TITLE: 人類工效學-第八章 控制器 AUTHOR: QUENCY DATE: 07/09/2013 09:46:13 PM CATEGORY: 人因工程設計 STATUS: publish ---- BODY:
http://www.psy51.com/Article/gsxl/gyxl/200803/882_10.html
http://www.psy51.com/Article/gsxl/gyxl/200803/882_11.html
http://www.psy51.com/Article/gsxl/gyxl/200803/882_12.html
第八章 控制器
第一節 控制器的概念
控制器是操作者(人)用來操作機器的裝置, 是人將資訊傳遞給機器的一種工具. 控制器組成了人-機交往的第二個介面. 控制器與顯示器一道, 構成了一個完整的人--機系統的資訊迴圈.
由於人們輸出資訊的部位的不同, 以及控制器在功能上的差別, 所以控制器的種類是多種多樣的. 在現代化生產中, 一個操作者往往操作多至十幾個, 幾十個, 甚至於上百個控制器. 控制器的設計是否合理, 直接關係到人機系統的工作效率. 合理的控制器, 可以使操作者準確, 迅速, 安全地進行操作, 並且減少緊張和疲勞. 不少控制操作差錯所引起的事故與控制器本身設計不合理有關. 設計及製造機器設備時, 不僅要考慮它的運轉速度, 生產能力, 能耗, 耐用性以及外觀等問題,還應考慮與使用機器的人有關的操作動作, 能力, 習慣等生理, 心理限度, 使控制器的設計更為合理.
需要指出的是控制器有狹義和廣義兩個概念. 狹義的控制器, 也就是傳統的控制器是指人控制機器和機械的裝置, 如各種按鈕, 操縱杆, 腳踏板等. 而廣義的控制器則是任何把人發出的資訊傳遞給系統的媒介, 如鋼筆, 筷子等廣義地講也屬於控制器的範疇. 在本章中我們主要涉及的是狹義的控制器, 但其中的許多原理對廣義的控制器也是適用的.
第二節 控制器的種類
控制器的種類很多, 我們可以把控制器分為四大類.
第一類控制器為手動控制器, 這是最常見的一類控制器. 手動控制器, 顧名思義, 是由操作者用手控制的設置. 常見的手動控制器有各種旋鈕, 按鍵, 手柄, 轉輪等等.
第二類控制器為腳動控制器, 即操作者用腳控制的裝置. 腳動控制器主要有兩種, 一種是腳踏板, 一種是腳踏鈕.
第三類控制器為鍵盤式裝置. 在人--電腦系統中, 人機交往之間的控制器主要是鍵盤. 嚴格地講, 鍵盤也屬於手動控制器. 但由於隨著電腦的普及, 鍵盤成為一種使用越來越廣的輸入工具, 所以我們把它列為專門的一類.
第四類控制器是平面控制. 所謂平面控制就是控制器本身是一塊平面, 當平面受到一定的壓力之後, 平面下的電路就被接通, 控制器所對應的命令就傳給了機器. 許多現代化的家用電器和一些電子設備就是採取這樣的控制方式. 可以預料,隨著電子技術的進步, 這樣的控制器將會越來越多.
第三節 控制器可能引起的錯誤
人們操作控制器時, 出現差錯的現象是不少的. 據有關統計, 在操作機械生產過程中, 由於操作失誤所引起的事故, 幾乎與機器或生產系統本身的故障所引起的事故占同樣高的比例. 按行業來分, 由於人的錯誤判斷, 錯誤操作所引起的事故率, 在洫運輸事故中占90%, 在噴氣式飛機事故中占50-60%, 在化學工業事故中占30%左右, 在煉油工業事故中占12%左右. 據國外一個統計數字表明, 58--78的事故是由於對人機系統中"人的因素估計不足所造成的. 1977年7 月, 在美國紐約, 由於配電人員的誤操作, 發生了連續兩天中斷供電的事故, 造成了很大的損失.
