简单反应时。中国地质大学安全工程系

2.1.1　简单反应时、辨别反应时与选择反应(b) 　　如果呈现的刺激可能多于一种，要求刺激接受者只对其中特定刺激作出反应，而对其他刺激不作反应，且即将出现哪种刺激事先并不知道，这种条件下的反应时称为辨别反应时。中国地质大学安全工程系

2.1.1　简单反应时、辨别反应时与选择反应(c) 如果可能呈现的刺激不止一种，要求接受刺激者对不同的刺激作出一一对应的不同反应，且即将出现哪种刺激事先并不知道，这种条件下的反应时称为选择反应时。中国地质大学安全工程系

2.1.1　简单反应时、辨别反应时与选择反应(d) 　　三种反应时中，简单反应时最短，辨别反应时次之，而选择反应时因为既要辨别刺激种类，又要确定相应的反应形式，所以时间最长。辨别反应时和选择反应时都随可能呈现的刺激数目增多而延长。表5-6是刺激数目对辨别反应时影响的一项测试结果。中国地质大学安全工程系

表4－6　关于辨别反应时与刺激数目相关性的一项测试结果表4－6　关于辨别反应时与刺激数目相关性的一项测试结果中国地质大学安全工程系

2.1.2　刺激类型与反应时(a) 　　反应时随刺激类型即接受刺激的感觉器官不同而不同。各种感觉器官对应的简单反应时一般范围见表5-7。中国地质大学安全工程系

表5－7　各种刺激类型(感觉器官)的简单反应时范围表5－7　各种刺激类型(感觉器官)的简单反应时范围中国地质大学安全工程系

2.1.2　刺激类型与反应时(b) 　　从表5-7可以看出，触觉、听觉和视觉反应时比较短，味觉和深部感觉反应时比较长。另外触觉反应时与接受刺激的人体部位有关，脸部、手指的反应时短，腿部脚部的反应时长。味觉反应时中，对咸、甜、酸的反应时分别约为308ms、446ms和536ms，而对苦的反应时则长得多，约为1082ms。中国地质大学安全工程系

2.1.3　刺激强度与反应时(a) 　　人的听觉能够感受到的最弱的声音称为“听阈”。其实任何一种外界刺激都要达到一定的强度才能被人感受到，这一强度下的刺激量值称为该种感觉的感觉阈值。中国地质大学安全工程系

2.1.3　刺激强度与反应时(b) 　　反应时与刺激的强度有关，一般的变化规律是：刺激很弱、刚刚达到阈值的条件下，反应时比正常值长得多；随着刺激强度加大，反应时逐渐缩短，但变化越来越小；到达一定的刺激强度以后，反应时就基本稳定不再缩短了。对比表5-8中不同强度声刺激的反应时，可以看出这一变化规律。中国地质大学安全工程系

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