許多事實說明, 不少差錯是由於設計控制裝置時沒有充分考慮人的因素所造成的. 操作人員到底可能出現哪些操作上的差錯呢? 概括起來主要有:
1. 置換差錯. 當不同功能的控制器安裝在一起, 但其相互關係又不容易辨別時, 常常引起操作者本來應操作A控制器而結果造成操作B控制器的錯誤. 其主一原因是控制器位置安設不適當或缺乏使操作人員憑觸覺(或其他感覺)就能確認的標記符號. 如有的擋風玻璃上的雨刷和前燈是靠扭動旋鈕來操作的, 而這兩個旋鈕開關完全一樣, 又並排安裝在駕駛杆的左側, 儘管旋鈕上有標記, 但如不注意, 駕駛員也可能鈕錯.
2. 調節錯誤. 調節控制開關時, 調錯開關位置, 以致機器運行太快或太慢, 這就是調節錯誤. 比如, 使用自動走刀的機床進行切削加工時, 進刀深度小(淺刀), 速度要大, 進刀深度大(深刀), 速度要小. 若在深刀加工時, 錯誤地把操作手柄放在調整位置, 則會把刀具甚至機床損壞. 若在淺刀加工時, 把速度搞慢了, 則不能得到如期的效果.
3. 逆轉錯誤. 操作控制器時, 操作的方向與實際需要的方向相反, 這就是逆轉錯誤. 造成這類錯誤的原因是控制器的轉動方向不合人的操作習慣, 控制器的轉向與指示器或系統的運轉的方向缺乏邏輯上的聯繫; 控制器本身缺乏醒目的導轉標誌等.
4. 無意的操作錯誤. 在使用控制器時忘記重定或固定, 以及操作時間不准確, 操作不小心等, 均能造成無意的錯誤. 引起錯誤的原因可能是: 控制器本身缺乏重定裝置或某種報警信號系統. 旋鈕阻力不夠, 手感不強, 操作時無法感覺出操縱量的大小, 從而容易產生碰移或凝滯. 控制器的配置或操縱力, 超過了人的操作能力, 使人無法觸及或操作困難等.
第四節 控制器的編碼
在工業, 農業, 交通運輸業中許多大機器都有主控台, 主控台上有許多相似的控制器. 這裡要考慮的一個重要問題是在沒有眼睛觀察的情況下, 能夠使用正確的控制器. 根據mcfarland的調查, 在第二次世界大戰中, 在22個月的時間裡, 美國空軍因為飛行員按錯了控制器而損失了400架飛機.
減少操作錯誤的一個方法, 就是把控制器進行編碼, 使每個控制器都有自己的特徵或代號, 以便操作者確認而不混淆. 在使用許多控制器的複雜操作場合, 編碼尤其重要. 編碼的方法一般是利用形狀, 大小, 位置, 顏色或標號等進行編碼的.
1. 形狀編碼. 對各種不同用途的控制器設計成多種多樣的形狀, 以形狀進行區分(編碼). 實踐證明, 這是一種容易為人的視覺和觸覺辨認的, 效果較好的方法. 形狀編碼一般要注意兩點: 一是各種形狀要儘量反映其功能要求, 使人能看出此種形狀的控制器做什麼用和在什麼地方用; 二是要考慮操作人員戴上手套也同樣能分辨和方便操作.
圖8-1為常用旋鈕控制器編碼, 共分三類: 多倍旋轉旋鈕(控制範圍超過360度); 定位指示旋鈕(即旋鈕的控制, 受臨界位置的控制, 如有的電視頻道選擇器, 每次定位都發出"哢嚓"一聲); 部分旋轉旋鈕(控制範圍不超過360度). 據實驗, 這些旋鈕僅憑觸覺就可辨別, 而很少被弄混.
2. 大小編碼. 據實驗, 小號的圓形旋鈕, 當其大小為大號的六分之五時, 彼此之間可以被人們識別. 但大小編碼沒有形狀編碼有效, 因為若想僅借觸覺就能正確地辨認出不同尺寸的旋鈕, 則它們之間的尺寸必須相差較大, 但常用旋鈕的尺寸都比較小, 所以採用大小編碼是因難的. 因此, 在需要操作人員立即判斷的場合,僅僅只能使用大, 中, 小三種尺寸的旋鈕, 且大旋鈕的尺寸要比小的大百分之二十以上, 才有準確操作的把握. 其他按鈕, 扳動開關等小型控制器的大小編碼都有類似情況, 所以大小編碼形式的使用是有限的.
3. 位置編碼. 控制器安裝位置也常能起編碼作用. 例如, 汽車上的離合器, 制動器和加速器的踏板, 就是以位置編碼的. 當不用眼睛而僅用手摸開關進行操作時, 對垂直排列佈置的操作的準確性優於水準排列佈置的. 實驗結果表明, 當控制器垂直排列佈置時, 控制器間距以12釐米左右為好, 當水準排列佈置時, 其間距就需要更大一些才好.
4. 顏色編碼. 控制器的顏色編碼, 一般不能單獨使用, 要與形狀或大小等編碼合併使用. 顏色只能靠視覺辨認, 並且只有在比較好的照明條件下, 才不致被歪曲, 所以使用範圍也就受到限制. 人眼雖然能辨別很多的顏色, 但用於控制器的顏色, 一般只是紅, 橙, 黃, 藍, 綠等五種. 色樣多了, 容易混淆, 不利於眼睛辨認.
5. 標號編碼. 在控制器上或其側傍, 用文字或某種符號標明其功能, 這也是較為有效的一種編碼方法. 但它需要一定的空間和較好的照明條件, 並要求標號簡明易辨.
6. 安置. 例如, 按操作的順序, 或按水準方向或 直方向運動.只有少量的控制器可以通過這種方法進行鑒別.
7. 結構和材料. 除了形狀和尺寸,旋鈕還可以通過不同的表面(光滑的, 起皺的等等)來區別. 如果在操作時看不到控制器, 比如在黑暗中, 或注意力集中在其他地方, 這些特性是很有説明的.
第五節 控制器的設計原則
一. 習慣問題
當我們在駕駛一個陌生的汽車時, 當我們按順時針方向轉動方向盤時, 我們希望看到車輪向右轉. 沒有人希望自己在做向左轉時, 車輪實際向右邊轉. 同樣的, 當我們把一個控制器的手柄等向左移動時, 我們希望顯示器的指標也向左移動. 人們的這種期望取決於人的習慣反應. 經驗在人的大腦裡形成一定的模式, 如我們在第五章關於人學習寫字時已經討論過的. 習慣反應是指人對一定的條件所做的潛意識或自動的反應.
這裡需要指出的是習慣反應是受文化背景的影響的. 這就是為什麼有些儀器的安置必須要考慮所在國的習慣. 這其中的一個例子是電燈開關. 開和關在各個國家是一樣的, 但在上是開還是在下是開在一些國家與另一些國家是不一樣的.
而且習慣的強度也有不同, 也是因人而異的. 例如對右手為正手設計的儀器對左撇子可能就不方便. 最後, 這裡還有一個非常重要的例外: 按順時針轉在所有的情況下都表示增加, 但是對水和氣體的控制閥門按順時針轉時卻是關閉. 當一個人既控制水或氣體, 又控制電的時候就會帶來問題. 在這種情況下, 就應當考慮採取一些減少事故的措施, 提高人在控制時的警覺性.
下面我們討論一下對世界各地都適用的關於工業儀器設計的有效的原則. 其中一個重要的原則是控制器與它所控制的儀器的運動方向應符合人們的日常習慣. 這些習慣可規納如下:
1. 當控制器向右方移動時, 圓形的或水準的顯示器的指標也應向左移動. 在
直方向顯示器, 指標應向上移動.
2. 當控制器向上或向前運動時, 指標應向上或向右運動.
3. 右手轉或順時針轉意味著增加, 所以顯示器也應該顯示增加.
4. Hoyos推薦對於圓盤移動式顯示器, 當控制器向右移動時, 刻度應向右移動, 但是刻度從左至右應是增加的, 這樣向右轉可以使讀數增大.
5. 當控制器向上, 向前, 或向右移動時, 顯示器的讀數應增大, 或開關應當在'開'的位置, 為了使讀數減少, 或關掉開關, 控制器的手柄應向內, 或向左, 或向下移動, 如圖8-2所示.
二. 控制比問題
為了把顯示器的狀態固定在某一位置, 操作人員首先用控制器把顯示指標迅速地調到要達到的狀態附近, 然後再用控制器慢慢地做準確的調整. 在這一調整階段, 控制器的手柄或旋鈕移動的距離和顯示器指標的移動距離之間的關係具有十分重要的意義.
對於比較粗略的調整, 指標的移動快于控制器的移動更好, 但是對於比較精細的控制, 控制器的手柄的移動比顯示器指標的移動快些更好. 由於在不同的情況下這個最佳的比值是不同的, 所以我們很難給出一個任何情況下都適用的定量的公式. 這裡我們只引用一下Shackel的推薦值, 他認為當控制器是一個作圓形運動的旋鈕, 顯示器是沿水準方向運動的指標時, 旋鈕走一圈指標走50-100毫米比較合適, 這裡允許的讀數誤差是0.2到0.4毫米. 如果讀數的誤差較高, 在0.4-2.5毫米之間, 那麼控制器每走一圈可對應顯示器的指標走0.4-2.5毫米.
三. 控制器與顯示器的一致性問題
在設計大的主控台時, 也會遇到習慣反應問題. 一個合理的控制器和顯示器的設置會使日常的監視工作變得容易得多, 也可以減少由於混淆而造成的讀數的錯誤.
在設計主控台時應該考慮以下五條原則:
1. 顯示器應與它相應的控制器盡可能地靠近. 控制器應該或者在顯示器的下方, 或者在顯示器的右方.
2. 如果控制器安置在主控台, 而顯示器在顯示台, 那麼主控台與顯示台的設計應對應起來.
3. 控制器的標籤應在控制器的上方, 對應的顯示器的上方也應當也相同的標籤.
4. 如果要連續操作一系列控制器, 那麼對應的顯示器在主控台的安置也應該這樣, 從左至右.
5. 另一方面, 如果主控台上的操作不是按順序進行的, 那麼對控制器和顯示器應按功能分類, 這樣也可以使主控台顯得有次序些. 可以用顏色, 標籤, 不同尺寸或形狀的旋鈕, 或用行和列來對控制器進行分組. 最常用的控制器和顯示器應該在操作人員的正前方, 比較次要的控制器放在主控台的兩邊.
圖8-3給出了一個合乎邏輯的把控制器和顯示器分組的主控台的一個例子.
這些被推薦的原則看上去似乎是微不足道的, 但是我們應當記住長時間的單調的工作會使人產生疲勞, 這會降低人的警覺性, 增加人們犯錯誤的可能性. 在這種情況下, 顯示器和控制器合乎邏輯的安置可以使人的自動系統工作, 疲勞的操作者可以象條件反射那樣操作而不至於犯錯誤.
四. 控制器之間的距離
如果要自由地正確地操作控制器而不受附近控制器的影響, 控制器之間應當有一個最小的分開距離, 表8-1給出了各種類型的控制器之間最小的和最佳的分開距離.
表8-1. 相鄰控制器之間的距離 (單位: 毫米)
控制器 操作方式 最小距離 最佳距離
按鈕 一個指頭 20 50
肘節開關 一個指頭 25 50
主開關 一個手 50 100
兩個手 75 125
手輪 兩個手 75 125
旋鈕 一隻手 25 50
踏板 用同一隻腳 50 100
五. 阻力
操作控制器時應該有一定的阻力, 這樣可以使控制行為更準確, 不會由於手的顫抖或其他原因而不必要地把開關打開或關上. 下面是schmidtke推薦的各種控制器的阻力.
一隻手的旋轉 2.0-2.0Nm
用一隻手的壓力 10.0-15.0Nm
踏板的壓力 40.0-80.0Nm
有時為了區別某一控制器而故意採用高於上面阻力的值.
下列控制器比較適合不需要力量, 但精度要求較高的控制: 轉向開關, 手杠杆, 旋鈕.
六. 控制器設計的其他原則
只需要很小力量的控制器, 如按按鈕, 轉向開關, 小手柄, 旋鈕等. 所有這些控制器都可以用手指頭進行操作. 需要肌肉力量的控制器, 如手輪, 吊車, 重杠杆, 腳踏板等. 這些包括手或腳部大塊肌肉的運動.
要正確操作機器和儀器, 正確地設計和安置控制器是十分重要的, 應當遵循下列指南:
1. 控制器的設計應考慮人的四肢的骨胳及其功能. 手指和手應該用來作快速的準確的運動, 手臂和腳應該用來做需要力量的操作.
2. 手操作的控制器應該易於達到和抓起, 在肘高和肩高之間, 眼睛完全可以看到.
3. 控制器之間的距離應考慮到人的生理特性, 用指頭操作的旋鈕或開關之間的距離最小應為1.5釐米. 需要用整個手操作的控制器之間的距離應當不小於50釐米.
4. 按鈕, 反向開關, 旋鈕適合於只需要很少運動, 很小力, 高精度的操作,可以是連續性的, 也可以是間斷性的操作.
5. 長杠杆, 曲柄, 吊車, 手輪, 踏板等適合於用力, 運行距離較遠, 精度較低的控制.
第六節 各種控制器的設計
一. 用手或手指操作的按鈕
用手或手指操作的按鈕佔用的空間較小, 可以用顏色或其他標記把它們區別開來. 按鈕的表面應該要有足夠大, 使手或手指在施加壓力時不致于滑脫. 我們推薦的尺寸為:
直徑 12-15 毫米
單獨的緊急開關 30-40 毫米
移動距離 3-10 毫米
操作阻力 2.5-5N
用手指操作的按鈕的表面應該是稍微地凹進的, 而用手操作的按鈕的表面應該是象摩菇狀的. 這後者的尺寸應為:
直徑 60(毫米)
移動距離 10毫米
操作阻力 10N
二. 肘節開關
肘節開關容易看見, 操作比較可靠. 如果一個開關只有兩種狀態的話(開和關) 應優先採用這種開關. 如果幾個開關容易區別的話, 它們可以被並排地放在一起. 開關移動的方向應該是 直方向的, 在開關上應有"開"和"關"的標記, 因為在不同的國家, 開的位置在上還是在下是不確定的. 如果一個肘節開關有三種狀態, 那麼兩個相鄰狀態的位置應當間隔至少40度, 而且位置應當容易區別. 關於肘節開關的設計尺寸我們給出在圖8-4中.
圖8-4 肘節開關的尺寸
當肘節開關的操作杆長於50毫米時, 我們稱之為"手杠杆". 手杠杆需要比操作肘節開關的力大些. 這裡也是一樣, 運動的方向應該是向上或向下, 向前或向後. 當手杠杆不僅僅只有"開"或"關"兩個位置時, 每個位置應當有一個明顯的刻度, 如果用手杠杆可以進行很精確的控制, 那麼應對肘, 前臂, 或手腕提供支撐, 手杠杆根據功能的不同, 也可以有不同大小的按觸面:
用一個手指 直徑 20毫米
用手掌 直徑 30-40毫米
磨菇型 直徑 50毫米
三. 旋鈕
旋鈕可以有各種不同的形狀, 圓形的, 箭頭形的, 旋鈕和手杆的結合, 甚至在一個轉軸上有幾個旋鈕等等. 所有這些旋鈕都應該滿足這樣的條件: 使手握起來舒服, 容易轉動, 操作人員在操作過程中能夠始終看到. 旋轉開關應該比連續性的旋鈕的阻力大些, 這樣可使操作者感到開關所處的狀態. 我們推薦0.15Nm的阻力水準. 而且兩個相鄰位置的角度不應小於15度, 如果要完全憑感覺操作, 則角度應不小於30度.
沒有間斷的連續性旋鈕可以用來做比較精細的控制. 在不換手的情況下, 人一次可以旋轉120度. 如果可以換手, 那麼人可以在沒有困難的情況下轉更大的角度. 旋鈕可以用手指來控制, 也可以用整個手來控制. 旋鈕的表面若有些粗糙或有小槽對人的操作也是有説明的. 我們推薦下列尺寸:
用兩三個指頭 10-30毫米
用整個手 35-75毫米
手指控制的厚度 15-25毫米
手控制的厚度 30-50毫米
小旋鈕的最大力矩 0.8Nm
大旋鈕的最大力矩 3.2Nm
帶箭頭或有把的旋鈕有能夠迅速, 準確地讀數的優點, 手把的長度應為25-30毫米.
四. 曲柄
當需要在一個較大的範圍進行連續性的調整控制時, 用曲柄比較合適. 曲柄的進尺可大可小, 取決於所要求的精度. 手柄能繞軸旋轉的曲柄可以加快操作的速度, 但有固定手柄的曲柄的精度更高. 我們為此推薦以下尺寸:
小力矩時的手柄長度 60-120 毫米
大力矩時的手柄長度 150-220毫米
快速定位的手柄長度 <120 毫米
根據摩根的研究, 下面是曲柄半徑所對應的旋轉速度:
半徑(毫米) 20 50 120 240
旋轉速度(rmp) 270 255 185 140
因此, 旋轉的速度越慢, 曲柄的長度就越長, 反之也成立.
曲柄與操作阻力的關係為:
曲柄長度為240毫米 阻力為0.5-2.5Nm
曲柄長度為120毫米 阻力為3.0-4.0Nm
120毫米--240毫米是曲柄的理想長度. 在這一區間能進行很精確的控制.
曲柄手把的設計尺寸應為:
直徑 25-30毫米
一隻手操作的長度 80-120毫米
兩只手操作的長度 190-250毫米
五. 手輪
當需要較大的力量時, 我們推薦用手輪, 因為手輪允許兩手同時操作, 有一個相對較長的杠杆, 旋轉的速度也較慢, 手輪內緣的刻痕可使手輪被抓得很牢, 這樣使人的力使用的更有效些.
六. 踏板
踏板所需要的啟動力一般不超過100N, 雖然在農業, 建築業和工業中有些踏板的力超過100N. 汽車中的刹車也屬於踏板的範圍. 腳踏板很適合做這類工作, 因為人的腳可產生很大的壓力, 這個力可以高達2000N.
為了使腳能夠施實較大的力, 應當:
座椅有一個較高的靠背;
膝蓋成140-160度;
腳踝的角度為90-100度;
小腿的斜度為20-30度.
如果需要更大的力, 那麼就要用到整個大腿. 這時踏板的啟動力必須大於大腿的重量. 應該讓腳後跟使勁, 蹬踏的軸線應該在腳踝與後背支撐點的連線上.
下列尺寸推薦給重踏板的設計:
踏板移動的距離 50-150毫米
操作的最小阻力 60N
有些踏板, 如汽車的加速器, 只需要很小的壓力, 完全可以用腳掌來操作, 這類踏板的啟動阻力很低. 操作這類踏板時, 可把腳後跟放在地上, 把腳掌放在腳踏板的下半部. 下面是對這類踏板的推薦的尺寸.
踏板操作時移動的距離: 30毫米
踏板的最大角度 30度
踏板的最佳角度 15度
操作的阻力 30-50N
所有踏板的表面都應該不滑.
正如在表8-1中已經提到過的, 兩個連續的踏板之間的距離應該在50-100毫米之間. 在特殊的情況下, 如穿著很重的靴子, 距離應更大些.
腳踏板是用來在有很多控制行為的情況下用腳來分擔手的負擔, 但當人是在站著工作時, 應儘量避免用腳踏板. 在任何情況下, 腳踏板應當只有"開" 和"關"兩個狀態的操作. 笮*.
腳踏板是用來在有很多控制行為的情況下用腳來分擔手的負擔, 但當人是在站著工作時, 應儘量避免用腳踏板. 在任何情況下, 腳踏板應當只有"開" 和"關"兩個狀態的操作.
----- --------
請先 登入 以發表留言。